CN109421511A - 一种混合动力汽车及其三轴式行星混联系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合动力汽车及其三轴式行星混联系统，包括发动机、行星排、第一电机、第二电机和系统输出轴，相较于传统的双行星排动力系统，结构上得到了很大地简化，相应地，控制简单，可靠性较高。而且，通过各机构仍旧能够实现现有的动力系统所能够实现的工作模式。并且，通过锁止行星排的第一端，发动机的输出扭矩通过行星排的第二端和第三端传输给系统输出轴，实现发动机的直驱功能，避免能量二次转换，减少了功率分流造成的能量损失，提高了系统效率。通过离合器能够实现高速工况下第二电机静止，避免高速工况下第二电机因高速空转而出现的弱磁损失。另外，该混联系统集成度高，便于实现模块化，通用化。

Description

一种混合动力汽车及其三轴式行星混联系统
技术领域
本发明涉及一种混合动力汽车及其三轴式行星混联系统。
背景技术
面对能源匮乏和环境污染日益严重的现状，新能源汽车是目前主要的汽车研究方向。混合动力汽车驱动系统有串联、并联和混联三种形式。串联能实现发动机的最优控制，但是能量经过二次转换损失较大；并联能实现较好的传动效率，但是发动机与输出轴机械连接，不能保证发动机始终工作在最优区域；混联兼具串联和并联的优点，是目前较为主流的驱动系统方案。
当前混联式动力系统主要采用双行星排双电机驱动动力耦合技术实现功率分流和不同的工作模式，利用对电机调速方法可实现车速和发动机转速的解耦，控制发动机时刻工作在高效区，节油潜力大。但是，目前的双行星排动力系统需要两个行星排，成本较高，而且，每个行星排均有相关的机械结构，这两个行星排之间也需要相当复杂的连接，因此，现有的双行星排动力系统结构相当复杂，相应地，控制繁琐，可靠性较低。另外，目前市场上现有行星混联系统，即双行星排动力系统的不足之处还有：1、高速工况下驱动电机空转弱磁损失大；2、发动机存在功率分流，能量二次转换系统效率低；3、高速工况下无发动机直驱功能，ISG电机在低转速区域效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合动力汽车三轴式行星混联系统，用以解决传统的双行星混联系统结构复杂的问题。本发明还提供一种混合动力汽车。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种混合动力汽车三轴式行星混联系统，包括发动机、行星排、第一电机、第二电机和系统输出轴，所述行星排中的太阳轮、行星架和齿圈中有一个是第一端，一个是第二端，一个是第三端，所述第一电机连接所述第一端，所述第一端通过制动器连接壳体，所述发动机连接所述第二端，所述第二电机通过离合器连接所述第三端，所述第三端连接所述系统输出轴。
该三轴式行星混联系统中只有一个行星排，相较于传统的双行星排动力系统，结构上得到了很大地简化，相应地，控制简单，可靠性较高。而且，虽然结构没有现有的动力系统复杂，但是，该混联系统的功能并没有减弱，通过各机构仍旧能够实现纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、发动机驱动并发电模式和制动能量回收模式等工作模式。而且，通过锁止行星排的第一端，发动机的输出扭矩通过行星排的第二端和第三端传输给系统输出轴，实现发动机的直驱功能，避免能量二次转换，减少了功率分流造成的能量损失，提高了系统效率。通过离合器能够实现高速工况下第二电机静止，避免高速工况下第二电机因高速空转而出现的弱磁损失。另外，该混联系统集成度高，便于实现模块化，通用化。
所述第一端为太阳轮，第二端为行星架，第三端为齿圈。
为了缩短系统轴向尺寸，方便布置，所述第一电机通过第一齿轮机构连接所述第一端，以使所述第一电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向一侧，所述离合器通过第二齿轮机构连接所述第三端，以使所述第二电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向另一侧。
所述第一电机所在轴线、第二电机所在轴线和所述发动机和行星排所在轴线平行。
所述混联系统包括以下工作模式：纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、发动机驱动并发电模式和制动能量回收模式，其中，
纯电动模式的控制方式是：发动机不工作，离合器结合，制动器非锁止，第一电机空转，第二电机工作于电动状态驱动整车；
发动机和电机联合驱动模式分为两个模式，第一模式的控制方式是：发动机工作，第一电机不工作，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器锁止，第二模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器非锁止；
发动机直驱模式的控制方式是：发动机工作，第一电机和第二电机均不工作，离合器分离，制动器锁止；
发动机驱动并发电模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机不工作，离合器分离，制动器非锁止；
