CN109795310B - 一种混合动力系统及使用该混合动力系统的车辆 - Google Patents

一种混合动力系统及使用该混合动力系统的车辆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混合动力系统及使用该混合动力系统的车辆。在后齿圈上连接制动装置以控制后齿圈的转动和停止，在后太阳轮、齿圈、行星架中的两个之间通过制动装置实现两者的分离和连接，通过两制动装置的配合实现对二号电机的转速控制，以适应高速行驶和重载爬坡的需求；通过制动装置控制系统输入轴的转动和停止，从而实现对发动机的止转，可实现一号电机单独驱动、双电机联合驱动以及双电机同时制动能量回收，通过四个控制装置的协同作用可以实现多种纯电动、多种混动、发动机直驱以及多种能量回收等多种驱动模式的自由切换，提高了动力系统效率，而且可在高速运转时避免二号电机随动，从而避免能量浪费，显著提高混动车辆的动力性和经济性。

Description

一种混合动力系统及使用该混合动力系统的车辆
技术领域
本发明涉及一种混合动力系统及使用该混合动力系统的车辆。
背景技术
目前新能源汽车发展迅猛，成为当前汽车行业的研究热点，按照传动系统结构布置的不同，现有的混合动力系统分为串联、并联、混联3种。混联式混合动力系统能够兼顾串联、并联系统的优点，而备受青睐，当前混联式混合动力系统最成功的无疑是丰田的THS系统，但是THS采用单行星排结构的单模功率分流模式导致高速时传动效率较低，通用开发了双排或多排行星排动力系统，虽然提高了低速和高速时的传动效率，但是系统结构复杂，控制难度较大。
申请公布号为CN103448529A的中国专利公开了一种行星式双模油电混联混合动力系统，该混联系统包括发动机、一号电机、逆变器、超级电容(相当于动力电源)、二号电机、前行星排、后行星排、离合器(相当于第一制动装置)、系统输入轴和系统输出轴，前行星排分别包括前行星架、前太阳轮、前行星轮和前齿圈，后行星排分别包括后行星架、后太阳轮、后行星轮和后齿圈，发动机通过联轴器与系统输入轴连接，前行星排套装在系统输入轴的右端，一号电机空套在系统输入轴的左端，一号电机的右端与前行星排的左端为花键连接，离合器与前行星排为花键连接，前行星排与系统输出轴为花键连接，后行星排套装在系统输出轴上，二号电机空套在系统输出轴的右端，二号电机的左端与后行星排的右端为花键连接。
该系统虽然能实现几种模式的切换，但是依然存在以下不足：
(1)纯电动时二号电机无变速装置，工作点无法调节，无法兼顾高车速与大爬坡度；
(2)高速行驶时，二号电机一直随转存在弱磁损失；
(3)纯电模式下不能实现双电机同时驱动模式、一号电机单独驱动模式，制动模式下不能实现双电机同时制动回收。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合动力系统，以解决现有技术中存在的纯电动模式二号电机无法变速调节、高速行驶模式二号电机随转造成电能损耗以及无法双电机无法同时驱动、无法一号电机单独驱动和双电机同时制动等功能驱动模式比较单一的技术问题；本发明的目的还在于提供一种使用上述混合动力系统的车辆。
为实现上述目的，本发明的混合动力系统采用如下的技术方案：
技术方案1：混合动力系统包括前、后行星排，前行星架传动连接有发动机，前太阳轮传动连接有一号电机，前太阳轮或一号电机上或其二者之间设有第一制动装置，前齿圈传动连接有系统输出轴，后行星架与所述系统输出轴传动连接，后太阳轮传动连接有二号电机，混合动力系统还包括分别与一号、二号电机电连接的逆变器以及与逆变器电连接的动力电源，后齿圈连接有控制后齿圈转动和停止的第二制动装置，后太阳轮、后行星架和后齿圈中的其中两个通过第一离合器连接以实现连接与分离，前行星架与发动机之间还设有控制前行星架转动和停止的第三制动装置。
技术方案2：在技术方案1的基础上，后太阳轮和后行星架通过第一离合器连接。
技术方案3：在技术方案1的基础上，后太阳轮和后齿圈通过第一离合器连接。
技术方案4：在技术方案1的基础上，后行星架和后齿圈通过第一离合器连接。
技术方案5：在技术方案1-4任意一项的基础上，第一制动装置、第二制动装置和第三制动装置为制动器或离合器。
有益效果：本发明通过在后齿圈上连接第二制动装置以控制后齿圈的转动和停止，通过在后太阳轮、后齿圈和后行星架中的两个之间通过第三制动装置实现两者的分离和连接，通过第二、第三制动装置的配合可实现对二号电机的转速控制，实现高速低载荷和低速高载荷模式的切换以适应高速行驶和重载爬坡的需求；同时，通过第三制动装置控制与发动机连接的系统输入轴的停止和转动，从而实现对发动机的止转，可实现一号电机单独驱动、双电机联合驱动以及双电机同时制动能量回收，通过四个控制装置的协同作用可以实现多种纯电动、多种混动、发动机直驱以及多种能量回收等多种驱动模式的自由切换，提高了动力系统效率，而且可在高速运转时避免二号电机随动，从而避免能量浪费，显著提高混动车辆的动力性和经济性。
