CN104097498A - 一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置；包括发动机，第一离合器，第一电动机/发电机，动力分配机构，飞轮模块，第二离合器和动力输出装置；所述动力分配机构是双排行星齿轮传动装置；所述飞轮模块包括飞轮增速主动齿轮，与所述飞轮增速主动齿轮相啮合的至少一个飞轮增速从动齿轮，至少一个飞轮，至少一个飞轮轴和至少一个飞轮制动器；所述动力输出装置包括减速主动齿轮，减速从动齿轮，变速装置，动力输出轴；解决了制动能量回收效率低、加速性能差的问题；制动能量回收效率高、加速性高、整车成本低、节能效果显著。

Description

一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置

技术领域

本发明涉及混合动力汽车技术领域，具体涉及一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置。

背景技术

人类面临着化石能源逐渐枯竭和过度依赖化石能源所导致的环境恶化两大挑战，以石油能源为动力的传统汽车的迅猛发展正使人类陷入资源与环境的双重危机，因此发展节能环保的新能源汽车逐渐成为行业的发展趋势。

混合动力汽车（HEV）是一种由发动机和电机系统共同驱动的车辆，符合环保高效的主流发展方向，根据动力源数量和动力传递方式不同，分为串联型、并联型（PHEV）和混联型。能量存储装置主要是蓄电池、超级电容、燃料电池、惯性飞轮、液压蓄能器等，储能飞轮不会像蓄电池那样在废弃时带来环境污染，环保性能较好。

汽车的制动是通过制动盘与制动钳或制动鼓与制动蹄之间的摩擦来实现的。在此过程中，整车动能通过摩擦以热量的形式耗散，造成能量的浪费。特别是在城市工况中，由于交通拥堵和交通管理需要，车辆需要反复地加速、减速，制动消耗的能量在车辆消耗总能量中占据相当大的比例。

制动能量回馈是提高汽车能量效率的一个非常重要的手段，它通常是指电动汽车（例如纯电动汽车和混合动力汽车）在减速或者下坡过程中，在保证制动性能的前提下，将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电机，电机以发电模式工作，为储能装置充电，从而实现制动能量的回馈利用。制动能量回馈可以提升电动汽车的续驶里程，降低车载电池的重量。另外，还可减少制动器摩擦片的磨损。

然而，目前的制动能量回馈技术有不少缺点，因为回馈能量的多少受到车辆行驶工况和电机、电池状态的限制。首先，现有的制动能量回馈方案通常要求直接向电池充电，但因制动过程时间大多较短，并且存在着电池充电倍率不能过高的限制，电池难以实现短时间大功率充电；第二，采用电机回馈制动能量对其性能要求过高，且难以实现制动力矩的任意调节，不符合人们对于传统制动器的操作习惯；第三，超级电容虽具有比功率高、比能量大、一次储能多等优点，可平滑动力电池充放电电流但其价格昂贵，不易普及；第四，电动汽车的运行工况要求其电机及传动系统具有正反转以及电气制动等四象限控制功能，但现有的电气制动方法与装置只能在中高速中回收少部分能量，在低速时能量回收率几乎为零；最后，制动能量回馈的再利用过程效率不高，因为回收的动能通过发电机转化为电能，再转化为化学能，而再利用时又由化学能转化为电能、动能，这两次能量的转化过程会发生可观的损失，因此导致整车的节能效果不够明显。

另外，由于汽车前舱空间、驱动电机与差速器中心距等限制，电动汽车电机的直径不宜过大，加上电机控制器功率器件成本的限制，目前很多电动汽车的峰值转矩偏小，存在动力性差、加速性能差、高速超车能力不足等问题。在中国专利CN201120235061.8中提供了一种利用飞轮提高制动能量回收率的驱动装置，但仍然存在着加速性能差、高速超车能力不足的问题。在中国专利CN200980142123.6中提供了一种飞轮储能系统，可以在减少能量损失的同时快速满足高负荷环境下的储能需求，也存在着加速性能差、高速超车能力不足、节能成本高的问题；在中国专利CN200980151936.1中提供了一种飞轮模块以及在飞轮模块中储存和传递能量的方法，比现有驱动系统中的飞轮模块更简单更节省成本，但存在着加速性能差、高速超车能力不足的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种制动能量回收效率高、加速性高、整车成本低、节能效果显著的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置。

