CN104786818B - 混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置及方法，所述动力耦合装置包括发动机、第一、二行星轮系、第一、二电机；第一行星轮系由第一太阳轮、第一行星架、第一齿圈及其行星轮构成；第二行星轮系由第二太阳轮、第二行星架、第二齿圈及其行星轮构成；第一电机与第一太阳轮连接；第二电机与第二太阳轮连接；发动机通过一个离合器与第一齿圈连接，第一齿圈上设有制动器；第一行星架与第二齿圈固连在一起作为动力输出端，第二齿圈通过动力输出齿轮与外部传动机构连接；第二行星架固定在车架上。本发明结构简单、控制简便，能够实现多种动力耦合与模式切换，改善耗油特性与动力性能，并且能够实现无级变速，不需要加装变速器。

Description

混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置及方法
技术领域
本发明属于新能源汽车动力技术领域，具体涉及一种混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置及方法。
背景技术
混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，简称HEV)是能源危机背景下的重要科技产物，它克服了传统燃油汽车与纯电动汽车的缺点，依靠多个动力转化装置的耦合关系实现多种工作模式，从而获得最佳的燃油经济性和排放性能。动力耦合系统是不同混合动力汽车间最大的差别所在，其结构与耦合方式决定了HEV动力系统研究开发的水平和方向，是HEV开发中最为关键的一个环节。
目前，混合动力汽车动力耦合系统主要有三种形式：串联式(电耦合)、并联式(机械耦合)、混联式(机械和电气耦合)。
在串联式电驱动系统中，能量需要两次转换才能传递到车轮，效率很低，且由于牵引电动机是唯一驱动车辆的动力装置，因此动力性能较差；并联式混合动力电驱系统的主要缺点是发动机与车轮之间存在机械联接器，发动机无法在一个固定的狭小的转速转矩范围内运行，因此其燃油经济性较差；而混联式则结合了串联式与并联式系统的优点，就转矩和转速的约束条件而言，转矩和转速耦合从驱动轮处解脱了发动机，从而瞬时的发动机转矩和转速不受车辆的负载转矩和车速制约，因此发动机能运行在其高效区；另一方面，部分发动机功率直接传递到驱动轮，没有经历多形式的转换，提高了能量利用率。
如中国专利文献CN 101791944A公开的“双行星轮系多动力耦合机构”，其动力耦合机构包括由第一太阳轮、第一行星轮、第一行星架以及第一齿圈构成的第一行星轮系；由第二太阳轮、第二行星轮、第二行星架以及第二齿圈构成的第二行星轮系；内燃机输出转轴与第一行星架连接，第一电机/发电机的转动轴与第一太阳轮中心轴连接；第一齿圈与第二行星架连接，第二电机/发电机的转动轴与第二太阳轮中心轴连接；以第二齿圈通过动力输出齿轮的齿轮中心轴连接外部传动系；在第二太阳轮中心轴、第一太阳轮中心轴、第二行星架以及第一行星架上分别设置各锁止器。该动力耦合机构可实现多种工作模式，整个系统表现为使用混合动力的无级变速器，使内燃机始终工作在最佳燃油经济区。但是由于其内燃机输出转轴与第一行星架连接，致使可获得的输出扭矩有限，整车的动力性能不足。同时，其在第二太阳轮中心轴、第一太阳轮中心轴、第二行星架以及第一行星架上分别设置有锁止器，通过切换各个锁止器来匹配不同工作模式，导致控制结构以及策略过于复杂，且使得整个耦合机构占用空间过多，不利于布置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置，其结构简单，控制简便，能够实现混合动力汽车的多种动力耦合与模式切换，改善耗油特性与动力性能，并且能够实现无级变速，不需要加装变速器。
