CN103660904A - 一种混合动力驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合动力驱动系统，包括发动机、电机和变速箱，还包括行星齿轮机构，所述电机的输出动力通过所述行星齿轮机构减速增扭后，与所述发动机的输出动力耦合，并输入所述变速箱。如此设计，使电机的高转速低扭矩特性与发动机低速特性相匹配，降低了对电机的性能要求，从而降低了电机的制造成本；同时，行星齿轮机构的结构紧凑、轴向尺寸小，不仅可以减小混合动力驱动系统的体积，还可使混合动力驱动系统布置为单轴结构，更利于整车布置。
Description
技术领域
本发明涉及车辆动力系统技术领域，特别是涉及一种混合动力驱动系统。
背景技术
混合动力车辆（如混合动力公交车等）在节约能源方面相比传统车辆具有显著优势。
请参考图1-2，图1和图2分别为现有技术中两种典型混合动力驱动系统的结构简示图。
图1中所示的混合动力驱动系统为单轴并联式，发动机101曲轴通过离合器105与电机102的电机轴联接，电机轴与变速箱103输入轴联接，变速箱103输出轴与主减速器104输入轴联接。离合器105处于断开状态时，电机102单独驱动；离合器105处于闭合状态时，电机102和发动机101共同驱动，在此过程中，需要发动机101与电机102的转速保持一致，为转矩耦合混合动力系统。
该技术方案中，电机102输出动力与发动机101输出动力直接耦合，需要电机102具有低转速大扭矩的特性，使得电机102的制造成本增加。
图2中所示的混合动力驱动系统为两轴并联式，发动机101＇曲轴通过离合器105＇与齿轮减速系106＇联接，电机102＇与齿轮减速系106＇联接，齿轮减速系106＇的输出轴与变速箱103＇的输入轴联接，变速箱103＇的输出轴与主减速器104＇的输入轴联接。
该技术方案中，电机102＇增加了减速机构，即齿轮减速系106＇，能够获得降速增扭的效果，降低成本，但是，采用齿轮减速系106＇,决定了混合动力驱动系统为两轴并联式的结构，较为复杂，布置空间较大，提高了整车布置难度。
有鉴于此，如何使得混合动力驱动系统的成本降低、结构紧凑、易于整车布置，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合动力驱动系统，该混合动力驱动系统的成本低、结构紧凑、易于整车布置。
为解决上述技术问题，本发明提供一种混合动力驱动系统，包括发动机、电机和变速箱，还包括行星齿轮机构，所述电机的输出动力通过所述行星齿轮机构减速增扭后，与所述发动机的输出动力耦合，并输入所述变速箱。
如此，通过行星齿轮机构对电机输出动力进行减速增扭后，再与发动机输出动力耦合，可以使电机的高转速低扭矩特性与发动机低速特性相匹配，降低了对电机的性能要求，从而降低了电机的制造成本；同时，行星齿轮机构的结构紧凑、轴向尺寸小，不仅可以减小混合动力驱动系统的体积，还可使混合动力驱动系统布置为单轴结构，更利于整车布置。
优选地，所述行星齿轮机构包括太阳轮、内齿圈和行星架；
所述电机的转子通过电机轴与所述太阳轮相联；
所述内齿圈与车体固联；
所述发动机的输出轴通过离合器与传动轴相联；所述传动轴与所述行星架相联，且与所述变速箱的输入轴相联。
优选地，所述电机轴具有轴向中心通孔，所述传动轴通过所述轴向中心通孔贯穿所述电机和所述行星齿轮机构。
优选地，所述传动轴与所述行星架键联接。
优选地，所述行星齿轮机构包括太阳轮、内齿圈和行星架；
所述电机的转子通过电机轴与所述太阳轮相联；
所述内齿圈与所述变速箱的输入轴相联；
所述发动机的输出轴通过离合器与传动轴相联；所述传动轴与所述行星架相联，所述传动轴通过辅助离合器与车体相联。