实现本发明目的的技术方案是提供一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置；包括发动机，第一离合器，第一电动机/发电机，动力分配机构，飞轮模块，第二离合器和动力输出装置；所述动力分配机构是双排行星齿轮传动装置；所述飞轮模块包括飞轮增速主动齿轮，与所述飞轮增速主动齿轮相啮合的至少一个飞轮增速从动齿轮，至少一个飞轮，至少一个飞轮轴和至少一个飞轮制动器；所述动力输出装置包括减速主动齿轮，减速从动齿轮，变速装置，动力输出轴；所述发动机和所述第一离合器与所述第一电动机/发电机、所述动力分配机构、所述飞轮模块、所述第二离合器、所述动力输出装置传动连接。

优选的所述第一离合器从动片连接在所述发动机的输出轴上，所述发动机的输出轴与动力输入轴相连；所述双排行星齿轮传动装置包括第一行星排和第二行星排，所述第一行星排包括第一行星排太阳轮、第一行星排行星架、第一行星排齿圈；所述第二行星排包括第二行星排太阳轮、第二行星排行星架、第二行星排齿圈；所述第一行星排太阳轮与所述第二行星排太阳轮相连接；所述第二行星排行星架与所述动力输入轴固定连接，所述第一电动机/发电机的输出轴与所述第一行星排太阳轮固定连接；所述第一行星排齿圈与所述第二离合器一端相连接，所述第二离合器的另一端与所述飞轮增速主动齿轮连接，所述飞轮增速主动齿轮与所述飞轮增速从动齿轮相连接，所述飞轮增速从动齿轮与所述飞轮轴固定连接，所述飞轮固定安装在所述飞轮轴上；所述第二行星排齿圈与所述减速主动齿轮是一体件，所述减速主动齿轮与所述减速从动齿轮啮合连接，所述减速从动齿轮固定连接在所述动力输出轴上，所述变速装置固定安装在所述动力输出轴上。

优选的所述变速装置是差速器或单档变速器或多档变速器；所述动力输出轴与第二电动机/发电机的输出轴相连接；所述飞轮增速主动齿轮与所述飞轮增速从动齿轮是齿轮啮合连接或链条传动连接；所述飞轮制动器是电磁制动器或摩擦片式制动器，位于所述飞轮轴上紧邻所述飞轮端或位于沿着所述飞轮轴轴向与所述飞轮端相对的一侧紧邻所述飞轮增速从动齿轮处。

优选的所述发动机、所述第一电动机/发电机、所述飞轮模块在整车控制下有多种不同的传动工况，包括起步和低速行驶，中高速行驶，行驶时的制动能量回收，制动能量回收后飞轮助力行驶。

优选的当处在起步和低速行驶工况时，所述第一离合器断开，所述发动机不参与驱动，所述第二离合器结合，所述飞轮制动器闭合，所述第一行星排齿圈静止；所述第一电动机/发电机输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮、所述第一行星排行星架、所述第二行星排齿圈输出后驱动所述动力输出装置。

优选的当处在中高速行驶工况时，所述第一离合器结合，所述发动机和所述第一电动机/发电机共同工作，所述第二离合器断开，所述第一行星排齿圈空转，所述飞轮不工作，所述飞轮制动器断开；从所述发动机输出的动力顺次经过所述第一离合器、所述动力输入轴、所述第二行星排行星架、所述第二行星排齿圈输出后驱动所述动力输出装置；所述第一电动机/发电机输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮、第二行星排太阳轮、所述第二行星排齿圈输出后驱动所述动力输出装置。

优选的当处在行驶时的制动能量回收工况时，所述第一离合器断开，所述发动机不参与整车制动，所述飞轮制动器断开，所述第二离合器结合，所述第一电动机/发电机输出反向扭矩后经过所述第一行星排开始分流，一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮、所述第一行星排行星架、所述第二行星排齿圈输出后驱动所述动力输出装置使车辆减速；另一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮、所述第一行星排齿圈、所述第二离合器、所述飞轮增速主动齿轮、所述飞轮增速从动齿轮、所述飞轮轴到所述飞轮使飞轮加速。

