CN108189660A - 用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，包括发动机、驱动桥、电机控制单元；所述驱动桥包括二级行星排、多轴级联双转子电机、三级行星排和四级差速锥齿轮行星排；本发明将发动机与多电机等动力源动力通过磁场磁力传递进行耦合输出，极大改善发动机工作条件，使其能够工作在高效率区间内，从而使得汽车运行在理想工况下；将双转子电机作为机构一部分而与机构多轴级联连接，充分挖掘其机构特性，而不同离合器的组合使用，可获得多种运行模式，适用于各种复杂工况；从而优于市场上现有的绝大多数混合动力汽车的机电耦合装置，并为未来汽车全传动系统集成化、电气化提供了设计思路。

Description

用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置

技术领域

本发明涉及汽车动力传动技术领域，具体涉及一种用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置。

背景技术

近几年，许多国家纷纷加快了取消内燃机汽车的议程。而囿于现有电动汽车在电池及电机技术尚需更大突破的难题，混合动力汽车作为内燃机汽车(ISE)向电动汽车的过渡产品而备受关注。由于混合动力汽车往往具有多动力源，因而高性能的动力耦合装置的研究设计尤为关键。目前电机与机械耦合的动力耦合方式主要有固定轴齿轮式耦合式及行星轮耦合式。前者结构简单，控制难度低，造价低，但是体积大，结合平顺性差；后者结构紧凑，结合平顺性好，但是控制难度大。我国目前仍停留在前者的设计开发中，而国外对于后者的研究已经趋于成熟。丰田THS，福特FHS，通用的AHS以及在这些基础上不断衍生的双模、多模形式，变化灵活，功能完备，结构复杂，控制先进。因而突破国外专利技术垄断，设计出一套全新高效率的机电耦合装置具有重要意义。

EVT(电力无级变速器)通过双电机对发动机输出的转速、转矩分别解耦，从而使得内燃机在整个运行工况中均运行在最佳效率下。丰田PRUIS所搭载的油电混合动力系统THS由功率分流装置(单行星排机构)把并联式混合系统和串联式混合系统组合在一起，这一混合动力系统具有出色的燃油经济性，而ECVT就是其模式的一种，相当于传统的双CVT模式。为了简化双电机结构，专利号200820123600.7名称是“一种集成基于行星齿轮两档变速机构的电力无极变速器”以及专利号200810223615.5、名称是“一种集成有双速比输出机构的电力无极变速器”等提出了有两个档位变化的无级变速器，但是由于其发动机与电力无级变速器输入轴固定连接，因而在单独驱动发动机或单独驱动电机时，发动机和电机都要转动，会对发动机造成影响。而专利号200710074741.4，名称是“混合动力汽车动力总成”，虽然解决了发动机与ECVT的固结问题，但是变速比范围较小。专利号US20030162617A1，名称是“Hybrid transmission and its assembling method”提供了一种将行星排与双电机结合的新方法，其中双电机具有双自由度，相当于双转子电机，并且提出了几种双电机的布置形式。但是其机构较为复杂，未能充分发挥双电机与行星齿轮结合后的优势。专利号201310642134.9，名称是“一种基于双转子电机与行星轮机构的双模式混合动力系统”提出了一种模式更多的机电耦合方案，其中的双转子电机仅对转速进行了解耦，而通过另外一个电机进行转矩解耦，虽然其与离合器的组合使用提供了更多工作模式，但是同时也造成机构过于复杂，使得双转子电机的特性未能完全发挥出来。专利号201010555166.1，名称是“具有三档变速功能的电力无极变速器及其动力驱动模式”提出了一种调速范围更宽、传动效率较高的电力无极变速器，但是其仍未做到全传动系统集成化、电气化，从而使得机械效率得不到进一步提高，同时，双转子电机仍未在与行星齿轮的结合中充分发挥其本身优势，使得机构无法得到进一步简化。

