CN106114191A - 一种汽车多模混合动力耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公一种汽车多模混合动力耦合装置，系统效率均衡、加速性能好。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)、齿轮(7)、离合器Ⅰ(8)、离合器Ⅱ(9)和制动器(10)，离合器Ⅰ(8)一端与第一行星齿轮系(5)固定连接，另一端与第二行星齿轮系(6)连接，第一行星齿轮系(5)另一端与内燃机(1)固定连接，第二行星齿轮系(6)另一端与制动器(10)固定连接，第一电动机/发电机(2)的输出轴与第二行星齿轮系(6)固定连接，第二电动机/发电机(3)的输出轴与第一行星齿轮系(5)固定连接，齿轮(7)与输出轴(4)固定连接。

Description

一种汽车多模混合动力耦合装置
技术领域
本发明属于混合动力汽车动力传动技术领域，特别是一种多工况条件系统效率均衡、加速性能好、适用于插电式混合动力汽车的多模混合动力耦合装置。
背景技术
近年来，人们在积极推进新型节能环保汽车的研究与开发。然而，纯电动汽车由于续航能力不足，且相对于燃油汽车价格昂贵，同时纯电动汽车的充电也是不可忽略的问题。因此，纯电动汽车较难被广大消费者直接接受。混合动力汽车通过加入第二种动力源，使其在提高燃油经济性的同时也能很好地控制成本，体现出较大优势。
目前混合动力汽车市场占有率较高的几款车型均采用行星齿轮排作为动力耦合结构，例如丰田汽车推出的油电混合动力汽车普锐斯。该款车型目前采用双行星排结构，将发动机，发电机，电机，车辆输出轴耦合在一起。通用汽车公司也推出了相应的双行星排混合动力汽车，同时系统加入了两个离合器，实现两个不同的功率分流工作模式。
但是，上述混合动力系统本身不具有纯电动工作模式，不适宜应用在目前主流的插电式混合动力汽车之上，其高速巡航状态下，仍然使用功率分流模式驱动，由于多余的二次能量转换，系统能量利用率较低。
总之，现有技术存在的问题是：混合动力汽车多工况条件系统效率不均衡，加速性能差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车多模混合动力耦合装置，多工况条件系统效率均衡、加速性能好。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种汽车多模混合动力耦合装置，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、齿轮、离合器Ⅰ、离合器Ⅱ和制动器，所述离合器Ⅰ一端与第一行星齿轮系固定连接，另一端与第二行星齿轮系连接，所述第一行星齿轮系另一端与内燃机固定连接，所述第二行星齿轮系另一端与制动器固定连接，所述离合器Ⅱ一端也与第一行星齿轮系固定连接，另一端与第二行星齿轮系固定连接，所述第二行星齿轮系的另一端还与齿轮固定连接，所述第一电动机/发电机的输出轴与第二行星齿轮系固定连接，第二电动机/发电机的输出轴与第一行星齿轮系固定连接，所述齿轮与输出轴固定连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、多工况条件系统效率均衡：利用双排行星齿轮结构，实现功率分流的混合动力模式，能够具有相对串联与并联混合动力汽车较高的系统效率。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，双电机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。
2、加速性能好：双电机并联模式使得系统能够使得系统各部件均以高扭矩输出有效地提高和改善车辆的动力性、燃油经济性和排放性能，同时纯电动模式的存在使得该装置适用于深度混合动力汽车和插电式混合动力汽车。适用于插电式混合动力汽车。
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为本发明汽车多模混合动力耦合装置的结构示意图。
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，51—太阳轮Ⅰ，52—行星架Ⅰ，53—齿圈Ⅰ，6—第二行星齿轮系，61—太阳轮Ⅱ，62—行星架Ⅱ，63—齿圈Ⅱ，7—齿轮Ⅰ，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，本发明汽车多模混合动力耦合装置，其包括内燃机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、齿轮70、离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9和制动器10；
所述离合器Ⅰ8一端与第一行星齿轮系5固定连接，另一端与第二行星齿轮系6连接，所述第一行星齿轮系5另一端与内燃机1固定连接，所述第二行星齿轮系6另一端与制动器10固定连接；
所述离合器Ⅱ9一端也与第一行星齿轮系5固定连接，另一端与第二行星齿轮系6固定连接；
所述第二行星齿轮系6的另一端还与齿轮7固定连接；
所述第一电动机/发电机2的输出轴与第二行星齿轮系6固定连接，第二电动机/发电机3的输出轴与第一行星齿轮系5固定连接；
所述齿轮7与输出轴4固定连接。
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，
所述离合器Ⅰ8一端与齿圈Ⅰ53固定连接，另一端与齿圈Ⅱ63连接，所述齿圈Ⅰ53另一端与内燃机1固定连接，所述齿圈Ⅱ63另一端与制动器10固定连接，
所述离合器Ⅱ9一端与齿圈Ⅰ53固定连接，另一端与行星架Ⅱ62固定连接，
所述行星架Ⅱ62另一端与齿轮7固定连接，
所述第一电动机/发电机2的输出轴与太阳轮Ⅱ61固定连接，第二电动机/发电机3的输出轴与太阳轮Ⅰ51固定连接，
所述行星架Ⅰ52与内燃机1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，实现串联驱动模式，输出型功率分流驱动模式，单电机并联驱动模式及两种具有不同传动比的双电机并联驱动模式。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Ⅰ：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、串联驱动模式时，制动器10接合，离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9均分离。
在此模式之下，齿圈Ⅱ63被固定，内燃机1与第二电动机/发电机3通过第一行星齿轮系5连接，形成固定传动比，第一电动机/发电机2与输出轴4通过第二行星齿轮系6相互连接，形成固定传动比；同时，第二电动机/发电机3作为发电机与内燃机1相连接，第一电动机/发电机2作为电动机与输出轴4相连，第二电动机/发电机3将内燃机1燃烧获得的机械能转换为电能，通过第一行星齿轮系5给电池充电或者供电给第一电动机/发电机2驱动车辆；若在该模式下，发动机不启动，而第一电动机/发电机2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，第一电动机/发电机2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；若内燃机1启动，而第一电动机/发电机2并不消耗能量驱动车辆，则实现停车充电模式；若内燃机1启动，第一电动机/发电机2也驱动输出轴4，则为混合驱动模式；若内燃机1停机与第一电动机/发电机2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、输出型功率分流驱动模式时，离合器Ⅰ8接合，离合器Ⅱ9、制动器10均分离。
在此模式之下，齿圈Ⅰ53、齿圈Ⅱ63将第一行星齿轮系5与第二行星齿轮系6相连，第一电动机/发电机2与输出轴4通过第二行星齿轮系6连接，可以驱动汽车前进与后退；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和行星轮Ⅰ52，此时，整个第二排行星齿轮系组作为功率分流机构；此时第一电动机/发电机2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或者制动能量回收模式，该制动能量回收模式是中低功率制动能量回收，纯电动模式下，电机的控制相对复杂；发动机启动时实现混合驱动模式。
4、单电机并联驱动模式时，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与行星架Ⅱ62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之间没有动力传递，第二电动机/发电机3与输出轴4与第一行星齿轮系5通过齿圈Ⅰ53与行星架Ⅱ62连接，内燃机1与输出轴4之间通过第一行星齿轮系5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，只有第一电动机/发电机2作为动力辅助机构，当发动机能量大于需求功率时，第一电动机/发电机2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；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，只有单电机参与制动能量回收，故也称该模式为高制动能量回收模式。
5、双电机并联驱动模式Ⅰ时，离合器Ⅱ9、制动器10均接合，离合器Ⅰ8分离。
在此模式下，齿圈Ⅱ63被固定，齿圈Ⅰ53与行星架Ⅱ62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通过行星齿轮系6连接，第一电动机/发电机2与输出轴4之间通过第二行星齿轮系6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连接形成固定传动比，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模式的比值，故称为双电机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；发动机启动时工作在混合驱动模式；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、双电机并联驱动模式Ⅱ时，离合器Ⅰ8、离合器Ⅱ9均接合，制动器10分离。
在此模式下，齿圈Ⅰ53与齿圈Ⅱ63、行星架Ⅱ62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Ⅱ12与输出轴4直接连接，内燃机1与第一电动机/发电机2通过第一行星齿轮系5连接，行星架Ⅰ62与齿圈Ⅰ63固定连接，行星架Ⅱ62与齿圈Ⅱ63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之间的传动比均相同，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。
7、停车模式Ⅱ：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
本发明利用双排行星齿轮结构，实现功率分流的混合动力模式，能够具有相对串联与并联混合动力汽车较高的系统效率。
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，输出型功率分流驱动模式，单电机并联驱动模式，及双电机并联驱动模式Ⅰ与Ⅱ，根据传动比高低，可分为高传动比并联驱动模式与低传动比并联驱动模式。
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，双电机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。
串联驱动模式能够保证系统电量低时，通过启动发动机能够使车辆具有倒挡行驶能力。

