CN103625263B - 基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统，其特征在于，主要由传动装置，为传动装置提供驱动力的发动机（1）和主电机（6），与发动机（1）的曲轴相连接的扭转减震器（2），与扭转减震器（2）相连接的组合式动力分配机构，与组合式动力分配机构、主电机（6）和传动装置三者均相连接的动力耦合机构，与主电机（6）相连接的主电机控制器（12）、与双转子电机（4）相连接的双转子电机控制器（11），以及为主电机（6）和双转子电机（4）提供电能的动力电池（13）组成。本发明不仅整体结构较为简单，轴向尺寸短、体积小、重量轻、结构紧凑，而且易于集成和布置为双模式混合动力系统，适用于深度混合动力车型（HEV）和插电式混合动力车型（PHEV）。

Description

基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统

技术领域

本发明涉及一种汽车动力系统，具体是指一种基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统。

背景技术

近年来，随着全球环境的不断恶化以及石油能源的日益短缺，传统汽车产业越来越面临严峻的考验。节能环保的新能源汽车已得到世界各国的高度重视，并成为各国的战略性产业和专家学者们关注的热点。纯电动汽车是新能源车发展的重要方向之一，但目前电池技术尚未成熟、充电网络尚不完善等因素制约了纯电动汽车的发展；燃料电池也是新能源车发展的重要方向，但目前燃料电池价格过高、制氢储氢困难、加氢站基础设施不完善等因素，决定了燃料电池汽车的发展需要长期的过程。混合动力技术特别是深度混合动力和插电式混合动力能大幅度降低燃油消耗和改善排放，从整车增加成本和技术成熟度分析，是最合理的、更易产品化的技术选择。

十几年来，国外各大汽车公司纷纷推出了混合动力车型，如丰田Prius，其传动系统采用的是行星齿轮结构，其具有结构紧凑、集成度高等特点，属深度混合动力系统，然而该传动系统本身固有的机械能转换成电能所引起的能量流损失，却给其节油效果带来了一定的影响。同样，通用、克莱斯勒、宝马联合开发的Tahoe和GMCYukon双模式混合动力系统，两种模式分别对应低速和高速行驶工况，其性能卓越、节油效果好，也属深度混合动力系统，但其结构复杂、集成难度大，成本较高。

同样，国内企业和研究单位也都纷纷投入了大量的人力、物力和财力，在混合动力系统及耦合装置技术上取得了实质性的进展，为中国新能源汽车的发展奠定了一定的基础，但其效果并不是十分理想。

综上所述，目前混合动力车型的结构较为复杂、集成难度较大，不能满足高效、可靠、紧凑、质轻、成本低及高度集成和批量生产的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服目前混合动力车型存在的结构较为复杂、集成难度较大，不能满足高效、可靠、紧凑、质轻、成本低及高度集成和批量生产的缺陷，提供一种能有效解决上述问题的基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统，主要由传动装置，为传动装置提供驱动力的发动机和主电机，与发动机的曲轴相连接的扭转减震器，与扭转减震器相连接的组合式动力分配机构，与组合式动力分配机构、主电机和传动装置三者均相连接的动力耦合机构，与主电机相连接的主电机控制器、与双转子电机相连接的双转子电机控制器，以及为主电机和双转子电机提供电能的动力电池组成。

进一步地，所述组合式动力分配机构由行星排Ⅰ和双转子电机组成，该行星排Ⅰ的太阳轮Ⅰ和齿圈Ⅰ分别与双转子电机的内转子和外转子相连接，行星排Ⅰ的行星架Ⅰ则与扭转减震器连接。

所述动力耦合机构由离合器C1、离合器C2以及行星排Ⅱ组成；其中，离合器C1分别与行星排Ⅱ的行星架Ⅱ和传动装置相连接，离合器C2则分别与行星排Ⅱ的太阳轮Ⅱ和主电机相连接。

所述传动装置由与行星架Ⅱ相连接的过渡齿轮，与过渡齿轮相连接的主减速器，以及与主减速器相连接的差速器组成。

为了更好确保使用效果，在行星排Ⅱ的齿圈上还设有制动器B。

所述双转子电机为无刷型双转子电机，其是由径向式永磁磁路结构的内电机，以及设置在内电机外侧的励磁磁路结构的外电机组成。

本发明较现有技术相比具有以下优点及有益效果：

（1）本发明不仅整体结构较为简单，轴向尺寸短、体积小、重量轻、结构紧凑，而且易于集成和布置为双模式混合动力系统，适用于深度混合动力车型（HEV）和插电式混合动力车型（PHEV）。

