CN107379957A - 一种混合动力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合动力系统及其控制方法；包括第一电机、第二电机、电池组、第一行星排、第二行星排、第一齿轮副、第二齿轮副、第一输入轴、第二输入轴、第三输入轴、第一啮合套和第二啮合套等。通过有序地连接及控制第一啮合套和第二啮合套的结合与退出，具有多种工作模式，包括纯电动驱动模式、两个并联驱动模式、混联驱动模式和能量回收模式，克服了纯转矩耦合方式下发动机工作效率较低、纯转速耦合方式下动力性不足的缺点，在保证燃油经济性的同时兼顾动力性。本系统采用结构较为简单的啮合套，与采用摩擦离合器相比，混合动力系统的整体结构更为紧凑，同时可以避免摩擦离合器带来的滑摩能量损失，有利于提高系统整体效率。

Description

一种混合动力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及机动车辆的混合动力传动技术领域，尤其涉及一种混合动力系统及其控制方法。
背景技术
混合动力系统是指两个及两个以上动力源，通过动力耦合装置实现单独或者共同驱动车辆的系统。根据动力源的耦合方式，混合动力系统可分为串联式、并联式和混联式。串联式混合动力系统虽然结构简单，但能量转换环节较多，整体效率较低，一般用于增程式电动汽车中。并联式混合动力系统中，发动机与车轮存在耦合关系，受制于车轮的转速，发动机经常工作在最佳油耗转速区间之外。混联式混合动力系统兼备串联式和并联式的优点，控制策略灵活，整体效率较高，被广泛应用到混合动力汽车当中。丰田Prius是混联式混合动力汽车的典型，其混合动力系统包括发动机、双电机以及单级行星排等部件，通过调节电机的转速和转矩可使发动机一直工作在高效率区域，从而提高燃油经济性。
虽然Prius的混联式结构燃油经济性较好，但是受限于行星排动力学特性，三个元件的输出转矩成固定比例，无法提供较大的增距效果。另外，发动机的最高效率一般体现在高速工况，由于Prius的混联式结构无法让发动机直接驱动车轮，因此发动机在高速工况下的燃油经济性仍有改善空间。为此，有必要提出一种新的混合动力系统，以解决或改善以上技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种混合动力系统及其控制方法。
本发明通过下述技术方案实现：
方案一：
一种混合动力系统，包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、第一行星排501、第二行星排502、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、第一啮合套801以及第二啮合套802；
发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；
第二行星排502的太阳轮连接至第一电机200，第二行星排502的行星架与第一行星排501的太阳轮相连并连接至发动机100，第二行星排502的齿圈与第一行星排501的行星架相连；
第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与第二行星排502的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；
第一啮合套801连接第一行星排501的齿圈与壳体，第二啮合套802连接第二行星排502的太阳轮与行星架；电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
1)起步工况运行步骤
车辆在中小载荷下起步时，电池组400向第二电机300供电，第二电机300输出功率经第一齿轮副601传递到输出轴704，混合动力系统工作于纯电动驱动模式；
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机100，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机300的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704，此时混合动力系统工作于混联驱动模式；
2)低速工况运行步骤
车辆起步完成后，当车速增加到12km/h，此时第二齿轮副602的主动齿轮的转速为400rpm时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第一行星排501的齿圈转速等于零时，结合第一啮合套801，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一。在并联驱动模式一中，发动机100和第一电机200均与输出轴704存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机100、第一电机200和第二电机300可单独或者组合驱动车辆；
设第一行星排501的太阳轮转速为ns1，第一行星排501的行星架转速为nj1，第一行星排501的齿圈转速为nr1，第二行星排502的太阳轮转速为ns2，第二行星排502的行星架转速为nj2，第二行星排502的齿圈转速为nr2，则由行星排的转速关系有
当第二齿轮副602的主动齿轮的转速为400rpm时，需要将第一行星排501的齿圈转速调整至零，则此时发动机100的转速为1200rpm，第一电机200的转速为3280rpm。
3)中速工况运行步骤
当车速增加到27km/h，此时第二齿轮副602的主动齿轮的转速为900rpm时，由公式(1)可知，发动机100的转速为2700rpm，第一电机200的转速为7380rpm，此时退出第一啮合套801，第一行星排501由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式；
在混联驱动模式中，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704；
4)高速工况运行步骤
当车速增加到90km/h，此时第二齿轮副602的主动齿轮的转速为3000rpm时，调整发动机100和第一电机200的转速至3000rpm，此时第二行星排502的太阳轮与行星架的转速相等，结合第二啮合套802，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二；