类似此类将双转子电机作为电力无极变速器与发动机直接结合，或通过离合器结合，或加以行星齿轮机构结合的方式还有很多，但是大多数仍存在一定缺陷。电机学领域相关研究人员往往关注于双转子电机本身特性研究而忽略与机构的结合，而机构学研究人员大多数只是将双转子电机作为双电机的简化装置进行使用。如何将电力无极变速器与机电耦合装置以及传动系统的结合一直是研究的热点。而全传动系统的集成化、电气化势必成为未来汽车底盘传动系统以及多动力耦合控制发展的方向之一。充分发挥双转子电机的结构优势，同时简化机构有助于设计出高度集成化、可靠性强、轻量化、低成本的机电耦合装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，能够解决目前混合动力汽车机电耦合装置存在的结构复杂、不易于集成化或集成化程度低、不能充分发挥双转子电机本身的机构特性、调速范围小，不能满足轻量化、高效、可靠、紧凑、适用多种车型以及批量生产等要求。

本发明的用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，包括发动机、驱动桥、电机控制单元；所述驱动桥包括二级行星排、多轴级联双转子电机、三级行星排和四级差速锥齿轮行星排；所述多轴级联双转子电机的外转子的两端分别为外转子输入端和外转子输出端，多轴级联双转子电机的内转子的两端分别为内转子输入端和内转子输出端；

所述发动机的输出端通过离合器CL1与二级行星排齿圈R1传动连接，二级行星排太阳轮S1与多轴级联双转子电机的内转子输入端传动连接，二级行星排行星架C1通过离合器CL2与多轴级联双转子电机外转子输入端传动连接，多轴级联双转子电机的内转子输出端通过离合器CL3与三级行星排太阳轮S2传动连接，多轴级联双转子电机外转子输出端与三级行星排齿圈R2传动连接，三级行星排行星架C2与四级差速锥齿轮行星排行星轮P3传动连接，四级差速锥齿轮行星排太阳轮分别通过半轴与车轮传动连接，所述多轴级联双转子电机与电机控制单元电连接。

进一步，所述驱动桥还包括一级锥齿轮减速齿轮，所述发动机的输出端依次通过离合器CL1和一级锥齿轮减速齿轮与二级行星排齿圈R1减速传动连接。

进一步，还包括蓄电池，所述蓄电池与电机控制单元电连接；所述电机控制单元为现有技术，在此不再赘述。

进一步，所述多轴级联双转子电机为同心磁场调制式齿轮双转子电机；同心磁场调制式为现有技术，在此不再赘述。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，通过将一般双转子电机多轴化，使得其不仅仅是两个电机的集成，而是充分作为一个并行系统巧妙并入整个机构中，同时具有电力学与机构学作用，使其成为整个机构不可或缺的一部分；由于该多轴级联双转子电机为新型电机，采用了磁场调制式齿轮作为内外转子，所以不会出现空转时烧毁电机的现象，故其作为机构件接入整个系统中是可行的；通过与离合器的配合使用，使双转子电机具有多种不同动力传输路径，同时消除一般双转子电机不能实现纯机械路径输出及动力路径过于单一的问题，最大化发挥其机构特性和电机特性；本发明结构简单，但同时具有多种模式，较之其它同类机构在不增加机构复杂度的同时增加了更多模式，在具有较宽传动比的同时适用于汽车在不同工况条件下使用；ECVT模式下使得汽车发动机的转速转矩与车轮处转速、转矩解耦，从而使发动机长期运行在高效率点，在保证动力性的同时提高发动机的经济型；发动机功率可以直接通过机械路径输出，从而满足了汽车高速需求，且与电机的并行使用，提高了爬坡性能和加速性能；多种制动能量回收模式有利于不同情况下能量回收，提高能量利用率；将整个传动系统集成在驱动桥上，取消传统变速器、主减速器等机构的使用但将其功能进行了集成，使得整体机构更为简单、紧凑，且同轴式布置，提高了传动系统功率密度，易于实现全传动系统的高度集成化和电气化。本发明适用于绝大多数车型，且其拓扑结构可以满足不同混合度混合动力汽车的需要，易于在本发明提出机构构型上作出其它改进，从而满足实际需要。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为发动机及一级锥齿轮连接图；

