CN103587402B - 一种混合动力驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力驱动装置，包括发动机、第一电机、第二电机、行星齿轮构件，其特征在于，还包括设置于发动机与第一电机之间的第一离合装置、发动机与行星齿轮构件之太阳轮之间的第二离合装置、设置于齿圈与车体固定件之间的第三离合装置以及设置于第二电机转子与定子之间的第四离合装置。该驱动装置利用离合装置与一套行星齿轮机构相配合，实现车辆三档以上输出，并且结构简单，能有效节省车内空间，提高发动机的燃油经济性。

Description

一种混合动力驱动装置

技术领域

本发明涉及一种混合动力车辆驱动装置，尤其是一种带有行星齿轮及离合装置的混合动力驱动装置。

背景技术

混合动力汽车等新能源汽车一般是将发动机和电动机两种动力混合起来，按照一定的控制策略进行转速和转矩耦合，再最终输出给车轮，其利用了电机的动力特性弥补了发动机动力特性的不足，使发动机工作在更好的效率区间，同时可以回收制动能量，故而节能减排。

混合动力驱动系统一般有串联式、并联式、混联式，其中混联式是目前普遍采用的混合动力系统驱动方式，混联式混合动力系统的布置方式综合了串联式布置方式和并联式布置方式的特点，提供了根据不同工况让油、电两种能源分别按照串联、并联或串并联结合三种模式工作，从而使得混合动力系统可以根据不同的工况选用不同的动力驱动方式。

现有混合动力驱动技术中最主要的矛盾是发动机与电动机之间的无缝匹配，电动机驱动与主要由发动机驱动的工作区间的很大的间隔内，发动机无法真正工作在燃油高效区，使混合动力汽车较传统燃油汽车的优点不能充分发挥。现有技术一般都是通过机械或电磁等离合装置、行星齿轮等变速装置进行发动机多档工作模式与电动机的外部连接组合，通过转矩耦合、转速耦合实现发动机与电动机的匹配。传统混合动力变速箱大体可分为两种主流模式，一种是无级调速混合动力变速箱，另一种是两档变速箱。前者主要用于汽油发动机，汽油发动机效率如抛物线，高效区只出现在波峰的较窄区间，无级调速能在更大的工作转速范围内将发动机调整在较高效率区间；而两档变速箱多用于柴油发动机，因为柴油发动机的高效区较宽，高效区随转速有一段平缓区，所以两档变速箱能将这段平缓区扩展的更宽，实现车辆的高效运行。但是事实上，不论无级调速还是两档变速都不能使发动机完全工作在燃油高效区，发动机高效区仍然可以拓宽。

现有技术中主要存在的问题有：

1、传统发动机两档变速箱不能完全发挥发动机高效区的性能，仍有相当一部分时间发动机工作在低效区，造成能源浪费；单纯的无级调速，会在路况适合发动机单独工作时造成能量利用率低。

2、多个行星排的结构的多档变速机构虽然增加了发动机档位，但结构复杂，占用车内空间大，齿轮啮合副多，降低了能量传递效率。

3、发动机变速箱和电动机变速结构分别制造安装和控制，使驱动装置体积庞大，生产制造效率低下。

4、一般情况下，动力系统需要配备发动机启动电机，启动电机只用来启动发动机或者单纯做发电机使用，而不能用于驱动车辆，造成闲置浪费。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中的缺点，提供一种离合器与行星齿轮配合，将发动机与电动机工作联合起来的装置和方法，有效提高发动机与电动机的耦合效率，简化系统，使发动机更好地工作在高效区，实现良好的燃油经济性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

