CN106864247A - 用于车辆的混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于车辆的混合动力系统，其包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，混合动力模块包括电动机、行星轮系和第一离合器，发动机的动力输出轴与行星轮系的齿圈的转动轴连接且电动机的转子与太阳轮的转动轴连接，行星架C的转动轴、电动机的转子分别与双输入轴变速机构的第一输入轴、第二输入轴连接，第一离合器布置在太阳轮、齿圈和行星架中任意两个之间；双输入轴变速机构的第一输入轴上设有奇数挡位主动齿轮、倒档主动齿轮，第二输入轴上设有偶数挡位主动齿轮，输出轴上布置各个挡位的从动齿轮，每一个挡位中有一个齿轮通过同步器与该齿轮所在轴连接。本发明增加多个衍生的速比/变速挡位，扩宽速比变化范围，提高发动机效率。

Description

用于车辆的混合动力系统
技术领域
本发明涉及混合动力车辆技术领域，尤其是涉及一种用于车辆的混合动力系统。
背景技术
混合动力汽车是电动化汽车中最具有产业化和市场化前景的动力系统。混合动力汽车采用热能发动机和电动机作为动力源，既可以使用发动机驱动，也可以使用电力驱动，还可以混合动力驱动，能够降低油耗，还能用电能取代一部分燃油或燃气，部分改变能源结构。
单电动机并联式混合动力系统是混合动力汽车中应用广泛的一种混合动力系统，由发动机、电动机、动力耦合机构和机械变速箱构成，其中，电动机具有多项功能，包括单独驱动车辆行驶、助力发动机驱动车辆、行驶时和驻车时发电、能量再生制动等；动力耦合机构的功能是：根据需要和指令，开通或关闭发动机和电机动力的输出通道，或切换其流向，实现混动车的各种工况；机械变速装置的功能是减速和增扭，并改变输入轴和输出轴之间的速比，使得发动机和电机能够高效率工作；同时放大扭矩，增大车轮扭矩。双离合器变速器（Dual Clutch Transmission，简写DCT）经常被用做机械变速机构。
US 8,931,371公开一种混合动力系统，采用DCT作为机械变速装置，发动机输出轴连接两个离合器的一端，离合器的另一端分别与第一输入轴和第二输入轴连接，驱动电机直接连接在变速箱的输出轴上。纯电驱动时，离合器分离，发动机与车轮分离；电机直接驱动车轮；混合驱动工况时，DCT变速箱如常规变速箱一样工作；电机可以根据需要，辅助驱动、发电或空转，简单实用，传动效率高；但存在以下缺点：1、驱动电机和车轮连接，无法分离，驻车时不能发电，需要另设发电机解决驻车发电的问题，也需要解决驻车空调压缩机动力问题；2、电机和车轮的速比固定，电机输出扭矩要求高，转速范围宽，电机成本较高、平均效率受影响。
US 9,308,907公开一种混动系统，也采用DCT作为传动、变速装置，DCT的两个离合器分别与第一输入轴和第二输入轴连接，驱动电机位于发动机输出轴和两个离合器之间，电机和发动机的动力输出轴之间还有一个分离离合器。纯电动工况时，分离离合器分离，发动机的动力输出轴与电机轴分离，发动机停机，电机转动并输出扭矩，通过变速箱驱动车轮，实现纯电驱动；发动机工作时，分离离合器闭合，将发动机和电机锁定，发动机输出的动力通过离合器传递到电机和变速箱输入轴，实现混合驱动。此混动系统传动效率高；电机可以与车轮脱离，能进行驻车发电，能在驻车时为空调压缩机提供动力；驱动电机位于变速箱的输入端，与车轮的速比可变，电机扭矩、速度要求降低，成本低，工作效率高。但是，该混动系统存在两个缺点：1、双离合器技术复杂、成本高，特别是离合器控制难度大；2、一般只有六、七个挡位（增加挡位会增加轴向长度，受限制），挡位之间速比差距较大，不利于优化发动机工作点、降低油耗。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于车辆的混合动力系统，其结构简单，设计合理紧凑，能够在不增加传动齿轮对数的条件下，增加多个挡位。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于车辆的混合动力系统，其包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，所述混合动力模块由电动机、行星轮系和第一离合器组成，发动机的动力输出轴与行星轮系的齿圈的转动轴连接且电动机的转子与行星轮系的太阳轮的转动轴连接、或发动机的动力输出轴与行星轮系的太阳轮的转动轴连接且电动机的转子与行星轮系的齿圈的转动轴连接，行星轮系的行星架C的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴连接，电动机的转子与双输入轴变速机构的第二输入轴连接，第一离合器布置在太阳轮、齿圈和行星架中任意两个的转动轴之间；所述双输入轴变速机构由第一输入轴、第二输入轴、若干对前进挡位齿轮、至少一套倒挡齿轮和至少一个输出轴组成，第一输入轴上设有奇数挡位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数挡位主动齿轮，倒挡主动齿轮设置在第一输入轴或第二输入轴上，输出轴上布置各个挡位的从动齿轮，上述各挡位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；每一个挡位中有一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接。
所述的用于车辆的混合动力系统，其还包括有单向离合器或/和制动器，单向离合器或/和制动器一端与发动机的动力输出轴连接，另一端与混合动力模块的壳体连接。
进一步地，上述的发动机的动力输出轴与单向离合器之间设置有第二离合器。
所述的用于车辆的混合动力系统，其电动机的转子与双输入轴变速机构的第二输入轴之间设置有第三离合器。