制动能量回收模式的控制方式是：发动机不工作，第一电机空转，离合器结合，制动器非锁止，第二电机工作于发电状态。
本发明还提供一种混合动力汽车，包括一种三轴式行星混联系统，所述混联系统包括发动机、行星排、第一电机、第二电机和系统输出轴，所述行星排中的太阳轮、行星架和齿圈中有一个是第一端，一个是第二端，一个是第三端，所述第一电机连接所述第一端，所述第一端通过制动器连接壳体，所述发动机连接所述第二端，所述第二电机通过离合器连接所述第三端，所述第三端连接所述系统输出轴。
所述第一端为太阳轮，第二端为行星架，第三端为齿圈。
所述第一电机通过第一齿轮机构连接所述第一端，以使所述第一电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向一侧，所述离合器通过第二齿轮机构连接所述第三端，以使所述第二电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向另一侧。
所述第一电机所在轴线、第二电机所在轴线和所述发动机和行星排所在轴线平行。
所述混联系统包括以下工作模式：纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、发动机驱动并发电模式和制动能量回收模式，其中，
纯电动模式的控制方式是：发动机不工作，离合器结合，制动器非锁止，第一电机空转，第二电机工作于电动状态驱动整车；
发动机和电机联合驱动模式分为两个模式，第一模式的控制方式是：发动机工作，第一电机不工作，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器锁止，第二模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器非锁止；
发动机直驱模式的控制方式是：发动机工作，第一电机和第二电机均不工作，离合器分离，制动器锁止；
发动机驱动并发电模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机不工作，离合器分离，制动器非锁止；
制动能量回收模式的控制方式是：发动机不工作，第一电机空转，离合器结合，制动器非锁止，第二电机工作于发电状态。
附图说明
图1是三轴式行星混联系统结构示意图；
图2是三轴式行星混联系统控制逻辑示意图。
具体实施方式
混合动力汽车实施例
本实施例提供一种混合动力汽车，该混合动力汽车包括一种三轴式行星混联系统，当然，该混合动力汽车中还包括其他组成部分，由于其他组成部分不是本发明需要保护的发明点，本实施例就不再具体说明，以下仅针对三轴式行星混联系统进行详细描述。
三轴式行星混联系统包括发动机1、行星排、第一电机14、第二电机5和系统输出轴10。由于一般情况下第一电机14具有发电和驱动作用，因此，第一电机14以ISG电机为例，由于一般情况下第二电机5的作用是驱动整车，因此，第二电机5以驱动电机为例。
行星排包括三个端，分别称为第一端、第二端和第三端，由于行星排的三个端分别是太阳轮、行星架和齿圈，因此，第一端、第二端和第三端分别与太阳轮、行星架和齿圈中的其中一个一一对应。第一电机14连接第一端，第一端通过制动器4连接壳体，制动器4即为锁止离合器，发动机1连接第二端，第二电机5通过离合器6连接第三端，第三端连接系统输出轴10。第一端、第二端和第三端与太阳轮、行星架和齿圈的对应关系并不唯一，原则上总共有六种对应关系，不同的对应关系代表机械传动变比不同，因此，在满足运行要求的前提下，具体的对应关系可以根据实际需要进行设定，本实施例中，给出一种具体的对应关系：第一端为太阳轮，第二端为行星架，第三端为齿圈。那么，如图1所示，第一电机14连接太阳轮12，太阳轮12通过制动器4连接壳体，发动机1连接行星架11，第二电机5通过离合器6连接齿圈8，齿圈8连接系统输出轴10，系统输出轴10通过变速机构连接车轮9。另外，通常情况下，发动机1通过扭转减震器2连接行星架11。第二电机5经齿轮降速增扭后驱动车辆，降低对第二电机5的大扭矩的依赖，节约系统成本。
为了缩短系统轴向尺寸，方便布置，第一电机14布置在发动机1和行星排所在轴线的径向一侧，第二电机5布置在发动机1和行星排所在轴线的径向另一侧，为了改变传动方向，第一电机14通过第一齿轮机构连接太阳轮12，如图1所示，第一齿轮机构包括齿轮3和齿轮13，齿轮3与太阳轮12连接，齿轮3与齿轮13啮合，第一电机14与齿轮13相连接，离合器8通过第二齿轮机构连接齿圈8，如图1所示，第二齿轮机构包括齿轮7，齿轮7与齿圈8啮合，离合器8与齿轮7连接。进一步地，第一电机14所在轴线、第二电机5所在轴线和发动机1和行星排所在轴线平行设置。因此，系统采用三轴布置，第一电机14和第二电机5布置在发动机1和行星排所在轴线的径向两侧，能够缩短系统轴向尺寸，方便安装布置。
该混联系统包括以下工作模式：纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、发动机驱动并发电模式和制动能量回收模式。
(1)纯电动模式
