CN105564214A - 一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置及其工作方法。本发明的装置包括发动机、第一电机、第二电机、制动器、行星轮系、动力总成输出端和控制器，发动机、第一电机、制动器、行星轮系及第二电机沿轴向依次排列；控制器的输出端分别与发动机、第一电机、第二电机、制动器相连接，控制器发出控制指令，控制发动机、第一电机、第二电机及制动器的工作状态，实现纯电动模式、发动机启动模式、行车发电模式、复合驱动模式、再生制动模式和停车发电模式6种工作模式，与同类型的动力耦合装置相比，本系统具有结构简单、模式丰富、切换灵活、实用性强的优点。

Description

一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置及其工作方法
技术领域
本发明属于动力传动领域，尤其涉及一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置及其工作方法。
背景技术
随着全球能源消耗和环境问题日益凸显，节能与环保已然成为现代汽车行业需要解决的首要问题。混合动力汽车能兼顾传统汽车和纯电动汽车优点，燃油经济性好、排放低，被认为是现阶段传统汽车向纯电动汽车过渡的主流车型之一。
混合动力汽车按照其结构分类可以被分为三类：串联式、并联式和混联式。混联式混合动力汽车借助行星耦合机构，可以实现车辆以串联式工作也可以实现以并联式工作。中国专利(CN103770627A)公开了一种单行星排混合动力驱动装置，主要存在以下不足：1、发动机与太阳轮连接，行星架作为输出，系统不具备功率分流特性；2、当齿圈与太阳轮通过拨叉连成一体时，发动机转速转矩与车轮不解耦，不能实现发动机单独工作在高效率区间，减低了系统性能；3、纯电动工作时，太阳轮锁死；由基本运动学方程ωS+K·ωR＝(1+K)·ωC可知，齿圈与行星架的传动比关系为K/(K+1)，小于本系统中的K，导致电机选型时，电机转速较低，在功率相同情况下，其尺寸将更大，不利于布置。
发明内容
针对现阶段行星轮系动力耦合装置结构均较为复杂的不足，本发明基于单排行星轮系，通过在结构中增设一个制动器，在保证车辆运行模式多样化的前提下，有效地提高了系统的实用性与可行性。
本发明的实现技术方案是：
一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置，包括发动机、第一电机、第二电机、制动器、行星轮系、动力总成输出端、控制器；
所述第一电机包括第一电机转子、第一电机定子，所述第二电机包括第二电机转子、第二电机定子；所述第一电机定子和所述第二电机定子固定在动力耦合装置壳体上；
所述行星轮系由太阳轮、行星架、行星轮和齿圈组成，所述太阳轮与所述行星架为斜齿轮外啮合，所述行星架与所述齿圈为斜齿轮内啮合；
所述发动机、第一电机、制动器、行星轮系及第二电机沿轴向依次排列；所述第一电机转子一端与所述发动机同轴连接，另一端与所述行星架相连；所述第二电机转子与所述太阳轮同轴相连；所述制动器一端连接动力耦合装置壳体，另一端与所述行星架相连；所述齿圈与所述动力总成输出端同轴相连；
所述控制器的输出端分别与所述发动机、第一电机、第二电机、制动器相连接；所述控制器发出控制指令，实现对所述发动机、第一电机、第二电机及制动器工作状态的控制。
进一步，所述行星轮有3个，其结构相同，均分布在距所述行星架中心轴线等距离的圆周上，且通过轴承套在所述行星架上。
本发明的一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置的工作方法，包括纯电动模式、发动机启动模式、行车发电模式、复合驱动模式、再生制动模式和停车发电模式6种工作模式；
所述纯电动模式包含两种工作模式：第一种是制动器闭合，行星架锁止，发动机、第一电机关闭，第二电机单独工作；第二种是制动器打开，第一电机、第二电机联合驱动，发动机关闭；