所述的用于车辆的混合动力系统，其行星轮系的行星架的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴之间设置有第四离合器。
另一种结构的用于车辆的混合动力系统，其包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，所述混合动力模块由电动机、双行星轮系和第一离合器组成，发动机的动力输出轴与双行星轮系的行星轮架的转动轴连接且电动机的转子与双行星轮系的太阳轮的转动轴连接、或发动机的动力输出轴与双行星轮系的太阳轮的转动轴连接且电动机的转子与双行星轮系的行星轮架的转动轴连接，齿圈的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴连接，电动机的转子与双输入轴变速机构的第二输入轴连接，第一离合器布置在太阳轮、齿圈和行星架中任意两个的转动轴之间；所述双输入轴变速机构由第一输入轴、第二输入轴、若干对前进挡位齿轮、至少一套倒档齿轮和至少一个输出轴组成，第一输入轴上设有奇数挡位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数挡位主动齿轮，倒挡主动齿轮设置在第一输入轴或第二输入轴上，输出轴上布置各个挡位的从动齿轮，上述各挡位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；每一个挡位中有一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接。
所述的用于车辆的混合动力系统，其还包括有单向离合器或/和制动器，单向离合器或/和制动器一端与发动机的动力输出轴连接，另一端与混合动力模块的壳体连接。
进一步地，上述的发动机的动力输出轴与单向离合器之间设置有第二离合器。
所述的用于车辆的混合动力系统，其电动机的转子与双输入轴变速机构的第二输入轴之间设置有第三离合器。
所述的用于车辆的混合动力系统，其双行星轮系的齿圈的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴之间设置有第四离合器。
本发明的用于车辆的混合动力系统，其将第一离合器闭合，并且同步器每次仅挂一个挡位，能够实现所有的固定挡位；将第一离合器分离，并且同步器每次选挂一个奇数挡位和一个偶数挡位，能够实现多个衍生挡位。
本发明的用于车辆的混合动力系统的换挡控制方法，其通过控制器控制实现，包括以下步骤：
控制器判断混合动力系统的当前状态处于奇数挡位i或偶数挡位j；若为奇数挡位i，进行奇数挡位i换档；若为偶数挡位j，进行偶数挡位j换档；
（1）、奇数挡位i换档
步骤1、控制电动机进入转速控制环；将第一离合器分离；
步骤2、控制电动机调速，使双输入轴变速机构的第二输入轴与i+1挡位（或i-1挡位）齿轮同步；
步骤3、控制同步器挂i+1挡位（或i-1挡位），然后电动机通过该挡位齿轮驱动车轮；
步骤4、控制发动机降低扭矩，同时控制电动机增扭予以补偿；控制同步器摘掉i档；
步骤5、控制第一离合器闭合，将发动机的动力输出轴和电动机锁定在一起，同速转动；
步骤6、控制发动机恢复输出扭矩，完成升挡（或降挡）；
（2）、偶数挡位j换档
步骤7、控制发动机降低扭矩，同时电动机增扭补偿，并通过j档齿轮继续驱动；
步骤8、控制第一离合器分离，使发动机的动力输出轴和电动机差速转动；
步骤9、控制发动机的动力输出轴降低（或提高）转速，带动双输入轴变速机构的第一输入轴与j+1档（或j-1挡）齿轮同步；
步骤10、控制同步器选挂j+1档（或j-1挡）；
步骤11、控制离合器闭合；发动机恢复输出扭矩，同时调整电动机扭矩，完成升挡（或降挡）。
本发明还保护一种包括有上述混合动力系统的车辆。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
该用于车辆的混合动力系统，其结构简单，利用行星轮系的差速特性和双输入轴变速机构的双输入轴特点，在双输入轴变速机构原有齿轮挡位的基础上，增加多个衍生的速比/变速挡位，扩宽速比变化范围，使得发动机工作转速更接近最佳工作点，提高发动机效率；同时，避免采用具有起步功能的双离合器，减少使用高成本零部件，降低动力系统成本；混合动力变速箱全部通过齿轮传动，传动效率高；发动机驱动车辆起步时，不需要液力变矩器或起步离合器，减少滑摩损失；实现纯电驱动、发动机和电机混合驱动、能量再生制动、巡航发电、驻车发电等功能。
附图说明
图1是本发明用于车辆的混合动力系统实施例之一的结构示意图；
图2是本发明用于车辆的混合动力系统实施例之二的结构示意图；
图3是图1、图2中的行星轮系的结构示意图；
图4是图3中的行星轮系中各轴转速杠杆表示图；
图5是图1中的双输入轴变速机构的速比杠杆表示图；
图6是图4与图5的叠加效果图；
图7是图1中的发动机的动力输出轴的速比杠杆表示图；
图8是本发明用于车辆的混合动力系统实施例之三的结构示意图；
图9是本发明用于车辆的混合动力系统实施例之四的结构示意图；
图10是本发明用于车辆的混合动力系统实施例之五的结构示意图；
图11是图10中的双行星轮系的结构示意图；
图12是图11中的双行星轮系的等效杠杆转速图；
图13是图10中的发动机的动力输出轴的速比杠杆表示图；
