CN105128647B - 一种多模混合动力传动驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多模混合动力传动驱动装置，包括内燃机(1)、第一电动机/发电机(2)、第二电动机/发电机(3)、输出轴(4)、第一行星齿轮系(5)、第二行星齿轮系(6)、第三行星齿轮系(7)、离合器Ⅰ(8)、离合器Ⅱ(9)和制动器(10)，所述第一行星齿轮系(5)包括太阳轮Ⅰ(51)、行星架Ⅰ(52)和齿圈Ⅰ(53)，所述行星架Ⅰ(52)一端与太阳轮Ⅰ(51)啮合，另一端与齿圈Ⅰ(53)啮合。本发明的传动驱动装置，结构简单，且具备发动机启动倒挡模式，在车辆电池耗尽之后，仍能实现倒车功能。

Description

一种多模混合动力传动驱动装置

技术领域

本发明属于混合动力汽车动力传动技术领域，特别是一种结构简单，且具备发动机启动倒挡模式，在车辆电池耗尽之后，仍能实现倒车功能的多模混合动力传动驱动装置。

背景技术

能源问题，特别是石油能源，是近年来各国最为关注的问题之一。提高汽车的燃油经济性能和排放性能，以解决日益加剧的能源问题和排放污染问题，成为汽车领域研究的主要目标，这也成为现代汽车发展进步的动力之一。在解决电动汽车续航能力之前，混合动力电动车被认为是目前解决汽车节能和环保问题的有效途径之一，其通过增加额外的动力源(如电池、超级电容)及驱动装置(如电机)，不仅为车辆驱动提供了额外的动力，同时还能够提高发动机的工作效率，从而明显改善车辆的经济性能和排放性能。新能源汽车，特别是混合动力汽车逐渐成为各大汽车生产企业研发的热点。

目前，混合动力汽车向着多行星排与多模式的趋势发展。丰田公司于1997年推出了首款油电混合动力汽车Prius，该款车型经过三代改进，从单行星排系统扩展为目前的双行星排系统，已成为混合动力汽车的标杆车型。通用汽车公司推出的增程式或称为插电式混合动力汽车Volt，借助三个离合器的动作，可以实现四个工作模式的切换，其在2015年也发展为双行星排混合驱动系统。2008年，通用、克莱斯勒、宝马公司联合开发了一种称为GM双模式混合动力系统，并且应用于Tahoe和GMC Yukon等车型上，该混合动力系统具有三排行星轮机构，六种工作模式，具有突出的动力性能、燃油经济性能与排放性能。中国发明专利申请“混合动力系统的控制系统”(申请号：200610156222.8，公开日：2008-02-20)公开了一种包括内燃机的车辆推进系统，该内燃机具有内燃机输出、机电变速器和控制系统。该内燃机输出以某一速率比耦合到变速器输出，该速率比通过多个在电气上可变的或固定的工作模式之一建立。通过依照优选的最佳工作成本的控制来对在各个工作模式之间进行选择和控制进行管理。然而，前述的现有技术均没有发动机启动倒挡模式，使得当车辆电池电量耗尽之后，无法实现倒车功能，并且四个离合器的设计使得该系统结构复杂、成本较高。

综上所述，现有多模混合动力传动驱动装置存在的问题是：结构复杂，缺少发动机启动倒挡模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多模混合动力传动驱动装置，结构简单，且具备发动机启动倒挡模式，在车辆电池耗尽之后，仍能实现倒车功能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多模混合动力传动驱动装置，包括内燃机、第一电动机/发电机、第二电动机/发电机、输出轴、第一行星齿轮系、第二行星齿轮系、第三行星齿轮系、离合器Ⅰ、离合器Ⅱ和制动器，所述第一行星齿轮系包括太阳轮Ⅰ、行星架Ⅰ和齿圈Ⅰ，所述行星架Ⅰ一端与太阳轮Ⅰ啮合，另一端与齿圈Ⅰ啮合，所述第二行星齿轮系包括太阳轮Ⅱ、行星架Ⅱ和齿圈Ⅱ，所述行星架Ⅱ一端与太阳轮Ⅱ啮合，另一端与齿圈Ⅱ啮合，所述第三行星齿轮系包括太阳轮Ⅲ、行星架Ⅲ和齿圈Ⅲ，所述行星架Ⅲ一端与太阳轮Ⅲ啮合，另一端与齿圈Ⅲ啮合，所述齿圈Ⅰ与齿圈Ⅱ固定连接，所述齿圈Ⅲ与太阳轮Ⅱ固定连接，所述太阳轮Ⅰ与行星架Ⅱ固定连接，所述太阳轮Ⅰ与第一电动机/发电机的输出轴固定连接，所述太阳轮Ⅲ与第二电动机/发电机的输出轴固定连接，所述离合器Ⅰ一端与行星架Ⅱ固定连接，另一端与行星架Ⅲ固定连接，所述离合器Ⅱ一端与齿圈Ⅱ固定连接，另一端与太阳轮Ⅲ固定连接，所述制动器与太阳轮Ⅱ固定连接，所述齿圈Ⅰ还与内燃机的输出轴啮合，所述行星架Ⅲ还与输出轴固定连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、通过所述离合器Ⅰ、离合器Ⅱ和制动器的接合与分离，可实现串联驱动模式，输入型功率分流驱动模式，输出型功率分流驱动模式及三种具有不同传动比的双电机并联驱动模式，按照传动比不同分为高、中、低三种不同模式。

