CN103395358B - 一种混合动力汽车的动力耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合动力汽车的动力耦合装置，第一差速器、第二差速器和第三差速器分别包括主动齿轮、被动齿轮、左半轴齿轮、右半轴齿轮、行星齿轮和行星架。发动机、第一电机和第一差速器的主动齿轮同轴连接，第一差速器的主动齿轮与被动齿轮啮合，第一差速器的左半轴齿轮和右半轴齿轮分别与第二差速器的主动齿轮、第三差速器的主动齿轮同轴连接。第二差速器的左半轴齿轮和第三差速器的右半轴齿轮分别与左车轮和右车轮连接。第二差速器的右半轴齿轮和第三差速器的左半轴齿轮通过轴连接，轴上还设有减速机构，第二电机通过减速机构与轴连接。本发明通过传统差速器实现了无级调速功能，可以最大程度的提高燃油经济性和排放性。

Description

一种混合动力汽车的动力耦合装置

技术领域

本发明属于汽车制造领域，涉及一种动力耦合装置，尤其涉及一种混合动力汽车的动力耦合装置。

背景技术

节能、环保和安全是当今世界的三大主题，随着汽车保有量的增加，给环境和能源带来了极大的压力，因此人们一直积极探索新型节能环保的研究和开发，纯电动汽车是传统汽车的理想替代品，但是受电池续驶里程和寿命等技术方面的限制，混合动力汽车是现阶段最好的替代品。

混合动力汽车包含两种或两种以上的动力源，布置方式各种各样，从能量流动方向分为串联式、并联式和混联式几种。

串联式主要由发动机、发电机和电动机组成，原动机一般为高效内燃机。发动机直接驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。电池在发动机输出和电动机需求功率间起到调峰调谷的作用。串联式可以使原动机在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，从而使复杂工况下系统的性能有所提高。但是串联式结构的燃油经济性还有待提高。这是因为虽然发动机的工况得到改善，但是发动机的输出功通过发电机、电池、控制器和电动机，在电能与机械能的转化过程中有效率损失，所以尽管整个驱动系统排放较低，但没有有效地提高效率，很难实现明显降低油耗目标。

并联式混合动力汽车发动机和驱动轮有机械连接，但是在发动机和驱动轮之间加入了发电机和电动机，两者既可以作为电动机又可以发电，当汽车加速、爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动系提供动力；一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度，加速时由电动机提供额外动力。与串联式相比，发动机的机械能可以直接驱动车辆行驶，中间没有能量转换，系统效率较高，燃油经济性较好。

混联式包含了串联和并联模式，根据不同工况需求切换串联和并联的工作模式，集成了两种模式的优点，所以具有很好的综合性能。但是，混联模式动力耦合装置多采用行星齿轮，或者添加变速箱、离合器和机械耦合装置，结构非常复杂，而且不能实现无级变速。此外，行星齿轮机构生产工艺要求较高，控制也较为复杂，难以实现。

发明内容

鉴于上述的现有技术中的问题，本发明通过采用传统差速器作为混合动力汽车动力耦合装置，实现了无级调速功能，合理的控制发动机和电机，可以最大程度的提高燃油经济性和排放性，并且由于差速器工艺成熟，成本较低。

为了实现上述的目的，本发明的技术方案为：

一种混合动力汽车的动力耦合装置，包括发动机、第一电机、第二电机、第一差速器、第二差速器、第三差速器、左车轮和右车轮，所述第一差速器、第二差速器和第三差速器分别包括主动齿轮、设于外壳的被动齿轮、左半轴齿轮、右半轴齿轮、行星齿轮和行星架，所述发动机、第一电机和第一差速器的主动齿轮同轴连接，所述第一差速器的主动齿轮与第一差速器的被动齿轮啮合，所述第一差速器的左半轴齿轮和右半轴齿轮分别与第二差速器的主动齿轮、第三差速器的主动齿轮同轴连接，所述第二差速器和第三差速器的主动齿轮分别与各自的被动齿轮啮合，所述第二差速器的左半轴齿轮和第三差速器的右半轴齿轮分别与左车轮和右车轮连接，所述第二差速器的右半轴齿轮和第三差速器的左半轴齿轮通过轴连接，所述轴上还设有减速机构，所述第二电机通过减速机构与所述轴连接。