优选的当处在制动能量回收后飞轮助力行驶工况时，所述第一离合器断开，所述发动机不参与整车驱动，所述第二离合器结合，所述飞轮制动器断开；所述第一电动机/发电机输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮、所述第一行星排行星架、所述第二行星排齿圈输出后驱动所述动力输出装置；所述飞轮的动能顺次经过所述飞轮轴、所述飞轮增速从动齿轮、所述飞轮增速主动齿轮、所述第二离合器、所述第一行星排齿圈、所述第一行星排行星架、第二行星排齿圈输出后驱动所述动力输出装置。

本发明具有积极的效果：（1）通过飞轮的能量存储作用可以回收车辆的制动动能，回收制动能量将远超目前的电机发电给电池充电的技术方案，在车辆起动和加速过程中提供辅助功率，减少了有害气体的排放，提高了发动机和刹车装置等零部件的使用寿命，设备功率较小，所需费用也较小，既可以大幅降低整车电池成本、控制器成本、电机成本，又可以大幅提高车辆的动力性能和燃油经济性。

（2）通过所述动力分配结构，将制动回收的能量大部分以机械能形式存储在飞轮中，部分能量通过第一电动机/发电机回收给电池。飞轮以机械能回收效率高，回收制动能量容量大,飞轮因存储有机械能，在加速过程中，能够释放能量辅助整车进行加速，提升整车的加速性能。

（3）所述动力分配机构运行于不同的工况，控制逻辑简单，动力性，经济性好；且具有的质量小，体积小，传动比大，承载能力大，传动平稳及传动效率高的特点，将第一电动机/发电机、发动机、飞轮三者动力耦合在一起，有效实现动力源的分配，提高了混合动力的混合度。

（4）通过所述动力分配机构减少发动机与电机切换过程中的速度波动，实现无极变速的精细速度调节，操控性强，可靠性高，稳定性高，可大幅提升了整车的舒适性。

（5）第一电动机/发电机通过动力分配结构能够使发动机工作在高效区间内，大幅提升发动机的燃油经济性，从而实现节油效果；同时飞轮储能容量大，在相同的续驶里程的条件下，可以适当的降低原车的电池要求，因此能够降低整车成本。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据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为一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置的第一种结构示意图；

图2为一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置的第二种结构示意图；

图3为飞轮模块的局部放大图；

1是发动机，2是第一离合器，3是第一电动机/发电机，4是动力分配机构，5是飞轮模块，6是第二离合器，7是动力输出装置，8是动力输入轴，9是第二电动机/发电机，51是飞轮，52是飞轮轴，53是飞轮增速主动齿轮，54是飞轮增速从动齿轮，55是飞轮制动器，56是啮合齿轮副，71是减速主动齿轮，72是减速从动齿轮，73是变速装置，74是动力输出轴，41是第一行星排，42是第二行星排，410是第一行星排太阳轮，411是第一行星排行星架，412是第一行星排齿圈，420是第二行星排太阳轮，421是第二行星排行星架，422是第二行星排齿圈

具体实施方式

见图1，本发明提供一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置；包括发动机1，第一离合器2，第一电动机/发电机3，动力分配机构4，飞轮模块5，第二离合器6和动力输出装置7；所述动力分配机构4是双排行星齿轮传动装置。

见图3中所述飞轮模块5包括飞轮增速主动齿轮53，与所述飞轮增速主动齿轮53相啮合的至少一个飞轮增速从动齿轮54，至少一个飞轮51，至少一个飞轮轴52和至少一个飞轮制动器55；啮合齿轮副56包括飞轮增速主动齿轮53与飞轮增速从动齿轮54；所述动力输出装置7包括减速主动齿轮71，减速从动齿轮72，变速装置73，动力输出轴74；所述发动机1和所述第一离合器2与所述第一电动机/发电机3、所述动力分配机构4、所述飞轮模块5、所述第二离合器6、所述动力输出装置7传动连接。

