CN102897016A - 双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，包括驱传动子系统和电控子系统，所述的驱传动子系统包括发动机、ISG电机、双离合器自动变速器、两个轮毂电机和动力蓄电池组，分别与电控子系统连接，由电控子系统进行控制，所述的发动机的输出轴与ISG电机的转子连接，ISG电机经双离合器自动变速器与车辆的前轴连接，两个轮毂电机分别与车辆的两个后轮连接。与现有技术相比，本发明驱传动系统传动效率高、整体结构体积小，通过整车控制能够实现更好的换挡品质和纵向驾驶性能。

Description

双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统

技术领域

本发明涉及一种混合动力车辆，尤其是涉及一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统。

背景技术

混合动力汽车是现实可行且长远有效的节能环保方案，其研发涉及多项关键技术，动力传动装置及其控制就是其中之一。双离合器自动变速器(Dual ClutchTransmission，DCT)可利用其结构上的特点实现换挡过程的无动力中断并提高车辆的动力性能，因此基于双离合器变速的并联式或混联式混合动力系统新构型能够进一步提升混合动力汽车的换挡品质和纵向驾驶性能。

随着混合动力汽车的不断发展，其规模产业化也对混合动力系统的集成控制性能提出了更高的要求。为实现混合动力汽车工作模式切换及换挡过程协调发动机、驱动电机以及离合器等元件有序工作，进而保持动力传递的平稳性和车辆纵向驾驶性能，有必要实现传动控制和整车控制的有效集成。

四轮驱动混合动力汽车采用全轮驱动方案，与前轮驱动或后轮驱动方案相比，其具有更好的通过性、行驶稳定性及主动安全性。但四轮驱动混合动力汽车的工作模式较普通混合动力汽车更为多样，同时对动力传动系统和整车集成控制的要求更高。目前基于双离合器变速的四轮驱动混合动力汽车构型及集成控制的研究还比较欠缺。其中，中国专利公开号为CN201756055U的专利公开了一种四驱插电式混合动力汽车的传动系统，该方案所提出的传动装置使用双离合器自动变速器驱动前轴，却仍然保留电控离合器，没有合理地使用双离合器自动变速器自身固有的两组离合器，既提高了结构的复杂性，又降低了传动效率；其后轮驱动的实现主要靠与后轴相连的两个永磁电机，这种结构的设计使得必须保留必要的后驱动桥，无论是在结构上还是在整车布置上都更为复杂；更为重要的是，该方案未提出完整的动力传动系统及整车控制方案，而这恰是四驱混合动力汽车及其新型传动装置得以实施的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，该驱传动系统传动效率高、整体结构体积小，通过整车控制能够实现更好的换挡品质和纵向驾驶性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，包括驱传动子系统和电控子系统，所述的驱传动子系统包括发动机、ISG电机、双离合器自动变速器、两个轮毂电机和动力蓄电池组，分别与电控子系统连接，由电控子系统进行控制，所述的发动机的输出轴与ISG电机的转子连接，ISG电机经双离合器自动变速器与车辆的前轴连接，两个轮毂电机分别与车辆的两个后轮连接。

所述的电控子系统包括变速及车辆控制集成电控单元(Transmission andHybrid Control Unit，THCU)、发动机电控单元、ISG电机驱动控制器、轮毂电机驱动控制器、蓄电池管理单元，所述的变速及车辆控制集成电控单元通过CAN总线分别与发动机电控单元、ISG电机驱动控制器、轮毂电机驱动控制器和蓄电池管理单元连接，所述的发动机电控单元连接发动机，用于控制发动机的转速及输出转矩，所述的ISG电机驱动控制器连接ISG电机，用于控制ISG电机进行快速起动、辅助驱动前轮、驱动发电和回收制动能量，所述的轮毂电机驱动控制器连接轮毂电机，用于控制轮毂电机对后轮进行驱动并回收制动能量，所述的蓄电池管理单元连接动力蓄电池组，用于动力蓄电池组充电和供电的控制。

