CN103434383A - 混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法，包括发动机，该发动机通过第一电机与第一主减速器连接，该第一主减速器与差速器连接，差速器分别与第二主减速器的主动齿轮和第三主减速器的主动齿轮连接，第二主减速器的主动齿轮与第一行星齿轮机构连接，该第一行星齿轮机构带动左车轮，第三主减速器的主动齿轮与第二行星齿轮机构连接，该第二行星齿轮机构带动右车轮。采用了该结构的混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法，利用传统差速器和行星齿轮机构作为混合动力汽车用的动力耦合装置，该耦合装置实现车辆的无级调速，大大提高了燃油经济性和整车舒适性，消除了传统的变速箱机构，有效增加电池的使用寿命，有效控制成本。

Description

混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法

技术领域

本发明涉及车辆动力装置技术领域，特别涉及混合动力汽车的动力装置技术领域，特别是指一种混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法。

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。现在市场上大部分动力耦合装置改装的传统变速箱或者加装行星齿轮等结构，结构复杂，体积较大。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种可实现无级调速、提高燃油经济性和排放性、对于行星齿轮转速要求低、对于齿轮加工精度要求低、成本较低的混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法。

为实现上述的目的，本发明的混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法采用以下技术方案：

该混合动力汽车的变速箱，其主要特点是，包括发动机，该发动机通过第一电机与第一主减速器连接，该第一主减速器与差速器连接，所述的差速器分别与第二主减速器的主动齿轮和第三主减速器的主动齿轮连接；

所述的第二主减速器的主动齿轮与第一行星齿轮机构连接，该第一行星齿轮机构带动左车轮，所述的第三主减速器的主动齿轮与第二行星齿轮机构连接，该第二行星齿轮机构带动右车轮；

所述的第一行星齿轮机构的太阳轮和所述的第二行星齿轮机构的太阳轮均与轴固定连接，该轴通过第四主减速器与第二电机连接，所述的第一电机和所述的第二电机均与电池连接。

该混合动力汽车的变速箱中的第一主减速器包括相互啮合的第一主减速器的主动齿轮和第一主减速器的被动齿轮，该第一主减速器的被动齿轮与所述的差速器的外壳固定连接。

该混合动力汽车的变速箱中的左半轴与所述的第二主减速器的主动齿轮同步转动，该第二主减速器的主动齿轮与第二主减速器的被动齿轮啮合，该第二主减速器的被动齿轮与所述的第一行星齿轮机构的外圈固定连接，第一行星齿轮机构的保持架与所述的左车轮固定连接。

该混合动力汽车的变速箱中的右半轴与所述的第三主减速器的主动齿轮同步转动，该第三主减速器的主动齿轮与第三主减速器的被动齿轮啮合，该第三主减速器的被动齿轮与所述的第二行星齿轮机构的外圈固定连接，第三行星齿轮机构的保持架与所述的右车轮固定连接。

该混合动力汽车的变速箱中的第二主减速器的主动齿轮和所述的第二主减速器的被动齿轮形成所述的第二主减速器；所述的第三主减速器的主动齿轮和所述的第二主减速器的被动齿轮形成所述的第三主减速器。

该混合动力汽车的变速箱中的轴与第四主减速器的主动齿轮固定连接，该第四主减速器的主动齿轮与第四主减速器的被动齿轮啮合，所述的第四主减速器的被动齿轮通过电控制动器与所述的第二电机连接。