本发明的车辆采用如下的技术方案：
技术方案1：车辆包括混合动力系统以及与混合动力系统的系统输出轴传动连接的驱动桥、装配在驱动桥上的车轮，混合动力系统包括前、后行星排，前行星架传动连接有发动机，前太阳轮传动连接有一号电机，前太阳轮或一号电机上或其二者之间设有第一制动装置，前齿圈传动连接有系统输出轴，后行星架与所述系统输出轴传动连接，后太阳轮传动连接有二号电机，混合动力系统还包括分别与一号、二号电机电连接的逆变器以及与逆变器电连接的动力电源，后齿圈连接有控制后齿圈转动和停止的第二制动装置，后太阳轮、后行星架和后齿圈中的其中两个通过第一离合器连接以实现连接与分离，前行星架与发动机之间还设有控制前行星架转动和停止的第三制动装置。
技术方案2：在技术方案1的基础上，后太阳轮和后行星架通过第一离合器连接。
技术方案3：在技术方案1的基础上，后太阳轮和后齿圈通过第一离合器连接。
技术方案4：在技术方案1的基础上，后行星架和后齿圈通过第一离合器连接。
技术方案5：在技术方案1-4任意一项的基础上，第一制动装置、第二制动装置和第三制动装置为制动器或离合器。
有益效果：本发明通过在后齿圈上连接第二制动装置以控制后齿圈的转动和停止，通过在后太阳轮、后齿圈和后行星架中的两个之间通过第三制动装置实现两者的分离和连接，通过第二、第三制动装置的配合可实现对二号电机的转速控制，实现高速低载荷和低速高载荷模式的切换以适应高速行驶和重载爬坡的需求；同时，通过第三制动装置控制与发动机连接的系统输入轴的停止和转动，从而实现对发动机的止转，可实现一号电机单独驱动、双电机联合驱动以及双电机同时制动能量回收，通过四个控制装置的协同作用可以实现多种纯电动、多种混动、发动机直驱以及多种能量回收等多种驱动模式的自由切换，提高了动力系统效率，而且可在高速运转时避免二号电机随动，从而避免能量浪费，显著提高混动车辆的动力性和经济性。
附图说明
图1为本发明的车辆的实施例1中的混合动力系统的原理示意图；
图2为本发明的车辆的实施例2中的混合动力系统的原理示意图；
图3为本发明的车辆的实施例3中的混合动力系统的原理示意图；
图4为图1的纯电模式选择逻辑图；
图5为图1的制动模式选择逻辑图；
图中：1、发动机；2、扭转减震器；3、一号电机；4、电机控制器；5、第一制动器(或者离合器)；6A、第一行星排齿圈；6B、第一行星排行星架；6C、第一行星排太阳轮；7、动力电源；8、第二制动器(或者离合器)；9A、第二行星排齿圈；9B、第二行星排行星架；9C、第二行星排太阳轮；10、第一离合器；11、二号电机；12、输出轴；13、后桥；14、轮胎；15、第三制动器(或者离合器)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的车辆的实施例1：车辆包括车体以及混合动力系统，如图1所示，混合动力系统包括发动机1、扭转减震器2、一号电机3、电机控制器4、第一制动器(或者离合器)55、第一行星排齿圈6A、第一行星排行星架6B、第一行星排太阳轮6C、动力电源7、第二制动器(或者离合器)8、第二行星排齿圈9A、第二行星排行星架9B、第二行星排太阳轮9C、第一离合器10、二号电机11、输出轴12、后桥13、轮胎14。发动机1的输出轴通过扭转减震器2与第一行星排行星架6B相连接；一号电机3的转子与第一制动器(或者离合器)5以及第一行星排太阳轮6C相连接；第一行星排齿圈6A与第二行星排行星架9B相连接并与输出轴12相连接；二号电机11的转子与第二行星排太阳轮9C相连接；第一离合器10根据不同的布置方案，连接方式不同，本实施例的方案为：第一离合器一端与第二行星排行星架9B，一端与二号电机的转子11连接。第三制动器(或者离合器)15与第一行星排行星架6B相连接。
具体工作模式为：
一、纯电动模式下，主要包括五种工作模式：
1、纯电动工作模式1，二号电机单独驱动，低速纯电模式：第三制动器(或者离合器)15处于锁死/非锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于锁死状态，第一离合器10非锁死状态。此时系统的输入为二号电机11，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝k2TMG2，其中k2为第二行星排齿圈9A半径与太阳轮9C半径的比值，TMG2为二号电机11转矩，Tout为输出轴的输出转矩。