图3为输入齿轮与二级行星排连接机构图；

图4为多轴级联双转子电机原理图；

图5为蓄电池与电机控制单元等接线图；

图6为三级行星排机构图；

图7为四级差速锥齿轮行星排机构图；

图8为整体机构工作模式组合图。

其中11为发动机，12、13为一对锥齿轮的主动和从动齿轮；21为输入齿轮，22为二级行星排齿圈R1，23为二级行星排太阳轮S1，24为二级行星排行星轮P1；31为二级行星排行星架C1，32为多轴级联双转子电机外转子，33为多轴级联双转子电机外转子外圈永磁体，34为多轴级联双转子电机定子，35为多轴级联双转子电机外转子输出轴，36为多轴级联双转子电机内转子输出轴，37为多轴级联双转子电机内转子，38为多轴级联双转子电机外转子内圈永磁体，39为多轴级联双转子电机内转子输入轴，其中CL2，CL3为离合器；41为多轴级联双转子电机内转子输入轴的滑环电刷，42为导线，43为蓄电池，44、45分别是多轴级联双转子电机的内、外电机M1/G1，M2/G2控制器；51为三级行星排齿圈R2，52为三级行星排行星轮P2，53为三级行星排太阳轮S2；61为行星架C2，62为四级差速锥齿轮行星排行星轮P3，63为四级差速锥齿轮行星排太阳轮S3，64为四级差速锥齿轮行星排太阳轮S4；7为驱动桥壳体，8为车轮，9为半轴，10为轴承。

具体实施方式

参见图1，所表示的整体装置机构图包括了发动机及一级锥齿轮1、二级行星排2、多轴级联双转子电机3、发动机控制单元及蓄电池4、三级行星排5、四级差速锥齿轮行星排6、三个操纵部件CL1、CL2、CL3，驱动桥壳7、车轮8、半轴9、轴承10。

参见图2，发动机11的动力通过一级锥齿轮主、从动齿轮12、13进行传递，离合器CL1可以中断发动机的动力传输。

参见图3，输入齿轮21将由一级锥齿轮传递过来的动力传递到二级行星排齿圈22,再传到行星轮24上，行星轮分别将动力传递给行星架31和太阳轮23。

参见图4,当多轴级联双转子电机不起发电机和电动机工作时，输入轴39与太阳轮23相接将其动力传递给多轴级联双转子电机内转子37，当离合器CL3闭合时，内转子上的动力可经由内转子输出轴36输出；当离合器CL2闭合时，行星架31可将动力传递给外转子32，并经由外转子输出轴35传出；当多轴级联双转子电机工作时，内转子37与外转子内圈永磁体38可以构成一个电动机或发电机，外转子外圈永磁体33与定子34可以构成一个电动机或发电机，从而在不同模式下使用。

参见图5，控制器可以通过导线控制双转子电机内、外电机分别起电动机或发电机作用运行，蓄电池可以作为储能装置和电能提供装置。

参见图6，多轴级联双转子电机外转子输出轴35上的动力可以经由三级行星排齿圈51输出至三级行星排行星轮52,多轴级联双转子电机内转子输出轴36上的动力可以经由三级行星排太阳轮53输出至三级行星排行星轮52，最后通过三级行星排行星架61输出。

参见图7，三级行星排行星架61将动力经四级差速锥齿轮行星轮62分配给四级差速锥齿轮行星轮两个太阳轮S3、S4，并分配到两根半轴上。

具体工作模式说明如下：

所述外转子外圈永磁体为固定外套于外转子外圆的外永磁体套，外转子内圈永磁体为固定内套于外转子内圆的内永磁体套，所述定子上设置有与外转子外圈永磁体配合并用于控制外转子转速的第一励磁线圈，所述内转子上设置有与外转子内圈永磁体配合并用于控制内转子转速的第二励磁线圈；