进一步的所述第一离合器2从动片连接在所述发动机1的输出轴上，所述发动机1的输出轴与动力输入轴8相连；所述双排行星齿轮传动装置包括第一行星排41和第二行星排42，所述第一行星排41包括第一行星排太阳轮410、第一行星排行星架411、第一行星排齿圈412；所述第二行星排42包括第二行星排太阳轮420、第二行星排行星架421、第二行星排齿圈422；所述第一行星排太阳轮410与所述第二行星排太阳轮420相连接，所述第一行星排行星架411与所述第二行星排齿圈422固定连接；所述第二行星排行星架421与所述动力输入轴8固定连接，所述第一电动机/发电机3的输出轴与所述第一行星排太阳轮410固定连接；所述第一行星排齿圈412与所述第二离合器6一端相连接，所述第二离合器6的另一端与所述飞轮增速主动齿轮53连接，所述飞轮增速主动齿轮53与所述飞轮增速从动齿轮54啮合连接，所述飞轮增速从动齿轮54与所述飞轮轴52固定连接，所述飞轮51固定安装在所述飞轮轴52上，所述飞轮制动器55一端在飞轮51上，另一端安装在箱体上；第二行星排齿圈422与减速主动齿轮71是一个整体，所述减速主动齿轮71与所述减速从动齿轮72啮合连接，所述减速从动齿轮72与变速装置73相连，所述变速装置73固定安装在所述动力输出轴74上。

进一步的所述变速装置73是差速器或单档变速器或多档变速器；所述动力输出轴74与第二电动机/发电机9的输出轴相连接；所述飞轮增速主动齿轮53与所述飞轮增速从动齿轮54是齿轮啮合连接或链条传动连接；所述飞轮制动器55是电磁制动器或摩擦片式制动器，位于所述飞轮轴52上紧邻所述飞轮51端或位于沿着所述飞轮轴52轴向与所述飞轮51端相对的一侧紧邻所述飞轮增速从动齿轮54处，结构简单，控制方便。

通过飞轮51的能量存储作用可以回收车辆的制动动能，回收制动能量将远超目前的电机发电给电池充电的技术方案，在车辆起动和加速过程中提供辅助功率，减少了有害气体的排放，提高了发动机1和刹车装置等零部件的使用寿命，设备功率较小，所需费用也较小，既可以大幅降低整车电池成本、控制器成本、电机成本，又可以大幅提高车辆的动力性能和燃油经济性。

通过所述动力分配结构4将制动回收的能量大部分以机械能形式存储在飞轮51中，部分能量通过第一电动机/发电机3回收给电池。飞轮51以机械能回收效率高，回收制动能量容量大，飞轮51因存储有机械能，在加速过程中，能够释放能量辅助整车进行加速，提升整车的加速性能。

本发明中动力分配结构4中各个部件转速满足关系式：

n_si+k_in_ri=(1+k)n_ci    （1）

其中，n_si—太阳轮转速；n_ri—齿圈转速；n_ci—行星架转速；i—第i行星排；k_i—齿圈与太阳轮的齿数比；

各个部件转矩满足关系式：

$\frac{T_{\mathrm{si}}}{1}=\frac{T_{\mathrm{ri}}}{k_i}=\frac{T_{\mathrm{ci}}}{-(1+k_i)}---\left(2\right)$

其中，T_si—第i行星排太阳轮转矩；T_ri—第i行星排齿圈转矩；T_c—第i行星排行星架转矩；

$\{\begin{array}{c}{n}_{c1}=n_{r2}=n_w{i}_o\\ n_{s1}=n_{s2}=n_{\mathrm{cm}}\\ n_{r1}=n_{\mathrm{fw}}{i}_{\mathrm{fw}}\end{array}---\left(3\right)$

其中，i_fw—第一行星排齿圈至飞轮的传动比；i_o—减速主动齿轮至动力输出轴的传动比；n_fw—飞轮转速；n_cm—第一电动机转速；n_e—发动机转速；n_w—车轮转速。

进一步的所述发动机1、所述第一电动机/发电机3、所述飞轮模块5在整车控制下有多种不同的传动工况，包括起步和低速行驶，中高速行驶，行驶时的制动能量回收，制动能量回收后飞轮助力行驶。

所述动力分配机构4运行于不同的工况，控制逻辑简单，动力性，经济性好；且具有的质量小，体积小，传动比大，承载能力大，传动平稳及传动效率高的特点，将第一电动机/发电机3、发动机1、飞轮51三者动力耦合在一起，有效实现动力源的分配，提高了混合动力的混合度。

进一步的当处在起步和低速行驶工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与驱动，所述第二离合器6结合，所述飞轮制动器55闭合，所述第一行星排齿圈412静止；所述第一电动机/发电机3输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7。