优选的，所述减速机构包括第四齿轮和第五齿轮，所述第四齿轮设于所述轴上，所述第二电机与第五齿轮连接，所述第四齿轮和第五齿轮啮合。

优选的，还包括第一电机控制器和第二电机控制器，所述第一电机控制器和第二电机控制器分别与第一电机和第二电机连接。

优选的，所述第二电机和第五齿轮之间还设有电控制动器。

优选的，所述电控制动器上还设有控制开关。

优选的，还包括电池和电池BMS，所述电池BMS与所述电池连接。

优选的，还包括整车控制器和发动机ECU，所述整车控制器分别与所述发动机ECU、第一电机控制器、第二电机控制器和电池BMS连接。

相比于现有的技术，本发明的技术方案的优点有：

1、利用传统差速器作为混合动力汽车用的动力耦合装置，实现了混合动力汽车动力耦合：利用了差速器转速差速，转矩平均分配的原理，采用三个差速器，将发动机、两个电机有机的结合在一起，发动机动力输出用于驱动车辆行驶，两个电机相互协调对车辆进行调速，实现了车辆的无级调速功能，该设计方案大大简化了混合动力汽车动力耦合装置的设计，实现了低成本；

2、实现了车辆的无级调速，简化了整个变速系统，根据差速器原理，可以调节电机的转速、转矩使发动机可以工作在最佳效率点，与传统汽车变速箱相比，大大提高了燃油经济性和整车舒适性，由于消除了传统的变速箱机构，该系统可以做的很紧凑，方便整车布置；

3、该系统可以使电池SOC(剩余容量)保持在最佳工作范围，有效增加电池的使用寿命；

4、本发明中的差速器行星轮转速较低，有效的减少噪音，对差速器锥齿轮不需要特殊的加工工艺。

附图说明

图1是本发明的实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做具体阐释。

如图1中所示的本发明的实施例的一种混合动力汽车的动力耦合装置，包括发动机1、第一电机2、第二电机3、第一差速器4、第二差速器5、第三差速器6、左车轮7和右车轮8。第一差速器4、第二差速器5和第三差速器6分别包括主动齿轮、设于外壳的被动齿轮、左半轴齿轮、右半轴齿轮、行星齿轮和行星架。

发动机1、第一电机2和第一差速器的主动齿轮9同轴连接。第一差速器的主动齿轮9与第一差速器的被动齿轮10啮合。第一差速器的左半轴齿轮和右半轴齿轮分别与第二差速器的主动齿轮12、第三差速器的主动齿轮13同轴连接。第二差速器5和第三差速器6的主动齿轮分别与各自的被动齿轮啮合。第二差速器5的左半轴齿轮和第三差速器6的右半轴齿轮分别与左车轮7和右车轮8连接。

第二差速器5的右半轴齿轮和第三差速器6的左半轴齿轮通过轴14连接。轴14上还设有减速机构，减速机构包括第四齿轮15和第五齿轮16。第四齿轮15设于轴14上，第二电机3与第五齿轮16连接，第四齿轮15和第五齿轮16啮合。

本发明的实施例通过采用传统差速器作为混合动力汽车动力耦合装置，实现了无级调速功能，合理的控制发动机和电机，可以最大程度的提高燃油经济性和排放性，并且由于差速器工艺成熟，成本较低。

如图1中所示，在本发明的实施例中，该耦合装置采用了三个传统差速器，发动机1和电机MG1，即第一电机2同轴连接，并通过轴与第一差速器4主动齿轮9连接，主动齿轮9与固连于第一差速器4的外壳的第一差速器被动齿轮10啮合。第一差速器4左半轴齿轮通过轴固定连接一个齿轮，该齿轮作为第二差速器5主动齿轮12，与固连于第二差速器5外壳上的第二差速器被动齿轮啮合，第二差速器5左半轴齿轮与左车轮1连接。

同样的，第一差速器4右半轴齿轮通过轴连接一个齿轮，该齿轮即为第三差速器6主动齿轮13，并与外壳的第三差速器被动齿轮啮合，第三差速器6的右半轴齿轮与右车轮8连接。第二差速器5右半轴齿轮和第三差速器6的左半轴齿轮通过轴14固定连接在一起，在该轴14上固连第四齿轮15，该齿轮与第五齿轮16啮合构成一对减速机构，并连接一个电机MG2，即第二电机3。在第二电机3轴上可以选择性安装电控制动器17。电池18分别通过第一电机控制器19和第二电机控制器20与第一电机2和第二电机3连接。将发动机1安装在车辆底盘上，将MG1和MG2组装后安装在底盘上，安装MG1、MG2控制器以及电池18，并在MG2轴上安装电控制动器17和制动器控制开关。

设发动机1和电机MG1的转速为n_e；扭矩之和为T_e1；第一差速器外壳转速为n₀、左半轴转速为n₁、右半轴转速为n₂，转矩分别为T₀、T₁、T₂，减速比为k₁；第二差速器5外壳转速为n′₀、左半轴转速n_L、右半轴转速为n_Z，转矩分别为T₀’、T_L、T_Z，减速比为k₂；第三差速器6外壳转速为右半轴转速为n_R，转矩分别为T₀”、T_R，减速比为k₃(k₃＝k₂)。电机MG2转速为n_m。转矩为T_m。