图中：1－发动机；2－动力输出轴；3－单向离合器；4－第一离合器；5－行星轮系；6－电动机；7－第一输入轴；8－第二输入轴；10－混合动力模块；15－输出轴；20－双输入轴变速机构；S－太阳轮；P－行星轮；DP－双行星轮；C－行星轮架；R－齿圈；G（1～7）－前进挡位齿轮；GR－倒档齿轮；S（1～7）－同步器；SR－倒档同步器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，该用于车辆的混合动力系统，其包括发动机1、混合动力模块10和双输入轴变速机构20，所述混合动力模块10由电动机6、行星轮系5和第一离合器4组成，行星轮系包括太阳轮S、行星轮P、行星轮架C和齿圈R，太阳轮S与行星轮P相啮合，行星轮P与齿圈R的内齿相啮合，行星轮P设在行星轮架C上，太阳轮S、行星轮架C和齿圈R绕各自的转动轴转动，且三个轴心线在一条直线上；发动机1的动力输出轴2与行星轮系5的齿圈R的转动轴连接，使发动机的动力能够通过齿圈R作用在行星轮系上，电动机6的转子与太阳轮S的转动轴连接，电动机扭矩直接作用在太阳轮S上，行星架C的转动轴与双输入轴变速机构20的第一输入轴7连接，电动机6的转子与双输入轴变速机构20的第二输入轴8连接；第一离合器4布置在齿圈R和行星架C的转动轴之间，用于将行星轮系的三个转动轴锁定在一起，同速转动；所述双输入轴变速机构20由第一输入轴7、第二输入轴8、7对前进挡位齿轮、至少一套倒档齿轮GR和至少一个输出轴15组成，7对前进挡位齿轮分别是挡位齿轮G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7，一套倒档齿轮GR中的两个齿轮之间设有转向齿轮，第一输入轴7上设有奇数挡位主动齿轮、倒档主动齿轮，第二输入轴8上设有偶数挡位主动齿轮，输出轴15上布置各个挡位的从动齿轮，上述各挡位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；上述的每一对齿轮中的一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接；同步器挂挡时，该齿轮与相应的轴连接，同速转动；同步器摘挡时，该齿轮与相应的轴分离，能够以不同速度转动。
结合图3、图4描述行星轮系各转动轴的运动学关系。
太阳轮S、行星轮架C和齿圈R各自的转动轴的转速存在以下关系：
其中：nR、nS、nC分别表示齿圈R、太阳轮S、行星架C的转速；R、S分别表示齿圈R和太阳轮S的有效半径。上述关系可以改写成：
（1）
其中：
三个转动轴转速之间的关系也可以用直观的杠杆图来表示。如图4所示，一个水平摆放的杠杆，上面有三个点S、C和R，分别代表太阳轮S、行星架C和齿圈R；点S到点C的距离为1，点C到点R的距离为；从点S引出一个带箭头的直线段，垂直于杠杆，线段长度表示太阳轮S的转速nS，箭头向上为正转速；从点C引出一个带箭头的直线段，垂直于杠杆，线段长度表示行星架C的转速nC，箭头向上为正转速；从点R引出一个带箭头的直线段，垂直于杠杆，线段长度表示齿圈R的转速nR，箭头向上为正转速。在这一条件下，方程式（1）所表示的行星轮系中三个转动轴之间的速度关系，可以直观地描述为：代表三个转动轴转速的三个线段的箭头端点始终保持在一条直线上。
以图1中的用于车辆的混合动力系统具有7对前进挡位为例对本发明的技术方案进行说明。
结合图1、图5描述双输入轴变速机构的速比及表达方法。
双输入轴变速机构具有7对前进挡位和一个倒车挡位。第一输入轴7 上设置有奇数挡位1、3、5和7档主动齿轮，速比分别为、、和；第二输入轴8上设置有偶数挡位2、4和6档主动齿轮，速比分别为、和；这些挡位相应的从动齿轮布置在输出轴15上，通过各自的同步器Si，与输出轴15连接。第一输入轴7 上设置有倒档主动齿轮，相应的从动齿轮布置在输出轴15上。
如图5所示，用垂直线L1表示第一输入轴7，第一输入轴上的奇数挡位1、3、5和7档的速比、、和用纵坐标表示；用垂直线L2表示第二输入轴8，第二输入轴上的偶数挡位2、4和6档的速比、和用纵坐标表示；用垂直线Le表示发动机的动力输出轴2，用纵坐标表示发动机的动力输出轴2与双输入轴变速机构的输出轴15的速比。
若发动机的动力输出轴2与第一输入轴7连接并同速转动，且同步器选挂某奇数挡位i，则发动机与输出轴15的速比为，这一情况可用图4表示：从直线L1上的点引出水平线，与垂直线Le相交，交点的纵坐标就表示发动机的速比；若发动机的动力输出轴2与第二输入轴8连接并同速转动，且同步器选挂某偶数挡位j，则发动机与输出轴15的速比为，这一情况也可用图4表示：从直线L2上的点引出水平线，与垂直线Le相交，交点的纵坐标就表示发动机的速比。本发明中，发动机的动力输出轴2可以分别与第一输入轴7或第二输入轴8连接并同速转动，故可实现发动机的动力输出轴2与双输入轴变速机构的输出轴15之间的7个速比、、、。
速比的定义是输入轴转速与输出轴转速之比，即输入轴转速是输出轴转速的倍数；若以输出轴的转速为单位转速，则速比也可以理解为输入轴的无量纲转速。若同步器选挂奇数挡位i，则第一输入轴7的速比为，也可以理解为其无量纲转速为；若同步器选挂偶数挡位j，则第二输入轴8的速比为，也可以理解为其无量纲转速为；若发动机的动力输出轴2的速比为，则也可理解为发动机的动力输出轴2的无量纲转速为。根据上述原理，图5中直线L1、L2和Le的纵坐标可以理解为相应的轴的无量纲转速。
结合图1、图6描述发动机的动力输出轴的速比及表达方法。
由于分别与行星轮系的齿圈R、行星架C和太阳轮S连接，发动机的动力输出轴2、第一输入轴7和第二输入轴8的三轴转速也满足方程（1），即：
其中，neng、n输入1和n输入2分别表示发动机的动力输出轴2、第一输入轴7和第二输入轴8的转速。
将上述方程两边共同除以非零的输出轴转速，方程仍然成立，说明这三个轴的无量纲转速同样满足方程（1），即这三个轴相对于输出轴的速比也满足方程（1），存在以下关系：
其中，、和分别表示发动机的动力输出轴2、第一输入轴7和第二输入轴8的无量纲转速/速比。
这三个轴速比之间的关系也可以用图4中的杠杆图来表示。