在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排502的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机100相当于以直接档的形式连接至动力输出轴；
高速工况下发动机100以直接档的形式驱动车辆，发动机100工作于高效率区间，有利于提高发动机的燃油经济性；
若车辆的功率需求大于发动机100的最大功率，第一电机200和第二电机300可辅助发动机100来驱动车辆；当发动机100的转速达到最高转速6000rpm时，车辆可达到最高车速180km/h；
5)减速或制动工况运行步骤
当车辆减速或制动时，第二电机300转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组400充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
方案二：
一种混合动力系统，包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、第一行星排501、第二行星排502、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、摩擦制动器800以及摩擦离合器900；
发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；
第二行星排502的太阳轮连接至第一电机200，第二行星排502的行星架与第一行星排501的太阳轮相连并连接至发动机100，第二行星排502的齿圈与第一行星排501的行星架相连；
第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与第二行星排502的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；
摩擦制动器800连接第一行星排501的齿圈与壳体，摩擦离合器900连接第二行星排502的太阳轮与行星架；电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
1)起步工况运行步骤
车辆在中小载荷下起步时，电池组400向第二电机300供电，第二电机300输出功率经第一齿轮副601传递到输出轴704，混合动力系统工作于纯电动驱动模式；
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机100，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机300的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704，此时混合动力系统工作于混联驱动模式；
2)低速工况运行步骤
车辆起步完成后，当车速增加到某一门限值v1时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第一行星排501的齿圈转速趋近于零时，结合摩擦制动器800，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一；
在并联驱动模式一中，发动机100和第一电机200均与输出轴704存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机100、第一电机200和第二电机300可单独或者组合驱动车辆；
3)中速工况运行步骤
当车速增加到门限值v2时，将摩擦制动器800松开，第一行星排501由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式；
在混联驱动模式中，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704。通过调整第一电机200的转速，可使发动机100一直工作于最佳燃油经济转速区间；
4)高速工况运行步骤
当车速增加到门限值v3时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第二行星排502的太阳轮与行星架的转速接近时，结合摩擦离合器900，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二；
在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排502的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机100相当于以直接档的形式连接至动力输出轴；
5)减速或制动工况运行步骤
当车辆减速或制动时，第二电机300转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组400充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
方案三：
一种混合动力系统，包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、第一行星排501、第二行星排502、第三行星排503、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、第一啮合套801、第二啮合套802以及第三啮合套803；
发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；
第二行星排502的太阳轮连接至第一电机200，第二行星排502的行星架与第一行星排501的太阳轮相连并连接至发动机100，第二行星排502的齿圈与第一行星排501的行星架相连；
第三行星排503的太阳轮与第一行星排501的齿圈相连，第三行星排503的行星架与发动机100相连；
第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与第二行星排502的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；
第一啮合套801连接第一行星排501的齿圈与壳体，第二啮合套802连接第二行星排502的太阳轮与行星架，第三啮合套803连接第三行星排503的齿圈与壳体；
电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
1)起步工况运行步骤
车辆在中小载荷下起步时，电池组400向第二电机300供电，第二电机300输出功率经第一齿轮副601传递到输出轴704，混合动力系统工作于纯电动驱动模式；