该混合动力汽车的变速箱中的第一电机通过第一电机控制器与所述的电池连接；所述的第二电机通过第二电机控制器与所述的电池连接。

该实现混合动力汽车的控制方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

（A）判断车辆的实时行驶状态；

（B）根据车辆的实时行驶状态，进行发动机、第一电机和第二电机的工作状态切换控制：

（a）当车辆处于启动起步状态时，所述的发动机处于启动状态，且所述的第一电机带动所述的发动机启动；

（b）当车辆处于轻负荷行驶状态时，以纯电动状态行驶；

（c）当车辆处于普通行驶状态时，发动机驱动车辆，所述的第一电机辅助发动机驱动，所述的第二电机进行车速的无级调速；

（d）当车辆处于加速或者爬坡状态时，所述的第一电机、所述的第二电机和所述的发动机（1）共同驱动车辆；

（e）当车辆的行驶速度达到或超过系统预设的速度阈值时，则处于高速状态，所述的发动机（1）驱动车辆；

（f）当车辆处于减速或制动状态时，车辆进入回馈模式；

（g）当车辆处于倒车状态时，所述的第二电机驱动车辆；或者，所述的发动机驱动车辆，所述的第二电机进行调速。

该控制方法中车辆处于轻负荷行驶状态时以纯电动状态行驶，包括以下步骤：

（b1）所述的发动机和所述的第一电机停止运转；

（b2）所述的电池为所述的第二电机提供电能。

该控制方法中的步骤e中的发动机驱动车辆，包括以下步骤：

（e1）所述的电控制动器将所述的第二电机锁止；

（e2）所述的第一电机调节所述的发动机。

该控制方法中的步骤f中的车辆进入回馈模式，包括以下步骤：

（f1）所述的发动机的转速降低；

（f2）车辆的车轮反拖所述的第一电机（2）和所述的第二电机（11）进行发电。

采用了该混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法，具有以下有益效果：

1、利用传统差速器和行星齿轮机构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，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，第一电机和第二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、该耦合装置实现车辆的无级调速，简化了整个变速系统，根据差速器和行星齿轮机构原理，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（电池荷电状态）保持在最佳工作范围，有效增加电池的使用寿命。

4、该动力耦合装置中行星齿轮转速较低，有效的减少噪音，对差速器锥齿轮和行星齿轮不需要特殊的加工工艺，可以有效的控制成本。

附图说明

图1和图2均为本发明的变速箱的结构示意图。

具体实施方式

为了能更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1和图2，该混合动力汽车的变速箱，包括发动机1，该发动机1通过第一电机2与第一主减速器A连接，该第一主减速器A与差速器3连接，差速器3分别与第二主减速器的主动齿轮4和第三主减速器的主动齿轮5连接，

第二主减速器的主动齿轮4与第一行星齿轮机构B连接，该第一行星齿轮机构B带动左车轮6，第三主减速器的主动齿轮5与第二行星齿轮机构C连接，该第二行星齿轮机构C带动右车轮7，

第一行星齿轮机构B的太阳轮和第二行星齿轮机构C的太阳轮均与轴10固定连接，该轴10通过第四主减速器D与第二电机11连接，第一电机2和第二电机11均与电池12连接。

该混合动力汽车的变速箱中的第一主减速器A包括相互啮合的第一主减速器的主动齿轮13和第一主减速器的被动齿轮14，该第一主减速器的被动齿轮14与差速器3的外壳固定连接。

该混合动力汽车的变速箱中的左半轴31与第二主减速器的主动齿轮4同步转动，该第二主减速器的主动齿轮4与第二主减速器的被动齿轮8啮合，该第二主减速器的被动齿轮8与第一行星齿轮机构B的外圈固定连接，第一行星齿轮机构的保持架15与左车轮6固定连接。

该混合动力汽车的变速箱中的右半轴32与第三主减速器的主动齿轮5同步转动，该第三主减速器的主动齿轮5与第三主减速器的被动齿轮9啮合，该第三主减速器的被动齿轮9与第二行星齿轮机构C的外圈固定连接，第三行星齿轮机构的保持架16与右车轮7固定连接。

该混合动力汽车的变速箱中的第二主减速器的主动齿轮4和第二主减速器的被动齿轮8形成第二主减速器E；第三主减速器的主动齿轮5和第二主减速器的被动齿轮9形成第三主减速器F。

该混合动力汽车的变速箱中的轴10与第四主减速器的主动齿轮17固定连接，该第四主减速器的主动齿轮17与第四主减速器的被动齿轮18啮合，第四主减速器的被动齿轮18通过电控制动器19与第二电机11连接。

该混合动力汽车的变速箱中的第一电机2通过第一电机控制器21与电池12连接；第二电机11通过第二电机控制器20与电池12连接。

该实现混合动力汽车的控制方法，包括以下步骤：

（A）判断车辆的实时行驶状态；

（B）根据车辆的实时行驶状态，进行发动机、第一电机和第二电机的工作状态切换控制：

（a）当车辆处于启动起步状态时，发动机1处于启动状态，且第一电机2电机带动发动机1启动，第二电机11空转；

（b）当车辆处于轻负荷行驶状态时，以纯电动状态行驶；

（c）当车辆处于普通行驶状态时，发动机1驱动车辆，发动机1在高效区工作，主要利用发动机1的动力行车，第一电机2辅助发动机驱动，第二电机11作为发电机使用，第二电机11发电能量与MG1消耗功率相当，根据工况调整第二电机11的转速，实现第二电机11进行车速的无级调速；