由于行星架C和第一输入轴7连接并同速转动、太阳齿轮S与第二输入轴8连接并同速转动，可以将图4与图5结合，成为图6；其中，垂直线L1经过C点，表示行星架C的转速，也表示第一输入轴的无量纲转速，也就是速比；垂直线L2经过S点，表示太阳齿轮S的转速，也表示第二输入轴8的无量纲转速，也就是速比；经过R点的垂直线Le表示齿圈的转速，也表示发动机的动力输出轴的无量纲转速，也就是速比。
结合图6，根据行星轮系的运动学关系，当第一离合器4锁定时，太阳轮S、行星架C和齿圈R三个轴被锁定在一起，同速转动；也就是说，发动机的动力输出轴2与第一输入轴7和第二输入轴8同速转动。在此情况下，若挂奇数档i档，则第一输入轴7的无量纲转速为，由于发动机的动力输出轴2转速与第一输入轴7相同，可从点引出一条水平线（表示速度相同），与垂线Le相交点的纵坐标为发动机的动力输出轴2的无量纲转速，也是发动机与输出轴15的速比；若挂偶数档j档，第二输入轴8的无量纲转速为，由于发动机的动力输出轴2转速和第二输入轴8相同，可以从点引出一条水平线（表示速度相同），与垂线Le相交点的纵坐标为发动机的动力输出轴2的无量纲转速，也是系统的速比。依此方法，可以实现发动机的动力输出轴2的每一个速比、、、和。
按照上述方法，本发明的混合动力系统可为发动机提供全部7个挡位，速比分别是、、、，称这7个挡位为固有挡位，用阿拉伯数字表示，即：1档、2档、3档、4档、5档、6档和7档。
当混合动力系统挂上述固有挡位时，第一离合器4闭合，将电动机和发动机锁在一起同速转动，电动机6可以输出正扭矩（助力驱动）、反向扭矩（行驶中发电或能量再生制动）或者零扭矩（发动机单独驱动）。
本发明利用行星轮系的差速特性与双输入轴变速机构的双输入特性相结合，能够在不增加双输入轴变速机构内变速齿轮数量的条件下，增加多个速比或挡位，称之为衍生挡位；衍生挡位的速比与上述固有挡位的速比不同。
实现一个衍生速比，需要将第一离合器4分离，同时挂一个奇数挡位i档和一个偶数挡位j。则根据方程
可获得发动机的动力输出轴2与输出轴15之间的一个速比，这是一个衍生的速比，与固有挡位速比不同。
本发明的用于车辆的混合动力系统，其增加挡位控制方法为：双输入轴变速机构挂奇数挡位1档，第一输入轴7的无量纲转速为，若控制电动机6保持接近于零的转速，则太阳轮S和第二输入轴8的转速约等于0；在图6所示的运动学关系图上，过垂线L2上的0点和垂线L1上的点作一条直线，与代表发动机的动力输出轴2速比的垂线Le相交于A；点A的纵坐标表示发动机的动力输出轴2的无量纲转速，即发动机的动力输出轴2的速比；这是一个衍生的挡位，称之为衍生挡位A。
若同步器S1挂奇数挡位1档、同步器S6挂偶数挡位6档，则第一输入轴7和第二输入轴8的无量纲转速分别为和；根据图6所示的行星轮系的运动学关系，过点和点作一条直线，与代表发动机的垂直线Le相交于B点，其纵坐标代表发动机的动力输出轴2的无量纲转速，即发动机的动力输出轴2的速比，称之为衍生挡位B。同理，若同步器S1挂1档、同步器S4挂4档，则过点和点作一条直线，与代表直线Le相交于C点，其纵坐标代表发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位C；当同步器S1挂1档的、同步器S2挂2档时，则过点和点作一条直线，与代表直线Le相交于D点，其纵坐标代表发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位D。值得指出的是：衍生挡位A、B、C、D均是比固有挡位1档低的挡位，将变速比范围向更低挡位的方向扩展（1+ρ）倍，对发动机扭矩的放大倍数提高30~60%。
当同步器S3挂3档、控制电动机6转速为零时，第一输入轴7转速为，第二输入轴8转速为零；过L1上的点和L2上的零点作直线，与Le相交于E点，其纵坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位E。当同步器S3挂3档、同步器S6挂6档时，第一输入轴7的转速为，第二输入轴8的转速为；过直线L1上的点和和直线L2上的点作一条直线，与直线Le相交于F点，其从坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位F。当同步器S3挂3档、同步器S4挂4档时，过直线L1上的点和和直线L2上的点作一条直线，与直线Le相交于G点，其纵坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位G。当同步器S3挂3档、同步器S2挂2档时，过直线L1上的点和和直线L2上的点作一条直线，与直线Le相交于H点，其纵坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位H。
以此类推，当同步器S5挂5档、同时控制电动机6转速为零时，第一输入轴7转速为，第二输入轴8转速为零；过L1上的点和L2上的零点作直线，与Le相交于I点，其纵坐标表示发动机的速比，这是衍生挡位I。当同步器S5挂5档、同步器S6挂6档时，第一输入轴7的转速为，第二输入轴8的转速为；过直线L1上的点和和直线L2上的点作一条直线，与直线Le相交于J点，其纵坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位J。当同步器S5挂5档、同步器S4挂4档时，过直线L1上的点和和直线L2上的点作一条直线，与直线Le相交于K点，其纵坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位K。
以此类推，当同步器S7挂7档、同时控制电动机6转速为零时，第一输入轴7转速为，第二输入轴8转速为零；过L1上的点和L2上的零点作直线，与Le相交于L点，其纵坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位L。当同步器S7挂7档、同步器S6挂6档时，第一输入轴7的转速为，第二输入轴8的转速为；过直线L1上的点和和直线L2上的点作一条直线，与直线Le相交于M点，其纵坐标表示发动机的动力输出轴2的速比，这是衍生挡位M。