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机100，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机300的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704，此时混合动力系统工作于混联驱动模式；
2)低速工况运行步骤
车辆起步完成后，当车速增加到门限值v1时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第一行星排501的齿圈转速等于零时，结合第一啮合套801，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一；
在并联驱动模式一中，发动机100和第一电机200均与输出轴704存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机100、第一电机200和第二电机300可单独或者组合驱动车辆；
3)中速工况运行步骤
当车速增加到门限值v2时，退出第一啮合套801，第一行星排501由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式；
在混联驱动模式中，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704；
通过调整第一电机200的转速，可使发动机100一直工作于最佳燃油经济转速区间。
4)高速工况运行步骤
当车速增加到门限值v3时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第二行星排502的太阳轮与行星架的转速相等，结合第二啮合套802，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二；
在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排502的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机100相当于以直接档的形式连接至动力输出轴；
若车辆的功率需求大于发动机100的最大功率，第一电机200和第二电机300可辅助发动机100来驱动车辆；
在高速工况下，当车速增加到门限值v4时，先退出第二啮合套802，然后调整发动机100和第一电机200的转速，当第三行星排803的齿圈的转速等于零时，结合第三啮合套803，混合动力系统由并联驱动模式二切换到并联驱动模式三；
此时，发动机100工作在超速挡，有利于提高发动机的燃油经济性；若车辆的功率需求大于发动机100的最大功率，第一电机200和第二电机300可辅助发动机100来驱动车辆；
5)减速或制动工况运行步骤
当车辆减速或制动时，第二电机300转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组400充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
方案四：
一种混合动力系统，包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、行星排550、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、啮合套880以及多级减速器990；
发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；
行星排550的太阳轮连接至第一电机200，行星排550的行星架连接至发动机100；
第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与行星排550的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；
啮合套800连接行星排550的太阳轮与行星架；
多级减速器900连接第一输入轴701和输出轴704；
电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
与现有技术相比，本发明无摩擦离合器，使得系统的结构更为紧凑，同时可以避免由于使用摩擦离合器造成的滑膜能量损失，有利于提高系统的整体效率；本发明具有多种工作模式，包括纯电动驱动模式、并联驱动模式一、并联驱动模式二、混联驱动模式和能量回收模式，克服了传统纯转矩耦合方式下发动机工作效率较低、纯转速耦合方式下动力学不足的缺点，在保证燃油经济性的同时兼顾动力性。
附图说明
图1为本发明方案一的示意图。
图2为本发明方案二的示意图。
图3为本发明方案三的示意图。
图4为本发明方案四的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1所示，混合动力系统包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、第一行星排501、第二行星排502、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、第一啮合套801以及第二啮合套802。
发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；第二行星排502的太阳轮连接至第一电机200，第二行星排502的行星架与第一行星排501的太阳轮相连并连接至发动机100，第二行星排502的齿圈与第一行星排501的行星架相连；第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与第二行星排502的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；第一啮合套801连接第一行星排501的齿圈与壳体，第二啮合套802连接第二行星排502的太阳轮与行星架；电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
根据车辆行驶工况的不同，混合动力系统可选择地工作于纯电动驱动模式、并联驱动模式一、并联驱动模式二、混联驱动模式和能量回收模式。假设第一行星排501的特性参数K为2、第二行星排502的特性参数K为2.6、发动机100的转速范围为1000～6000rpm，并且假定车速每增加3km/h，第二齿轮副602的主动齿轮的转速增加100rpm。下面将通过具体数据进一步阐明混合动力系统的工作模式。