所述发动机启动模式包含两种工作模式：第一种是停车启动：制动器打开，第一电机直接带动发动机转动，直至怠速，第二电机空转；第二种是行车启动：制动器打开，第一电机直接带动发动机转动，直至怠速，与停车启动不同，第二电机参与驱动，维持车速；
所述行车发电模式中制动器打开，发动机进行功率分流，一部分用于驱动车辆行驶，另一部分用于第二电机发电，第一电机不工作；
所述复合驱动模式中制动器打开，发动机、第一电机、第二电机均处于驱动状态，三者的力矩经由行星架和太阳轮最终汇流到齿圈输出；
所述再生制动模式包含两种工作模式：第一种是制动器关闭，行星架被锁止，第一电机、发动机不工作，第二电机单独回收能量；第二种是制动器打开，发动机关闭，控制器协调第一电机、第二电机之间的功率分配；
所述停车发电模式包含两种工作模式：第一种是制动器打开，发动机带动第一电机工作，第二电机空转；第二种是制动器打开，发动机带动第一电机、第二电机，控制器协调第一电机、第二电机之间的功率分配。
本发明具有以下技术效果：1、与双排、多排行星轮系耦合机构相比，在保证丰富运行模式的基础上，机械结构更加简单，实用性更强；2、预留出齿圈作为动力输出端，使得系统更加紧凑，有效减少了装置的轴向尺寸；3、发动机与行星架相连，系统具备功率分流特性，配合第二电机的使用实现了混联式结构；4、纯电动模式下，第二电机与输出端之间具有更大的传动比，在相同功率下，第二电机的尺寸将更小，更适合布局；5、行星轮系不仅能实现转速转矩与车轮的完全解耦，实现发动机单独控制，还能省去传统意义上的变速器，有效简化动力系统结构，提高动力系统动态性能，对于新能源汽车的发展具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的行星轮系动力耦合装置的结构示意图；
图2是第一种纯电动模式动力传递路线示意图；
图3是第二种纯电动模式动力传递路线示意图；
图4是第一种发动机启动模式动力传递路线示意图；
图5是第二种发动机启动模式动力传递路线示意图；
图6是行车发电模式动力传递路线示意图；
图7是联合驱动模式动力传递路线示意图；
图8是第一种再生制动模式动力传递路线示意图；
图9是第二种再生制动模式动力传递路线示意图；
图10是第一种停车发电模式动力传递路线示意图；
图11是第二种停车发电模式动力传递路线示意图。
图中：1-发动机；2-第一电机；3-第二电机；4-制动器；5-行星轮系；6-动力总成输出端；7-控制器；201-第一电机转子；202-第一电机定子；301-第二电机转子；302-第二电机定子；501-太阳轮；502-行星架；503-行星轮；504-齿圈。
具体实施方式
下面结合附图对发明专利具体实施过程做进一步说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示,一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置，包括发动机1、第一电机2、第二电机3、制动器4、行星轮系5、动力总成输出端6、控制器7；
所述第一电机2包括第一电机转子201、第一电机定子202，所述第二电机3包括第二电机转子301、第二电机定子302；所述第一电机定子202和所述第二电机定子302固定在动力耦合装置壳体上；
所述行星轮系5由太阳轮501、行星架502、行星轮503和齿圈504组成，所述太阳轮501与所述行星架502为斜齿轮外啮合，所述行星架502与所述齿圈504为斜齿轮内啮合；
所述行星轮503有3个，其结构相同，均分布在距所述行星架502中心轴线等距离的圆周上，且通过轴承套在所述行星架502上；
所述发动机1、第一电机2、制动器4、行星轮系5及第二电机3沿轴向依次排列；所述第一电机转子201一端与所述发动机1同轴连接，另一端与所述行星架502相连；所述第二电机转子301与所述太阳轮501同轴相连；所述制动器4一端连接动力耦合装置壳体，另一端与所述行星架502相连；所述齿圈504与所述动力总成输出端6同轴相连；