还能产生其他几个衍生挡位，如7档+4档，7档+2档和5档+2档，但由于这些衍生速比与其他速比的距离较远，并且传动损失较大，不做更多讨论。
本发明的用于车辆的混合动力系统能够为发动机提供7个固有挡位和十多个衍生挡位，共有近20个有效挡位。其中有12或13个有效挡位比较均匀的分布在固有挡位2档以上，相邻挡位之间的速比变化显著减小，匹配发动机的能力显著改善，可以更好优化发动机的工作点，提高效率。
车辆运行模式为纯电驱动模式时，发动机1不工作，转速为零，起步时，驾驶员踩制动、挂D档，混合动力系统控制第一离合器4分离，奇数挡位分离，同步器S2挂2档；当驾驶员松制动、踩油门时，电动机6输出正向扭矩，传递到第二输入轴8上，通过固有挡位2挡位齿轮G2的主动齿轮与从动齿轮啮合，传递到输出轴15上，驱动车辆前进。
当车辆速度提高，为避免电动机转速过快，需要换档。混合动力系统控制作以下动作：电动机6扭矩降低为零，同步器S2摘掉2档，电动机6调速，使固有挡位4挡位齿轮G4同步，同步器S4挂4档，电动机恢复输出扭矩，完成换档。采用同样的方法，可以实现由4档到6档的切换。由于电动机动态范围大，可以从2档直接切换到6档。
纯电驱动工况中，电机可以输出正扭矩（驱动）、负扭矩（能量再生制动）或者零扭矩（空转滑行）。
在上述电机驱动和换档过程，发动机的动力输出轴2不受任何力矩作用，保持零转速。
车辆运行模式为发动机和电动机混合驱动模式时，在车辆速度为零、发动机1工作（充电或暖机）的情况下，驱动车辆起步、加速的过程如下：
起步前，发动机怠速，混合动力系统置P档，同步器摘掉所有挡位。起步时，驾驶员踩住制动踏板，然后挂D档，混合动力系统控制第一离合器4分离，混合动力系统控制同步器S1挂奇数挡位1档、其他挡位同步器全部分离（摘掉其他挡位）；这时，发动机的动力输出轴2正向转动，车轮和输出轴15转速为零，所以第一输入轴7和行星架C转速为零；根据行星轮系的速度关系，太阳齿轮S与电动机6一起倒转。
当驾驶员释放制动踏板、踩油门时，发动机的动力输出轴2输出扭矩，作用在齿圈R上；同时，电动机6（此时在反向转动）输出正向扭矩，作用在太阳轮S上；齿圈R和太阳轮S作用的结果是行星架C受到正向扭矩的作用，并将其传递到第一输入轴7上，并通过1挡位齿轮G1的主动齿轮与从动齿轮啮合，传递到输出轴15上，驱动车辆前进。在这个过程中，利用行星轮系的差速特性和电机速度/扭矩特性，实现发动机的动力输出轴2差速驱动第一输入轴7的功能，取代液力变矩器或起步离合器的功能，没有滑摩损失；同时，由于行星轮系的减速增扭作用，传递到第一输入轴的扭矩是发动机扭矩放大到约（1+ρ）倍，有利于车辆起步和加速。
随着车辆速度增大，电动机转速向正方向增大，由负转速到零转速，然后转为正转速并继续增速；当电动机6的转速达到或接近发动机的动力输出轴2的转速，即太阳轮S和齿圈R速度接近时，第一离合器4闭合；这时，发动机的动力输出轴2和第一输入轴7同速转动，同步器S1保持挂1档，发动机的动力输出轴2与输出轴15的速比为。
当车速继续提高，需要从1档升到2档时，混合动力系统控制实现以下步骤：第一离合器4分离，使得行星轮系的三轴可以差速转动；调整电动机6转速，带动第二输入轴8实现2挡位齿轮G2转速同步；同步器S2选挂2档；电动机6通过2挡位齿轮驱动；发动机降低扭矩，以便同步器S1摘掉1档，同时电动机调整扭矩，补偿发动机扭矩；第一离合器4闭合，将发动机的动力输出轴2和第二输入轴8锁定在一起；然后发动机恢复输出功率，并通过2挡位齿轮G2驱动车轮。此时，发动机的动力输出轴2与输出轴15的速比为，即混合动力系统挂2档。
当需要从奇数挡位i档升高一档，即升到偶数挡位i+1档时，混合动力系统控制实现以下步骤：第一离合器4分离，使得发动机的动力输出轴2和电动机6可差速转动；电动机6调整转速，使得第二输入轴8实现与i+1档齿轮G(i+1)同步；同步器S(i+1)选挂i+1档；电动机6通过i+1挡位齿轮驱动车轮；发动机的动力输出轴2降低扭矩，然后同步器Si摘掉i档，同时电动机6增加扭矩，补偿发动机扭矩；第一离合器4闭合，将发动机的动力输出轴2和电动机6锁定在一起，同速转动；发动机恢复输出扭矩，并通过i+1挡位齿轮G(i+1)驱动车轮；这时发动机的动力输出轴2与输出轴的速比为，即混合动力系统挂i+1档。
当车速继续提高，需要从2档升到3档时，混合动力系统控制实现以下步骤：发动机的动力输出轴2降低扭矩，同时电动机6增加扭矩，补偿发动机扭矩，并通过2挡位齿轮G2驱动；第一离合器4分离，使得发动机的动力输出轴2和电动机6可以差速转动；发动机的动力输出轴2降低转速，通过齿圈R和行星架C带动第一输入轴7减速，实现3挡位齿轮G3同步；同步器S3选挂3档；发动机恢复输出扭矩，同时调整电动机扭矩；同步器S2摘掉2档；然后第一离合器4闭合，将发动机和电动机锁定在一起，通过第一输入轴7和3挡位齿轮G3驱动车轮。这时，发动机的动力输出轴2与输出轴15的速比为，即：混合动力系统挂3档。
当需要从偶数挡位j档升高一档（升到奇数挡位j+1档）时，混合动力系统控制实现以下步骤：发动机的动力输出轴2降低扭矩，同时电动机6增加扭矩，补偿发动机扭矩，并通过j档齿轮继续驱动；第一离合器4分离，使得发动机的动力输出轴2和电动机6可以差速转动；发动机的动力输出轴2降低转速，通过齿圈R和行星架C带动第一输入轴7减速，实现j+1档齿轮G(j+1)同步；同步器S(j+1)选挂j+1档；发动机恢复输出扭矩，同时调整电动机扭矩；同步器Sj摘掉j档；然后第一离合器4闭合，将发动机和电动机锁定在一起，通过第一输入轴7和j+1挡位齿轮G(j+1)驱动车轮。这时，发动机的动力输出轴2与输出轴15的速比为，即：混合动力系统挂j+1档。