所述的双离合器自动变速器经差速器连接在车辆的前轴上，所述的发动机和ISG电机组成的驱动总成通过双离合器自动变速器对设在前轴上的前轮进行驱动。

所述的ISG电机和两个轮毂电机介入双离合器自动变速器的换挡过程，对换挡过程进行辅助控制。

所述的动力蓄电池组分别与连接ISG电机驱动控制器和轮毂电机驱动控制器，通过ISG电机驱动控制器和轮毂电机驱动控制器，由ISG电机获取电能，并向轮毂电机输出电能。

所述的变速及车辆控制集成电控单元根据外部输入对发动机电控单元、ISG电机驱动控制器、轮毂电机驱动控制器和蓄电池管理单元进行控制。

所述的外部输入包括驾驶操作指令、车速及路况信息。

该驱传动系统可在多种工作模式下运行，包括：

发动机驱动模式，由发动机单独进行车辆的驱动，并在动力蓄电池组的充电状态小于预设值时，对其进行充电；

纯电动驱动模式，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个进行车辆的驱动；

串联驱动模式，由发动机将输出的全部功率通过ISG电机为动力蓄电池组进行充电，动力蓄电池组将电功率输出至轮毂电机，由轮毂电机进行车辆的驱动；

并联驱动模式，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个与发动机共同进行车辆的驱动；

再生制动模式，用于车辆制动时，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个在车辆制动时对制动能量进行回收；

停车充电模式，由发动机将输出的全部功率通过ISG电机为动力蓄电池组进行充电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)在混合动力汽车传动装置中引入双离合器自动变速器，可以省去传统自动变速装置中电控离合器(或液力变矩器)等部件，降低结构复杂性，同时利用双离合自动变速器无换档动力中断的特点，可有效提升混合动力汽车的换挡品质；

2)采用集成双离合器自动变速器控制功能的整车电控系统，便于在同一硬件平台下开发并验证整车与传驱动系统协调控制策略；

3)采用发动机+ISG电机+双离合器自动变速器驱动前轮，轮毂电机驱动后轮的混合动力四驱方案，根据行驶工况和驾驶需要，能在多种工作模式下运行，工作模式包括：发动机驱动模式、纯电动驱动模式、串联驱动模式、并联驱动模式、混联模式、再生制动模式及停车充电模式等。多种工作模式的使用能够有效提高车辆的燃油经济性，并降低排放。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为发动机单独驱动模式下的能量传递路径示意图；

图3为发动机单独驱动且ISG电机充电模式下的能量传递路径示意图；

图4为纯电动驱动模式(ISG电机单独驱动)下的能量传递路径示意图；

图5为纯电动驱动模式(轮毂电机单独驱动)下的能量传递路径示意图；

图6为纯电动驱动模式(ISG电机+轮毂电机驱动)下的能量传递路径示意图；

图7为串联驱动模式下的能量传递路径示意图；

图8为并联驱动模式(ISG电机辅助前轮混合动力驱动)下的能量传递路径示意图；

图9为并联驱动模式(轮毂电机辅助后轮混合动力驱动)下的能量传递路径示意图；

图10为并联驱动模式(ISG电机辅助前轮+轮毂电机辅助后轮混合动力驱动)下的能量传递路径示意图；

图11为混联驱动模式下的能量传递路径示意图；

图12为再生制动模式(ISG电机前轮再生制动)下的能量传递路径示意图；

图13为再生制动模式(轮毂电机后轮再生制动)下的能量传递路径示意图；

图14为再生制动模式(ISG电机前轮再生制动+轮毂电机后轮再生制动)下的能量传递路径示意图；

图15为停车充电模式下的能量传递路径示意图；

图中标号说明：

1-发动机2-ISG电机3-双离合器自动变速器4-差速器5-ISG电机驱动控制器6-动力蓄电池组7-轮毂电机驱动控制器8-轮毂电机9-蓄电池管理单元10-前轴11-变速及车辆控制集成电控单元12-发动机电控单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，包括驱传动子系统和电控子系统。驱传动子系统包括发动机1、ISG电机2、双离合器自动变速器3、两个轮毂电机8和动力蓄电池组6，所述的电控子系统包括变速及车辆控制集成电控单元11、发动机电控单元12、ISG电机驱动控制器5、轮毂电机驱动控制器7、蓄电池管理单元9。

发动机11的输出轴与ISG电机2的转子连接，ISG电机2的输出轴与双离合器自动变速器3输入轴相连，双离合器自动变速器3的输出轴经差速器4连接在前轴10上，发动机和ISG电机组成的驱动总成通过双离合器自动变速器对设在前轴上的前轮进行驱动。两个轮毂电机8与两后轮连接，动力蓄电池组6分别与ISG电机驱动控制器5、轮毂电机驱动控制器7相连，在ISG电机驱动控制器5和轮毂电机驱动控制器7的控制下，ISG电机2及轮毂电机8均可作为发电机或电动机，为动力蓄电池组6提供电能或者由动力蓄电池组6获取电能。