（2）本发明能显著的改善电机的传递效率、降低了二次损失，减少了机械能转化为电能的比例，因此能有效的提高和改善车辆的动力性和燃油经济性以及排放性。

附图说明

图1为本发明的整体结构原理图。

图2为本发明的主电机单独驱动模式杠杆模拟图；

图3为本发明的发动机起动与停车充电模式杠杆模拟图；

图4为本发明的混联低速驱动模式一杠杆模拟图；

图5为本发明的发动机一档传动模式杠杆模拟图；

图6为本发明的混联低速驱动模式二杠杆模拟图；

图7为本发明的发动机二档传动模式杠杆模拟图；

图8为本发明的混联高速驱动模式一杠杆模拟图；

图9为本发明的发动机三档传动模式杠杆模拟图；

图10为本发明的混联高速驱动模式二杠杆模拟图；

图11为本发明的发动机四档传动模式杠杆模拟图；

图12为本发明的低速模式能量回馈一杠杆模拟图；

图13为本发明的低速模式能量回馈二杠杆模拟图；

图14为本发明的高速模式能量回馈杠杆模拟图；

图15为本发明的倒车工作模式杠杆模拟图。

以上附图中的附图标记名称为：

1—发动机，2—扭转减震器，3—行星排Ⅰ，4—双转子电机，5—行星排Ⅱ，6—主电机，7—过渡齿轮，8—主减速器，9—差速器，10—车轮，11—双转子电机控制器，12—主电机控制器，13—动力电池，31—行星架Ⅰ，32—太阳轮Ⅰ，33—齿圈Ⅰ，41—内转子，42—外转子，51—行星架Ⅱ，52—太阳轮Ⅱ，53—齿圈Ⅱ。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的双模式混合动力系统包括有传动装置、发动机1、扭转减震器2、组合式动力分配机构、动力耦合机构、主电机6、双转子电机控制器11、主电机控制器12及动力电池13这几大部分。其中，组合式动力分配机构和动力耦合机构为动力的分配和耦合机构，连接时，主电机6、组合式动力分配机构和传动装置均与动力耦合机构相连接。

其中，以柴/汽油为燃料的发动机1和以电池为动力的主电机6为本发明的两个动力驱动部件。所述的组合式动力分配机构由行星排Ⅰ3和双转子电机4组成，动力耦合机构由离合器C1、离合器C2以及行星排Ⅱ5组成，而传动装置则由过渡齿轮7、主减速器8以及差速器9组成。车轮10则通过连杆与差速器9相连接。

装配时，发动机1的曲轴输出端经扭转减震器2与行星排Ⅰ3的行星架Ⅰ31相连接；行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32和齿圈Ⅰ33分别与双转子电机4的内转子41和外转子42相连接；双转子电机4的内转子41和外转子42又分别经离合器C2和离合器C1与行星排Ⅱ5的太阳轮Ⅱ52和行星架Ⅱ51连接，同时主电机6的转子轴还与离合器C2相连接。

在行星排Ⅱ5的齿圈Ⅱ53上连接有制动器B；行星排Ⅱ5的太阳轮Ⅱ52接收混联低速模式动力（含发动机一、二档）和纯电动模式动力，而行星架Ⅱ51则接收混联高速模式动力（含发动机三、四档）。同时，行星架Ⅱ51也是动力系统的输出齿轮，并与过渡齿轮7的齿轮啮合，其输出动力由行星架Ⅱ51经过渡齿轮7向主减速器8的主动轮齿轮及从动轮齿轮、差速器9、车轮10传递。动力电池13分别通过双转子电机控制器11、主电机控制器12与双转子电机4和主电机6实现高压电连接。

在实际制作过程中，为了使得结构更为紧凑，可优先将扭转减震器2、行星排Ⅰ3、双转子电机4、离合器C1、离合器C2、行星排Ⅱ5、制动器B、主电机6、过渡齿轮7、主减速器8及差速器9集成一体，构成变速驱动桥。

为了确保实际运行效果，双转子电机4优先采用无刷双转子电机，即其是由一个径向式永磁磁路结构的内电机与一个励磁磁路结构的外电机组成。其中，内电机由输出（输入）轴、内转子铁心、内转子永磁磁钢、内转子铁心和内转子内绕组组成；外电机由定子绕组、定子铁心、外转子铁心、输入（输出）轴和外转子外绕组组成；无刷双转子电机两端分别设置有内外转子的输入（出）轴。

外转子转速关系式：n＝[60×（ｆ1±ｆ2）]/（ｐ＋q）（r/min），其中，60为时间转换常数，f1等效为内转子永磁体之旋转频率，f2为定子绕组电源之频率，p、q为双转子电机极对数。