因为所述飞轮制动器55闭合，飞轮51转速为零，这时将飞轮51锁止，第一电动机/发电机3输出的扭矩通过第一行星排41放大（k1+1）倍后叠加到所述动力输出装置7，增加了起步转矩，减小加速时间。即起步时车轮转矩

T_w=T_r2i_o=T_c1i_o=-(k₁+1)T_cmi_o    （4）

T_w—车轮转矩

随着车速的增加，即驱动车轮转速n_w增加，所述第一电动机/发电机3转速n_cm同时成比例增加。即

$n_{\mathrm{cm}}=(k_1+1)n_{c^{c1}}=(k_1+1)n_{r2}=(k_1+1)n_w{i}_o---\left(5\right)$

进一步的当处在中高速行驶工况时，所述第一离合器2结合，所述发动机1和所述第一电动机/发电机3共同工作，所述第二离合器6断开，所述第一行星排齿圈412空转，所述飞轮51不工作，所述飞轮制动器55不工作；从所述发动机1输出的动力顺次经过所述第一离合器2、所述动力输入轴8、所述第二行星排行星架421、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7；所述第一电动机/发电机3输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮410、第二行星排太阳轮420、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7。

这样所述第一电动机/发电机3通过所述第二个行星排42，将所述发动机1输出功率调整为高效区间，提高所述发动机1的效率，通过共同驱动整车，提升整车动力性。这时第一电动机/发电机3、发动机1、整车车速之间的转速满足以下关系式：

n_s2+k₂n_r2=(1+k₂)n_c2    （6）

n_s2=n_s1=n_cm

n_c2=n_e

n_r2=n_wi_o

由上述关系式可以推出：

n_cm+k₂n_wi_o=(1+k₂)n_e

因此，第一电动机/发电机3、发动机1、车轮转速三者之间转速关系构成一元二次方程，车轮转速再增大时，只需第一电动机/发电机3进行变化进行匹配，发动机1依然可以一直处于高效区间，这样可以大幅提升发动机1的燃油经济性。同时可以由第一电动机/发电机3和发动机1共同耦合动力输出，实现整车车速平稳提升，提高整车舒适性。

此时发动机1、第一电动机/发电机3以及车轮转矩满足以下关系：

$\frac{T_{s2}}{1}=\frac{T_{r2}}{k_2}=\frac{T_{c2}}{-(1+k_2)}$

T_s2=T_s1=T_cm

T_c2=T_e

T_r2=T_w/i_o

因此，发动机1、第一电动机/发电机3以及车轮转矩关系式为：

$\frac{T_{\mathrm{cm}}}{1}=\frac{T_w}{k_2{i}_o}=\frac{T_e}{-(1+k_2)}$

T_e—发动机转矩

进一步的当处在倒车工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与驱动，所述第二离合器6结合，所述飞轮制动器55闭合，所述第一行星排齿圈412静止；所述第一电动机/发电机3输出反向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7进行倒车行驶。

这时第一电动机/发电机3与车轮转矩之间满足以下关系：

T_w=T_r2i_o=T_c1i_o=-(k₁+1)T_cmi_o

这时第一电动机/发电机3与车轮转矩之间满足以下关系：

$n_{\mathrm{cm}}=(k_1+1)n_{c^{c1}}=(k_1+1)n_{r2}=(k_1+1)n_w{i}_o$

进一步的当处在行驶时的制动能量回收工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与整车制动，所述飞轮制动器55断开，所述第二离合器6结合，所述第一电动机/发电机3输出反向扭矩后经过所述第一行星排41开始分流，一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7使车辆减速；另一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第一行星排齿圈412、所述第二离合器6、所述飞轮增速主动齿轮53、所述飞轮增速从动齿轮54、所述飞轮轴52到所述飞轮51使飞轮51加速。