变速及车辆控制集成电控单元11通过CAN总线分别与发动机电控单元12、ISG电机驱动控制器5、轮毂电机驱动控制器7和蓄电池管理单元9连接。变速及车辆控制集成电控单元11根据驾驶操作指令、车速及路况信息等外部输入对发动机电控单元12、ISG电机驱动控制器5、轮毂电机驱动控制器7和蓄电池管理单元9进行控制。

发动机电控单元12连接发动机1，用于控制发动机1的转速及输出转矩，ISG电机驱动控制器5连接ISG电机2，用于控制ISG电机2进行快速起动、辅助驱动前轮、驱动发电和回收制动能量，轮毂电机驱动控制器7连接轮毂电机8，用于控制轮毂电机8对后轮进行驱动并回收制动能量，蓄电池管理单元9连接动力蓄电池组6，用于动力蓄电池组6充电和供电的控制。此外，在电控子系统的控制下，ISG电机2和两个轮毂电机8可以介入双离合器自动变速器3的换挡过程，对换挡过程进行辅助控制，提高换挡品质。

该驱传动系统可根据行驶工况和驾驶需要，在多种工作模式下运行，具体的工作模式包括以下几种：

图2至图3所示为发动机驱动模式，当发动机输出功率足够满足车辆需求功率启动该模式，由发动机单独进行车辆的驱动，并在动力蓄电池组的充电状态小于预设值时，对其进行充电。该模式分为两种情况，分别为：发动机单独驱动、发动机驱动且ISG电机充电。

(1)发动机单独驱动模式，当驾驶员扭矩需求大于发动机经济区域的最小扭矩，并且小于发动机经济区域的最大扭矩，且蓄电池SOC(state of charge，充电状态)值在正常工作范围内时，进入该模式。在该模式下，类似普通前置前驱车辆，发动机1输出全部机械功率经ISG电机2输送给双离合器自动变速器3，再经差速器4驱动前轴10，进而驱动前轮。其能量传递路径示意图如图2所示。

(2)发动机单独驱动且ISG充电模式，当发动机输出功率足够满足车辆需求功率且动力蓄电池组6的SOC值小于所允许的最小值时，启动该模式。在该模式下，发动机1输出部分机械功率经ISG电机2输送给双离合器自动变速器3，再经差速器4驱动前轴10，进而驱动前轮；同时，发动机1输出其余部分机械功率给ISG电机2，ISG电机2将机械能转化为电能并将电功率输送给动力蓄电池组6充电。其能量传递路径示意图如图3所示。

图4至图6所示为纯电动驱动模式，只有在动力蓄电池组6有足够的能量的情况下才可以采用纯电动驱动模式，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个进行车辆的驱动。该模式分为三种情况，分别为：ISG电机单独驱动、轮毂电机单独驱动、ISG电机与轮毂电机四轮驱动模式。

(1)ISG电机单独驱动模式，在汽车起步或低速行驶时，驾驶员需求扭矩小于发动机经济区域的最小扭矩，且蓄电池SOC大于所允许的最小值，若需求前轮驱动，则进入该模式。在该模式下，发动机1和后轮轮毂电机8不输出驱动力矩，只由ISG电机2通过驱动前轮来驱动车辆。动力蓄电池组6将电功率输出给ISG电机2，经电机转化为机械功率，ISG电机2输出的转矩经双离合器自动变速器3、差速器4、传递至前轴10，驱动前轮。其能量传递路径示意图如图4所示。

(2)轮毂电机单独驱动模式，在汽车起步或低速行驶时，驾驶员需求扭矩小于发动机经济区域的最小扭矩，且蓄电池SOC大于所允许的最小值，若需求后轮驱动，则进入该模式。在该模式下，发动机1和ISG电机2不输出驱动力矩，只由两后轮轮毂电机8驱动后轮来驱动车辆。动力蓄电池组6将电功率输出给轮毂电机8，经电机转化为机械功率，轮毂电机8输出的转矩直接驱动后轮。其能量传递路径示意图如图5所示。

(3)ISG电机与轮毂电机四轮驱动模式，若ISG电机或轮毂电机单独驱动功率不足，不能实现纯电动模式下的前轮或后轮单独驱动，则启动ISG电机与轮毂电机四轮驱动模式。在该模式下，发动机1不输出驱动力矩，由ISG电机2驱动前轮、轮毂电机8驱动后轮来实现纯电动模式下的四轮驱动。动力蓄电池组6将电功率输出给ISG电机2与轮毂电机8，经电机转化为机械功率，ISG电机2输出的转矩经双离合器自动变速器3、差速器4传递至前轴10，驱动前轮。轮毂电机8输出的转矩直接驱动后轮。其能量传递路径示意图如图6所示。