纯电机驱动模式：汽车起步时，多轴级联双转子电机外转子外圈永磁体33与定子34形成电动机M1，将动力经过三级行星排太阳轮R2传出，同时多轴级联双转子电机内转子37与外转子内圈永磁体38形成电动机M2可以作为发动机的起动电机，二者同时工作使得起步工况更加良好；在发动机不工作时，M1、M2可以分别工作或者同时工作，一般情况下选择M1工作，而不用控制离合器，而在加速性能要求下，可以闭合CL3，使M2工作，也可以二者同时工作作为汽车的驱动电机，从而保证不同传动比的纯电动驱动，满足多种速度与路况要求。

单发动机驱动模式：当发动机11运行时，闭合离合器CL1，这时，如果闭合离合器CL2，则发动机动力经多轴级联双转子电机外转子32传递给三级行星排齿圈51到车轮上，如果闭合CL3，则发动机动力将经由内转子37将动力传递给三级行星排太阳轮53到车轮上，当然，三个离合器也可都闭合，从而具有不同传动比，相当于三档变速器。故在单发动机模式下，可满足汽车高速运转下的性能要求。

电机辅助动力驱动模式：当离合器CL1、CL3闭合时，发动机动力可以经过多轴级联双转子电机内转子37传递出去，此时37和外转子内圈永磁体38可以构成电动机M2辅助发动机动力输出，或者外转子32和定子34构成电动机M1辅助动力输出；当离合器CL1、CL2闭合时,M1可以当做电动机辅助动力输出；当离合器CL1、CL2、CL3闭合时，M1和M2可以同时工作也可以仅其中一个工作进行动力输出；此时一共有六种工作模式，从而可以实现电动机进行不同传动比的动力辅助。

ECVT驱动模式：为了实现发动机在高效率点运行，即要保证发动机转速、转矩与车轮转速转矩解耦。当CL1闭合时，多轴级联双转子电机内转子37和外转子内圈永磁体38此时形成发电机G2，外转子32、定子34形成电动机M1，发动机动力经过二级行星排太阳轮23传递到G2上，由于G2起发电机作用，将此时传递动力的转速进行了解耦，然后通过M1将动力传出，此时M1可以调节输出转矩，从而与车轮转矩进行解耦，达到汽车运行的理想化曲线；当CL1与CL3同时闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38此时形成发电机G2，外转子32、定子34形成电动机M1，动力通过G2时，有部分可以通过三级行星排太阳轮53传递出去；当CL1和CL2同时闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38此时形成发电机G2，外转子32、定子34形成电动机M1，但同时外转子32传递部分发动机动力；当CL1、CL2、CL3同时闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38此时形成电动机M2，外转子外圈永磁体33、定子34形成发电机G1，此时部分机械功率会通过三级行星排齿圈51传递出去，而电动机功率通过三级行星排太阳轮53传递出去；当CL1、CL2、CL3同时闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38此时形成发电机G2，外转子32、定子34形成电动机M1，此时部分机械功率和电动机G2全部功率通过三级行星排齿圈51传出，部分机械功率通过三级行星排太阳轮53传出。

行车充电驱动工况：当CL1和CL3同时闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38此时形成发电机G2，发动机动力经过内转子37传出，同时带动G2发电；当CL1和CL2同时闭合时，外转子32、定子34此时形成发电机G1，此时发动机动力经外转子32传出，同时带动发动机G1发电；当CL1、CL2同时闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38此时形成发电机G2，此时动力经外转子32输出，而部分机械功率带动G2发电；当CL1、CL2、CL3同时闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38此时可形成发电机G2，外转子32、定子34可形成发电机G1，它们二者可以同时工作，提高充电效率，达到快速充电目的，也可其中一个独立工作起发电机作用。