优选地，所述传动轴与所述辅助离合器的从动盘联接，所述辅助离合器的主动盘与所述车体固联。
优选地，所述辅助离合器的主动盘与所述电机的盖板连接。
优选地，所述电机轴具有轴向中心通孔，所述传动轴通过所述轴向中心通孔贯穿所述电机和所述行星齿轮机构。
附图说明
图1为现有技术中一种典型混合动力驱动系统的结构简示图；
图2为现有技术中另一种典型混合动力驱动系统的结构简示图；
图3为本发明所提供混合动力驱动系统第一种实施例的结构简示图；
图4为本发明所提供混合动力驱动系统第二种实施例的结构简示图。
图1-2中：
发动机101、101＇，电机102、102＇，变速箱103、103＇，主减速器104、104＇，离合器105、105＇，齿轮减速系106＇；
图3-4中：
发动机10、10＇，电机20、20＇，定子21、21＇，转子22、22＇，电机轴23、23＇，行星齿轮机构30、30＇，太阳轮31、31＇，内齿圈32、32＇，行星架33、33＇，变速箱40、40＇，传动轴50、50＇，离合器60、60＇，辅助离合器70＇。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种混合动力驱动系统，该混合动力驱动系统的成本低、结构紧凑、易于整车布置。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的混合动力驱动系统，包括发动机、电机和变速箱，还包括行星齿轮机构，所述电机的输出动力通过所述行星齿轮机构减速增扭后，与所述发动机的输出动力耦合，并输入所述变速箱。
对于行星齿轮机构，其太阳轮、内齿圈和行星架三者之间的关系如式（1）：
(do+ds)ωH-dsωs-ωodo＝0 （1）
其中，ωs为太阳轮转速；ωo为内齿圈转速；ωH为行星架转速；do为内齿圈分度圆直径；ds为太阳轮分度圆直径。
也就是说，行星齿轮机构中，太阳轮、内齿圈和行星架任意两者的速度决定第三者的速度，如，当行星架转速、转矩一定的情况下，太阳轮的转速、转矩决定内齿圈的转速、转矩。
所以，电机的输出动力可以通过行星齿轮机构减速增扭。
如上设置后，可以使电机的高转速低扭矩特性与发动机低速特性相匹配，降低了对电机的性能要求，从而降低了电机的制造成本；同时，行星齿轮机构的结构紧凑、轴向尺寸小，不仅可以减小动力总成的体积，还可使动力总成布置为单轴结构，更加便于整车布置。
请参考图3，图3为本发明所提供混合动力驱动系统第一种实施例的结构简示图。
该实施例中，混合动力驱动系统包括发动机10、电机20、行星齿轮机构30和变速箱40。
其中，电机20包括定子21、转子22和电机轴23；
行星齿轮机构30包括太阳轮31、内齿圈32和行星架33；
发动机10的输出轴通过离合器60与传动轴50相联；传动轴50与行星架33相联，且与变速箱40的输入轴相联；
电机20的转子22通过电机轴23与太阳轮31相联；
内齿圈32与车体固联。
如上设计，电机20启动后，定子21与转子22之间产生电磁转矩，驱动电机轴23输出动力（转速和转矩），而电机轴23与太阳轮31联接，所以太阳轮31也被驱动输出动力，又行星齿轮机构30的内齿圈32与车体固联，所以行星架33输出动力。
根据前述行星齿轮机构30的特性，可知，此时，行星齿轮机构30的太阳轮31与行星架33以式（2）所示减速比对电机20的输出动力进行减速增扭。
由于行星架33与传动轴50联接，所以电机20的输出动力经行星齿轮机构30减速增扭后由传动轴50传送至变速箱40，最后再由变速箱40变速后传至驱动桥。
如此，电机20的输出动力通过行星齿轮机构30进行减速增扭，克服了电机20高效区（高速低扭矩）与发动机10高效区不匹配的缺点，降低了对电机20性能的要求，从而降低了电机20的制造成本；同时，行星齿轮机构30与背景技术中的齿轮减速系相比，结构紧凑、轴向尺寸小，而且使混合动力驱动系统为单轴结构，有利于整车布置。