图7所示的为串联驱动模式，当动力蓄电池组6的电量SOC值小于所允许的最小值时启动串联模式，在该模式下，发动机1输出全部机械功率给ISG电机2，ISG电机2将机械能转化为电能并将电能输送给动力蓄电池组6充电。动力蓄电池组6将电功率输出给两轮毂电机8，经电机转化为机械功率，驱动车辆。其能量传递路径示意图如图7所示。

图8至图10所示为并联驱动模式，当车辆需求功率较大且动力蓄电池组6的电量充足时启动并联模式，由发动机将输出的全部功率通过ISG电机为动力蓄电池组进行充电，动力蓄电池组将电功率输出至轮毂电机，由轮毂电机进行车辆的驱动。该模式分为三种情况，ISG电机辅助前轮混合驱动、轮毂电机辅助后轮混合驱动、ISG电机辅助前轮与轮毂电机辅助后轮全混合驱动模式。

(1)ISG电机辅助前轮混合驱动模式，当加速时，驾驶员扭矩需求大于发动机单独驱动的最大扭矩，且蓄电池SOC值大于所允许的最小值时，ISG电机提供辅助功率，与发动机一起驱动，进入ISG电机辅助前轮混合驱动模式。在该模式下，发动机1输出全部机械功率经ISG电机2输送给双离合器自动变速器3，再经差速器4驱动前轴，进而驱动前轮；动力蓄电池组6将电功率输出给ISG电机2，经电机转化为机械功率，与发动机1进行动力耦合，共同驱动前轮。其能量传递路径示意图如图8所示。

(2)轮毂电机辅助后轮混合驱动模式，在加速时，驾驶员扭矩需求大于发动机单独驱动的最大扭矩，且蓄电池SOC值大于所允许的最小值时，轮毂电机提供辅助功率，与发动机一起驱动，进入轮毂电机辅助后轮混合驱动模式。在该模式下，发动机1输出全部机械功率经ISG电机2输送给双离合器自动变速器3，再经差速器4驱动前轴，进而驱动前轮；动力蓄电池组6将电功率输出给两后轮轮毂电机8，经电机转化为机械功率，驱动后轮，实现四轮驱动车辆。其能量传递路径示意图如图9所示。

(3)ISG电机辅助前轮与轮毂电机辅助后轮全混合驱动模式，当急加速时，驾驶员扭矩需求大于发动机单独运行的最大扭矩，且蓄电池SOC值大于所允许的最小值时，轮毂电机、ISG电机共同提供辅助功率，与发动机一起驱动，进入全混合驱动模式。在该模式下，发动机1输出全部机械功率经ISG电机2输送给双离合器自动变速器3，再经差速器4驱动前轴，进而驱动前轮；动力蓄电池组6将电功率输出给ISG电机2与两后轮轮毂电机8，经电机转化为机械功率，ISG电机的机械功率与发动机1进行动力耦合，共同驱动前轮，轮毂电机驱动后轮，实现四轮驱动车辆。其能量传递路径示意图如图10所示。

图11所示为混联驱动模式，当车辆需求功率较大且电池6的电量较低时启动混联模式。在该模式下，发动机1输出部分机械功率经ISG电机2输送给双离合器自动变速器3，再经差速器4驱动前轮，同时，发动机1输出其余部分机械功率给ISG电机2，ISG电机2将机械能转化为电能并将电能输送给动力蓄电池组6充电；动力蓄电池组6将电功率输出给两轮毂电机8，经电机转化为机械功率，驱动后轮，实现四轮驱动车辆。其能量传递路径示意图如图11所示。

图12至图14所示为再生制动模式，当车辆在进行制动时启动再生制动模式，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个在车辆制动时对制动能量进行回收。该模式分为三种情况，分别为：前轮ISG电机单独再生制动模式、后轮轮毂电机单独再生制动模式、ISG电机与轮毂电机复合再生制动模式。

(1)前轮ISG电机单独再生制动模式，在该模式下，ISG电机2通过前轮回收制动能量，电机将制动的机械能转变为电能，并将电能输给动力蓄电池组6，给动力蓄电池组6充电，实现能量回收。其能量传递路径示意图如图12所示。