1)起步工况
车辆在中小载荷下起步时，电池组400向第二电机300供电，第二电机300输出功率经第一齿轮副601传递到输出轴704，混合动力系统工作于纯电动驱动模式。
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机100，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机300的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704，此时混合动力系统工作于混联驱动模式。根据车辆的功率需求，电池组400可选地向第二电机300供电。
2)低速工况
车辆起步完成后，当车速增加到12km/h(此时第二齿轮副602的主动齿轮的转速为400rpm)时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第一行星排501的齿圈转速等于零时，结合第一啮合套801，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一。在并联驱动模式一中，发动机100和第一电机200均与输出轴704存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机100、第一电机200和第二电机300可单独或者组合驱动车辆。
设第一行星排501的太阳轮转速为ns1，第一行星排501的行星架转速为nj1，第一行星排501的齿圈转速为nr1，第二行星排502的太阳轮转速为ns2，第二行星排502的行星架转速为nj2，第二行星排502的齿圈转速为nr2，则由行星排的转速关系有
当第二齿轮副602的主动齿轮的转速为400rpm时，需要将第一行星排501的齿圈转速调整至零，则此时发动机100的转速为1200rpm，第一电机200的转速为3280rpm。
3)中速工况
当车速增加到27km/h(此时第二齿轮副602的主动齿轮的转速为900rpm)时，由公式(1)可知，发动机100的转速为2700rpm，第一电机200的转速为7380rpm，此时退出第一啮合套801，第一行星排501由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式。在混联驱动模式中，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704。通过调整第一电机200的转速，可以使发动机100一直工作于最佳燃油经济转速区间。根据车辆的功率需求，电池组400可选地向第二电机300供电。当电池组400电量过低且车辆载荷较小时，经第一电机200产生的电能直接向电池组400充电，第二电机300不输出功率，车辆需求的驱动功率由发动机100提供。
4)高速工况
当车速增加到90km/h(此时第二齿轮副602的主动齿轮的转速为3000rpm)时，调整发动机100和第一电机200的转速至3000rpm，此时第二行星排502的太阳轮与行星架的转速相等，结合第二啮合套802，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二。在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排502的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机100相当于以直接档的形式连接至动力输出轴。高速工况下发动机100以直接档的形式驱动车辆，发动机100工作于高效率区间，有利于提高发动机的燃油经济性。若车辆的功率需求大于发动机100的最大功率，第一电机200和第二电机300可辅助发动机100来驱动车辆。当发动机100的转速达到最高转速6000rpm时，车辆可达到最高车速180km/h。
5)减速或制动工况
当车辆减速或制动时，第二电机300转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组400充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
需要指出的是，以上在合理假设范围之内的行星排特性参数、转速和车速等数据仅仅是为了说明混合动力系统工作模式，并不是对本发明的控制策略的限定。在实际应用中，可根据需求调整各个参数。
如图2所示，混合动力系统包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、第一行星排501、第二行星排502、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、摩擦制动器800以及摩擦离合器900。
发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；第二行星排502的太阳轮连接至第一电机200，第二行星排502的行星架与第一行星排501的太阳轮相连并连接至发动机100，第二行星排502的齿圈与第一行星排501的行星架相连；第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与第二行星排502的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；摩擦制动器800连接第一行星排501的齿圈与壳体，摩擦离合器900连接第二行星排502的太阳轮与行星架；电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
根据车辆行驶工况的不同，混合动力系统可选择地工作于纯电动驱动模式、并联驱动模式一、并联驱动模式二、混联驱动模式和能量回收模式。
1)起步工况
车辆在中小载荷下起步时，电池组400向第二电机300供电，第二电机300输出功率经第一齿轮副601传递到输出轴704，混合动力系统工作于纯电动驱动模式。
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机100，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机300的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704，此时混合动力系统工作于混联驱动模式。根据车辆的功率需求，电池组400可选地向第二电机300供电。