本发明所述混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置，其包括发动机、第一行星轮系、第二行星轮系、第一电机和第二电机；所述第一行星轮系由第一太阳轮、第一行星架、第一齿圈及其行星轮构成；所述第二行星轮系由第二太阳轮、第二行星架、第二齿圈及其行星轮构成；所述第一电机与所述第一行星轮系的第一太阳轮连接；所述第二电机与所述第二行星轮系的第二太阳轮连接；所述发动机通过一个离合器与所述第一齿圈连接，所述第一齿圈上还设有制动器；所述第一行星架与所述第二齿圈固连在一起作为动力输出端，第二齿圈通过动力输出齿轮与外部传动机构连接，以将动力传递至汽车驱动轮；所述第二行星架固定在车架上。
本发明通过所述第一行星轮系对发动机输出动力、第一电机的动力进行耦合，通过所述第二行星轮系对由所述第一行星轮系传递过来的功率、第二电机的功率进行耦合，并通过所述第二齿圈上的动力输出齿轮将功率输出，并通过所述离合器、制动器之间的合理配合控制策略，能有效实现混合动力汽车的纯电动驱动、发电机驱动、行车充电、混合驱动、再生制动、驻车发电等多种典型工作模式，实现了混合动力汽车的多种动力耦合与模式切换，改善耗油特性与动力性能，并且能够实现无级变速，不需要加装变速器。
本发明具有以下优点：(1)所述发动机与第一齿圈连接，能够获得更大的输出扭矩，提高整车的动力性能。(2)在纯电动模式与再生制动模式下，分别有两种不同的子工作模式，可以根据车辆行驶工况选择第二电机单独工作，也可以选择第一电机、第二电机协调工作，从而优化电机的工作状态，使得两个电机均处在最佳工作区域，提高能量利用率。(3)结构简单、控制简便的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的结构简图。
图3为纯电动模式Ⅰ功率流。
图4为纯电动模式Ⅱ功率流。
图5为发动机驱动模式功率流。
图6为行车充电模式功率流。
图7为混合驱动模式功率流。
图8为D档减速模式功率流。
图9为B档减速模式功率流。
图10为驻车发电模式功率流。
图中：1-发动机，2-离合器，3-第一行星轮系，31-第一太阳轮，32-第一行星架，33-第一齿圈，4-制动器，5-第一电机，6-动力输出齿轮，7-第二行星轮系，71-第二太阳轮，72-第二行星架，73-第二齿圈，8-第二电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置，其包括发动机1、第一行星轮系3、第二行星轮系7、第一电机5和第二电机8(所述第一电机和第二电机均为电动发电一体机)；所述第一行星轮系3由第一太阳轮31、第一行星架32、第一齿圈33及其行星轮构成；所述第二行星轮系7由第二太阳轮71、第二行星架72、第二齿圈73及其行星轮构成；所述第一电机5与所述第一行星轮系的第一太阳轮31连接(所述第一电机的电机转子与第一太阳轮同轴固定连接)；所述第二电机8与所述第二行星轮系的第二太阳轮71连接(所述第二电机的电机转子与第二太阳轮同轴固定连接)；所述发动机1通过一个离合器2与所述第一齿圈连接，所述第一齿圈33上还设有制动器4；所述第一行星架32与所述第二齿圈73固连在一起作为动力输出端，第二齿圈通过动力输出齿轮6与外部传动机构连接，以将动力传递至汽车驱动轮；所述第二行星架72固定在车架上。
本发明所述混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置，其通过合理的控制策略，能够实现混合动力汽车的纯电动驱动、发电机驱动、行车充电、混合驱动、再生制动、驻车发电等多种典型工作模式，具体的工作模式如下：
1)纯电动驱动模式
在纯电动机驱动模式下，所述离合器2分离，制动器4接合，第一行星轮系3的第一齿圈33固定不转，所述第一电机5、第二电机8工作状态根据负载相应调整，使得两个电机均工作在最佳效率区域，因此，纯电动机驱动模式可以分为两种子模式：