根据差速器原理，转速和转矩满足

2n₀＝n₁+n₂；2n′₀＝n_L+n_z；2n″₀＝n_R+nz；

T₀＝T₁+T₂；T′₀＝T_L+T_z；T″₀＝T_z+T_R；

车辆直行时，带入各级差速比后可以得到

根据以上公式可以得到，发动机1和MG1的扭矩之和T_e1始终与MG2的扭矩T_m成比例变化。

在整车控制中需要安装发动机控制器(发动机ECU)、电机MG1和电机MG2控制器、电控制动器控制开关、电控油门踏板、电控制动踏板、电池管理系统(电池BMS)和整车控制器(VCU)。整车控制器VCU根据适时工况需求合理控制发动机、MG1、MG2以及制动器的开闭，从而使整车经济性达到最佳。

电控油门踏板和制动踏板的信号接入VCU，VCU根据油门踏板和制动踏板的信号控制发动机、MG1或者MG2的功率输出，各个部分的信号通过CAN线相互传输。

具体工况下控制方法：

发动机1启动时：电池18给电机MG1能量，MG1作为电机状态带动发动机1启动，MG2空转。

起步或轻负荷行驶：发动机1和MG1不运转，电池18给MG2能量，以纯电状态起步。

普通行车：发动机1在高效区工作，主要利用发动机1的动力行车。根据上面的公式知道，此时MG2必须给出相应的扭矩才能使车辆行驶，MG2作为发电机使用，MG1辅助发动机1驱动，此时MG2发电能量与MG1消耗功率相当。根据工况需求调整MG2的转速，就可以实现对车速的调节，实现无级变速。

加速或者爬坡：此时发动机1节气门全开，MG1和MG2从电池18吸收部分能量，和发动机1共同驱动车辆加速。

高速巡航：当车速较高时，电控制动器17制动将MG2锁止，此时发动机1直接驱动车辆行驶。根据工况变化，MG1可以小功率发电调整发动机1工作在最佳效率区。

减速或制动：发动机1转速下降，车轮反拖MG1和MG2进行发电。

倒车：倒车时，发动机1关闭，MG2反转驱动车辆，实现倒车；也可以发动机1运转通过MG2调速实现倒车功能。

在整个过程中，发动机1一直处于高效区工作，电池SOC值也一直保持在最佳工作区间内。整个系统由于该动力耦合装置高效的耦合在一起协调工作，有效的提高了燃油经济性和整车舒适性。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种混合动力汽车的动力耦合装置，其特征在于，包括发动机、第一电机、第二电机、第一差速器、第二差速器、第三差速器、左车轮和右车轮，所述第一差速器、第二差速器和第三差速器分别包括主动齿轮、设于外壳的被动齿轮、左半轴齿轮、右半轴齿轮、行星齿轮和行星架，所述发动机、第一电机和第一差速器的主动齿轮同轴连接，所述第一差速器的主动齿轮与第一差速器的被动齿轮啮合，所述第一差速器的左半轴齿轮和右半轴齿轮分别与第二差速器的主动齿轮、第三差速器的主动齿轮同轴连接，所述第二差速器和第三差速器的主动齿轮分别与各自的被动齿轮啮合，所述第二差速器的左半轴齿轮和第三差速器的右半轴齿轮分别与左车轮和右车轮连接，所述第二差速器的右半轴齿轮和第三差速器的左半轴齿轮通过轴连接，所述轴上还设有减速机构，所述第二电机通过减速机构与所述轴连接。

2.如权利要求1所述的混合动力汽车的动力耦合装置，其特征在于，所述减速机构包括第四齿轮和第五齿轮，所述第四齿轮设于所述轴上，所述第二电机与第五齿轮连接，所述第四齿轮和第五齿轮啮合。

3.如权利要求2所述的混合动力汽车的动力耦合装置，其特征在于，还包括第一电机控制器和第二电机控制器，所述第一电机控制器和第二电机控制器分别与第一电机和第二电机连接。

4.如权利要求3所述的混合动力汽车的动力耦合装置，其特征在于，所述第二电机和第五齿轮之间还设有电控制动器。

5.如权利要求4所述的混合动力汽车的动力耦合装置，其特征在于，所述电控制动器上还设有控制开关。

6.如权利要求5所述的混合动力汽车的动力耦合装置，其特征在于，还包括电池和电池BMS，所述电池BMS与所述电池连接。

7.如权利要求6所述的混合动力汽车的动力耦合装置，其特征在于，还包括整车控制器和发动机ECU，所述整车控制器分别与所述发动机ECU、第一电机控制器、第二电机控制器和电池BMS连接。