驻车充电驱动模式：在汽车驻车时，此时只有CL1闭合，内转子37和外转子内圈永磁体38构成发电机G2，发动机动力带动G2工作给蓄电池充电，从而避免了发动机怠速运行，同时提高了汽车快速响应过程，可以解决城市道路拥挤时汽车走走停停或在等待红绿灯时无法快速响应和容易熄火的现象。

制动能量回收模式：当离合器均不闭合时，外转子外圈永磁体33、定子34构成发电机G1，车轮动力通过三级行星排行星架61传递到三级行星排齿圈51上再到外转子32上带动G1发电，从而回收了制动能量；当CL3闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38形成发电机G2回收车轮制动能量；当CL3闭合时，内转子37和外转子内圈永磁体38形成发电机G2，外转子外圈永磁体33、定子34构成发电机G1，从而双电机回收车轮制动能量，从而减少刹车制动距离，这一模式可以在紧急情况下使用，从而提高行车安全；当CL1、CL2闭合时，可用于汽车减速制动，但不关闭发动机的情况下，此时内转子37和外转子内圈永磁体38形成发电机G2，外转子外圈永磁体33、定子34构成发电机G1，发动机的动力带动G2发电，G1用于回收制动能量，这一模式适用于汽车短时间减速制动同时需要快速启动发动机的情况。

倒车模式：当汽车运行时，若CL1闭合，此时断开其它离合器，内转子37和外转子内圈永磁体38构成发电机，发动机带动其充电。而外转子32、定子34形成电动机，通过反向运转带动车轮转动从而实现倒车模式。若仅有电动机运行时，此时控制电动机反转即可实现倒车。

本发明的工作原理为：发动机动力在离合器CL1闭合后传入驱动桥，当多轴级联双转子电机不起电动机或发动机作用工作时可以纯粹当做机构一部分，起二级和三级行星排的连接作用，而当其工作在单电机、双电机、单电动机和单发电机模式下时可以发挥其本身的电机特性，其电力学特性可与整个传动系统的机械特性进行并行使用，即电功率在磁场转化下可以和机械功率耦合，通过三个离合器的不同开闭情况以及多轴级联双转子电机的不同工作情况，可以实现纯电机驱动模式、单发动机驱动模式、电机辅助动力驱动模式、ECVT驱动模式、行车充电驱动模式、驻车充电驱动模式、制动能量回收模式等七种工况，其中当电动机做为汽车主要动力源时，可以通过其反转实现倒车模式。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，其特征在于：包括发动机、驱动桥、电机控制单元；所述驱动桥包括二级行星排、多轴级联双转子电机、三级行星排和四级差速锥齿轮行星排；所述多轴级联双转子电机的外转子的两端分别为外转子输入端和外转子输出端，多轴级联双转子电机的内转子的两端分别为内转子输入端和内转子输出端；

所述发动机的输出端通过离合器CL1与二级行星排齿圈R1传动连接，二级行星排太阳轮S1与多轴级联双转子电机的内转子输入端传动连接，二级行星排行星架C1通过离合器CL2与多轴级联双转子电机外转子输入端传动连接，多轴级联双转子电机的内转子输出端通过离合器CL3与三级行星排太阳轮S2传动连接，多轴级联双转子电机外转子输出端与三级行星排齿圈R2传动连接，三级行星排行星架C2与四级差速锥齿轮行星排行星轮P3传动连接，四级差速锥齿轮行星排太阳轮分别通过半轴与车轮传动连接，所述多轴级联双转子电机与电机控制单元电连接。

2.根据权利要求1所述的用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，其特征在于：所述驱动桥还包括一级锥齿轮减速齿轮，所述发动机的输出端依次通过离合器CL1和一级锥齿轮减速齿轮与二级行星排齿圈R1减速传动连接。

3.根据权利要求2所述的用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，其特征在于：还包括蓄电池，所述蓄电池与电机控制单元电连接。

4.根据权利要求1所述的用于混合动力汽车的多轴级联机电耦合装置，其特征在于：所述多轴级联双转子电机为同心磁场调制式齿轮双转子电机。