CN108099577B - 一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统，它包括动力耦合装置、发动机、第一电机、第二电机、动力电池、第一电机控制器、第二电机控制器和传动轴；其中的动力耦合装置包括前排行星齿轮机构、后排行星齿轮机构、第一模式离合器、第二模式离合器、第一锁止离合器和第二锁止离合器。本发明通过两个模式离合器、两个锁止离合器的分离或结合可实现四种纯电动工作模式和三种混合动力工作模式。可以实现多模切换，在满足整车爬坡及加速性能要求的同时可以减少第一电机和第二电机的峰值转矩；在满足整车最高车速要求的同时可以降低第二电机的峰值转速。
Description
技术领域
本发明涉及混合动力系统，特别涉及一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统。
背景技术
随着能源与环境问题日益严重，国家大力发展新能源汽车。目前国内搭载耦合器的混合动力系统有AMT并联系统，但AMT变速器技术在国内尚不成熟，而且换挡期间动力中断较为明显，车辆驾驶舒适性较差，推广起来存在较大问题。另外一种主流系统是双排行星齿轮结构的设计，该构型虽然可以解决部分爬坡及模式切换平顺性的问题，但是由于发动机扭矩经过齿圈分流以后直接输出至后排行星架，依然存在动力不足的问题，尤其是纯电动行驶过程中普遍存在的动力不足问题。如果提高电机系统的参数要求，同时又会增加电机系统的尺寸及集成难度，同时成本也会相应增加，为系统推广增加更大的难度。
发明内容
本发明的目的，就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统，包括动力耦合装置、发动机、第一电机、第二电机、动力电池、第一电机控制器、第二电机控制器和传动轴；
所述动力耦合装置包括前排行星齿轮机构、后排行星齿轮机构、第一模式离合器、第二模式离合器、第一锁止离合器和第二锁止离合器；
所述前排行星齿轮机构包括前排太阳轮、前排齿圈和前排行星架，后排行星齿轮机构包括后排太阳轮、后排齿圈和后排行星架；
所述发动机与前排行星架连接；
所述第一电机连接前排太阳轮；
所述第二电机连接后排太阳轮；
所述动力电池分别连接第一电机控制器和第二电机控制器，第一电机控制器与第一电机电气连接，第二电机控制器与第二电机电气连接；
所述第一模式离合器设置在前排齿圈与后排太阳轮之间；
所述第二模式离合器设置在前排齿圈与后排行星架之间；
所述第一锁止离合器与后排齿圈连接；
所述第二锁止离合器与前排行星架连接；
所述传动轴与后排行星架连接输出整车动力至车轮。
本发明一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统的工作过程是：
纯电动模式下：
EV1：车辆起步过程中第一模式离合器、第一锁止离合器、第二锁止离合器结合，第二模式离合器分离，第一电机(MG1)与第二电机(MG2)同时驱动整车纯电动行驶；
EV2：当车辆行驶至较高车速时，第一模式离合器、第二模式离合器分离，第一锁止离合器、第二锁止离合器结合，由第二电机(MG2)单独驱动整车纯电动行驶；
EV3：当车辆在中高车速下爬坡时，第二模式离合器、第一锁止离合器、第二锁止离合器结合，第一模式离合器分离，第一电机(MG1)与第二电机(MG2)在高效区附近同时驱动整车纯电动行驶；
EV4：当车辆行驶至高车速时，第一模式离合器、第二模式离合器、第二锁止离合器结合，第一锁止离合器分离，前排齿圈、后排行星架、后排太阳轮转速一致，形成直接档。
混合动力模式下：
EVT1：当车辆行驶至较高车速时，第一模式离合器、第一锁止离合器结合，第二模式离合器、第二锁止离合器分离，发动机输出扭矩经前排齿圈分流以后输出，与第二电机(MG2)输出扭矩进行耦合，后排齿圈锁止，耦合扭矩降速增扭以后通过后排行星架输出至传动轴；
EVT2：当车辆行驶至中高车速时，第二模式离合器、第一锁止离合器结合，第一模式离合器、第二锁止离合器结分离，发动机输出扭矩经前排齿圈分流以后直接输出至后排行星架，第二电机(MG2)输出扭矩降速增扭以后输出至后排行星架，与前排齿圈输出扭矩耦合以后输出至传动轴；
EVT3：当车辆行驶至高车速时，第一模式离合器、第二模式离合器结合，第一锁止离合器分离、第二锁止离合器分离，前排齿圈、后排行星架、后排太阳轮转速一致，形成直接档。发动机输出扭矩经前排齿圈分流以后直接输出至后排行星架，第二电机(MG2)输出扭矩降直接输出至后排行星架，与前排齿圈输出扭矩耦合以后输出至传动轴。