一种混合动力驱动装置，包括发动机，具有输出轴，第一电机，具有转子和定子；第二电机，具有转子和定子；行星齿轮构件以及储能装置；所述行星齿轮构件包括齿圈、太阳轮及行星架，所述行星齿轮构件的齿圈与所述第一电机转子轴相连，所述行星齿轮构件的太阳轮与所述第二电机转子轴相连，所述行星齿轮构件的行星架与本装置动力输出端连接；所述储能装置与所述第一电机、第二电机连接；其中，所述混合动力驱动装置中还包括第一离合装置，设置于所述发动机输出轴与所述第一电机转子轴之间所述发动机轴与所述第一电机转子轴通过所述第一离合器接合或者分开；和第二离合装置，设置于所述发动机轴与所述行星齿轮机构的太阳轮之间，所述发动机轴与所述行星齿轮机构的太阳轮之间通过所述第二离合装置接合或者分开；和第三离合装置，所述第一电机转子或者所述行星齿轮机构的齿圈与车体固定部件之间通过所述第三离合装置实现接合或者分开；和第四离合装置，设置于所述第二电机转子与车体固定部件之间，所述第二电机转子与车体固定部件之间通过所述第四离合装置实现接合或者分开。

作为本发明的一个方面，所述第一离合装置、第二离合装置、第三离合装置、第四离合装置分别同心设置于所述第一电机与所述行星齿轮机构之间，与所述行星齿轮机构在同一旋转中心线上。

根据本发明的另一个方面，所述第一电机转子具有空心轴，所述发动机输出轴穿过所述第一电机转子空心轴与所述行星齿轮机构的太阳轮之间通过所述第二离合装置接合或者分开。

所述行星齿轮机构的行星架与车轮驱动轴之间设置有传动齿轮。

本系统中还可以包括一控制系统，所述第一离合装置、第二离合装置、第三离合装置、第四离合装置与所述控制系统电相连。

所述行星齿轮机构具有外部壳体，所述第三离合装置设置于所述行星齿轮机构的齿圈与所述壳体之间，或者第三离合装置设置于所述第一电机转子与定子之间。

优选地，所述第一离合装置与第二离合器可以是片式离合器。

优选地，所述第三离合装置和第四离合装置是片式离合器或者带式制动器；

本发明中所述储能装置可以是蓄电池组或者超级电容。

本发明克服了现有混合动力耦合装置的不足，其有益效果在于：

1、仅使用单个行星齿轮机构，实现发动机三档变速，使发动机更多时间工作在高效区，提高能源利用率。

2、使用离合装置与行星齿轮组合，取代发动机变速箱与电机减速箱，使整套装置体积变小，节省布置空间，使车内布置及设计更自由。

3、利用一套行星齿轮机构，实现发动机四个档位(包含一个空档)输出与两个电机降速输出，齿轮副数量少，传动效率更高。

4、两电机既可以做发电机，也可以做驱动电动机，系统动力性更强，回收能量功率更大。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明混合动力驱动装置示意图。

图2是本发明混合动力驱动装置纯电动模式一示意图。

图3是本发明混合动力驱动装置纯电动模式二示意图。

图4是本发明混合动力驱动装置纯电动模式三示意图。

图5是本发明混合动力驱动装置混联模式示意图。

图6是本发明混合动力驱动装置并联模式一示意图。

图7是本发明混合动力驱动装置并联模式二示意图。

图8是本发明混合动力驱动装置发动机直接驱动模式示意图。

其中，1 是发动机，2 是行星齿轮构件，21 是齿圈，22 是太阳轮，23 是行星架，3是动力传输齿轮，4 是储能装置，M1 是第一电机，M2 是第二电机，C1 是第一离合装置，C2是第二离合装置，C3 是第三离合装置，C4 是第四离合装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

为了使附图简明清晰，储能装置4在图2～8中未标示，但不意味的图2～8中所述模式中不包含储能装置。

行星齿轮构件2包括齿圈21、太阳轮22及行星架23，其中，齿圈21与第一电机M1转子轴相连，太阳轮22与第二电机M2转子轴相连，行星架23与本装置动力输出端相连；储能装置4与第一电机M1、第二电机M2相连；

