CN107599821B - 双模六速比混合动力车辆驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模六速比混合动力车辆驱动系统，包括发动机、一号电机、二号电机、前行星排、中行星排、后行星排、一号制动器、二号制动器、一号离合器、二号离合器和三号离合器等，其中中行星排是双行星行星排。通过控制制动器和离合器的切换，该动力系统可以实现纯电动模式、输入式功率分流模式、一号复合式功率分流模式、二号复合式功率分流模式、六个固定速比模式、并联模式、再生制动模式、驻车发电模式。

Description

双模六速比混合动力车辆驱动系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种双模六速比混合动力车辆驱动系统。

背景技术

随着我国汽车保有量的不断增大，汽车在方便人民生活的同时也带来了严重的环境污染问题。同时由于我国石油的来源主要靠进口，随着汽车保有量的不断提高，我国关于能源的对外依存度不断增大，这严重影响我国的国家安全。因此我国大力发展新能源汽车。各大汽车公司积极响应并分别投入大量资金进行新能源汽车的研发。当前因动力电池和燃料电池的一些关键技术尚未突破，纯电动汽车和燃料电池汽车尚不能完全满足人们现阶段的要求。此外因电能在我国的主要来源还是火力发电，若从能源的源头来看，纯电动汽车的能源清洁度和能量利用率将大打折扣。混合动力汽车因其技术不仅能满足人们对汽车性能的需求而且能较大程度提高能量的利用效率并减少汽车尾气的排放而成为现阶段较好的一种动力形式。

混合动力汽车按其动力传递形式可分为：串联式混合动力、并联式混合动力和混联式混合动力。串联式混合动力虽然可使发动机始终工作于最优工作曲线附近，但因其能量的传递过程存在由机械能到电能再到机械的二次转换，所以能量的传递效率较低。并联式混合动力汽车虽然不用进行能量的二次转换，但因其不能将发动机与车轮完全解耦，发动机无法始终工作于最优工作曲线附近，因此其燃油经济性受到限制。混联式混合动力汽车集成了串联式和并联式的优点，其中行星混联式混合动力也称EVT(ElectricalVariable Transmission)混联式混合动力。其因可以将发动机与车轮进行转速和转矩的双解耦，使发动机始终工作于最优工作曲线附近而具有较好的应用前景。

当前通用2MT70构型可实现双模四速比而本发明所述的动力系统可实现双模六速比，其中复合式分流又包括两个复合分流模式。本发明与已有的通用2MT70构型相比可以实现更高的动力传递效率。这将直接导致本发明所述的混合动力系统的经济性和动力性比通用的2MT70构型好。

本发明提出的双模六速比混合动力车辆驱动系统可实现纯电动模式、输入式功率分流模式、复合式功率分流模式、六个固定速比模式、再生制动模式、驻车发电模式。其中输入式功率分流模式和复合式功率分流模式可以使发动机与车轮之间完全解耦。这使发动机能够工作在最优工作曲线附近。六个固定速比的存在可使发动机单独驱动汽车行驶，由于没有电路径功率的损失，系统的动力传递效率将得到提高。再生制动模式的存在可使汽车回收一部分制动能量，这有助于进一步提升汽车的经济性。

发明内容

本发明是为了解决已有行星混动系统动力传递效率低的问题而提出的一种双模六速比混合动力车辆驱动系统。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图1：所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统包括发动机1、前行星排、中行星排、后行星排、一号电机22、二号电机23、一号制动器20、二号制动器24、一号离合器5、二号离合器11、三号离合器12、主动输出轮13、被动输出轮15、主动输入轮2、被动输入轮21、动力输出轴14等；所述的前行星排包括前排行星轮4、前排太阳轮19、前排行星架3、前排齿圈18；所述的中行星排包括中排一号行星轮6、中排二号行星轮7、中排太阳轮17、中后排齿圈8、中后排行星架10；所述的后行星排包括后排行星轮9、后排太阳轮16；所述的主动输入轮2与被动输入轮21为常啮合齿轮；所述的主动输出轮13与被动输出轮15为常啮合齿轮；所述的前排太阳轮19与所述前排行星轮4相啮合，所述的前排行星轮4与所述的前排齿圈18相啮合；所述的中排太阳轮17与所述的中排二号行星轮7相啮合，所述的中排二号行星轮7与所述的中排一号行星轮6相啮合，所述的中排一号行星轮6和所述的中排二号行星轮7空套在中后排行星架10的光轴部分，所述中排一号行星轮6与所述的中后排齿圈8相啮合；所述的后排太阳轮16与所述的后排行星轮9相啮合，所述的后排行星轮9空套在中后排行星架10的光轴部分，所述的后排行星轮9与所述的中后排齿圈8相啮合。