这时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮转速之间满足以下关系：

n_s1+k₁n_r1=(1+k₁)n_c1

n_s1=n_cm

n_c1=n_r2=n_wi_o

n_r1=n_fwi_fw

由上述公式求解，此时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮转速之间转速关系式为

n_cm+k₁n_fwi_fw=(1+k₁)n_wi_o

此时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮扭矩之间满足以下关系：

$\frac{T_{s1}}{1}=\frac{T_{r1}}{k_1}=\frac{T_{c1}}{-(1+k_1)}$

T_s1=T_cm

T_c1=T_r2=T_w/i_o

T_r1=T_wf/i_wf

由上述公式求解，此时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮转速之间转矩关系式为

$\frac{T_{\mathrm{cm}}}{1}=\frac{T_{\mathrm{wf}}}{k_1{i}_{\mathrm{wf}}}=\frac{T_w}{-(1+k_1)i_o}$

这样当所述第一电动机/发电机3输出反向扭矩时，进入发电状态，所述第一电动机/发电机3开始减速。这样，第一电动机/发电机3的负转矩通过行星齿轮机构放大后作用到所述动力输出装置7即可体现为车辆制动回馈转矩，使车辆减速。该转矩通过所述动力分配机构4作用到所述飞轮51上，使所述飞轮51进入加速状态。

此时所述飞轮51加速，所述第一电动机/发电机3和车辆减速，即车辆的动能一部分通过所述第一电动机/发电机3发电进入蓄电池，另外一部分直接转化为所述飞轮51的动能。由于车辆惯量较大，所述飞轮51和所述第一电动机/发电机3转子惯量较小，所述第一电动机/发电机3减速较车辆减速快，当所述第一电动机/发电机3转速降低为零时，这时，车速仍然较高。若还需要车辆减速，这时第一电动机/发电机仍然施加负转矩，所述第一电动机/发电机3进入反方向加速状态，即进入电动状态。这时车辆的动能全部转化为所述飞轮51的动能，同时所述第一电动机/发电机3也将一部分电能转化为所述飞轮51的动能，所述飞轮51继续加速，直到车辆减速停止为止，此时所述飞轮51保持高转速，第一电动机/发电机保持负转速。

进一步的当处在制动能量回收后飞轮助力行驶工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与整车驱动，所述第二离合器6结合，所述飞轮制动器55断开；所述第一电动机/发电机3输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7；所述飞轮51的动能顺次经过所述飞轮轴52、所述飞轮增速从动齿轮54、所述飞轮增速主动齿轮53、所述第二离合器6、所述第一行星排齿圈412、所述第一行星排行星架411、第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7。

这时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮转速之间满足以下关系：

n_s1+k₁n_r1=(1+k₁)n_c1

n_s1=n_cm

n_c1=n_r2=n_wi_o

n_r1=n_fwi_fw

由上述公式求解，此时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮转速之间转速关系式为

n_cm+k₁n_fwi_fw=(1+k₁)n_wi_o

此时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮扭矩之间满足以下关系：

$\frac{T_{s1}}{1}=\frac{T_{r1}}{k_1}=\frac{T_{c1}}{-(1+k_1)}$

T_s1=T_cm

T_c1=T_r2=T_w/i_o

T_r1=T_wf/i_wf

由上述公式求解，此时第一电动机/发电机3、飞轮51、车轮转速之间转矩关系式为：

$\frac{T_{\mathrm{cm}}}{1}=\frac{T_{\mathrm{wf}}}{k_1{i}_{\mathrm{wf}}}=\frac{T_w}{-(1+k_1)i_o}$

这时当所述第一电动机/发电机3输出正向扭矩时，进入发电状态，所述第一电动机/发电机3开始反向减速。同时该正扭矩通过第一行星排41放大后作用到所述动力输出装置7为车轮提供动力；同时该转矩通过第一行星排41作用到所述飞轮51上，使所述飞轮51减速，这时所述飞轮51的动能一部分通过所述第一电动机/发电机3转化为电能，另一部分直接转化为整车的动能。随着车辆加速状态的继续，当所述第一电动机/发电机3反向减速至零转速后，所述第一电动机/发电机3继续施加正向扭矩，所述第一电动机/发电机3开始正向加速，进入电动状态，此时所述飞轮51转速一直在降低，当所述飞轮51转速降低到零转速附近时，所述飞轮制动器55结合，将飞轮51锁死，这时整车行驶工况就切换为起步和低速行驶工况模式继而切换为中高速行驶工况模式。

图2是通过不同的连接位置关系实现与图1相同的制动能量回收效率和辅助加速的功能，图2和图1的连接位置区别在于在图2中，所述第一离合器2从动片连接在所述发动机1的输出轴上，所述发动机1的输出轴与动力输入轴8相连，所述第一行星排太阳轮410与所述第一电动机/发电机3的输出端相连，所述动力输入轴8与所述第二行星排行星架421相连。