Claims (7)

1.一种汽车多模混合动力耦合装置，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）、齿轮（7）、离合器Ⅰ（8）、离合器Ⅱ（9）和制动器（10），
所述离合器Ⅰ（8）一端与第一行星齿轮系（5）固定连接，另一端与第二行星齿轮系（6）连接，所述第一行星齿轮系（5）另一端与内燃机（1）固定连接，所述第二行星齿轮系（6）另一端与制动器（10）固定连接，
所述离合器Ⅱ（9）一端也与第一行星齿轮系（5）固定连接，另一端与第二行星齿轮系（6）固定连接，
所述第二行星齿轮系（6）的另一端还与齿轮（7）固定连接，
所述第一电动机/发电机（2）的输出轴与第二行星齿轮系（6）固定连接，第二电动机/发电机（3）的输出轴与第一行星齿轮系（5）固定连接，
所述齿轮（7）与输出轴（4）固定连接。
2.根据权利要求1所述的耦合装置，其特征在于：
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，
所述离合器Ⅰ（8）一端与齿圈Ⅰ（53）固定连接，另一端与齿圈Ⅱ（63）连接，所述齿圈Ⅰ（53）另一端与内燃机（1）固定连接，所述齿圈Ⅱ（63）另一端与制动器（10）固定连接，
所述离合器Ⅱ（9）一端与齿圈Ⅰ（53）固定连接，另一端与行星架Ⅱ（62）固定连接，
所述行星架Ⅱ（62）另一端与齿轮（7）固定连接，
所述第一电动机/发电机（2）的输出轴与太阳轮Ⅱ（61）固定连接，第二电动机/发电机（3）的输出轴与太阳轮Ⅰ（51）固定连接，
所述行星架Ⅰ（52）与内燃机（1）固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于：串联驱动模式时，制动器（10）接合，离合器Ⅰ（8）、离合器Ⅱ（9）均分离。
4.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于：输出型功率分流驱动模式时，离合器Ⅰ（8）接合，离合器Ⅱ（9）、制动器（10）均分离。
5.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于：单电机并联驱动模式时，离合器Ⅱ（9）接合，离合器Ⅰ（8）、制动器（10）均分离。
6.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于：双电机并联驱动模式Ⅰ时，离合器Ⅱ（9）、制动器（10）均接合，离合器Ⅰ（8）分离。
7.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于：双电机并联驱动模式Ⅱ时，离合器Ⅰ（8）、离合器Ⅱ（9）均接合，制动器（10）分离。
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