当车辆起步或者在平坦路面低速行驶时，如果整车需求功率较小，且电池SOC＞SOCH，第二电机5单独驱动车辆，以纯电动模式工作。此时，发动机1停机不工作，离合器6处于结合状态，制动器4处于非锁止状态，第一电机14空转，第二电机5经降速增扭后驱动整车。
该模式下，混联系统的输入为第二电机5，输出为齿圈8，具体的转矩关系为：Tout＝k2TMG2，其中，k2为齿圈8与齿轮7齿数的比值，TMG2为第二电机5的输出转矩，SOC为电池电量状态，SOCH为设定的电量状态上限值。
(2)发动机和电机联合驱动模式
根据电池SOC是否充足，可以分为联合驱动模式①和联合驱动模式②。
(i)联合驱动模式①
当车辆在急加速或者爬坡工况时，整车需求扭矩和功率较大，需要发动机1和第二电机5联合驱动车辆，如果SOC＞SOCH，进入联合驱动模式①。此时，发动机1工作，第一电机14不工作，第二电机5工作于电动状态，离合器6处于结合状态，制动器4处于锁止状态。
该模式下，混联系统的输入为发动机1及第二电机5，输出为齿圈8，具体的转矩关系为：Tout＝k2TMG2+k1/(1+k1)TENG。其中，k1为齿圈8与太阳轮12齿数的比值，k2为齿圈8与齿轮7齿数的比值，TENG为发动机1的输出转矩，TMG2为第二电机5的输出转矩。
(ii)联合驱动模式②
当车辆在急加速或者爬坡工况时，整车需求扭矩和功率较大，需要发动机1和第二电机5联合驱动车辆，如果SOC≤SOCH，进入联合驱动模式②。此时，发动机1工作，第一电机14工作于发电状态，第二电机5工作于电动状态，离合器6处于结合状态，制动器4处于非锁止状态。
该模式下，混联系统的输入为发动机1及第二电机5，输出为齿圈8，具体的转矩关系为：Tout＝k2TMG2+k1/(1+k1)TENG。其中，k1为齿圈8与太阳轮12齿数的比值，k2为齿圈8与齿轮7齿数的比值，TENG为发动机1的输出转矩，TMG2为第二电机5的输出转矩。
(3)发动机直驱模式
当车辆高速巡航行驶时，整车需求功率小于等于发动机最大可输出功率，并且电池SOC充足，即Pdemand≤PENGM且SOC＞SOCH，为避免功率分流造成能量二次转换，提高系统效率，进入发动机直驱模式。并且，通过离合器6实现高速工况下第二电机5静止，避免高速工况下第二电机5弱磁损失。此时，发动机1工作，第一电机14和第二电机5均不工作，离合器6处于分离状态，制动器4处于锁止状态。
该模式下，混联系统的输入为发动机1，输出为齿圈8，具体的转矩关系为：Tout＝k1/(1+k1)TENG，其中，k1为齿圈8与太阳轮12齿数的比值，TENG为发动机1的输出转矩，Pdemand为整车需求功率，PENGM为发动机最大可输出功率。
(4)发动机驱动并发电模式
当整车需求功率小于发动机最大可输出功率，并且SOC不充足，即Pdemand≤PENGM且SOC≤SOCH，进入发动机驱动并发电模式。此时，发动机1工作，第一电机14工作于发电状态，第二电机5不工作，离合器6处于分离状态，制动器4处于非锁止状态。
该模式下，混联系统的输入为发动机1，输出为齿圈8，具体的转矩关系为：Tout＝k1/(1+k1)TENG，其中，k1为齿圈8与太阳轮12齿数的比值，TENG为发动机1的输出转矩。
(5)制动能量回收模式
当驾驶员松开油门或者踩制动时，进入制动能量回收模式。此时，发动机1停机不工作，第一电机14空转，离合器6处于结合状态，制动器4处于非锁止状态，第二电机5工作在发电状态回收能量。
该模式下，具体的转矩关系为：Tout＝k2TMG2，其中，k2为齿圈8与齿轮7齿数的比值，TMG2为第二电机5的输出转矩。
表1为几种模式下，各零部件具体的工作状态。
表1
工作模式 发动机 第一电机 第二电机 制动器 离合器
纯电动模式 不工作 空转 电动 非锁止 结合
联合驱动模式① 工作 不工作 电动 锁止 结合
联合驱动模式② 工作 发电 电动 非锁止 结合
发动机直驱模式 工作 不工作 不工作 锁止 分离
发动机驱动并发电模式 工作 发电 不工作 非锁止 分离
制动能量回收模式 不工作 空转 发电 非锁止 结合
如图2所示，为混联系统的一种具体的控制逻辑示意图，其中，SOCH、Pdemand和PENGM在上文中已给出定义，这里就不再说明，PTM为第二电机的最大功率。
第一步，根据油门踏板的状态来判定是否进入制动能量回收模式，当油门踏板未被踩下的时候，进入制动能量回收模式，否则进入第二步。
第二步，根据整车需求功率Pdemand是否大于第二电机的最大功率PTM及电池电量是否充足来判定是否进入纯电动模式，当Pdemand＜PTM且SOC＞SOCH，进入纯电模式，否则进入第三步。
第三步，当整车需求功率大于发动机最大可输出功率，即Pdemand＞PENGM，进入联合驱动模式，进入第四步，否则进入第六步。
第四步，当电池SOC充足，即SOC＞SOCH，进入联合驱动模式①，否则进入第五步。
第五步，进入联合驱动模式②。
第六步，当整车需求功率小于等于发动机最大可输出功率，即Pdemand≤PENGM，如果SOC＞SOCH，进入发动机直驱模式，否则进入第七步。
第七步，进入发动机驱动并发电模式。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
三轴式行星混联系统实施例