由于有刷双转子电机的内转子绕组需通过集电环和电刷输送电流，而集电环和电刷的存在会导致电机的可靠性降低，维护量增大，因此本申请中不推荐使用有刷双转子电机。

运行时，发动机1的曲轴经扭转减震器2与行星排Ⅰ3的行星架Ⅰ31一起旋转，行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32和齿圈Ⅰ33分别与内转子41和外转子42同步旋转。行星排Ⅰ3与双转子电机4的这种对接，并在主电机6的配合下，便构成了两个动力分配模式，即双模式。为描述方便，将行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32经离合器C2输出的动力，简称为混联低速模式；行星排Ⅰ3的齿圈Ⅰ33经离合器C1输出的动力，简称为混联高速模式。

整车控制器通过CAN信号与发动机1等控制单元通讯，实时接收动力系统各单元工作状态，并根据驾驶员需求和车辆行驶，实现对双模式混合动力系统各种工作模式的管理和各单元工作状态的实时控制。

下面对本申请的双模式混合动力系统的14种工作模式进行阐述，为了便于阐述，现对传动比进行设定：混联低速/含纯电动＝i1，混联高速＝i3；一档传动模式（低速档）i1＞二档传动模式（中速档）i2＞三档传动模式（直接档）i3＞四档传动模式（超速档）i4。

（1）主电机单独驱动模式。当动力电池13的电量处于正常范围时，系统以纯电动模式工作；此时，离合器C1分离、离合器C2接合、制动器B接合、发动机1停止、双转子电机4空转而不发电，车辆仅由主电机6经行星排Ⅱ5以i1传动比减速增矩输出驱动力，并经主减速器8驱动车辆。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图2所示。

（2）发动机停车起动模式。当车辆驻车时，行星排Ⅱ5的行星架Ⅱ51被固定；此时，离合器C1分离、离合器C2接合、制动器B接合、行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32和内转子41间接被固定。双转子电机4以电动方式工作，由外转子42带动行星排Ⅰ的齿圈Ⅰ33旋转，并通过行星架Ⅰ31起动发动机1。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图3所示。

（3）停车充电模式。车辆在停车状态下，如果动力电池13的电量低于设定值，则起动发动机1；起动后，通过行星排Ⅰ3把发动机1的动力传递给双转子电机4，此时，行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32和内转子41间接被固定，外转子42在发动机1的带动下旋转并发电，为动力电池13充电。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图3所示。

（4）混联低速驱动模式一，即起步和低负荷模式。当动力电池13的电量低于设定值时，发动机1起动，并带动双转子电机4的外转子42以发电方式工作，此时，发动机1的机械功率经双转子电机4解耦后转矩透过，并由内转子41和太阳轮Ⅰ32直接经离合器C2传递于行星排Ⅱ5的太阳轮Ⅱ52，行星排Ⅱ5以i1传动比减速增矩输出驱动力，再经主减速器8驱动车辆；而双转子电机4的内外转子形成转速差--发电，一部分电能对动力电池13充电，一部分经主电机控制器12变频后输送给主电机6也参与驱动车辆（增矩）；而转速差（发电）为双转子电机4目标转速，转矩差（增矩）为主电机6目标转矩。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图4所示。

（5）发动机一档传动模式。随着车速的提升，双转子电机4内外转子的转速差和两电机间的能量流逐渐减小，行星排Ⅰ3（含行星排Ⅱ5）的太阳轮Ⅰ32转速逐渐提升，而行星排Ⅰ3的齿圈Ⅰ33转速逐渐下降，当两者接近同步转速时，双转子电机4由发电方式转入电动堵转（自然同步）方式工作，行星排Ⅰ3被锁止，即形成一档传动模式，系统完全依靠机械方式传输发动机1的动力，从而提高能量传动效率。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图5所示。

（6）混联低速驱动模式二。在一档传动模式下，随着车速的进一步提升，发动机1逐渐偏离经济运行区域，这时双转子电机4从电动堵转工作方式退出，行星排Ⅰ3解锁，系统从一档传动模式切换至该混联低速驱动模式。在车速逐渐提升的同时，转矩需求逐渐减小，此时，主电机6以发电方式工作（试图阻止太阳轮Ⅱ52运转/减矩），电能经主电机控制器12、双转子电机控制器11输送给双转子电机4，双转子电机4内外转子以反向电动方式对转工作（试图阻止发动机运转/增速），混联低速模式减矩增速，行星排Ⅱ5继续以i1传动比减速增矩，输出驱动力至主减速器8驱动车辆。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图6所示。