2、多种工作模式使得该系统能够适应复杂，多变的工作环境，有效地提高和改善车辆的动力性、燃油经济性和排放性能，适用于深度混合动力汽车和插电式混合动力汽车。

3、串联驱动模式可以使车辆在城市拥堵工况下实现纯电动驱动，输入型功率分流驱动模式能在低速工况下提供较高的效率，低传动比并联模式在车辆高速巡航时减少机械能与电能之间转换的二次损失，提高系统效率，而高传动比并联模式则使车辆在低速时具有极好的动力性能。

4、串联驱动模式与输出型功率分流驱动模式使得系统能够在电池电量低的情况下，在启动发动机的同时，仍然能够使车辆具有倒挡行驶能力。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明多模混合动力传动驱动装置结构原理图。

图中，1—内燃机，2—第一电动机/发电机，3—第二电动机/发电机，4—输出轴，5—第一行星齿轮系，6—第二行星齿轮系，7—第三行星齿轮系，51—太阳轮Ⅰ，52—行星架Ⅰ，53—齿圈Ⅰ，61—太阳轮Ⅱ，62—行星架Ⅱ，63—齿圈Ⅱ，71—太阳轮Ⅲ，72—行星架Ⅲ，73—齿圈Ⅲ，8—离合器Ⅰ，9—离合器Ⅱ，10—制动器。

具体实施方式

如图1所示，本发明多模混合动力传动驱动装置，包括内燃机1、第一电动机/发电机2、第二电动机/发电机3、输出轴4、第一行星齿轮系5、第二行星齿轮系6、第三行星齿轮系7、离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9和制动器10，所述第一行星齿轮系5包括太阳轮Ⅰ51、行星架Ⅰ52和齿圈Ⅰ53，所述行星架Ⅰ52一端与太阳轮Ⅰ51啮合，另一端与齿圈Ⅰ53啮合，所述第二行星齿轮系6包括太阳轮Ⅱ61、行星架Ⅱ62和齿圈Ⅱ63，所述行星架Ⅱ62一端与太阳轮Ⅱ61啮合，另一端与齿圈Ⅱ63啮合，所述第三行星齿轮系7包括太阳轮Ⅲ71、行星架Ⅲ72和齿圈Ⅲ73，所述行星架Ⅲ72一端与太阳轮Ⅲ71啮合，另一端与齿圈Ⅲ73啮合，所述齿圈Ⅰ53与齿圈Ⅱ63固定连接，所述齿圈Ⅲ73与太阳轮Ⅱ61固定连接，所述太阳轮Ⅰ51与行星架Ⅱ62固定连接，所述太阳轮Ⅰ51与第一电动机/发电机2的输出轴固定连接，所述太阳轮Ⅲ71与第二电动机/发电机3的输出轴固定连接，所述离合器Ⅰ8一端与行星架Ⅱ62固定连接，另一端与行星架Ⅲ72固定连接，所述离合器Ⅱ9一端与齿圈Ⅱ63固定连接，另一端与太阳轮Ⅲ71固定连接，所述制动器10与太阳轮Ⅱ61固定连接，所述齿圈Ⅰ53还与内燃机1的输出轴啮合，所述行星架Ⅲ72还与输出轴4固定连接。

本发明通过控制离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9和制动器10的接合与分离，可实现串联驱动模式，输入型功率分流驱动模式，输出型功率分流驱动模式及三种具有不同传动比的双电机并联驱动模式，按照传动比不同分为高、中、低三种不同模式；而按发动机启动与否、车辆是否在加减速，系统还具有纯电动驱动模式、停车工况、停车充电模式，下面将根据系统执行器状态，发动机启动状态，对该混合动力传动驱动装置的工作模式与状态进行介绍。