所述控制器7的输出端分别与所述发动机1、第一电机2、第二电机3、制动器4相连接；所述控制器7发出控制指令，实现对所述发动机1、第一电机2、第二电机3及制动器4工作状态的控制。
通过各部件的不同工作状态及离合器的开闭情况可以获得如表1所示的不同工作模式。
下面将结合各附图，对不同工作模式的具体说明如下：
(1)纯电动模式
当车辆速度较低且电池电量较高时，车辆工作在纯电动模式可以有效避免发动机低速时的效率较低的情况。纯电动模式包含两种情况，由于电机的介入，实现了低速段的无级变速。
控制器7发出指令，制动器4闭合，行星架502被锁止，发动机1、第一电机2关闭，第二电机3单独工作，第二电机3的动力经由太阳轮501、行星轮503直接传递给齿圈504，最终经动力总成输出端6输出；如图2所示。
控制器7发出指令，制动器4打开，第一电机2、第二电机3联合驱动，发动机1在第一电机2的带动下空转，第一电机2、第二电机3的动力经过行星架502与太阳轮501的汇流传递到齿圈504，最终经动力总成输出端6输出；如图3所示。
(2)发动机启动模式
发动机1停车启动：此时控制器7发出指令，制动器4打开，第一电机2工作在电动机状态，直接带动同轴的发动机1转动，当发动机1转速达到怠速的转速时，控制器7发出喷油点火指令，发动机1主动工作，启动完毕，在此过程中，第二电机3保持反向空转；如图4所示。
发动机1行车启动；此时控制器7发出指令，制动器4打开，由于车辆处于前进过程中，第二电机3仍需要提供驱动力，第一电机2也参与工作，直接带动同轴的发动机1转动，当发动机1转速达到怠速的转速时，控制器7发出喷油点火指令，发动机1主动工作，启动完毕；与停车启动不同，在发动机1行车启动的过程中，控制器7需要不断的动态调节第二电机3的输出转速转矩，以维持车轮处的转速转矩不产生突变；如图5所示。
(3)行车发电模式
当控制器7发出控制指令时，制动器4打开，发动机1进行功率分流，一部分用于驱动车辆行驶，另一部分用于用于第二电机(3)发电，第一电机2不工作；由于此时发动机1具有功率分流特性，通过调节第二电机3的转速，实现发动机1工作在油耗较低的区域内；如图6所示。
(4)复合驱动模式
复合驱动模式运用于车速较高且整车需求功率亦较高的情况。当控制器7发出控制指令时，制动器4打开，发动机1、第一电机2、第二电机3均处于驱动状态，三者的力矩经行星架502和太阳轮501汇流到齿圈504，最终经动力总成输出端6输出，此时系统可输出的功率达到最大；如图7所示。
(5)再生制动模式
通过电机将车辆的动能转化为电能存储在动力电池中能有效的提高能源利用率，是混合动力汽车实现节能减排的有效途径。再生制动模式包含两种，可以按照电池的荷电状态的高低选择不同的再生制动模式，在保证制动安全的前提下，最大可能地回收能量。
控制器7发出控制指令，制动器4关闭，行星架502被锁止，第一电机2、发动机1不参与工作，第二电机(3)单独回收能量；此时，车辆动能经齿圈504、行星轮503、太阳轮501传递至第二电机3；如图8所示。
控制器7发出控制指令，制动器4打开，发动机1关闭，第一电机2、第二电机3工作在发电机状态，此时，车辆动能经齿圈504、行星轮503、太阳轮501传递至第一电机2及第二电机3，第一电机2、第二电机3联合回收能量，控制器7协调第一电机2、第二电机3之间的功率分配；如图9所示。
(6)停车发电模式
添加停车发电模式，能够有效利用车辆静止的空余时间对电池进行充电，维持电池SOC处在合适的水平，对于电池的健康以及降低整车的油耗都非常有利。停车模式包含两种，可以按照电池的荷电状态选择电机参与工作的情况。
控制器7发出控制指令，制动器4打开，由于车辆处于停车状态，齿圈504由制动器4施加了制动力而锁止，发动机1直接带动第一电机2转动，第一电机2工作在发电机状态，第一电机2单独发电，第二电机(3)空转；如图10所示。
控制器7发出控制指令时，制动器4打开，由于车辆处于停车状态，齿圈504由制动器4施加了制动力而锁止，发动机1直接带动第一电机2转动，同时第二电机3参与工作，第二电机3工作在发电机状态，第一电机2、第二电机3联合发电，控制器7协调第一电机2、第二电机3之间的功率分配；如图11所示。