其中，传动轴50与行星架33的联接可采用键联接。
进一步地，电机轴23具有轴向中心通孔，传动轴50通过该轴向中心通孔贯穿电机20和行星齿轮机构30，传动轴50的一端与离合器60的从动盘联接，另一端与变速箱40的输入轴联接。
如此设计，使得混合动力驱动系统的结构更加紧凑，轴向尺寸进一步减小，更有利于整车布置。
该实施例中，混合动力驱动系统的工作原理及控制方法如下所述：
当车辆处于起步或低速行驶状态，发动机10不工作，离合器60处于断开状态，电机20通过行星齿轮机构30减速增扭后单独驱动车辆，具体过程如上所述；
当车辆处于高速行驶状态，或需要较大牵引力，电机20提供的动力无法满足车辆行驶需求时，发动机10启动，并通过控制使发动机10输出转速与传动轴50同步，然后闭合离合器60，发动机10与电机20通过行星齿轮机构30动力耦合后，共同驱动车辆。
具体地，发动机10的输出转矩通过离合器60传递至传动轴50，和电机20通过行星齿轮机构30减速增扭后的转矩（具体过程可参见上述描述）进行转矩耦合，并通过变速箱40变速后共同驱动车辆行驶。
当车辆减速制动时，断开离合器60，车体惯性力通过变速箱40、行星齿轮机构30带动电机20的转子22转动，回收制动能量，此时，电机20工作于发电机状态。
当车辆紧急制动时，为保证车辆能够在最短的制动距离下停车，可由传统制动系统进行紧急制动。
请参考图4，图4为本发明所提供混合动力驱动系统第二种实施例的结构简示图。
该实施例中，混合动力驱动系统包括发动机10＇、电机20＇、行星齿轮机构30＇和变速箱40＇。
其中，电机20＇包括定子21＇、转子22＇和电机轴23＇；
行星齿轮机构30＇包括太阳轮31＇、内齿圈32＇和行星架33＇；
电机20＇的转子22＇通过电机轴23＇与太阳轮31＇相联；
内齿圈32＇与变速箱40＇的输入轴相联；
发动机10＇的输出轴通过离合器60＇与传动轴50＇相联；传动轴50＇与行星架33＇相联，并通过辅助离合器70＇与车体相联。
具体地，传动轴50＇与辅助离合器70＇的从动盘联接，辅助离合器70＇的主动盘与车体固联。
由于电机20＇固联于车体，所以可以将辅助离合器70＇的主动盘与电机20＇的盖板连接来实现与车体固联。当然，在实际设置时，也可将辅助离合器70＇的主动盘与其他固联与车体的部件连接。
进一步地，为了使混合动力驱动系统的结构更加紧凑，轴向尺寸进一步减小，以利于整车布置，该实施例中的电机轴23＇与上一实施例中的设置类似，即电机轴23＇具有轴向中心通孔，传动轴50＇通过该轴向中心通孔贯穿电机20＇和行星齿轮机构30＇，传动轴50＇的一端与离合器60＇的从动盘联接，另一端与行星齿轮机构30＇的行星架33＇联接。
该实施例中，混合动力驱动系统的工作原理及控制方法如下所述：
当车辆处于起步或低速行驶状态，发动机10＇不工作，离合器60＇处于断开状态；闭合辅助离合器70＇，使传动轴50＇和与之相联的行星架33＇与车体固联，电机20＇通过行星齿轮机构30＇减速增扭后单独驱动车辆；具体过程如下：
电机20＇启动后，定子21＇与转子22＇之间产生电磁转矩，驱动电机轴23＇输出动力（转速和转矩），而电机轴23＇与太阳轮31＇联接，所以太阳轮31＇也被驱动输出动力，又行星架33＇相对车体固定，所以内齿圈32＇输出动力；
根据前述行星齿轮机构30＇的特性，可知，此时，行星齿轮机构30＇的太阳轮31＇与内齿圈32＇以式（3）所示减速比对电机20＇的输出动力进行减速增扭。
由于内齿圈32＇与变速箱40＇的输入轴联接，所以电机20＇的输出动力经行星齿轮机构30＇减速增扭后，由变速箱40＇传至驱动桥。