第一离合装置C1设置于发动机1与第一电机M1转子轴之间，发动机1轴与第一电机M1转子轴通过第一离合器C1接合或者分开；第二离合装置C2设置于发动机1与太阳轮22之间，发动机1轴与太阳轮22之间通过第二离合装置C2接合或者分开；第三离合装置C3是可以使齿圈21或者第一电机M1转子与车体固定部件之间接合或者分开，可以设置于齿圈与行星齿轮机构的机壳之间，其中机壳是与车体不可相对移动的车体固定部件；也可以将第三离合装置C3设置于第一电机M1的转子与定子之间，以上两种方式都可以实现第一电机M1转子或者行星齿轮机构的齿圈与车体固定件之间的连接或者分开；第四离合装置C4可以使第二电机M2转子与车体固定部件之间接合或者分开，可以将第四离合装置设置于第二电机M2的转子与定子之间。传动齿轮3设置于行星架23与车轮驱动轴之间，方便所述第四离合装置的设置。第一离合装置C1、第二离合装置C2、第三离合装置C3、第四离合装置C4与一控制系统电相连。

其中，图1是本发明混合动力驱动装置优选实施例示意图。本实施例中第一离合装置、第二离合装置、第三离合装置、第四离合装置分别同心设置于所述第一电机与所述行星齿轮机构之间，与所述行星齿轮机构在同一旋转中心线上。这样的结构设计将离合装置集中在一起，形成离合器组，能有效减小驱动装置的轴向体积。

本驱动系统中各离合装置通过控制系统控制状态。各电机控制器根据需要控制电机作为发电机发电或作为电动机驱动车辆。油门踏板处安装有踏板深度传感器，系统通过检测油门踏板深度，控制各离合器状态，选择相应工作模式。

下面参照图4至图8对本发明的混合动力驱动系统的工作方式进行详细描述。本发明所述混合动力驱动装置具有如下四种工作方式：

1.纯电动模式

发动机不启动，第一离合装置C1、第二离合装置C2分开，第三离合装置C3、第四离合装置C4分开，由M1、M2共同驱动车辆，如图2所示的纯电动模式一；或者第一离合装置C1、第二离合装置C2、第三离合装置C3分开，第四离合装置C4接合，由电动机M1单独驱动车辆启动，如图3所示的纯电动模式二；第一离合装置C1、第二离合装置C2、第三离合装置C3接合，第四离合装置C4分开，由电动机M2单独驱动车辆，如图4所示的纯电动模式三。纯电动模式可以用于车辆起步、低速行驶(低于设定的第一预定车速)或制动能量回收状态。

2.混联模式

发动机启动，离合器C1、C2接合，离合器C3、C4打开，如图5所示。由发动机驱动车辆，第一电机M1与发动机转速耦合，第二电机M2与发动机转矩耦合。该模式适用于本混合动力系统由静止启动工况下或者任一模式下储能装置电量不足需要充电时，可以进入该模式进行行车发电。为使发动机工作在燃油高效区，控制可以控制第一电机M1与第二电机M2发电。当需要上坡或负载加速时，第二电机M2为发动机提供助力转矩，这样保证发动机稳定地工作在燃油经济区。

3.并联模式一

发动机启动，第一离合装置C1分开，第二离合装置C2接合，第三离合装置C3接合，第四离合装置C4分开，如图6所示并联模式一。由发动机驱动车辆，通过行星齿轮合理设计，设计发动机输出降速比，即发动机以较高降速比降速输出，使发动机工作在燃油经济区，根据工况需要，当车辆负载加速或爬坡时，电动机M2转矩与发动机转矩耦合输出，为动力输出增加转矩。该油电混合模式适用于车辆低于设定的第二预定车速时的中低速行驶，使发动机的工作区间更宽，燃油经济性的设计更合理化。

4.并联模式二

第一离合器C1接合，第二离合装置C2分开，第三离合装置C3分开，第四离合装置C4接合，如图7所示并联模式二。当车辆高于第二设定车速，此时发动机在高降速比下不能满足工作在高效区的条件，为使发动机继续工作在高效区，需要提高发动机输出降速比，使发动机在较低降速比下减速输出。根据工况需要，当车辆负载加速或爬坡时，电动机M1转矩与发动机转矩耦合输出。该油电混合模式适用于车辆中速行驶，即车速低于设定的第三预定车速时。