1、停车模式1：离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9和制动器10均处于分离状态，均不工作，车辆处于静止状态。

2、串联驱动模式：当需要实现串联驱动时，离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9均分离，制动器10接合。

在此模式之下，太阳轮Ⅱ61与齿圈Ⅲ73被固定，内燃机1与第一电动机/发电机2通过第一行星齿轮系5与第二行星齿轮系6相互连接，形成固定传动比，第二电动机/发电机3与输出轴4通过第三行星齿轮系7相互连接，形成固定传动比；同时，第一电动机/发电机2作为发电机与内燃机1相连接，第二电动机/发电机3作为电动机与输出轴4相连，第一电动机/发电机2将内燃机1燃烧获得的机械能转换为电能，通过第二行星齿轮系6给电池充电或者供电给第二电动机/发电机3驱动车辆；若在该模式下，发动机不启动，而第二电动机/发电机3以电池能量为能源驱动车辆前进，则实现纯电动驱动模式；若发动机不启动，而车辆处于制动减速状态，第二电动机/发电机3可作为发电机，将制动能量转换为电能，从而给电池充电，但由于该模式只有一个电机能够参与制动能量回收，故称该模式的制动能量回收状态为中低功率制动能量回收；若发动机启动，而第二电动机/发电机3并不消耗能量驱动车辆，则实现停车充电模式。若发动机停机与第二电动机/发电机3不消耗能量，则车辆处于停车状态。由于串联驱动模式使得该混合动力传动驱动装置具有纯电动模式和停车充电模式，因此该混合动力装置可以运用在增程式混合动力汽车和插电式混合动力汽车上。

3、输入型功率分流驱动模式：当需要实现输入型功率分流驱动时，离合器Ⅰ8接合、离合器Ⅱ9、制动器10均分离。

在此模式之下，太阳轮Ⅰ51、行星架Ⅱ62与行星架Ⅲ72相互连接在一起，形成一体，此时，第一电动机/发电机2与输出轴4直接连接，可以驱动汽车前进与后退；本模式适合用于中低速行驶工况，内燃机1动力经过内燃机1输出轴，输入到第一排行星系的齿圈Ⅰ53与第二排行星系的齿圈Ⅱ63，此时，整个三个行星齿轮系组成的行星齿轮组作为分流机构，当发动机能量大于需求功率时，将多余能量输送给第一电动机/发电机2发电给电池充电，而当发动机能量小于需求功率时，第一电动机/发电机2又作为电动机提供能量驱动车辆；此时，第二电动机/发电机3的主要作用是通过调节其自身转速，使得内燃机1工作于其最佳燃油经济效率区域，提高系统的效率。而该模式中，两个电动机/发电机只有在车辆处于中低速工况时，才工作在高效率区域，故该模式适合于工作在中低速工况。除此之外，该模式下，若发动机不启动，第一电动机/发电机2也可作为电动机或者发电机，实现纯电动驱动模式或者制动能量回收模式，该制动能量回收模式也是中低功率制动能量回收。

4、输出型功率分流驱动模式：当需要实现输出型功率分流驱动时，离合器Ⅱ9接合、离合器Ⅰ8、制动器10均分离。

在此模式下，齿圈Ⅰ53、齿圈Ⅱ63与太阳轮Ⅲ71相互连接在一起，形成一体，此时，第二电动机/发电机3与内燃机1直接连接；内燃机1动力经过内燃机1输出轴，输入到第一排行星系的齿圈Ⅰ53，此时，整个三个行星齿轮系组成的行星齿轮组作为分流机构；与输入型功率分流驱动模式相反的是，此时第二电动机/发电机3主要作用是通过调节其自身转速，使得内燃机1工作于其最佳燃油经济效率区域；而当发动机能量大于需求功率时，第二电动机/发电机3将多余的发动机能量转换为电能给电池充电，而当发动机能量小于需求功率时，第二电动机/发电机3作为电动机提供能量驱动车辆；此模式下，当发动机不启动时，通过协调两个电动机/发电机也可实现纯电动驱动模式，但不同于串联式与输入型功率分流驱动模式，该种模式下，电机的控制相对复杂。