2)低速工况
车辆起步完成后，当车速增加到某一门限值v1时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第一行星排501的齿圈转速趋近于零时，结合摩擦制动器800，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一。在并联驱动模式一中，发动机100和第一电机200均与输出轴704存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机100、第一电机200和第二电机300可单独或者组合驱动车辆。
3)中速工况
当车速增加到门限值v2时，将摩擦制动器800松开，第一行星排501由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式。在混联驱动模式中，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704。通过调整第一电机200的转速，可以使发动机100一直工作于最佳燃油经济转速区间。根据车辆的功率需求，电池组400可选地向第二电机300供电。当电池组400电量过低且车辆载荷较小时，经第一电机200产生的电能直接向电池组400充电，第二电机300不输出功率，车辆需求的驱动功率由发动机100提供。
4)高速工况
当车速增加到门限值v3时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第二行星排502的太阳轮与行星架的转速接近时，结合摩擦离合器900，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二。在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排502的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机100相当于以直接档的形式连接至动力输出轴。高速工况下发动机100以直接档的形式驱动车辆，发动机100工作于高效率区间，有利于提高发动机的燃油经济性。若车辆的功率需求大于发动机100的最大功率，第一电机200和第二电机300可辅助发动机100来驱动车辆。
5)减速或制动工况
当车辆减速或制动时，第二电机300转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组400充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
与实施例1相比，本实施例使用摩擦制动器800和摩擦离合器900分别替代了第一啮合套和第二啮合套，虽然会增加混合动力系统的体积，但是具有接合平稳、冲击小等优点，并且降低了系统的控制难度。
如图3所示，混合动力系统包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、第一行星排501、第二行星排502、第三行星排503、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、第一啮合套801、第二啮合套802以及第三啮合套803。
如图3所示，发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；第二行星排502的太阳轮连接至第一电机200，第二行星排502的行星架与第一行星排501的太阳轮相连并连接至发动机100，第二行星排502的齿圈与第一行星排501的行星架相连；第三行星排503的太阳轮与第一行星排501的齿圈相连，第三行星排503的行星架与发动机100相连；第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与第二行星排502的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；第一啮合套801连接第一行星排501的齿圈与壳体，第二啮合套802连接第二行星排502的太阳轮与行星架，第三啮合套803连接第三行星排503的齿圈与壳体；电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
根据车辆行驶工况的不同，混合动力系统可选择地工作于纯电动驱动模式、并联驱动模式一、并联驱动模式二、并联驱动模式三、混联驱动模式和能量回收模式。
1)起步工况
车辆在中小载荷下起步时，电池组400向第二电机300供电，第二电机300输出功率经第一齿轮副601传递到输出轴704，混合动力系统工作于纯电动驱动模式。
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机100，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机300的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704，此时混合动力系统工作于混联驱动模式。根据车辆的功率需求，电池组400可选地向第二电机300供电。
2)低速工况
车辆起步完成后，当车速增加到门限值v1时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第一行星排501的齿圈转速等于零时，结合第一啮合套801，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一。在并联驱动模式一中，发动机100和第一电机200均与输出轴704存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机100、第一电机200和第二电机300可单独或者组合驱动车辆。
3)中速工况
当车速增加到门限值v2时，退出第一啮合套801，第一行星排501由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式。在混联驱动模式中，发动机100输出功率经过第二行星排502分流，一部分通过第二齿轮副602传递到输出轴704，剩余部分经由第一电机200转化为电能直接供给第二电机300，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副601传递到输出轴704。通过调整第一电机200的转速，可以使发动机100一直工作于最佳燃油经济转速区间。根据车辆的功率需求，电池组400可选地向第二电机300供电。当电池组400电量过低且车辆载荷较小时，经第一电机200产生的电能直接向电池组400充电，第二电机300不输出功率，车辆需求的驱动功率由发动机100提供。