本发明通过两个模式离合器、两个锁止离合器的分离或结合可实现四种纯电动工作模式和三种混合动力工作模式。可以实现多模切换，在满足整车爬坡及加速性能要求的同时可以减少第一电机和第二电机的峰值转矩；在满足整车最高车速要求的同时可以降低第二电机的峰值转速。基于上述优势本发明一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统可以减小电机系统的尺寸，成本相对较低，具有较大的推广优势。
附图说明
图1是本发明搭载多模动力耦合装置的混合动力系统示意图。
图2是本发明多模动力耦合装置杆模型示意图。
图3是本发明使用多模动力耦合装置的混合动力系统三种混合动力工作模式下速比与效率关系图。
图4是本发明使用多模动力耦合装置的混合动力系统四种纯电动工作模式下不同车速与其最大输出扭矩对应关系图。
图5是本发明使用多模动力耦合装置的混合动力系统三种混合动力工作模式下不同车速与其最大输出扭矩对应关系图。
具体实施方式
参见图1，配合参见图2。本发明的一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统，该系统构型包括发动机1、第一电机2(MG1)、第二电机3(MG2)、第一电机控制器4、第二电机控制器5、动力电池6和传动轴13，动力耦合装置包括前排太阳轮7、前排行星架8、前排齿圈9、后排太阳轮10、后排行星架11、后排齿圈12、第一模式离合器14、第二模式离合器15、第一锁止离合器16和第二锁止离合器17。其中前排特征参数k值为k1，后排特征参数k值为k2。
发动机1通过前排行星架8与第二锁止离合器17连接，第一电机2(MG1)连接前排太阳轮7，第二电机3(MG2)连接后排太阳轮10。
前排齿圈9通过第一模式离合器14与后排太阳轮10连接，或者通过第二模式离合器15与后排行星架11连接，后排齿圈12与第一锁止离合器16连接。
第一电机2(MG1)与第一电机控制器4电气连接，第一电机控制器4与动力电池6电气连接，第二电机3(MG2)与第二电机控制器5电气连接，第二电机控制器5与动力电池6电气连接。
后排行星架11与传动轴13连接传递整车动力。
本发明的工件过程原理结合图1、图2、图3、图4、图5和表1说明如下。表1是本发明使用多模动力耦合装置的混合动力系统在不同工作模式下的离合器状态。
表1
纯电动模式：
EV1：车辆起步时，车辆需要低速大扭矩，此时第一模式离合器14、第一锁止离合器16、第二锁止离合器17结合，前排形成一个k1的速比，后排齿圈12锁止，后排形成一个1+k2的速比，第一电机2(MG1)与第二电机3(MG2)同时驱动整车纯电动行驶。第一电机2(MG1)输出扭矩降速增扭后输出至前排齿圈9，与后排第二电机3(MG2)输出扭矩进行耦合，耦合扭矩降速增扭后由后排行星架11输出至传动轴13。在EV1模式下，第一电机2(MG1)与第二电机3(MG2)同时参与纯电动行驶，因此纯电动爬坡能力大大提高。
EV2：当车辆行驶至较高车速时，车辆无需大扭矩输出，此时第一模式离合器14、第二模式离合器15断开，前后行星齿轮机构断开；第一锁止离合器16结合，后排形成一个1+k2的速比。该模式下由第二电机3(MG2)单独驱动整车纯电动行驶，第二电机3(MG2)输出扭矩降速增扭后输出动力至后排行星架11，后排行星架11输出动力至输出轴13。在EV2模式下，因为前后行星齿轮机构断开，因此纯电动效率大大提高。
EV3：当车辆在中高车速下爬坡时，车辆需要中高速大扭矩，此时第二模式离合器15、第一锁止离合器16、第二锁止离合器17结合，前排形成一个k1的速比，后排齿圈12锁止，后排形成一个1+k2的速比。第一电机2(MG1)与第二电机3(MG2)同时驱动整车纯电动行驶。第一电机2(MG1)输出扭矩降速增扭后经前排齿圈9直接输出至后排行星架11，第二电机3(MG2)输出扭降速增扭后输出至后排行星架11，与前排齿圈9输出扭矩耦合以后输出至传动轴13。在EV3模式下，第一电机2(MG1)与第二电机3(MG2)同时参与纯电动行驶，并且因为该模式下前排齿圈9与后排行星架11连接，第一电机2(MG1)在提供大扭矩的过程中可以工作在额定转速附近，因此在保证爬坡能力的前提下纯电动效率大大提高。