5、高传动比双电机并联驱动模式：当需要实现高传动比双电机并联驱动时，离合器Ⅱ9分离、离合器Ⅰ8、制动器10均接合。

在此模式下，太阳轮Ⅱ61与齿圈Ⅲ73被固定，太阳轮Ⅰ51、行星架Ⅱ62与行星架Ⅲ72相互连接在一起，形成一体，此时，第一电动机/发电机2与输出轴4直接连接，第二电动机/发电机3与输出轴4之间通过第三行星齿轮系7形成固定传动比，内燃机1与输出轴4之间通过第二行星齿轮系6形成固定传动比，故该状态下所有动力源均被耦合在了一起，并无功率分流驱动模式下的无级变速功能。此时，双电机仍可以作为动力辅助机构，当发动机能量大于需求功率时，双电动机/发电机将多余的发动机能量转换为电能给电池充电，而当发动机能量小于驾驶员需求功率时，双电动机/发电机作为电动机提供能量驱动车辆；该状态下，装置的传动比，也就是发动机与输出轴4之间的传动比取决于第二行星齿轮系6的齿圈Ⅱ63与太阳轮Ⅱ61的齿数比，而该比值为大于后述两个模式的比值，故称为高传动比并联驱动模式。由于系统的高传动比，在系统输出端可以获得较大的输出扭矩，再加上两个电机的扭矩从而使得车辆在该模式下具有较高的动力性能，故该模式适用于低速高负荷需求瞬时提供较大的动力。同时，当发动机不启动时，该模式可工作在纯电动驱动模式，但此时发动机有拖动效应，故不建议使用该模式进行纯电动驱动模式，而车辆在制动减速状态下，本模式可作为制动能量回收模式，此时，双电机能同时参加制动能量回收，故也称该模式为高制动能量回收模式。

6、中传动比双电机并联驱动模式：当需要实现中传动比双电机并联驱动时，离合器Ⅰ8分离、离合器Ⅱ9、制动器10均接合。

在此模式下，太阳轮Ⅱ61与齿圈Ⅲ73被固定，齿圈Ⅰ53、齿圈Ⅱ63与太阳轮Ⅲ71相互连接在一起，形成一体，此时，第二电动机/发电机3与发动机直接连接，它们与输出轴4之间通过第三行星齿轮系7形成固定传动比，第一电动机/发电机2通过第二行星齿轮系6与第三行星齿轮系7形成固定传动比，故该状态下所有动力源均被耦合在了一起，并无功率分流驱动模式下的无级变速功能。与高传动比双电机并联驱动模式一致，双电机仍可以作为动力辅助机构实现并联混合驱动模式。该状态下系统的传动比，也就是发动机与输出轴4之间的传动比取决于第三行星齿轮系7的齿圈Ⅲ73与太阳轮Ⅲ71加上齿圈Ⅲ73的齿数之比，该比值介于高传动比驱动模式的传动比与1之间，故称为中传动比并联驱动模式。该模式下具有与高传动比双电机并联驱动模式下类似的纯电动驱动模式与制动能量回收模式。

7、低传动比双电机并联驱动模式：当需要实现低传动比双电机并联驱动时，离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9均接合，制动器10分离。

在此模式下，太阳轮Ⅰ51、行星架Ⅱ62与行星架Ⅲ72相互连接在一起，形成一体，齿圈Ⅰ53、齿圈Ⅱ63与太阳轮Ⅲ71相互连接在一起，形成一体，此时，第一电动机/发电机2、行星架Ⅱ62与输出轴4直接连接，内燃机1、齿圈Ⅱ63与第二电动机/发电机3直接连接，太阳轮Ⅱ61与齿圈Ⅲ73固定连接，故此时系统内所有动力源将具有相同的转速，即内燃机1与输出轴4之间、第一电动机/发电机2与输出轴4之间、第二电动机/发电机3与输出轴4之间的传动比均为1，同理，该状态下所有动力源均被耦合在了一起，并无功率分流式模式下的无级变速功能。与高传动比双电机并联驱动模式一致，双电机仍可以作为动力辅助机构实现并联混合驱动模式。该状态下系统的传动比，也就是发动机与输出轴4之间的传动比为1，为三个档位的最小值，故称为低传动比并联驱动模式。该模式适合高速巡航状态，根据功率分流模式的特点，可能会出现电能与机械能之间的多次转换使得能量效率更低，而使用纯机械传动能使系统的效率得到提高，故低传动比双电机并联驱动模式适于高速巡航工况。同时，该模式下具有与高传动比双电机并联驱动模式下类似的纯电动驱动模式与制动能量回收模式。