4)高速工况
当车速增加到门限值v3时，调整发动机100和第一电机200的转速，当第二行星排502的太阳轮与行星架的转速相等，结合第二啮合套802，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二。在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排502的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机100相当于以直接档的形式连接至动力输出轴。若车辆的功率需求大于发动机100的最大功率，第一电机200和第二电机300可辅助发动机100来驱动车辆。
在高速工况下，当车速增加到门限值v4时，先退出第二啮合套802，然后调整发动机100和第一电机200的转速，当第三行星排803的齿圈的转速等于零时，结合第三啮合套803，混合动力系统由并联驱动模式二切换到并联驱动模式三。此时，发动机100工作在超速挡，有利于提高发动机的燃油经济性。若车辆的功率需求大于发动机100的最大功率，第一电机200和第二电机300可辅助发动机100来驱动车辆。
5)减速或制动工况
当车辆减速或制动时，第二电机300转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组400充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
如图4所示，混合动力系统包括发动机100、第一电机200、第二电机300、电池组400、行星排500、第一齿轮副601、第二齿轮副602、第一输入轴701、第二输入轴702、第三输入轴703、输出轴704、啮合套880以及多级减速器990。
发动机100与第一输入轴701相连，第一电机200与第二输入轴702相连，第二电机300与第三输入轴703相连；行星排550的太阳轮连接至第一电机200，行星排550的行星架连接至发动机100；第一齿轮副601的主动齿轮与第二电机300相连，第一齿轮副601的被动齿轮与输出轴704相连，第二齿轮副602的主动齿轮与行星排500的齿圈相连，第二齿轮副602的被动齿轮与输出轴704相连；啮合套880连接行星排550的太阳轮与行星架；多级减速器990连接第一输入轴701和输出轴704；电池组400、第一电机200和第二电机300互相之间电气相连。
通过在第一输入轴701和输出轴704处增加多级减速器990，混合动力系统具有更多的输出速比，有利于在保持燃油经济性的同时增强系统的动力性。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混合动力系统，其特征在于：包括发动机(100)、第一电机(200)、第二电机(300)、电池组(400)、第一行星排(501)、第二行星排(502)、第一齿轮副(601)、第二齿轮副(602)、第一输入轴(701)、第二输入轴(702)、第三输入轴(703)、输出轴(704)、第一啮合套(801)以及第二啮合套(802)；
发动机(100)与第一输入轴(701)相连，第一电机(200)与第二输入轴(702)相连，第二电机(300)与第三输入轴(703)相连；
第二行星排(502)的太阳轮连接至第一电机(200)，第二行星排(502)的行星架与第一行星排(501)的太阳轮相连并连接至发动机(100)，第二行星排(502)的齿圈与第一行星排(501)的行星架相连；
第一齿轮副(601)的主动齿轮与第二电机(300)相连，第一齿轮副(601)的被动齿轮与输出轴(704)相连，第二齿轮副(602)的主动齿轮与第二行星排(502)的齿圈相连，第二齿轮副(602)的被动齿轮与输出轴(704)相连；
第一啮合套(801)连接第一行星排(501)的齿圈与壳体，第二啮合套(802)连接第二行星排(502)的太阳轮与行星架；电池组(400)、第一电机(200)和第二电机(300)互相之间电气相连。
2.权利要求1所述混合动力系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
1)起步工况运行步骤
车辆在中小载荷下起步时，电池组(400)向第二电机(300)供电，第二电机(300)输出功率经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)，混合动力系统工作于纯电动驱动模式；
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机(100)，发动机(100)输出功率经过第二行星排(502)分流，一部分通过第二齿轮副(602)传递到输出轴(704)，剩余部分经由第一电机(200)转化为电能直接供给第二电机(300)，第二电机(300)的输出功率再经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)，此时混合动力系统工作于混联驱动模式；
2)低速工况运行步骤
车辆起步完成后，当车速增加到12km/h，此时第二齿轮副(602)的主动齿轮的转速为400rpm时，调整发动机(100)和第一电机(200)的转速，当第一行星排(501)的齿圈转速等于零时，结合第一啮合套(801)，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一；
在并联驱动模式一中，发动机(100)和第一电机(200)均与输出轴(704)存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机(100)、第一电机(200)和第二电机(300)可单独或者组合驱动车辆；
设第一行星排(501)的太阳轮转速为ns1，第一行星排(501)的行星架转速为nj1，第一行星排(501)的齿圈转速为nr1，第二行星排(502)的太阳轮转速为ns2，第二行星排(502)的行星架转速为nj2，第二行星排(502)的齿圈转速为nr2，则由行星排的转速关系有
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当第二齿轮副(602)的主动齿轮的转速为400rpm时，需要将第一行星排(501)的齿圈转速调整至零，则此时发动机(100)的转速为1200rpm，第一电机(200)的转速为3280rpm；