（7）发动机二档传动模式。在混联低速驱动模式下，随着车速的进一步提升，行星排Ⅱ5的行星架Ⅱ51转速逐渐升高，而行星排Ⅰ3在内外转子对转的带动下，太阳轮Ⅰ32转速逐渐上升，齿圈Ⅰ33转速逐渐下降，当行星排Ⅰ3的齿圈Ⅰ33与行星排Ⅱ5的行星架Ⅱ51接近同步转速时，离合器C1接合，形成二档传动模式，此时发动机1的动力又完全以机械传动方式驱动车轮。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图7所示。

（8）混联高速驱动模式一。在二档传动模式下，随着车辆提速，发动机的工作点又需调整，调整方式是只将二档传动模式下的离合器C2分离，维持离合器C1接合。此时系统将进入该混联高速驱动模式，其原理与“混联低速驱动模式”相似，不同之处是：其一，双转子电机4以发电方式与行星排Ⅰ3一起反向运转；其二，发动机的机械功率经双转子电机解耦后转矩透过，并由外转子42和齿圈Ⅰ33经离合器C1传递于行星排Ⅱ5的行星架Ⅱ（过渡齿轮7/传动比i3），直接经主减速器、差速器驱动车辆；其三，主电机继续以i1传动比减速增矩参与驱动车辆。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图8所示。

（9）发动机三档传动模式。车辆以混联高速驱动模式运行时，随着车速的继续上升，行星排Ⅰ的齿圈Ⅰ33转速逐渐提升，太阳轮Ⅰ32转速逐渐下降，当两者接近同步转速时，双转子电机4由发电方式转入电动堵转方式工作，行星排Ⅰ3被锁止，形成三档传动模式，即直接档；系统在三档驱动的同时，制动器B分离，离合器C2接合，行星排Ⅱ5同被锁止。此档也用于高速巡航，并由主电机6辅助助力或行车充电。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图9所示。

（10）混联高速驱动模式二。在三档传动模式下，车辆再提速时，发动机1随之提速。当发动机1工作点不再有高效率要求时，双转子电机4退出电动堵转工作方式，行星排Ⅰ3解锁（行星排Ⅱ5伴随解锁），离合器C1、离合器C2维持接合，制动器B维持分离，系统从三档传动模式切换至该混联高速驱动模式。在该模式下，发动机1的输出动力一部分由双转子电机4内外转子以反向电动对转方式向行星排Ⅱ5的行星架Ⅱ51和过渡齿轮7传递动力（转矩M1），另一部分又被分成直接驱动行星排Ⅱ5的行星架Ⅱ51和过渡齿轮7的机械动力（转矩T1）和驱动主电机6发电的动力（转矩T2），其电能经主电机控制器12、双转子电机控制器11输送给双转子电机4。该模式下转矩（角速度）杠杆模拟图详见图10所示。

其中，T0＝M3＋T3 M3＝M1＝-M2×(1ZR＋1ZS)/1ZS

T3＝T1＋T2 T＝T1＋M1

式中：T0发动机转矩、-M2反向电动转矩、T3输入分配转矩、T动力输出轴转矩

若不计系统损失 T2ω2＝M1ω1’ T2ω2与M1ω1’为发电与电动之间传递的电功率。

在该模式下，当T0一定时，若要继续提速，需减小ω2和加大ω1’，这样势必加大T2，减小M1；所以，提速过程是T3逐渐增大，M3逐渐减小的过程，而T2的加大，M1的减小，促使行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32转速下降，齿圈Ⅰ33转速上升，转矩T减小，发动机1功率流向齿圈（T1ω1），汽车进入高速运行，此时输出转速大于发动机转速。

（11）发动机四档传动模式。汽车在混联高速驱动模式二下高速运行，随着车辆的继续提速，当行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32转速接近零时，主电机6从发电方式转入电动堵转方式工作，经离合器C2固定行星排Ⅰ3的太阳轮Ⅰ32，形成四档传动模式，即超速档。此档也用于高速巡航，并由双转子电机4辅助助力或行车充电。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图11所示。

（12）加速模式。车辆（系统）工作在混联低速、混联高速驱动模式或发动机传动模式下的急加速：

（12.1）当双转子电机4以发电方式工作时，除提高发动机1输出功率外，动力电池13也对主电机6提供额外动力，这时车辆传动轴的总输出功率为：通过双转子电机4直接传递的机械功率＋两电机之间传递的电功率＋动力电池对主电机提供的电功率；其中动力电池13提供瞬时加速动力，发动机1输出功率缓慢上升。