以上描述了混合动力系统从任何一个固有挡位升高一个固有挡位的过程；将若干步骤结合起来，就可以从任何一个固有挡位逐步地升高到任意需要的固有挡位。
本发明的混合动力系统采用上述类似的操作步骤可以实现降挡过程。
下面详细描述本发明的混合动力系统实现衍生挡位的方法。
当同步器S1挂1档齿轮时，混合动力系统可以实现衍生挡位A档、B档、C档和D档，这时第一离合器4要处于分离状态。如果调整电动机转速，使之等于或接近于零，即可实现衍生挡位A档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得6挡位齿轮G6同步，然后同步器S6选挂6挡位齿轮，则混合动力系统实现衍生挡位B档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得4挡位齿轮G4同步，并且同步器S4选挂4挡位齿轮，则混合动力系统实现衍生挡位C档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得2挡位齿轮G2同步，并且同步器选挂2挡位齿轮，则混合动力系统实现衍生挡位D档。
当同步器选挂3档齿轮时，混合动力系统可以实现衍生挡位E档、F档、G档和H档，这时第一离合器4要处于分离状态。调整电动机转速，使之等于或接近于零，即可实现衍生挡位E档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得6挡位齿轮G6同步，并且同步器选挂6挡位齿轮，则混合动力系统实现衍生挡位F档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得4挡位齿轮G4同步，并且同步器选挂4挡位齿轮，则混合动力系统实现衍生挡位G档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得2挡位齿轮G2同步，并且同步器选挂2挡位齿轮，则混合动力系统实现衍生挡位H档。
当同步器选挂5挡位齿轮时，混合动力系统可以实现衍生挡位I档、J档、和K档，这时第一离合器4要处于分离状态。调整电动机转速，使之等于或接近于零，即可实现衍生挡位I档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得6挡位齿轮G6同步，并且同步器选挂6挡位齿轮，混合动力系统实现衍生挡位J档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得4挡位齿轮G4同步，并且同步器选挂4挡位齿轮，混合动力系统实现衍生挡位K档。
当同步器选挂7挡位齿轮时，混合动力系统实现衍生挡位L档和M档；这时第一离合器4要处于分离状态。调整电动机转速，使之等于或接近于零，即可实现衍生挡位L档；调整电动机6和第二输入轴8的转速，使得6挡位齿轮G6同步，并且同步器选挂6挡位齿轮，则混合动力系统实现衍生挡位M档。
如图2所示，上述的用于车辆的混合动力系统，其还包括有单向离合器3，单向离合器一端与发动机1的动力输出轴2连接，另一端与混合动力模块的壳体连接，单向离合器作用是允许发动机的动力输出轴2正向转动，限制其反向转动。
采用了单向离合器3的混合动力系统，在纯电模式驱动时，能够挂奇数挡位。混合动力系统可以挂1档、获得更大的速比，再加上行星轮的扭矩放大作用，纯电驱动的起步加速能力提高。
在纯电模式驱动时，当驾驶员踩制动、挂D档时，混合动力系统控制第一离合器4分离，偶数挡位分离，同步器挂奇数挡位1；当驾驶员松制动、踩油门时，电动机6输出正向扭矩，作用在太阳轮S上，该扭矩通过行星轮，作用在齿圈R上，使其产生倒转的趋势；但是，单向离合器3施加约束反力矩在齿圈R的转动轴上，阻止其反转，使行星架C受到正向扭矩的作用，将电动机的扭矩放大后，传递到第一输入轴7上，通过1挡位齿轮G1传递到车轮上，驱动车辆前进。当车辆速度提高，为避免电动机转速过快，需要换档，混合动力系统控制作如下动作：电动机扭矩降低为零；退出1档；电动机调速，使3挡位齿轮G3同步，同步器挂3档；电动机恢复输出扭矩，完成换档。采用同样的方法，可以实现由3档到5档，以及由5档7档的切换。
由于行星轮对电动机扭矩有将近3倍的放大作用，纯电动起步可以直接设置较高挡位，如3档或5档，减少换档次数。
发动机和电动机混合驱动时，混合动力系统的工作过程与上述的过程完全一样。
混合动力系统中的单向离合器3可以用制动器代替，制动器一端与发动机的动力输出轴连接，另一端与混合动力模块的壳体连接。制动器的功能是：在纯电驱动或能量再生制动时，锁住发动机的动力输出轴2，阻止其反转，并给齿圈R施加约束反力矩；在需要发动机转动时，释放发动机的动力输出轴2，使其能够自由转动。
上述的单向离合器3与制动器也可以均设置在混合动力系统中。
上述的发动机1的动力输出轴2与单向离合器3之间设置有第二离合器。
由于在电动机6输出扭矩的情况下，第二输入轴8上的同步器挂偶数档是有一定难度的，需要相应的齿轮和轴有很高的同步精度；电动机6需要一定的时间完成高精度同步，挂档时间较长，过程平顺性难保障。通过在电动机6的输出轴和第二输入轴8之间设置第三离合器。在需要换档的时候，在第三离合器分离的条件下，同步器可以轻松地预先选挂挡位，然后第三离合器再闭合，可以快速、平顺地完成换档过程。
上述的行星轮系5的行星架C的转动轴与双输入轴变速机构20的第一输入轴7之间设置有第四离合器，在同步器预挂奇数挡位时，使得行星架C的转动轴通过第四离合器快速与第一输入轴连接。
为了缩短设置有双输入轴变速机构20的变速箱的长度，本发明也可以采用双输出轴设计，如图8所示，各个挡位的从动齿轮分布在第一输出轴15a和第二输出轴15b上，分别通过第一齿轮16a和第二16b输出动力。在这样的设计中，一些主动齿轮可以驱动两个挡位的从动齿轮，所以在轴线上的总的齿轮对数减少，轴向长度减小。