2、纯电动工作模式2，二号电机单独驱动，高速纯电模式：第三制动器(或者离合器)15处于锁死/非锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于非锁死状态，第一离合器10处于锁死状态。此时系统的输入为二号电机11，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝TMG2，TMG2为二号电机11转矩，Tout为输出轴的输出转矩。
3、纯电动工作模式3，一号电机单独驱动：第三制动器(或者离合器)15处于锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于非锁死状态，第一离合器10非锁死状态。此时系统的输入为一号电机3，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝k1TMG1，TMG1为一号电机3转矩，k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，Tout为输出轴的输出转矩。
4、纯电动工作模式4，双电机同时驱动低速纯电模式：第三制动器(或者离合器)15处于锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于锁死状态，第一离合器10非锁死状态。此时系统的输入为一号电机3、二号电机11，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝k1TMG1+k2TMG2，其中k2为第二行星排齿圈9A半径与太阳轮9C半径的比值，TMG2为二号电机11转矩，TMG1为一号电机3转矩，k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，Tout为输出轴的输出转矩。
5、纯电动工作模式5，双电机同时驱动高速纯电模式：第三制动器(或者离合器)15处于锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于非锁死状态，第一离合器10锁死状态。此时系统的输入为一号电机3、二号电机11，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝k1TMG1+TMG2，其中k2为第二行星排齿圈9A半径与太阳轮9C半径的比值，TMG2为二号电机11转矩，TMG1为一号电机3转矩，k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，Tout为输出轴的输出转矩。
以上五种工作模式主要基于以下原则进行选择(如图4所示)：
第一步：开始判断。
第二步：判断整车驱动功率需求Pdrive，P1为一号电机最大功率，P2为二号电机最大功率，P1＜P2。如果Pdrive＞P2，则进入第三步，否则进入第四步。
第三步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入工作模式5，否则进入工作模式4。
第四步：如果Pdrive≤P1，进入工作模式3，否则进入第五步。
第五步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入第六步，否则进入第七步。
第六步：比较工作模式2和5的效率，如果工作模式2效率>工作模式5效率，则进入工作模式2，否则进入工作模式5。
第七步：比较工作模式1和4的效率，如果工作模式1效率>工作模式4效率，则进入工作模式1，否则进入工作模式4。
二、混合动力模式下，主要包括两种工作模式：
1、混动模式1，低速混合动力模式：第三制动器(或者离合器)15处于非锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于锁死状态，第一离合器10非锁死状态。此时系统的输入为发动机1和二号电机11，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝k1/(1+k1)TE+TMG2k2，其中k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，k2为第二行星排齿圈9A半径与太阳轮9C半径的比值，TMG2为二号电机11转矩，TE为发动机1的转矩，Tout为输出轴的输出转矩，适合于低速混动以及大爬坡工况。