EV4：当车辆行驶在高速工况下，此时第一模式离合器14、第二模式离合器15、第二锁止离合器17结合，第一锁止离合器16分离，前排齿圈9、后排行星架11、后排太阳轮10转速一致，形成直接档。在该模式下，第一电机2(MG1)与第二电机3(MG2)均可以工作在额定转速附近，不会因为高车速而导致电机温升过快，从而保证高速工况下系统效率大大提高。
混合动力模式：
EVT1：当车辆行驶至较高车速时，此时第一模式离合器14、第一锁止离合器结合，第二模式离合器、第二锁止离合器分离，后排形成一个1+k2的速比，双行星排系统形成一个速比大于1的机械点。发动机1介入工作在最佳工作点，前排齿圈9与后排太阳轮10连接，发动机1通过前行星排进行功率分流，一部分能量通过太阳轮7作用在第一电机2(MG1)进行发电，一部分能量通过前排齿圈9与第二电机3(MG2)输出扭矩进行耦合，耦合扭矩经过后排降速增扭后输出至后排行星架11，后排行星架11输出动力至传动轴13，该混合动力工作模式将前排分流扭矩输出至后排太阳轮10，解决了双行星排系统混合动力模式下爬坡能力不足的问题。
EVT2：当车辆行驶至中高车速时，第一电机2(MG1)接近零转速。此时第一模式离合器14分离、第二模式离合器15结合，双行星排系统形成一个速比小于1的机械点；第一锁止离合器16结合，后排齿圈11锁止，后排形成一个1+k2的速比。发动机1介入工作在最佳工作点，第一电机2(MG1)的转速正向升高。前排齿圈9与后排行星架11连接，发动机1通过前行星排进行功率分流，一部分能量通过太阳轮7作用在第一电机2(MG1)进行发电，一部分能量通过前排齿圈9输出至后排行星架11，第二电机3(MG2)的输出扭矩经过后排降速增扭后输出至后排行星架11，与前排齿圈9输出扭矩耦合以后输出动力至传动轴13。该混合动力工作模式将前排齿圈9与后排行星架11连接，通过降低前排齿圈9的转速从而正向提高第一电机2(MG1)的转速，解决行星排混合动力系统中高速行驶过程中第一电机2(MG1)反转形成功率循环导致系统效率下降的问题。
EVT3：当车辆行驶至高车速时，此时第一模式离合器14、第二模式离合器15结合，第一锁止离合器16分离、第二锁止离合器17分离，前排齿圈9、后排行星架11、后排太阳轮10转速一致，形成直接档。该模式下发动机1输出扭矩经前排齿圈9分流以后直接输出至后排行星架11，第二电机3(MG2)输出扭矩降直接输出至后排行星架11，与前排齿圈9输出扭矩耦合以后输出至传动轴13。该混合动力工作模式下，后排形成速比为1的直接档，解决行星排混合动力系统高速工况下主电机3转速过高的问题。
从上述执行过程可以看出，本发明的混合动力系统构型属于多模系统，通过两个模式离合器和两个锁止离合器形成四种纯电动工作模式和三种混合动力工作模式，分别适应不同的工况需求。
本发明所具备的四种纯电动工作模式和三种混合动力工作模式有着各自不同的优势。从图4、图5可以看出，同一车速下不同工作模式均有自己对应的最大输出扭矩，在实际的行驶过程中根据具体工况及车辆需求选择合适的工作模式。
其具体的四种纯电动工作模式适应的行驶工况及优势如下：
EV1：解决纯电动低速爬坡能力的问题；
EV2：解决大多数纯电动工况下效率较低的问题；
EV3：解决在中高速爬坡工况下的爬坡能力问题，同时保证电驱动系统工作在高效区；
EV4：解决高速工况下第二电机(MG2)转速过高的问题，保证系统可以适应高速工况。
其具体的三种混合动力工作模式适应的行驶工况及优势如下：
EVT1：该混合动力工作模式下，系统形成一个速比大于1的机械点。解决了双行星排系统混合动力模式下爬坡能力不足的问题；
EVT2：该混合动力工作模式下，系统形成一个速比小于1的机械点。解决了车辆中高速行驶过程中第一电机(MG1)反转形成功率循环所带来的系统效率较低问题；
EVT3：该混合动力工作模式下，后排形成一个速比为1的直接档。解决了混合动力系统在高速工况下导致第二电机(MG2)转速过高的问题，使得该系统可以适应高速工况行驶。
本发明的混合动力系统，因为其特殊的双行星排构型设计可以实现多模切换，有效解决原有系统存在的诸多缺陷。在满足整车爬坡及加速性能要求的同时可以减少第一电机和第二电机的峰值转矩；在满足整车最高车速要求的同时可以降低第二电机的峰值转速。基于上述优势在满足整车需求的同时可以减小电机系统的尺寸，成本相对较低。在整车性能优势方面，不仅有效解决在纯电动和混合动力工作模式下均可以适应全工况，同时保证在每个工况下系统效率均达到最优。因此本发明所述的一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统具有广泛的适应性。