纯电动驱动模式Ⅰ：当车辆负载很小，在第二电机8承载范围之内，采用第二电机8单独驱动车轮。所述第二电机8带动第二太阳轮71，进而通过第二行星轮系7的第二齿圈73将动力传递到动力输出齿轮6。而第一行星轮系3的第一齿圈33在制动器4的限制下固定不转，第一行星架32随着第二齿圈73转动，所述第一电机5空转。该模式下的功率传递路线如图3所示。
纯电动驱动模式Ⅱ：当车辆负载超过了第二电机8的高效运行功率，采用第一电机5、第二电机8联合驱动。所述第一齿圈33在制动器4的限制下固定不转，第一电机5输出动力，通过第一行星轮系3将功率传至动力输出齿轮6；同时，第二电机8输出动力，通过第二行星轮系7将功率传至动力输出齿轮6。该模式下的功率传递路线如图4所示。
2)发动机驱动模式
当车辆以较高车速行驶，所需的驱动功率处于发动机的高效工作区，此时采用发动机单独驱动模式。该模式下，离合器2接合，制动器4分离，发动机1动力传递给第一齿圈33连接，通过第一行星轮系3将功率传至动力输出齿轮6；所述第一电机5用于第一行星轮系的调速，以获得最佳传动比，保持稳定车速，输出功率很小；所述第二电机8以与动力输出端相匹配的转速空转。该模式下的功率传递路线如图5所示。
3)行车充电模式
当行车负载较小，达不到发动机的最佳工作条件时，第二电机8以发电模式运行，增加发动机的负荷以提高其效率，改善耗油特性，同时维持电池电量平衡。所述第一电机5同样用于第一行星轮系的调速，以获得最佳传动比，并保持稳定车速。该模式下，离合器2接合，制动器4分离，发动机1与第一齿圈33连接，其输出功率与第一电机5的输出功率在第一行星架32处耦合，一部分通过第一行星架32将功率传至动力输出齿轮6，用以驱动车轮；另一部分通过第一行星架32带动第二行星轮系7转动，从而将功率传至第二电机8，发电储能。该模式的功率传递路线如图6所示。
4)混合驱动模式
当汽车在爬坡、超车或加速等大负荷工况下行驶，所需驱动功率远大于发动机的最优功率时，第二电机8补充动力，使得发动机仍工作在“最优曲线”上，所述第一电机5同样用于调速。该模式下，离合器2接合，制动器4分离，发动机1与第一齿圈33连接，其输出功率与第一电机5的输出功率在第一行星架32处耦合，传至动力输出齿轮6；同时，第二电机8输出功率，通过第二行星轮系7将动力传至动力输出齿轮6，三者的功率在动力输出齿轮6处耦合，用以驱动车轮。该模式的功率传递路线如图7所示。
5)再生制动模式
减速过程中，第一电机5、第二电机8可进行动力回收，将车辆动能转化为电能存储至电池。根据减速前的行车状况，再生制动分为无发动机拖动再生制动(D档减速模式)和有发动机拖动再生制动(B档减速模式)两种形式，具体如下：
D档减速模式：车辆在低速行驶情况下减速时，发动机1停转，离合器2分离，制动器4接合。从车轮传递过来的功率在动力输出齿轮处分流，一部分通过第一行星架32传至第一太阳轮31，用于第一电机5发电，一部分通过第二齿圈73传至第二太阳轮71，用于第二电机8发电。其功率传递路线如图8所示。
B档减速模式：车辆高速行驶减速时，为保护行星齿轮组，发动机不停机并保持一定的转速；或车辆下长坡、短暂制动时，采用电机发动机联合制动。该模式下，离合器2接合，制动器4分离，第一电机5输出动力维持发动机的转动，而从车轮传递过来的功率在动力输出齿轮6处分流，一部分通过第一行星架32传至第一齿圈33，用以拖动发动机1，一部分通过第二齿圈73传至第二太阳轮71，用于第二电机8发电。该模式的功率传递路线如图9所示。
6)驻车发电模式
当汽车短暂停车时，为了避免发动机频繁起停，从而提高整车燃油经济性，同时维持电量水平，车辆工作在驻车发电模式下。该模式下，离合器2接合，制动器4分离，发动机输出功率，通过第一行星轮系3将功率传递至第一电机5，用于发电蓄能。而第二电机8停转但有负载，用以抵消来自发动机1传递到第一行星架32上的扭矩，使得输出的动力与转速均为0。其功率传递路线如图10所示。