（d）当车辆处于加速或者爬坡状态时，发动机1节气门全开，第一电机2和第二电机11从电池12吸收能量，第一电机2、第二电机11和发动机1共同驱动车辆，；

（e）当车辆的行驶速度达到或超过系统预设的速度阈值时，则处于高速状态，发动机1驱动车辆；

（f）当车辆处于减速或制动状态时，车辆进入回馈模式；

（g）当车辆处于倒车状态时，第二电机11驱动车辆；或者，发动机1驱动车辆，第二电机11进行调速。

该控制方法中车辆处于轻负荷行驶状态时以纯电动状态行驶，包括以下步骤：

（b1）发动机1和第一电机2停止运转；

（b2）电池12为第二电机11提供电能。

该控制方法中的步骤e中的发动机驱动车辆，包括以下步骤：

（e1）电控制动器19将第二电机11锁止；

（e2）第一电机2调节发动机1，第一电机2小功率调节发动机1工作在最佳效率区。

该控制方法中的步骤f中的车辆进入回馈模式，包括以下步骤：

（f1）发动机1的转速降低；

（f2）车辆的车轮反拖所述的第一电机（2）和所述的第二电机（11）进行发电。

设发动机和第一电机的转速为n_e，转矩为T_e；差速器外壳转速为n₀，转矩为T₀，差速器左半轴转速为n₁，转矩为T₁，右半轴转速为n₂，转矩为T₂，第一主减速器减速比为k₁；第一行星齿轮机构的齿圈转速为n′₀，转矩为T′₀；第二行星齿轮机构的保持架的转速，即左半轴转速为n_L，转矩为T_L，太阳轮转速为n_z，太阳轮转矩为T_z，第二主减速器的减速比为k₂；行星齿轮机构2齿圈转速为n′′₀，转矩为T′₀，第二行星齿轮机构的保持架，即右半轴转速为n_R,转矩为T_R，主减速器3的减速比为k₃(k₃=k₂)；第二转速为n_m，第二电机的减速齿轮传动比为k₄。第一行星齿轮机构的齿圈和太阳轮的齿数比为i_g，由于第二行星齿轮机构与第一行星齿轮机构完全相同，所以第二行星齿轮机构齿圈与太阳轮齿数比也为i_g。

根据差速器原理和行星齿轮机构的原理，转速和转矩满足

2n₀＝n₁+n₂；

T₀＝T₁+T₂；

n_z+i_gn′₀-(1+i_g)n_L＝0；

$T_0^{\′}=-(1+i_g)T_Z=-\frac{1+i_g}{i_g}{T}_L;$

车辆直行时，带入各级差速比后可以得到

$T_e=-\frac{{2k}_4(1+i_g)}{k_1{k}_2}{T}_m;$

根据以上公式可以得到，发动机和第一电机的扭矩之和T_e始终与第二电机的扭矩T_m成比例变化。

在整车控制中需要安装发动机控制器（ECU）、第一电机控制器21、第二电机控制器20、电控制动器控制开关、离合器控制器、电控油门踏板、电控制动踏板、电池管理系统（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1、第一电机2、第二电机11以及电控制动器19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1、第一电机2或者第二电机11的功率输出，各个部分的信号通过CAN线相互传输。

采用了该混合动力汽车的变速箱及相应的控制方法，具有以下有益效果：

1、利用传统差速器和行星齿轮机构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，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，第一电机和第二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、该耦合装置实现车辆的无级调速，简化了整个变速系统，根据差速器和行星齿轮机构原理，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（电池荷电状态）保持在最佳工作范围，有效增加电池的使用寿命。

4、该动力耦合装置中行星齿轮转速较低，有效的减少噪音，对差速器锥齿轮和行星齿轮不需要特殊的加工工艺，可以有效的控制成本。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (11)

1.一种混合动力汽车的变速箱，其特征在于，包括发动机（1），该发动机（1）通过第一电机（2）与第一主减速器（A）连接，该第一主减速器（A）与差速器（3）连接，所述的差速器（3）分别与第二主减速器的主动齿轮（4）和第三主减速器的主动齿轮（5）连接；

所述的第二主减速器的主动齿轮（4）与第一行星齿轮机构（B）连接，该第一行星齿轮机构（B）带动左车轮（6），所述的第三主减速器的主动齿轮（5）与第二行星齿轮机构（C）连接，该第二行星齿轮机构（C）带动右车轮（7）；