3)中速工况运行步骤
当车速增加到27km/h，此时第二齿轮副(602)的主动齿轮的转速为900rpm时，由公式(1)可知，发动机(100)的转速为2700rpm，第一电机(200)的转速为7380rpm，此时退出第一啮合套(801)，第一行星排(501)由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式；
在混联驱动模式中，发动机(100)输出功率经过第二行星排(502)分流，一部分通过第二齿轮副(602)传递到输出轴(704)，剩余部分经由第一电机(200)转化为电能直接供给第二电机(300)，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)；
4)高速工况运行步骤
当车速增加到90km/h，此时第二齿轮副(602)的主动齿轮的转速为3000rpm时，调整发动机(100)和第一电机(200)的转速至3000rpm，此时第二行星排(502)的太阳轮与行星架的转速相等，结合第二啮合套(802)，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二；
在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排(502)的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机(100)相当于以直接档的形式连接至动力输出轴；
高速工况下发动机(100)以直接档的形式驱动车辆，发动机(100)工作于高效率区间，有利于提高发动机的燃油经济性；
若车辆的功率需求大于发动机(100)的最大功率，第一电机(200)和第二电机(300)可辅助发动机(100)来驱动车辆；当发动机(100)的转速达到最高转速6000rpm时，车辆可达到最高车速180km/h；
5)减速或制动工况运行步骤
当车辆减速或制动时，第二电机(300)转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组(400)充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
3.一种混合动力系统，其特征在于：包括发动机(100)、第一电机(200)、第二电机(300)、电池组(400)、第一行星排(501)、第二行星排(502)、第一齿轮副(601)、第二齿轮副(602)、第一输入轴(701)、第二输入轴(702)、第三输入轴(703)、输出轴(704)、摩擦制动器(800)以及摩擦离合器(900)；
发动机(100)与第一输入轴(701)相连，第一电机(200)与第二输入轴(702)相连，第二电机(300)与第三输入轴(703)相连；
第二行星排(502)的太阳轮连接至第一电机(200)，第二行星排(502)的行星架与第一行星排(501)的太阳轮相连并连接至发动机(100)，第二行星排(502)的齿圈与第一行星排(501)的行星架相连；
第一齿轮副(601)的主动齿轮与第二电机(300)相连，第一齿轮副(601)的被动齿轮与输出轴(704)相连，第二齿轮副(602)的主动齿轮与第二行星排(502)的齿圈相连，第二齿轮副(602)的被动齿轮与输出轴(704)相连；
摩擦制动器(800)连接第一行星排(501)的齿圈与壳体，摩擦离合器(900)连接第二行星排(502)的太阳轮与行星架；电池组(400)、第一电机(200)和第二电机(300)互相之间电气相连。
4.权利要求3所述混合动力系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
1)起步工况运行步骤
车辆在中小载荷下起步时，电池组(400)向第二电机(300)供电，第二电机(300)输出功率经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)，混合动力系统工作于纯电动驱动模式；
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机(100)，发动机(100)输出功率经过第二行星排(502)分流，一部分通过第二齿轮副(602)传递到输出轴(704)，剩余部分经由第一电机(200)转化为电能直接供给第二电机(300)，第二电机(300)的输出功率再经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)，此时混合动力系统工作于混联驱动模式；
2)低速工况运行步骤
车辆起步完成后，当车速增加到某一门限值v1时，调整发动机(100)和第一电机(200)的转速，当第一行星排(501)的齿圈转速趋近于零时，结合摩擦制动器(800)，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一；
在并联驱动模式一中，发动机(100)和第一电机(200)均与输出轴(704)存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机(100)、第一电机(200)和第二电机(300)可单独或者组合驱动车辆；
3)中速工况运行步骤
当车速增加到门限值v2时，将摩擦制动器(800)松开，第一行星排(501)由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式；
在混联驱动模式中，发动机(100)输出功率经过第二行星排(502)分流，一部分通过第二齿轮副(602)传递到输出轴(704)，剩余部分经由第一电机(200)转化为电能直接供给第二电机(300)，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)；
通过调整第一电机(200)的转速，可使发动机(100)一直工作于最佳燃油经济转速区间；
4)高速工况运行步骤
当车速增加到门限值v3时，调整发动机(100)和第一电机(200)的转速，当第二行星排(502)的太阳轮与行星架的转速接近时，结合摩擦离合器(900)，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二；
在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排(502)的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机(100)相当于以直接档的形式连接至动力输出轴；