同样为了缩短设置有双输入轴变速机构20的变速箱的长度，也可以采用平行双输入轴设计，如图9所示，两个输入轴不在同一轴线上，但相互平行；各个挡位的主动齿轮不是一字排开布置在输入轴上，而是分别布置在两个平行的第一输入轴7和第二输入轴8上，从而缩短轴向长度。
图1、图2、图8、图9中的用于车辆的混合动力系统中，行星轮系与电动机、发动机的连接关系也可更改为：发动机的动力输出轴与行星轮系的太阳轮的转动轴连接，电动机的转子与行星轮系的齿圈的转动轴连接。
如图10、图11、图12所示，本发明用于车辆的混合动力系统的另一种结构，其包括发动机1、混合动力模块10和双输入轴变速机构20，所述混合动力模块10由电动机6、双行星轮系9和第一离合器4组成，双行星轮系包括太阳轮S、双行星轮P、行星轮架C和齿圈R，太阳轮S与双行星轮P相啮合，双行星轮P与齿圈R的内齿相啮合，双行星轮P设在行星轮架C上，太阳轮S、行星轮架C和齿圈R绕各自的转动轴转动，且三个轴心线在一条直线上；发动机1的动力输出轴2与双行星轮系9的行星轮架C的转动轴连接，使发动机的动力能够通过行星轮架C作用在双行星轮系上，电动机6的转子与双行星轮系的太阳轮S的转动轴连接，齿圈R的转动轴与双输入轴变速机构20的第一输入轴7连接，电动机6的转子与双输入轴变速机构20的第二输入轴8连接；第一离合器4布置在太阳轮S、齿圈R和行星架C中任意两个的转动轴之间，用于将行星轮系的三个转动轴锁定在一起，同速转动；所述双输入轴变速机构20由第一输入轴7、第二输入轴8、7对前进挡位齿轮、至少一套倒档齿轮GR和至少一个输出轴15组成，7对前进挡位齿轮分别是挡位齿轮G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7，一套倒档齿轮GR中的两个齿轮之间设有转向齿轮，第一输入轴7上设有奇数挡位主动齿轮、倒档主动齿轮，第二输入轴8上设有偶数挡位主动齿轮，输出轴15上布置各个挡位的从动齿轮，上述各挡位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；上述的每一对齿轮中的一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接；同步器挂挡时，该齿轮与相应的轴连接，同速转动；同步器摘挡时，该齿轮与相应的轴分离，能够以不同速度转动。
双行星轮系各转动轴的运动学关系如图13所示。
此混合动力系统和前述的混合动力系统一样能够实现全部固有挡位和多个衍生挡位。
上述的用于车辆的混合动力系统，其还包括有单向离合器3或/和制动器，单向离合器或/和制动器一端与发动机的动力输出轴连接，另一端与混合动力模块的壳体连接。单向离合器或/和单向离合器作用是允许发动机的动力输出轴2正向转动，限制其反向转动；制动器的功能是：在纯电驱动或能量再生制动时，锁住发动机的动力输出轴2，阻止其反转，并给行星轮架C施加约束反力矩；在需要发动机转动时，释放发动机的动力输出轴2，使其能够自由转动。
由于在电动机6输出扭矩的情况下，第二输入轴8上的同步器挂偶数档是有一定难度的，需要相应的齿轮和轴有很高的同步精度；电动机6需要一定的时间完成高精度同步，挂档时间较长，过程平顺性难保障。通过在电动机6的输出轴和第二输入轴8之间设置第三离合器。在需要换档的时候，在第三离合器分离的条件下，同步器可以轻松地预先选挂挡位，然后第三离合器再闭合，可以快速、平顺地完成换档过程。
上述的双行星轮系5的齿圈R的转动轴与双输入轴变速机构20的第一输入轴7之间设置有第四离合器，在同步器预挂奇数挡位时，使得行星架C的转动轴通过第四离合器快速与第一输入轴连接。
为了缩短设置有双输入轴变速机构20的变速箱的长度，本发明也可以采用如图8所示的双输出轴设计。在这样的设计中，一些主动齿轮可以驱动两个挡位的从动齿轮，所以在轴线上的总的齿轮对数减少，轴向长度减小。
同样为了缩短设置有双输入轴变速机构20的变速箱的长度，也可以采用如图9所示的平行双输入轴设计，两个输入轴不在同一轴线上，但相互平行；各个挡位的主动齿轮不是一字排开布置在输入轴上，而是分别布置在两个平行的第一输入轴7和第二输入轴8上，从而缩短轴向长度。
图10中的用于车辆的混合动力系统中，行星轮系与电动机、发动机的连接关系也可更改为：发动机的动力输出轴与双行星轮系的太阳轮的转动轴连接，电动机的转子与双行星轮系的行星轮架的转动轴连接。
本发明的用于车辆的混合动力系统，其双输入轴变速机构中，第一输入轴上设有奇数挡位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数挡位主动齿轮；也可替换为：第一输入轴上设有偶数挡位主动齿轮，第二输入轴上设有奇数挡位主动齿轮。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于车辆的混合动力系统，其特征是：其包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，所述混合动力模块由电动机、行星轮系和第一离合器组成，发动机的动力输出轴与行星轮系的齿圈的转动轴连接且电动机的转子与行星轮系的太阳轮的转动轴连接、或发动机的动力输出轴与行星轮系的太阳轮的转动轴连接且电动机的转子与行星轮系的齿圈的转动轴连接，行星轮系的行星架的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴连接，电动机的转子与双输入轴变速机构的第二输入轴连接，第一离合器布置在太阳轮、齿圈和行星架中任意两个的转动轴之间；所述双输入轴变速机构由第一输入轴、第二输入轴、若干对前进挡位齿轮、至少一套倒档齿轮和至少一个输出轴组成，第一输入轴上设有奇数挡位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数挡位主动齿轮，输出轴上布置各个挡位的从动齿轮，上述各挡位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；每一个挡位中有一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接。