当处在起步和低速行驶工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与驱动，所述第二离合器6结合，所述飞轮制动器55闭合，所述第一行星排齿圈412静止；所述第一电动机/发电机3输出正向扭距后顺次经过第一行星排太阳轮410、所述第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7。

当处在中高速行驶工况时，所述第一离合器2结合，所述发动机1和所述第一电动机/发电机3共同工作，所述第二离合器6断开，所述第一行星排齿圈412空转，所述飞轮51不工作，所述飞轮制动器55断开；从所述发动机1输出的动力顺次经过所述第一离合器2、所述动力输入轴8、所述第二行星排行星架421、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7；所述第一电动机/发电机3输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第二行星排太阳轮420、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7；这样所述第一电动机/发电机3通过所述第二个行星排42，将所述发动机1输出功率调整为高效区间，提高所述发动机1的效率。

当处在倒车工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与驱动，所述第二离合器6结合，所述飞轮制动器55闭合，所述第一行星排齿圈412静止；所述第一电动机/发电机3输出反向扭距后顺次经过第一行星排太阳轮410、第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7进行倒车行驶。

当处在行驶时的制动能量回收工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与整车驱动，所述飞轮制动器55断开，所述第二离合器6结合，所述第一电动机/发电机3输出反向扭矩后经过所述第一行星排41开始分流，一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7使车辆减速；另一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第一行星排齿圈412、所述第二离合器6、所述飞轮增速主动齿轮53、所述飞轮增速从动齿轮54、所述飞轮轴52到所述飞轮51使飞轮51加速。

当处在制动能量回收后飞轮助力行驶工况时，所述第一离合器2断开，所述发动机1不参与整车驱动，所述第二离合器6结合，所述飞轮制动器55断开；所述第一电动机/发电机3输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮410、所述第二行星排太阳轮420、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7；所述飞轮51的动能顺次经过所述飞轮轴52、所述飞轮增速从动齿轮54、所述飞轮增速主动齿轮53、所述第二离合器6、所述第一行星排齿圈412、第一行星排行星架411、所述第二行星排齿圈422输出后驱动所述动力输出装置7。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置；其特征在于：包括发动机（1），第一离合器（2），第一电动机/发电机（3），动力分配机构（4），飞轮模块（5），第二离合器（6）和动力输出装置（7）；所述动力分配机构（4）是双排行星齿轮传动装置；所述飞轮模块（5）包括飞轮增速主动齿轮（53），与所述飞轮增速主动齿轮（53）相啮合的至少一个飞轮增速从动齿轮（54），至少一个飞轮（51），至少一个飞轮轴（52）和至少一个飞轮制动器（55）；所述动力输出装置（7）包括减速主动齿轮（71），减速从动齿轮（72），变速装置（73），动力输出轴（74）；所述发动机（1）和所述第一离合器（2）与所述第一电动机/发电机（3）、所述动力分配机构（4）、所述飞轮模块（5）、所述第二离合器（6）、所述动力输出装置（7）传动连接。

2.根据权利要求1所述的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置，其特征在于：所述第一离合器（2）从动片连接在所述发动机（1）的输出轴上，所述发动机（1）的输出轴与动力输入轴（8）相连；所述双排行星齿轮传动装置包括第一行星排（41）和第二行星排（42），所述第一行星排（41）包括第一行星排太阳轮（410）、第一行星排行星架（411）、第一行星排齿圈（412）；所述第二行星排（42）包括第二行星排太阳轮（420）、第二行星排行星架（421）、第二行星排齿圈（422）；所述第一行星排太阳轮（410）与所述第二行星排太阳轮（420）相连接，所述第一行星排行星架（411）与所述第二行星排齿圈（422）固定连接；所述第二行星排行星架（421）与所述动力输入轴（8）固定连接，所述第一电动机/发电机（3）的输出轴与所述第一行星排太阳轮（410）固定连接；所述第一行星排齿圈（412）与所述第二离合器（6）一端相连接，所述第二离合器（6）的另一端与所述飞轮增速主动齿轮（53）连接，所述飞轮增速主动齿轮（53）与所述飞轮增速从动齿轮（54）相连接，所述飞轮增速从动齿轮（54）与所述飞轮轴（52）固定连接，所述飞轮（51）固定安装在所述飞轮轴（52）上；所述第二行星排齿圈（422）与所述减速主动齿轮（71）是一体件，所述减速主动齿轮（71）与所述减速从动齿轮（72）啮合连接，所述减速从动齿轮（72）固定连接在所述动力输出轴（74）上，所述变速装置（73）固定安装在所述动力输出轴（74）上。