Claims (2)

1.一种混合动力汽车混联式双行星轮系动力耦合装置，其包括发动机(1)、第一行星轮系(3)、第二行星轮系(7)、第一电机(5)和第二电机(8)；所述第一行星轮系(3)由第一太阳轮(31)、第一行星架(32)、第一齿圈(33)及其行星轮构成；所述第二行星轮系(7)由第二太阳轮(71)、第二行星架(72)、第二齿圈(73)及其行星轮构成；所述第一电机(5)与所述第一行星轮系的第一太阳轮(31)连接；所述第二电机(8)与所述第二行星轮系的第二太阳轮(71)连接；其特征在于：所述发动机(1)通过一个离合器(2)与所述第一齿圈连接，所述第一齿圈(33)上还设有制动器(4)；所述第一行星架(32)与所述第二齿圈(73)固连在一起作为动力输出端，第二齿圈通过动力输出齿轮(6)与外部传动机构连接，以将动力传递至汽车驱动轮；所述第二行星架(72)固定在车架上。
2.利用如权利要求1所述装置实现动力耦合输出的方法，其包括：
1)纯电动驱动模式：该模式下，离合器(2)分离，制动器(4)接合；根据车辆负载相应地调整所述第一电机(5)、第二电机(8)的工作状态，并分为以下两个子模式：
纯电动驱动模式Ⅰ：当车辆负载很小，在所述第二电机(8)的承载范围之内，采用第二电机单独驱动车轮，所述第一电机(5)空转；
纯电动驱动模式Ⅱ：当车辆负载超过了所述第二电机(8)的高效运行功率，采用第一电机与第二电机联合驱动车轮；
2)发动机驱动模式：当车辆以较高车速行驶，所需的驱动功率处于发动机的高效工作区域，则采用发动机单独驱动模式，该模式下，离合器(2)接合，制动器(4)分离，所述第一电机(5)用于第一行星轮系的调速，以获得最佳传动比，并保持稳定车速；所述第二电机(8)以与动力输出端相匹配的转速空转；
3)行车充电模式：当车辆负载较小，达不到发动机的最佳工作条件时，则采用行车充电模式，该模式下，离合器(2)接合，制动器(4)分离，所述第一电机(5)用于第一行星轮系的调速，以获得最佳传动比，并保持稳定车速；所述第二电机(8)切换为发电机模式运行，增加发动机的负荷以提高其效率，改善耗油特性，同时维持电池电量平衡；
4)混合驱动模式：当汽车在爬坡、超车或加速等大负荷工况下行驶，所需驱动 功率远大于发动机的最优功率时，则采用发动机与电机混合驱动模式，该模式下，离合器(2)接合，制动器(4)分离，所述第二电机(8)作为电动机以补充动力，使发动机仍工作在“最优曲线”上；所述第一电机(5)用于调速；
5)再生制动模式：在汽车减速过程中，电机进行动力回收，即将车辆动能转化为电能存储至电池，根据减速前的行车状况，再生制动分为无发动机拖动再生制动D档减速模式和有发动机拖动再生制动B档减速模式两种子模式，如下：
D档减速模式：车辆在低速行驶情况下减速时，则采用D档减速模式，该模式下，发动机(1)停转，离合器(2)分离，制动器(4)接合，所述第一电机(5)切换为发电机模式发电，所述第二电机(8)也切换为发电机模式发电，将由车轮传递过来的机械能转化为电能存储；
B档减速模式：车辆高速行驶减速，或车辆下长坡、短暂制动时，则采用B档减速模式，该模式下，发动机(1)不停机并保持一定的转速，离合器(2)接合，制动器(4)分离，所述第一电机(5)输出动力维持发动机的转动，所述第二电机(8)切换为发电机模式发电，将由车轮传递过来的机械能转化为电能存储；
6)驻车发电模式：当汽车短暂停车时，则采用驻车发电模式，该模式下，离合器(2)接合，制动器(4)分离，所述第一电机(5)切换为发电机模式，用于发电蓄能，而第二电机(8)停转但有负载，用以抵消来自发动机传递到第二行星架上的扭矩，使得输出的动力与转速均为0。
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