Claims (8)
1.一种使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：包括动力耦合装置、发动机、第一电机、第二电机、动力电池、第一电机控制器、第二电机控制器和传动轴；
所述动力耦合装置包括前排行星齿轮机构、后排行星齿轮机构、第一模式离合器、第二模式离合器、第一锁止离合器和第二锁止离合器；
所述前排行星齿轮机构包括前排太阳轮、前排齿圈和前排行星架，后排行星齿轮机构包括后排太阳轮、后排齿圈和后排行星架；
所述发动机与前排行星架连接；
所述第一电机连接前排太阳轮；
所述第二电机连接后排太阳轮；
所述动力电池分别连接第一电机控制器和第二电机控制器，第一电机控制器与第一电机电气连接，第二电机控制器与第二电机电气连接；
所述第一模式离合器设置在前排齿圈与后排太阳轮之间；
所述第二模式离合器设置在前排齿圈与后排行星架之间；
所述第一锁止离合器与后排齿圈连接；
所述第二锁止离合器与前排行星架连接；
所述传动轴与后排行星架连接输出整车动力至车轮；
第一模式离合器、第一锁止离合器、第二锁止离合器结合，第二模式离合器分离以后，第一电机参与纯电驱动，第一电机输出扭矩通过前排降速增扭以后从前排齿圈输出，与第二电机输出扭矩进行耦合，后排齿圈锁止，耦合扭矩降速增扭以后通过后排行星架输出至传动轴；
第二模式离合器、第一锁止离合器、第二锁止离合器结合，第一模式离合器分离以后，第一电机参与纯电驱动，第一电机输出扭矩通过前排降速增扭以后从前排齿圈直接输出至后排行星架，第二电机输出扭矩降速增扭以后输出至后排行星架，与前排齿圈输出扭矩进行耦合，耦合扭矩通过后排行星架输出至传动轴；
第一模式离合器、第二模式离合器结合，第一锁止离合器分离，第二锁止离合器结合以后，前排齿圈、后排行星架、后排太阳轮转速一致，形成直接档，第二电机输出扭矩直接输出至后排行星架，第一电机输出扭矩经过前排降速增扭以后输出至后排行星架；
第一模式离合器、第一锁止离合器结合，第二模式离合器、第二锁止离合器分离以后，发动机输出扭矩通过前排齿圈分流以后从前排齿圈输出，与第二电机输出扭矩进行耦合，后排齿圈锁止，耦合扭矩降速增扭以后通过后排行星架输出至传动轴；
第二模式离合器、第一锁止离合器结合，第一模式离合器、第二锁止离合器分离以后，发动机输出扭矩通过前排齿圈分流以后直接输出至后排行星架，第二电机输出扭矩降速增扭以后输出至后排行星架，与前排齿圈输出扭矩进行耦合以后输出至传动轴；
第一模式离合器、第二模式离合器结合，第一锁止离合器、第二锁止离合器分离，前排齿圈、后排行星架、后排太阳轮转速一致，形成直接档，第二电机输出扭矩直接输出至后排行星架，发动机输出扭矩经分流后输出至后排行星架。
2.如权利要求1所述的使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：第一模式离合器、第二模式离合器分离以后，实现前排行星齿轮机构和后排行星齿轮机构断开。
3.如权利要求1所述的使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：通过第一模式离合器的结合实现前排齿圈与后排太阳轮连接。
4.如权利要求1所述的使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：通过第二模式离合器的结合实现前排齿圈与后排行星架连接。
5.如权利要求1所述的使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：通过第二锁止离合器锁住发动机实现第一电机参与纯电动行驶。
6.如权利要求1所述的使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：通过第一锁止离合器结合实现后排降速增扭效果。
7.如权利要求1所述的使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：通过第一模式离合器、第二模式离合器结合，第一锁止离合器分离实现直接档模式。
8.如权利要求2所述的使用多模动力耦合装置的混合动力系统，其特征在于：通过第一模式离合器、第二模式离合器分离以后，实现前排行星齿轮机构和后排行星齿轮机构断开，后排齿圈锁止形成降速增扭效果，第二电机驱动车辆纯电动行驶。
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