所述的前排太阳轮19与所述的一号电机22的动力输出轴14相连，一号电机22的动力输出轴14为空心；所述的前排齿圈18与所述的二号电机23的动力输出轴14相连，所述的前排齿圈18与所述的中排太阳轮17通过开有花键的轴相连；所述的一号电机22和所述的二号电机23的定子部分固定在车架或承载式车身上。

所述的一号制动器20的主动部分与一号电机22的输出轴相连，被动部分与车架或承载式车身相连。所述的二号制动器24的主动部分与所述的二号电机23的输出轴相连，被动了部分与车架或承载式车身相连。所述的一号离合器5的主动部分与所述的前排行星架3相连，被动部分与所述的中后排齿圈8相连。所述的二号离合器11的主动部分与所述的后排太阳轮16相连，被动部分与所述的动力输出轴14相连。所述的三号离合器12的主动部分与所述的中后排行星架10相连，被动部分与所述的动力输出轴14相连。

根据本发明提供的双模六速比混合动力车辆驱动系统，其中一号电机22、二号电机23、前排太阳轮19、前排齿圈18、前排行星架3、中排太阳轮17、中后排行星架10、中后排齿圈8、后排太阳轮16、一号离合器5、二号离合器11、三号离合器12、主动输出轮13、动力输出轴14的回转轴线共线。

所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统通过一号制动器20、二号制动器24、一号离合器5、二号离合器11和三号离合器12的状态切换可以实现输入式功率分流模式(此时也可由二号电机23单独驱动实现纯电动模式)、两个复合式功率分流模式、驻车发电模式、六个固定速比和再生制动模式。

根据本发明提供的双模六速比混合动力车辆驱动系统，当在输入式功率分流模式时，其中所述的一号电机22用于在不同工况下解耦发动机1和车轮之间的转速，使发动机1的转速独立于车轮的转速，配合二号电机23对发动机1和车轮之间的转矩解耦可使在输入式功率分流模式时发动机1始终工作于最优工作曲线附近。当在复合式功率分流模式时，两个电机的共同作用也可对发动机1与车轮之间进行转速和转矩的双解耦。

本发明与现有技术相比，有益效果如下：

1.本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统通过控制制动器和离合器的不同状态可以实现六个固定速比，其中包括一个速比为1的直接档、两个减速档和三个超速档。固定档的存在可以提高汽车动力系统的动力传递效率。不论汽车动力系统工作于输入式分流或复合式分流模式，电路径都会有功率传递，电路径功率的传递要经过两个电机的发电和耗电，因此电路径功率的传递效率远不如机械路径功率的传递效率。固定速比的存在可在适当的时刻使发动机1单独工作驱动汽车行驶，此时电路径可没有功率传递。

2.本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统通过控制制动器和离合器的不同状态可以实现输入式功率分流和复合式功率分流两种模式，从动力的传递效率分析，其中输入式功率分流适合于低速行驶，复合式功率分流适合于高速行驶。因此当汽车行驶于低速时采用输入式功率分流；当汽车行驶于高速时采用复合式分流模式，两种模式的优点互补可使汽车的动力传力效率得到提高。

3.本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统拥有两个复合式功率分流模式，通过比较两个复合式功率分流模式在不同速比下的传递效率，可在控制策略中根据实时的速比确定选用哪一种复合式功率分流模式使系统动力的传递效率更高。

4.本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统因六个固定速比的存在可增加系统的容错能力。例如当动力电池系统出现故障时，传统的丰田普锐斯系统的车辆将无法行驶，而本发明的动力系统因具有固定速比，仍可使发动机1单独驱动汽车行驶。(需要加装单独的小型启动电机和传统的低压蓄电池)。