当车辆处于高速行驶状态，或需要较大牵引力，电机20＇提供的动力无法满足车辆行驶需求时，发动机10＇启动，同时断开辅助离合器70＇，由于此时车辆惯性较大，可认为内齿圈32＇的转速不变，从而太阳轮31＇与行星架33＇的转速存在如式（2）的比例关系，而太阳轮31＇与电机轴23＇相联，行星架33＇与传动轴50＇相联，所以通过调节电机轴23＇的转速可以调节传动轴50＇的转速，使传动轴50＇的转速与发动机10＇的转速一致，然后闭合离合器60＇，发动机10＇与电机20＇通过行星齿轮机构30＇动力耦合后，共同驱动车辆。
具体地，发动机10＇的输出转速、转矩通过离合器60＇传递至传动轴50＇，与电机20＇通过行星齿轮机构30＇减速增扭后的输出转速、转矩进行耦合，动力经内齿圈32＇输出，再通过变速箱40＇变速后共同驱动车辆行驶。
当车辆减速制动时，断开离合器60＇，电机20＇升速，使传动轴50＇转速下降，闭合辅助离合器70＇，车体惯性带动电机20＇发电，回收制动能量。
当车辆紧急制动时，为保证车辆能够在最短的制动距离下停车，可由传动制动系统进行紧急制动。
从上述描述可知，该实施例中，电机20＇和发动机10＇通过行星齿轮机构30＇进行转矩与转速耦合，电机20＇的转速与发动机10＇的转速无需保持固定比例，当发动机10＇维持高效区转速时，利用电机20＇在较大转速范围内效率高的特点，对电机20＇进行调速，可使内齿圈32＇实现在一定范围内的无极变速，使发动机10＇可以工作在最佳工况点，提高燃油效率，简化变速箱的挡位数和结构；若电机20＇的性能较高时，甚至可以取消变速箱40＇，简化混合动力驱动系统的结构。
以上对本发明所提供的一种混合动力驱动系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种混合动力驱动系统，包括发动机、电机和变速箱，其特征在于，还包括行星齿轮机构，所述电机的输出动力通过所述行星齿轮机构减速增扭后，与所述发动机的输出动力耦合，并输入所述变速箱。
2.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于：
所述行星齿轮机构包括太阳轮、内齿圈和行星架；
所述电机的转子通过电机轴与所述太阳轮相联；
所述内齿圈与车体固联；
所述发动机的输出轴通过离合器与传动轴相联；所述传动轴与所述行星架相联，且与所述变速箱的输入轴相联。
3.如权利要求2所述的混合动力驱动系统，其特征在于，所述电机轴具有轴向中心通孔，所述传动轴通过所述轴向中心通孔贯穿所述电机和所述行星齿轮机构。
4.如权利要求3所述的混合动力驱动系统，其特征在于，所述传动轴与所述行星架键联接。
5.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于：
所述行星齿轮机构包括太阳轮、内齿圈和行星架；
所述电机的转子通过电机轴与所述太阳轮相联；
所述内齿圈与所述变速箱的输入轴相联；
所述发动机的输出轴通过离合器与传动轴相联；所述传动轴与所述行星架相联，所述传动轴通过辅助离合器与车体相联。
6.如权利要求5所述的混合动力驱动系统，其特征在于，所述传动轴与所述辅助离合器的从动盘联接，所述辅助离合器的主动盘与所述车体固联。
7.如权利要求6所述的混合动力驱动系统，其特征在于，所述辅助离合器的主动盘与所述电机的盖板连接。
8.如权利要求5所述的混合动力驱动系统，其特征在于，所述电机轴具有轴向中心通孔，所述传动轴通过所述轴向中心通孔贯穿所述电机和所述行星齿轮机构。
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