以上对本发明所提供的一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置及其工作方法进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置，其特征在于，包括发动机(1)、第一电机(2)、第二电机(3)、制动器(4)、行星轮系(5)、动力总成输出端(6)、控制器(7)；
所述第一电机(2)包括第一电机转子(201)、第一电机定子(202)，所述第二电机(3)包括第二电机转子(301)、第二电机定子(302)；所述第一电机定子(202)和所述第二电机定子(302)固定在动力耦合装置壳体上；
所述行星轮系(5)由太阳轮(501)、行星架(502)、行星轮(503)和齿圈(504)组成，所述太阳轮(501)与所述行星架(502)为斜齿轮外啮合，所述行星架(502)与所述齿圈(504)为斜齿轮内啮合；
所述发动机(1)、第一电机(2)、制动器(4)、行星轮系(5)及第二电机(3)沿轴向依次排列；所述第一电机转子(201)一端与所述发动机(1)同轴连接，另一端与所述行星架(502)相连；所述第二电机转子(301)与所述太阳轮(501)同轴相连；所述制动器(4)一端连接动力耦合装置壳体，另一端与所述行星架(502)相连；所述齿圈(504)与所述动力总成输出端(6)同轴相连；
所述控制器(7)的输出端分别与所述发动机(1)、第一电机(2)、第二电机(3)、制动器(4)相连接；所述控制器(7)发出控制指令，实现对所述发动机(1)、第一电机(2)、第二电机(3)及制动器(4)工作状态的控制。
2.根据权利要求1所述的一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置，其特征在于，所述行星轮(503)有3个，其结构相同，均分布在距所述行星架(502)中心轴线等距离的圆周上，且通过轴承套在所述行星架(502)上。
3.一种带锁止功能的行星轮系动力耦合装置的工作方法，其特征在于，包括纯电动模式、发动机启动模式、行车发电模式、复合驱动模式、再生制动模式和停车发电模式6种工作模式；
所述纯电动模式包含两种工作模式：第一种是制动器(4)闭合，行星架(502)锁止，发动机(1)、第一电机(2)关闭，第二电机(3)单独工作；第二种是制动器(4)打开，第一电机(2)、第二电机(3)联合驱动，发动机(1)空转；
所述发动机启动模式包含两种工作模式：第一种是发动机1停车启动：制动器(4)打开，第一电机(2)直接带动发动机(1)转动，直至怠速，第二电机(3)空转；第二种是发动机1行车启动：制动器(4)打开，第一电机(2)直接带动发动机(1)转动，直至怠速，与停车启动不同，第二电机(3)参与驱动，维持车速；
所述行车发电模式中制动器(4)打开，发动机(1)进行功率分流，一部分用于驱动车辆行驶，另一部分用于第二电机(3)发电；第一电机(2)不工作；
所述复合驱动模式中制动器(4)打开，发动机(1)、第一电机(2)、第二电机(3)均处于驱动状态，三者的力矩经行星架(502)和太阳轮(501)汇流到齿圈(504)，最终经动力总成输出端(6)输出；
所述再生制动模式包含两种工作模式：第一种是制动器(4)关闭，行星架(502)被锁止，第一电机(2)、发动机(1)不工作，第二电机(3)单独回收能量；第二种是制动器(4)打开，发动机(1)关闭，控制器(7)协调第一电机(2)、第二电机(3)之间的功率分配；
所述停车发电模式包含两种工作模式：第一种是制动器(4)打开，发动机(1)带动第一电机(2)工作，第一电机2工作在发电机状态，第二电机(3)空转；第二种是制动器(4)打开，发动机(1)带动第一电机(2)、第二电机(3)，控制器(7)协调第一电机(2)、第二电机(3)之间的功率分配。
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