5.汽车低速时当扭矩需求不是特别大时可用纯电动行驶，减少发动机1工作于高燃油消耗率区域的时间，且可通过一号电机22拖动发动机1使发动机1的转速提高到怠速转速之后再喷油点火，这可进一步降低汽车的油耗，提升汽车的经济性同时减少尾气排放。

6.本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统当处于输入式功率分流或复合式功率分流模式时可通过两个电机调节发动机1工作于低燃油消耗区附近，这可提高整车的经济性，减少尾气排放。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的结构原理图；

图2为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的杠杆图；

图3为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的纯电动模式时的功率流图；

图4为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的纯电动模式时的杠杆图；

图5为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的输入式功率分流模式时的功率流图；

图6为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的输入式功率分流模式时的杠杆图；

图7为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的一号复合式功率分流模式时的功率流图；

图8为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的一号复合式功率分流模式时的杠杆图；

图9为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的二号复合式功率分流模式时的功率流图；

图10为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的二号复合式功率分流模式时的杠杆图；

图11为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的驻车发电模式时的功率流图；

图12为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的驻车发电模式时的杠杆图；

图13为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的一号减速模式时的杠杆图；

图14为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的二号减速模式时的杠杆图；

图15为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的速比为1模式时的杠杆图；

图16为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的一号增速模式时的杠杆图；

图17为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的二号增速模式时的杠杆图；

图18为本发明所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统的三号增速模式时的杠杆图；

图中：1.发动机，2.主动输入轮，3.前排行星架，4.前排行星轮，5.一号离合器，6.中排一号行星轮，7.中排二号行星轮，8.中后排齿圈，9.后排行星轮，10.中后排行星架，11.二号离合器，12.三号离合器，13.主动输出轮，14.动力输出轴，15.被动输出轮，16.后排太阳轮，17中排太阳轮，18.前排齿圈，19.前排太阳轮，20.一号制动器，21.被动输入轮，22.一号电机，23.二号电机，24.二号制动器。

Z1代表一号制动器20、Z2代表二号制动器24、C1代表一号离合器5、C2代表二号离合器11、C3代表三号离合器12、S代表太阳轮、C代表行星架、R代表齿圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明提供了一种双模六速比混合动力车辆驱动系统，所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统包括发动机1、前行星排、中行星排、后行星排、一号电机22、二号电机23、一号制动器20、二号制动器24、一号离合器5、二号离合器11、三号离合器12、主动输出轮13、被动输出轮15、主动输入轮2、被动输入轮21、动力输出轴14等；所述的前行星排包括前排行星轮4、前排太阳轮19、前排行星架3、前排齿圈18；所述的中行星排包括中排一号行星轮6、中排二号行星轮7、中排太阳轮17、中后排齿圈8、中后排行星架10；所述的后行星排包括后排行星轮9、后排太阳轮16；所述的主动输入轮2与被动输入轮21为常啮合齿轮；所述的主动输出轮13与被动输出轮15为常啮合齿轮；所述的前排太阳轮19与所述前排行星轮4相啮合，所述的前排行星轮4与所述的前排齿圈18相啮合；所述的中排太阳轮17与所述的中排二号行星轮7相啮合，所述的中排二号行星轮7与所述的中排一号行星轮6相啮合，所述的中排一号行星轮6和所述的中排二号行星轮7空套在中后排行星架10的光轴部分，所述中排一号行星轮6与所述的中后排齿圈8相啮合；所述的后排太阳轮16与所述的后排行星轮9相啮合，所述的后排行星轮9空套在中后排行星架10的光轴部分，所述的后排行星轮9与所述的中后排齿圈8相啮合。

参阅图1，所述的前排太阳轮19与所述的一号电机22的动力输出轴14相连，一号电机22的动力输出轴14为空心；所述的前排齿圈18与所述的二号电机23的动力输出轴14相连，所述的前排齿圈18与所述的中排太阳轮17通过开有花键的轴相连；所述的一号电机22和所述的二号电机23的定子部分固定在车架或承载式车身上。