2.根据权利要求1所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其行星轮系的行星架的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴之间设置有第四离合器。
3.一种用于车辆的混合动力系统，其特征是：其包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，所述混合动力模块由电动机、双行星轮系和第一离合器组成，发动机的动力输出轴与双行星轮系的行星轮架的转动轴连接且电动机的转子与双行星轮系的太阳轮的转动轴连接、或发动机的动力输出轴与双行星轮系的太阳轮的转动轴连接且电动机的转子与双行星轮系的行星轮架的转动轴连接，齿圈的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴连接，电动机的转子与双输入轴变速机构的第二输入轴连接，第一离合器布置在太阳轮、齿圈和行星架中任意两个的转动轴之间；所述双输入轴变速机构由第一输入轴、第二输入轴、若干对前进挡位齿轮、至少一套倒档齿轮和至少一个输出轴组成，第一输入轴上设有奇数挡位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数挡位主动齿轮，输出轴上布置各个挡位的从动齿轮，上述各挡位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；每一个挡位中有一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接。
4.根据权利要求3所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其双行星轮系的齿圈的转动轴与双输入轴变速机构的第一输入轴之间设置有第四离合器。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其还包括有单向离合器或/和制动器，单向离合器或/和制动器一端与发动机的动力输出轴连接，另一端与混合动力模块的壳体连接。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其电动机的转子与双输入轴变速机构的第二输入轴之间设置有第三离合器。
7.根据权利要求6所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其还包括有单向离合器或/和制动器，单向离合器或/和制动器一端与发动机的动力输出轴连接，另一端与混合动力模块的壳体连接。
8.根据权利要求1、2、3、4或7所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其将第一离合器闭合，并且同步器每次仅挂一个挡位，能够实现所有的固定挡位；将第一离合器分离，并且同步器每次选挂一个奇数挡位和一个偶数挡位，能够实现多个衍生挡位。
9.根据权利要求5所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其将第一离合器闭合，并且同步器每次仅挂一个挡位，能够实现所有的固定挡位；将第一离合器分离，并且同步器每次选挂一个奇数挡位和一个偶数挡位，能够实现多个衍生挡位。
10.根据权利要求6所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其将第一离合器闭合，并且同步器每次仅挂一个挡位，能够实现所有的固定挡位；将第一离合器分离，并且同步器每次选挂一个奇数挡位和一个偶数挡位，能够实现多个衍生挡位。
11.根据权利要求7所述的用于车辆的混合动力系统，其特征是：其将第一离合器闭合，并且同步器每次仅挂一个挡位，能够实现所有的固定挡位；将第一离合器分离，并且同步器每次选挂一个奇数挡位和一个偶数挡位，能够实现多个衍生挡位。
12.一种用于车辆的混合动力系统的换挡控制方法，其通过控制器控制实现；其特征是：其包括以下步骤：
控制器判断混合动力系统的当前状态处于奇数挡位i或偶数挡位j；若为奇数挡位i，进行奇数挡位i换档；若为偶数挡位j，进行偶数挡位j换档；
（1）、奇数挡位i换档
步骤1、控制电动机进入转速控制环；将第一离合器分离；
步骤2、控制电动机调速，使双输入轴变速机构的第二输入轴与i+1挡位（或i-1挡位）齿轮同步；
步骤3、控制同步器挂i+1挡位（或i-1挡位），然后电动机通过该挡位齿轮驱动车轮；
步骤4、控制发动机降低扭矩，同时控制电动机增扭予以补偿；控制同步器摘掉i档；
步骤5、控制第一离合器闭合，将发动机的动力输出轴和电动机锁定在一起，同速转动；
步骤6、控制发动机恢复输出扭矩，完成升挡（或降挡）；
（2）、偶数挡位j换档
步骤7、控制发动机降低扭矩，同时电动机增扭补偿，并通过j档齿轮继续驱动；
步骤8、控制第一离合器分离，使发动机的动力输出轴和电动机差速转动；
步骤9、控制发动机的动力输出轴降低（或提高）转速，带动双输入轴变速机构的第一输入轴与j+1档（或j-1挡）齿轮同步；
步骤10、控制同步器选挂j+1档（或j-1挡）；
步骤11、控制离合器闭合；发动机恢复输出扭矩，同时调整电动机扭矩，完成升挡（或降挡）。
13.一种车辆，其特征是：其包括如权利要求1～11中任一权利要求所述的混合动力系统。
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