8、停车模式2：离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9和制动器10均处于接合状态，车辆处于静止状态。

下表为本发明的工作模式汇总表：

表1工作模式汇总表

本发明通过离合器Ⅰ、离合器Ⅱ和制动器的接合与分离，可实现串联驱动模式，输入型功率分流驱动模式，输出型功率分流驱动模式及三种具有不同传动比的双电机并联驱动模式，按照传动比不同分为高、中、低三种不同模式。多种工作模式使得该系统能够适应复杂，多变的工作环境，有效地提高和改善车辆的动力性、燃油经济性和排放性能，适用于深度混合动力汽车和插电式混合动力汽车。

串联驱动模式可以使车辆在城市拥堵工况下实现纯电动驱动，输入型功率分流驱动模式能在低速工况下提供较高的效率，低传动比并联模式在车辆高速巡航时减少机械能与电能之间转换的二次损失，提高系统效率，而高传动比并联模式则使车辆在低速时具有极好的动力性能。同时，串联驱动模式与输出型功率分流驱动模式使得系统能够在电池电量低的情况下，在启动发动机的同时，仍然能够使车辆具有倒挡行驶能力。

Claims (7)

1.一种多模混合动力传动驱动装置，其特征在于：

包括内燃机(1)、第一电动机/发电机(2)、第二电动机/发电机(3)、输出轴(4)、第一行星齿轮系(5)、第二行星齿轮系(6)、第三行星齿轮系(7)、离合器Ⅰ(8)、离合器Ⅱ(9)和制动器(10)，

所述第一行星齿轮系(5)包括太阳轮Ⅰ(51)、行星架Ⅰ(52)和齿圈Ⅰ(53)，所述行星架Ⅰ(52)一端与太阳轮Ⅰ(51)啮合，另一端与齿圈Ⅰ(53)啮合，

所述第二行星齿轮系(6)包括太阳轮Ⅱ(61)、行星架Ⅱ(62)和齿圈Ⅱ(63)，所述行星架Ⅱ(62)一端与太阳轮Ⅱ(61)啮合，另一端与齿圈Ⅱ(63)啮合，

所述第三行星齿轮系(7)包括太阳轮Ⅲ(71)、行星架Ⅲ(72)和齿圈Ⅲ(73)，所述行星架Ⅲ(72)一端与太阳轮Ⅲ(71)啮合，另一端与齿圈Ⅲ(73)啮合，

所述齿圈Ⅰ(53)与齿圈Ⅱ(63)固定连接，所述齿圈Ⅲ(73)与太阳轮Ⅱ(61)固定连接，所述太阳轮Ⅰ(51)与行星架Ⅱ(62)固定连接，

所述太阳轮Ⅰ(51)与第一电动机/发电机(2)的输出轴固定连接，所述太阳轮Ⅲ(71)与第二电动机/发电机(3)的输出轴固定连接，

所述离合器Ⅰ(8)一端与行星架Ⅱ(62)固定连接，另一端与行星架Ⅲ(72)固定连接，所述离合器Ⅱ(9)一端与齿圈Ⅱ(63)固定连接，另一端与太阳轮Ⅲ(71)固定连接，所述制动器(10)与太阳轮Ⅱ(61)固定连接，

所述齿圈Ⅰ(53)还与内燃机(1)的输出轴啮合，所述行星架Ⅲ(72)还与输出轴(4)固定连接。

2.根据权利要求1所述的传动驱动装置，其特征在于：串联驱动时，离合器Ⅰ(8)、离合器Ⅱ(9)均分离，制动器(10)接合。

3.根据权利要求1所述的传动驱动装置，其特征在于：输入型功率分流驱动时，离合器Ⅰ(8)接合，离合器Ⅱ(9)、制动器(10)均分离。

4.根据权利要求1所述的传动驱动装置，其特征在于：输出型功率分流驱动时，离合器Ⅱ(9)接合，离合器Ⅰ(8)、制动器(10)均分离。

5.根据权利要求1所述的传动驱动装置，其特征在于：高传动比双电机并联驱动时，离合器Ⅱ(9)分离，离合器Ⅰ(8)、制动器(10)均接合。

6.根据权利要求1所述的传动驱动装置，其特征在于：中传动比双电机并联驱动时，离合器Ⅰ(8)分离，离合器Ⅱ(9)、制动器(10)均接合。

7.根据权利要求1所述的传动驱动装置，其特征在于：低传动比双电机并联驱动时，离合器Ⅰ(8)、离合器Ⅱ(9)均接合，制动器(10)分离。