参阅图1，所述的一号制动器20的主动部分与一号电机22的输出轴相连，被动部分与车架或承载式车身相连。所述的二号制动器24的主动部分与所述的二号电机23的输出轴相连，被动了部分与车架或承载式车身相连。所述的一号离合器5的主动部分与所述的前排行星架3相连，被动部分与所述的中后排齿圈8相连。所述的二号离合器11的主动部分与所述的后排太阳轮16相连，被动部分与所述的动力输出轴14相连。所述的三号离合器12的主动部分与所述的中后排行星架10相连，被动部分与所述的动力输出轴14相连。

参阅图1、图2、表1，所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统通过一号制动器20、二号制动器24、一号离合器5、二号离合器11和三号离合器12的状态切换可以实现输入式功率分流模式(此时也可由二号电机23单独驱动实现纯电动模式)、两个复合式功率分流模式、驻车发电模式、六个固定速比和再生制动。具体各种模式时离合器和制动器的结合状态参看下表。

表1工作模式

Z1	Z2	C1	C2	C3	模式
						0	0	0	1	1	输入分流、纯电动
0	0	1	0	1	一号复合分流
						0	0	1	1	0	二号复合分流
0	1	0	0	0	驻车发电
						1	0	1	1	0	一号减速模式
1	0	1	0	1	二号减速模式
						0	0	1	1	1	速比为1模式
1	0	0	1	1	一号增速模式
						0	1	1	0	1	二号增速模式
0	1	1	1	0	三号增速模式

(上表中0表示断开，1表示结合；Z1代表一号制动器20、Z2代表二号制动器24、C1代表一号离合器5、C2代表二号离合器11、C3代表三号离合器12)

工作原理与工作模式划分

参阅图1，所述的双模六速比混合动力车辆驱动系统有三个动力源，分别是发动机1、一号电机22和二号电机23。

1、纯电动模式和输入式功率分流模式

参阅图3、图4、图5和图6，当一号制动器20、二号制动器24和一号离合器5断开而二号离合器11和三号离合器12接合。此时若发动机1和一号电机22不工作，只有二号电机23单独工作则可以实现纯电动模式。因为此时二号离合器11和三号离合器12同时接合，这相当于将后行星排的太阳轮和行星架连在一起，这会直接导致后行星排锁死进而导致中行星排也锁死，所以此时动力输出轴14输出的转速即为前排齿圈18的转速，也就是二号电机23的转速。此时若发动机1和一号电机22也参与工作，则是输入式功率分流模式。此时，可通过一号电机22对发动机1与车轮之间进行转速解耦，通过二号电机23对发动机1与车轮之间进行转矩解耦。因此发动机1可始终工作在最优工作曲线附近。此外，在汽车刚起步时可以使用纯电动模式。当车速升高到一定程度后可以通过一号电机22拖动发动机1，当发动机1的转速高于怠速转速再给其喷油点火，这可避免发动机1工作于较高燃油消耗率的区域。

2、复合式功率分流模式

参阅图7、图8、图9和图10，当一号制动器20、二号制动器24和二号离合器11断开而一号离合器5和三号离合器12接合，此时可实现第一种复合式分流；当一号制动器20、二号制动器24和三号离合器12断开而一号离合器5和二号离合器11接合，此时可实现第二种复合式分流。在相同传动比时两种复合式分流的动力传递效率不同，因此在控制策略上可根据动力传递效率控制汽车在两种复合式分流模式间切换，使系统的动力传递效率更高。

3、固定速比驱动模式

参阅图1、图13、图14、图15、图16、图17和图18，固定速比时可以使用发动机1单独驱动，此时由于电路径没有功率传递，所以此时可获得较高的动力传递效率。整车的经济性得到提高。同时，当动力电池或电机出现故障时，汽车仍可由发动机1单独驱动行驶，这可增大系统的容错能力。

4、并联模式

参阅图1、图13、图14、图15、图16、图17和图18，固定速比驱动模式时若加入电机联合驱动则是并联模式。并联模式时发动机直接驱动汽车行驶，电机可对发动机输出的转矩进行“削峰填谷”。