3.根据权利要求2所述的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置，其特征在于：所述变速装置（73）是差速器或单档变速器或多档变速器；所述动力输出轴（74）与第二电动机/发电机（9）的输出轴相连接；所述飞轮增速主动齿轮（53）与所述飞轮增速从动齿轮（54）是齿轮啮合连接或链条传动连接；所述飞轮制动器（55）是电磁制动器或摩擦片式制动器，位于所述飞轮轴（52）上紧邻所述飞轮（51）端或位于沿着所述飞轮轴（52）轴向与所述飞轮（51）端相对的一侧紧邻所述飞轮增速从动齿轮（54）处。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置，其特征在于：所述发动机（1）、所述第一电动机/发电机（3）、所述飞轮模块（5）在整车控制下有多种不同的传动工况，包括起步和低速行驶，中高速行驶，行驶时的制动能量回收，制动能量回收后飞轮助力行驶。

5.根据权利要求4所述的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置，其特征在于：当处在起步和低速行驶工况时，所述第一离合器（2）断开，所述发动机（1）不参与驱动，所述第二离合器（6）结合，所述飞轮制动器（55）闭合，所述第一行星排齿圈（412）静止；所述第一电动机/发电机（3）输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮（410）、所述第一行星排行星架（411）、所述第二行星排齿圈（422）输出后驱动所述动力输出装置（7）。

6.根据权利要求4所述的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置，其特征在于：当处在中高速行驶工况时，所述第一离合器（2）结合，所述发动机（1）和所述第一电动机/发电机（3）共同工作，所述第二离合器（6）断开，所述第一行星排齿圈（412）空转，所述飞轮（51）不工作，所述飞轮制动器（55）断开；从所述发动机（1）输出的动力顺次经过所述第一离合器（2）、所述动力输入轴（8）、所述第二行星排行星架（421）、所述第二行星排齿圈（422）输出后驱动所述动力输出装置（7）；所述第一电动机/发电机（3）输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮（410）、第二行星排太阳轮（420）、所述第二行星排齿圈（422）输出后驱动所述动力输出装置（7）。

7.根据权利要求4所述的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置，其特征在于：当处在行驶时的制动能量回收工况时，所述第一离合器（2）断开，所述发动机（1）不参与整车制动，所述飞轮制动器（55）断开，所述第二离合器（6）结合，所述第一电动机/发电机（3）输出反向扭矩后经过所述第一行星排（41）开始分流，一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮（410）、所述第一行星排行星架（411）、所述第二行星排齿圈（422）输出后驱动所述动力输出装置（7）使车辆减速；另一部分动力顺次经过所述第一行星排太阳轮（410）、所述第一行星排齿圈（412）、所述第二离合器（6）、所述飞轮增速主动齿轮（53）、所述飞轮增速从动齿轮（54）、所述飞轮轴（52）到所述飞轮（51）使飞轮（51）加速。

8.根据权利要求4所述的可应用于混合动力汽车的储能及驱动装置，其特征在于：当处在制动能量回收后飞轮助力行驶工况时，所述第一离合器（2）断开，所述发动机（1）不参与整车驱动，所述第二离合器（6）结合，所述飞轮制动器（55）断开；所述第一电动机/发电机（3）输出正向扭距后顺次经过所述第一行星排太阳轮（410）、所述第一行星排行星架（411）、所述第二行星排齿圈（422）输出后驱动所述动力输出装置（7）；所述飞轮（51）的动能顺次经过所述飞轮轴（52）、所述飞轮增速从动齿轮（54）、所述飞轮增速主动齿轮（53）、所述第二离合器（6）、所述第一行星排齿圈（412）、所述第一行星排行星架（411）、第二行星排齿圈（422）输出后驱动所述动力输出装置（7）。