所述的第一行星齿轮机构（B）的太阳轮和所述的第二行星齿轮机构（C）的太阳轮均与轴（10）固定连接，该轴（10）通过第四主减速器（D）与第二电机（11）连接，所述的第一电机（2）和所述的第二电机（11）均与电池（12）连接。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车的变速箱，其特征在于，所述的第一主减速器（A）包括相互啮合的第一主减速器的主动齿轮（13）和第一主减速器的被动齿轮（14），该第一主减速器的被动齿轮（14）与所述的差速器（3）的外壳固定连接。

3.根据权利要求2所述的混合动力汽车的变速箱，其特征在于，差速器的左半轴（31）与所述的第二主减速器的主动齿轮（4）同步转动，该第二主减速器的主动齿轮（4）与第二主减速器的被动齿轮（8）啮合，该第二主减速器的被动齿轮（8）与所述的第一行星齿轮机构（B）的外圈固定连接，第一行星齿轮机构的保持架（15）与所述的左车轮（6）固定连接。

4.根据权利要求3所述的混合动力汽车的变速箱，其特征在于，差速器的右半轴（32）与所述的第三主减速器的主动齿轮（5）同步转动，该第三主减速器的主动齿轮（5）与第三主减速器的被动齿轮（9）啮合，该第三主减速器的被动齿轮（9）与所述的第二行星齿轮机构（C）的外圈固定连接，第三行星齿轮机构的保持架（16）与所述的右车轮（7）固定连接。

5.根据权利要求4所述的混合动力汽车的变速箱，其特征在于，所述的第二主减速器的主动齿轮（4）和所述的第二主减速器的被动齿轮（8）形成所述的第二主减速器（E）；所述的第三主减速器的主动齿轮（5）和所述的第二主减速器的被动齿轮（9）形成所述的第三主减速器（F）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的混合动力汽车的变速箱，其特征在于，所述的轴（10）与第四主减速器的主动齿轮（17）固定连接，该第四主减速器的主动齿轮（17）与第四主减速器的被动齿轮（18）啮合，所述的第四主减速器的被动齿轮（18）通过电控制动器（19）与所述的第二电机（11）连接。

7.根据权利要求6所述的混合动力汽车的变速箱，其特征在于，所述的第一电机（2）通过第一电机控制器（21）与所述的电池（12）连接；所述的第二电机（11）通过第二电机控制器（20）与所述的电池（12）连接。

8.一种基于权利要求1所述的变速箱实现混合动力汽车的控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（A）判断车辆的实时行驶状态；

（B）根据车辆的实时行驶状态，进行发动机、第一电机和第二电机的工作状态切换控制：

（a）当车辆处于启动起步状态时，所述的发动机（1）处于启动状态，且所述的第一电机（2）电机带动所述的发动机（1）启动；

（b）当车辆处于轻负荷行驶状态时，以纯电动状态行驶；

（c）当车辆处于普通行驶状态时，发动机（1）驱动车辆，所述的第一电机（2）辅助发动机驱动，所述的第二电机（11）进行车速的无级调速；

（d）当车辆处于加速或者爬坡状态时，所述的第一电机（2）、所述的第二电机（11）和所述的发动机（1）共同驱动车辆；

（e）当车辆的行驶速度达到或超过系统预设的速度阈值时，则处于高速状态，所述的发动机（1）驱动车辆；

（f）当车辆处于减速或制动状态时，车辆进入回馈模式；

（g）当车辆处于倒车状态时，所述的第二电机（11）驱动车辆；或者，所述的发动机（1）驱动车辆，所述的第二电机（11）进行调速。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述的车辆处于轻负荷行驶状态时以纯电动状态行驶，包括以下步骤：

（b1）所述的发动机（1）和所述的第一电机（2）停止运转；

（b2）所述的电池（12）为所述的第二电机（11）提供电能。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤（e）中的发动机驱动车辆，包括以下步骤：

（e1）所述的电控制动器（19）将所述的第二电机（11）锁止；

（e2）所述的第一电机（2）调节所述的发动机（1）。

11.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤（f）中的车辆进入回馈模式，包括以下步骤：

（f1）所述的发动机（1）的转速降低；

（f2）车辆的车轮反拖所述的第一电机（2）和所述的第二电机（11）进行发电。

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