5)减速或制动工况运行步骤
当车辆减速或制动时，第二电机(300)转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组(400)充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
5.一种混合动力系统，其特征在于：包括发动机(100)、第一电机(200)、第二电机(300)、电池组(400)、第一行星排(501)、第二行星排(502)、第三行星排(503)、第一齿轮副(601)、第二齿轮副(602)、第一输入轴(701)、第二输入轴(702)、第三输入轴(703)、输出轴(704)、第一啮合套(801)、第二啮合套(802)以及第三啮合套(803)；
发动机(100)与第一输入轴(701)相连，第一电机(200)与第二输入轴(702)相连，第二电机(300)与第三输入轴(703)相连；
第二行星排(502)的太阳轮连接至第一电机(200)，第二行星排(502)的行星架与第一行星排(501)的太阳轮相连并连接至发动机(100)，第二行星排(502)的齿圈与第一行星排(501)的行星架相连；
第三行星排(503)的太阳轮与第一行星排(501)的齿圈相连，第三行星排(503)的行星架与发动机(100)相连；
第一齿轮副(601)的主动齿轮与第二电机(300)相连，第一齿轮副(601)的被动齿轮与输出轴(704)相连，第二齿轮副(602)的主动齿轮与第二行星排(502)的齿圈相连，第二齿轮副(602)的被动齿轮与输出轴(704)相连；
第一啮合套(801)连接第一行星排(501)的齿圈与壳体，第二啮合套(802)连接第二行星排(502)的太阳轮与行星架，第三啮合套(803)连接第三行星排(503)的齿圈与壳体；
电池组(400)、第一电机(200)和第二电机(300)互相之间电气相连。
6.权利要求5所述混合动力系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
1)起步工况运行步骤
车辆在中小载荷下起步时，电池组(400)向第二电机(300)供电，第二电机(300)输出功率经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)，混合动力系统工作于纯电动驱动模式；
车辆在大载荷下起步时，先启动发动机(100)，发动机(100)输出功率经过第二行星排(502)分流，一部分通过第二齿轮副(602)传递到输出轴(704)，剩余部分经由第一电机(200)转化为电能直接供给第二电机(300)，第二电机(300)的输出功率再经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)，此时混合动力系统工作于混联驱动模式；
2)低速工况运行步骤
车辆起步完成后，当车速增加到门限值v1时，调整发动机(100)和第一电机(200)的转速，当第一行星排(501)的齿圈转速等于零时，结合第一啮合套(801)，混合动力系统由纯电动驱动模式或者混联驱动模式切换到并联驱动模式一；
在并联驱动模式一中，发动机(100)和第一电机(200)均与输出轴(704)存在固定速比关系，根据车辆的功率需求，发动机(100)、第一电机(200)和第二电机(300)可单独或者组合驱动车辆；
3)中速工况运行步骤
当车速增加到门限值v2时，退出第一啮合套(801)，第一行星排(501)由单自由度减速机构恢复为两自由度三元件传动装置，混合动力系统由并联驱动模式一切换到混联驱动模式；
在混联驱动模式中，发动机(100)输出功率经过第二行星排(502)分流，一部分通过第二齿轮副(602)传递到输出轴(704)，剩余部分经由第一电机(200)转化为电能直接供给第二电机(300)，第二电机200的输出功率再经第一齿轮副(601)传递到输出轴(704)；
通过调整第一电机(200)的转速，可使发动机(100)一直工作于最佳燃油经济转速区间；
4)高速工况运行步骤
当车速增加到门限值v3时，调整发动机(100)和第一电机(200)的转速，当第二行星排(502)的太阳轮与行星架的转速相等，结合第二啮合套(802)，混合动力系统由混联驱动模式切换到并联驱动模式二；
在并联驱动模式二中，由行星排的转速关系可知，第二行星排(502)的三个元件具有相同的转速大小，此时发动机(100)相当于以直接档的形式连接至动力输出轴；
若车辆的功率需求大于发动机(100)的最大功率，第一电机(200)和第二电机(300)可辅助发动机(100)来驱动车辆；
在高速工况下，当车速增加到门限值v4时，先退出第二啮合套(802)，然后调整发动机(100)和第一电机(200)的转速，当第三行星排803的齿圈的转速等于零时，结合第三啮合套(803)，混合动力系统由并联驱动模式二切换到并联驱动模式三；
此时，发动机(100)工作在超速挡，有利于提高发动机的燃油经济性；若车辆的功率需求大于发动机(100)的最大功率，第一电机(200)和第二电机(300)可辅助发动机(100)来驱动车辆；
5)减速或制动工况运行步骤
当车辆减速或制动时，第二电机(300)转换为发电机，将制动时的动能转化为电能，向电池组(400)充电，混合动力系统工作于能量回收模式。
7.一种混合动力系统，其特征在于：包括发动机(100)、第一电机(200)、第二电机(300)、电池组(400)、行星排(550)、第一齿轮副(601)、第二齿轮副(602)、第一输入轴(701)、第二输入轴(702)、第三输入轴(703)、输出轴(704)、啮合套(880)以及多级减速器(990)；
发动机(100)与第一输入轴(701)相连，第一电机(200)与第二输入轴(702)相连，第二电机(300)与第三输入轴(703)相连；
行星排(550)的太阳轮连接至第一电机(200)，行星排(550)的行星架连接至发动机(100)；
第一齿轮副(601)的主动齿轮与第二电机(300)相连，第一齿轮副(601)的被动齿轮与输出轴(704)相连，第二齿轮副(602)的主动齿轮与行星排(550)的齿圈相连，第二齿轮副(602)的被动齿轮与输出轴(704)相连；
啮合套(800)连接行星排(550)的太阳轮与行星架；
多级减速器(900)连接第一输入轴(701)和输出轴(704)；
电池组(400)、第一电机(200)和第二电机(300)互相之间电气相连。
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