本实施例提供一种三轴式行星混联系统，由于上述混合动力汽车已对该混联系统做出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

Claims (10)

1.一种混合动力汽车三轴式行星混联系统，其特征在于，包括发动机、行星排、第一电机、第二电机和系统输出轴，所述行星排中的太阳轮、行星架和齿圈中有一个是第一端，一个是第二端，一个是第三端，所述第一电机连接所述第一端，所述第一端通过制动器连接壳体，所述发动机连接所述第二端，所述第二电机通过离合器连接所述第三端，所述第三端连接所述系统输出轴。
2.根据权利要求1所述的混合动力汽车三轴式行星混联系统，其特征在于，所述第一端为太阳轮，第二端为行星架，第三端为齿圈。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车三轴式行星混联系统，其特征在于，所述第一电机通过第一齿轮机构连接所述第一端，以使所述第一电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向一侧，所述离合器通过第二齿轮机构连接所述第三端，以使所述第二电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向另一侧。
4.根据权利要求3所述的混合动力汽车三轴式行星混联系统，其特征在于，所述第一电机所在轴线、第二电机所在轴线和所述发动机和行星排所在轴线平行。
5.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车三轴式行星混联系统，其特征在于，所述混联系统包括以下工作模式：纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、发动机驱动并发电模式和制动能量回收模式，其中，纯电动模式的控制方式是：发动机不工作，离合器结合，制动器非锁止，第一电机空转，第二电机工作于电动状态驱动整车；
发动机和电机联合驱动模式分为两个模式，第一模式的控制方式是：发动机工作，第一电机不工作，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器锁止，第二模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器非锁止；
发动机直驱模式的控制方式是：发动机工作，第一电机和第二电机均不工作，离合器分离，制动器锁止；
发动机驱动并发电模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机不工作，离合器分离，制动器非锁止；
制动能量回收模式的控制方式是：发动机不工作，第一电机空转，离合器结合，制动器非锁止，第二电机工作于发电状态。
6.一种混合动力汽车，其特征在于，包括一种三轴式行星混联系统，所述混联系统包括发动机、行星排、第一电机、第二电机和系统输出轴，所述行星排中的太阳轮、行星架和齿圈中有一个是第一端，一个是第二端，一个是第三端，所述第一电机连接所述第一端，所述第一端通过制动器连接壳体，所述发动机连接所述第二端，所述第二电机通过离合器连接所述第三端，所述第三端连接所述系统输出轴。
7.根据权利要求6所述的混合动力汽车，其特征在于，所述第一端为太阳轮，第二端为行星架，第三端为齿圈。
8.根据权利要求6或7所述的混合动力汽车，其特征在于，所述第一电机通过第一齿轮机构连接所述第一端，以使所述第一电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向一侧，所述离合器通过第二齿轮机构连接所述第三端，以使所述第二电机布置在所述发动机和行星排所在轴线的径向另一侧。
9.根据权利要求8所述的混合动力汽车，其特征在于，所述第一电机所在轴线、第二电机所在轴线和所述发动机和行星排所在轴线平行。
10.根据权利要求6或7所述的混合动力汽车，其特征在于，所述混联系统包括以下工作模式：纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、发动机驱动并发电模式和制动能量回收模式，其中，
纯电动模式的控制方式是：发动机不工作，离合器结合，制动器非锁止，第一电机空转，第二电机工作于电动状态驱动整车；
发动机和电机联合驱动模式分为两个模式，第一模式的控制方式是：发动机工作，第一电机不工作，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器锁止，第二模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机工作于电动状态，离合器结合，制动器非锁止；
发动机直驱模式的控制方式是：发动机工作，第一电机和第二电机均不工作，离合器分离，制动器锁止；
发动机驱动并发电模式的控制方式是：发动机工作，第一电机工作于发电状态，第二电机不工作，离合器分离，制动器非锁止；
制动能量回收模式的控制方式是：发动机不工作，第一电机空转，离合器结合，制动器非锁止，第二电机工作于发电状态。
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