（12.2）当双转子电机4以电动方式工作时，除提高发动机1输出功率外，主电机6由发电方式/退出发电/转入电动，动力电池13不仅对双转子电机4提高额外动力，也对主电机6提供额外动力。

（12.3）当工作在高速驱动模式二时，除提高发动机1输出功率外，主电机6继续以发电方式向双转子电机4提供电功率，动力电池13则对双转子电机4提供额外动力。

（12.4）当工作在发动机传动模式时，除提高发动机1输出功率外，动力电池13也对主电机6或双转子电机4提供辅助动力。一至三档由主电机6辅助助力，四档由双转子电机4辅助助力。

（13）制动能量回馈模式。车辆减速或制动时，在动力电池13的SOC允许的情况下，车辆动能通过驱动轮驱动主电机6或双转子电机4以发电机方式工作，将动能转换为电能，给动力电池13充电；本发明对应不同的驱动模式和相应的车速共有三种能量回馈工作模式，每一模式下发电机均可获得较高的转速，使能量回馈更充分和高效。

（13.1）当系统工作在主电机6单独驱动模式和二档传动模式以下时（离合器C1分离），发动机1停止工作，双转子电机4以发电机方式回馈能量，此时主电机6空转，即为低速模式能量回馈一。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图12所示。

（13.2）当系统工作在二档传动模式与三档传动模式之间时（行星排Ⅰ3和行星排Ⅱ5共同锁止之前），发动机1停止工作，主电机6以发电机方式回馈能量，此时双转子电机4空转，即为低速模式能量回馈二。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图13所示。

（13.3）当系统工作在三档传动模式及以上时，双转子电机4退出电动堵转工作方式，行星排Ⅰ3和行星排Ⅱ5自然解锁，此时离合器C1、离合器C2维持接合，制动器B维持分离。车辆从较高速度开始减速时，因受双转子电机4转速限制以及保护行星排，发动机1以预定速度继续工作（转速缓降），在车速、发动机转速和行星排Ⅰ3的共同协调下，双转子电机4内外转子之间有足够的转速差来发电及能量回馈；随着车速的进一步下降，发动机停止工作，内外转子之间继续保持一定的转速差，此过程中，主电机空转，即为高速模式能量回馈。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图14所示。

14、倒车工作模式。在动力电池13SOC处于正常值范围内时，主电机6作为电动机反转工作，驱动车辆倒车；当SOC下降到设定值时，起动发动机1，带动双转子电机4的外转子发电，产生的电能经双转子电机控制器11、主电机控制器12输送给主电机6，主电机6以电动方式反转驱动车辆倒车。该模式下速度（转速）杠杆模拟图详见图15所示。

综上所示，本系统的主要工作模式列表如下：

如上所述，便可以很好的实现本发明。

Claims (4)

1.基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统，其特征在于，主要由传动装置，为传动装置提供驱动力的发动机（1）和主电机（6），与发动机（1）的曲轴相连接的扭转减震器（2），与扭转减震器（2）相连接的组合式动力分配机构，与组合式动力分配机构、主电机（6）和传动装置三者均相连接的动力耦合机构，与主电机（6）相连接的主电机控制器（12）、与双转子电机（4）相连接的双转子电机控制器（11），以及为主电机（6）和双转子电机（4）提供电能的动力电池（13）组成；所述组合式动力分配机构由行星排Ⅰ（3）和双转子电机（4）组成，该行星排Ⅰ（3）的太阳轮Ⅰ（32）和齿圈Ⅰ（33）分别与双转子电机（4）的内转子（41）和外转子（42）相连接，行星排Ⅰ（3）的行星架Ⅰ（31）则与扭转减震器（2）连接；所述动力耦合机构由离合器C1、离合器C2以及行星排Ⅱ（5）组成；其中，离合器C1分别与行星排Ⅱ（5）的行星架Ⅱ（51）和传动装置相连接，离合器C2则分别与行星排Ⅱ（5）的太阳轮Ⅱ（52）和主电机（6）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统，其特征在于，所述传动装置由与行星架Ⅱ（51）相连接的过渡齿轮（7），与过渡齿轮（7）相连接的主减速器（8），以及与主减速器（8）相连接的差速器（9）组成。

3.根据权利要求2所述的基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统，其特征在于，在行星排Ⅱ（5）的齿圈Ⅱ（53）上还设有制动器B。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统，其特征在于，所述双转子电机（4）为无刷型双转子电机，其是由径向式永磁磁路结构的内电机，以及设置在内电机外侧的励磁磁路结构的外电机组成。