6、再生制动模式

参阅图3和图4，该模式的制动器和离合器接合状态与纯电动模式相同，当汽车需要减速时，可使汽车拖动二号电机23旋转，此时二号电机23将为动力电池充电。再生制动模式的存在提升了汽车的经济性。

7、驻车发电模式

参阅图11和图12，当一号制动器20、一号离合器5、二号离合器11、三号离合器12都断开，二号制动器24接合时，此时若发动机1工作，则可实现驻车发电模式。由发动机1输出的功率拖动一号电机22旋转发电，为动力电池充电。

Claims (1)

1.双模六速比混合动力车辆驱动系统包括发动机（1）、前行星排、中行星排、后行星排、一号电机（22）、二号电机（23），其特征在于，还包括一号制动器（20）、二号制动器（24）、一号离合器（5）、二号离合器（11）、三号离合器（12）、主动输出轮（13）、被动输出轮（15）、主动输入轮（2）、被动输入轮（21）、动力输出轴（14）；

所述的前行星排包括前排行星轮（4）、前排太阳轮（19）、前排行星架（3）、前排齿圈（18）；所述的前排太阳轮（19）与所述前排行星轮（4）相啮合，所述的前排行星轮（4）与所述的前排齿圈（18）相啮合；所述的前排太阳轮（19）与所述的一号电机（22）的动力输出轴相连，一号电机（22）的动力输出轴为空心轴；所述的一号电机（22）的定子部分固定在车架上；所述的一号制动器（20）的主动部分与一号电机（22）的动力输出轴相连，一号制动器（20）的被动部分与车架相连；所述的前排齿圈（18）与所述的二号电机（23）的动力输出轴相连；所述的二号电机（23）的定子部分固定在车架上；所述的二号制动器（24）的主动部分与所述的二号电机（23）的动力输出轴相连，二号制动器（24）的被动部分与车架相连；

所述的中行星排包括中排一号行星轮（6）、中排二号行星轮（7）、中排太阳轮（17）、中后排齿圈（8）、中后排行星架（10）；所述的中排太阳轮（17）与所述的中排二号行星轮（7）相啮合，所述的中排二号行星轮（7）与所述的中排一号行星轮（6）相啮合，所述的中排一号行星轮（6）和所述的中排二号行星轮（7）空套在中后排行星架（10）的左端光轴部分，所述中排一号行星轮（6）与所述的中后排齿圈（8）相啮合；所述的中排太阳轮（17）通过开有花键的轴与所述的前排齿圈（18）相连；所述的一号离合器（5）的主动部分与所述的前排行星架（3）相连，一号离合器（5）的被动部分与所述的中后排齿圈（8）相连；

所述的后行星排包括后排行星轮（9）、后排太阳轮（16）；所述的后排太阳轮（16）与所述的后排行星轮（9）相啮合，所述的后排行星轮（9）空套在中后排行星架（10）的右端光轴部分，所述的后排行星轮（9）与所述的中后排齿圈（8）相啮合；所述的二号离合器（11）的主动部分与所述的后排太阳轮（16）相连，二号离合器（11）的被动部分与所述的动力输出轴（14）相连；所述的三号离合器（12）的主动部分与所述的中后排行星架（10）相连，三号离合器（12）的被动部分与所述的动力输出轴（14）相连；

所述的主动输入轮（2）通过花键与发动机（1）的动力输出端相连；所述的被动输入轮（21）为外齿圈，其通过螺栓与前排行星架（3）相连；所述的主动输入轮（2）与被动输入轮（21）为常啮合齿轮；所述的主动输出轮（13）通过花键与动力输出轴（14）相连；所述的主动输出轮（13）与被动输出轮（15）为常啮合齿轮；

所述的二号离合器（11）为电磁离合器，动力输出轴（14）为空心轴，动力输出轴（14）的轴内通有控制二号离合器的电线；

所述的一号电机（22）、二号电机（23）、前排太阳轮（19）、前排齿圈（18）、前排行星架（3）、中排太阳轮（17）、中后排行星架（10）、中后排齿圈（8）、后排太阳轮（16）、一号离合器（5）、二号离合器（11）、三号离合器（12）、主动输出轮（13）、动力输出轴（14）的回转轴线共线。