(2)后轮轮毂电机单独再生制动模式，在该模式下，两轮毂电机8通过后轮回收制动能量，电机将制动的机械能转变为电能，并将电功率输送给动力蓄电池组6，给动力蓄电池组6充电，实现能量回收。其能量传递路径示意图如图13所示。

(3)ISG电机与轮毂电机复合再生制动模式，在该模式下，ISG电机2通过前轮回收制动能量，两轮毂电机8通过后轮回收制动能量，电机将制动的机械能转变为电能，并将电能输送给动力蓄电池组6，给动力蓄电池组6充电，实现能量回收。其能量传递路径示意图如图14所示。

图15所示为停车充电模式。当停车且动力蓄电池组6的电量较低时，启动该模式，在该模式下，发动机1输出全部机械功率给ISG电机2，ISG电机2将机械能转化为电能并将电能输送给动力蓄电池组6充电。

Claims (8)

1.一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，包括驱传动子系统和电控子系统，其特征在于，所述的驱传动子系统包括发动机、ISG电机、双离合器自动变速器、两个轮毂电机和动力蓄电池组，分别与电控子系统连接，由电控子系统进行控制，所述的发动机的输出轴与ISG电机的转子连接，ISG电机经双离合器自动变速器与车辆的前轴连接，两个轮毂电机分别与车辆的两个后轮连接。

2.根据权利要求1所述的一种双离合器变速四轮驱动混合动力驱传动系统，其特征在于，所述的电控子系统包括变速及车辆控制集成电控单元、发动机电控单元、ISG电机驱动控制器、轮毂电机驱动控制器、蓄电池管理单元，所述的变速及车辆控制集成电控单元通过CAN总线分别与发动机电控单元、ISG电机驱动控制器、轮毂电机驱动控制器和蓄电池管理单元连接，所述的发动机电控单元连接发动机，用于控制发动机的转速及输出转矩，所述的ISG电机驱动控制器连接ISG电机，用于控制ISG电机进行快速起动、辅助驱动前轮、驱动发电和回收制动能量，所述的轮毂电机驱动控制器连接轮毂电机，用于控制轮毂电机对后轮进行驱动并回收制动能量，所述的蓄电池管理单元连接动力蓄电池组，用于动力蓄电池组充电和供电的控制。

3.根据权利要求1所述的一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，其特征在于，所述的双离合器自动变速器经差速器连接在车辆的前轴上，所述的发动机和ISG电机组成的驱动总成通过双离合器自动变速器对设在前轴上的前轮进行驱动。

4.根据权利要求1所述的一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，其特征在于，所述的ISG电机和两个轮毂电机介入双离合器自动变速器的换挡过程，对换挡过程进行辅助控制。

5.根据权利要求2所述的一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，其特征在于，所述的动力蓄电池组分别与ISG电机驱动控制器和轮毂电机驱动控制器连接，通过ISG电机驱动控制器和轮毂电机驱动控制器，由ISG电机和轮毂电机输入或输出电能。

6.根据权利要求2所述的一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，其特征在于，所述的变速及车辆控制集成电控单元集成了对双离合器变速器和整车的控制功能，可以根据外部输入对双离合器变速器、发动机电控单元、ISG电机驱动控制器、轮毂电机驱动控制器和蓄电池管理单元进行控制。

7.根据权利要求6所述的一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，其特征在于，所述的外部输入包括驾驶操作指令、车速及路况信息。

8.根据权利要求2所述的一种双离合器变速四轮驱动混合动力车辆的驱传动及控制系统，其特征在于，该驱传动系统可在多种工作模式下运行，包括：

发动机驱动模式，由发动机单独进行车辆的驱动，并在动力蓄电池组的充电状态小于预设值时，对其进行充电；

纯电动驱动模式，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个进行车辆的驱动；

串联驱动模式，由发动机将输出的全部功率通过ISG电机为动力蓄电池组进行充电，动力蓄电池组将电功率输出至轮毂电机，由轮毂电机进行车辆的驱动；

并联驱动模式，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个与发动机共同进行车辆的驱动；

混联驱动模式，由发动机将输出的部分功率通过ISG电机为动力蓄电池组进行充电，动力蓄电池组将电功率输出至轮毂电机，由轮毂电机驱动后轮，发动机输出的另一部分功率经ISG电机输送至双离合器自动变速器，再经差速器驱动前轮；

再生制动模式，用于车辆制动时，由ISG电机和轮毂电机中的至少一个在车辆制动时对制动能量进行回收；

停车充电模式，由发动机将输出的全部功率通过ISG电机为动力蓄电池组进行充电。

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