5.发动机直驱模式

第一离合装置C1及第二离合装置C2接合，第三离合装置C3及第四离合装置C4分开，如图8所示发动机直驱模式。当车辆需高速行驶时，发动机不需要减速输出即可工作在高速区，此时使发动机直接驱动即可满足其工作在燃油经济区，则可使用该直驱模式。当车辆处于减速工况下，电机M1、M2作为发电机，将车辆动能回收，转化为电能存储在储能装置中，用以驱动电动机。

本发明驱动系统应用于车辆中使用上述方式的过程如下：

一、车辆启动时，发动机不启动，使用纯电动模式中任选一模式启动车辆并进行低速行驶；

二、当车速高于第一设定车速时，根据情况由一电机启动发动机，驱动系统进入油电混合模式一；

三、当车速提高至高于第二设定车速时，驱动系统进入油电混合模式二；

四、当车速进一步提高至高于第三设定车速，即高速行驶时，驱动系统进入发动机直接驱动模式；

五、当车辆减速或制动，系统进入能量回收模式，此时电机M1、M2作发电机，回收制动动能，存储在储能装置中。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种混合动力驱动装置，包括发动机(1)，具有输出轴，第一电机(M1)，具有转子和定子；第二电机(M2)，具有转子和定子；行星齿轮构件(2)以及储能装置(4)；

所述行星齿轮构件包括齿圈(21)、太阳轮(22)及行星架(23)，所述行星齿轮构件的齿圈(21)与所述第一电机(M1)转子轴相连，所述行星齿轮构件的太阳轮(22)与所述第二电机(M2)转子轴相连，所述行星齿轮构件的行星架(23)与本装置动力输出端连接；

所述储能装置(4)与所述第一电机(M1)、第二电机(M2)连接；

其特征在于：所述混合动力驱动装置中还包括

第一离合装置(C1)，设置于所述发动机(1)输出轴与所述第一电机(M1)转子轴之间，所述发动机(1)输出轴与所述第一电机(M1)转子轴通过所述第一离合器(C1)接合或者分开；和

第二离合装置(C2)，设置于所述发动机输出轴与所述行星齿轮机构的太阳轮之间，所述发动机(1)输出轴与所述行星齿轮机构的太阳轮之间通过所述第二离合装置(C2)接合或者分开；和

第三离合装置(C3)，所述第一电机(M1)转子或者所述行星齿轮机构的齿圈(21)与车体固定部件之间通过所述第三离合装置(C3)实现接合或者分开；和

第四离合装置(C4)，设置于所述第二电机(M2)转子与车体固定部件之间，所述第二电机(M2)转子与车体固定部件之间通过所述第四离合装置(C4)实现接合或者分开。

2.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述第一离合装置(C1)、第二离合装置(C2)、第三离合装置(C3)、第四离合装置(C4)分别同心设置于所述第一电机(M1)与所述行星齿轮构件(2)之间，与所述行星齿轮机构在同一旋转中心线上。

3.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述第一电机(M1)转子具有空心轴，所述发动机(1)输出轴穿过所述第一电机(M1)转子空心轴与所述行星齿轮机构的太阳轮(22)之间通过所述第二离合装置(C2)接合或者分开。

4.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述行星齿轮机构的行星架(23)与车轮驱动轴之间设置有传动齿轮(3)。

5.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，还包括一控制系统，所述第一离合装置(C1)、第二离合装置(C2)、第三离合装置(C3)、第四离合装置(C4)与所述控制系统电相连。

6.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述行星齿轮构件(2)具有外部壳体，所述第三离合装置(C3)设置于所述行星齿轮构件(2)的齿圈(21)与所述壳体之间。

7.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述第三离合装置(C3)设置于所述第一电机(M1)转子与定子之间。

8.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述第一离合装置(C1)是片式离合器。

9.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述第二离合装置(C2)是片式离合器。

10.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述第三离合装置(C3)是片式离合器或者带式制动器。

11.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述第四离合装置(C4)是片式离合器或者带式制动器。

12.根据权利要求1所述的混合动力驱动装置，其特征在于，所述储能装置(4)为蓄电池组或者超级电容。