2、混动模式2，高速混合动力模式：第三制动器(或者离合器)15处于非锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于非锁死状态，第一离合器10锁死状态。此时系统的输入为发动机1和二号电机11，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝k1/(1+k1)TE+TMG2，其中k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，TMG2为二号电机11转矩，TE为发动机1的转矩，Tout为输出轴的输出转矩，通过第二制动器(或者离合器)8的释放与第二离合器10的锁止，降低二号电机11的转速，适合于高速混动工况。
三、发动机直驱模式：第三制动器(或者离合器)15处于非锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于非锁死状态，第一离合器10非锁死状态。此时系统的输入为发动机1，输出为输出轴12，具体的转矩关系为：Tout＝k1/(1+k1)TE，其中k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，TE为发动机1的转矩，Tout为输出轴的输出转矩，适合于车辆以高速行驶，且整车功率需求位于发动机高效区的驱动工况，避免了现有混联系统在发动机直驱时存在的机电转换问题，提高动力系统的效率。
四、制动能量回收模式包括四种模式：
1、制动能量回收模式1，二号电机单独制动，低速工况制动能量回收：
第三制动器(或者离合器)15处于锁死/非锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于锁死状态，第一离合器10非锁死状态，。此时系统的输入为输出轴12，输出为二号电机11，具体的转矩关系为：TMG2＝1/k2Tout，其中，k2为第二行星排齿圈9A半径与太阳轮9C半径的比值，TMG2为二号电机11转矩，Tout为输出轴转矩。
2、制动能量回收模式2，二号电机单独制动，高速工况制动能量回收：
第三制动器(或者离合器)15处于锁死/非锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于非锁死状态，第一离合器10锁死状态。此时系统的输入为输出轴12，输出为二号电机11，具体的转矩关系为：TMG2＝Tout，其中，TMG2为二号电机11转矩，Tout为输出轴转矩。
3、制动能量回收模式3，双电机同时制动，低速工况制动能量回收：
第三制动器(或者离合器)15处于锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于锁死状态，第一离合器10非锁死状态，。此时系统的输入为输出轴12，输出为二号电机11，具体的转矩关系为：TMG1k1+TMG2k2＝Tout，其中，k2为第二行星排齿圈9A半径与太阳轮9C半径的比值，TMG2为二号电机11转矩，TMG1为一号电机3转矩，k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，Tout为输出轴转矩。
4、制动能量回收模式4，双电机同时制动，高速工况制动能量回收：
第三制动器(或者离合器)15处于锁死状态，第一制动器(或者离合器)5处于非锁死状态，第二制动器(或者离合器)8处于非锁死状态，第一离合器10锁死状态。此时系统的输入为输出轴12，输出为二号电机11，具体的转矩关系为：TMG1k1+TMG2＝Tout，其中，TMG2为二号电机11转矩，TMG1为一号电机3转矩，k1为第一行星排齿圈6A半径与太阳轮6C半径的比值，Tout为输出轴转矩。
以上四种工作模式主要基于以下原则进行选择(如图5所示)：
第一步：开始判断。
第二步：判断整车制动功率需求Pbrake，P1为一号电机最大功率，P2为二号电机最大功率，P1＜P2。如果Pbrake＞P2，则进入第三步，否则进入第四步。
第三步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入工作模式4，否则进入工作模式3。
第四步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入工作模式2，否则进入工作模式1。
下表为几种模式下，具体各零部件的工作状态见表1：
实施例2：与实施例1的不同之处在于，如图2所示，第一离合器10的一端与第二行星排齿圈9A连接，另一端与二号电机11的转子连接，其工作过程与实施例1的工作过程相似，不再赘述。
实施例3：与实施1的不同之处在于，如图3所示，第一离合器10的一端与第二行星排齿圈9A连接，另一端与第二行星排行星架9B连接，其工作过程与实施例1的工作过程相似，不再赘述。
在其他实施例中：前行星排的输入和输出部件也可改变，例如可改变为利用行星架输出；第一制动器(或者离合器)、第二制动器(或者离合器)和第三制动器(或者离合器)也可替换为其他制动装置或制动结构。
本发明的混合动力系统的实施例与本发明的车辆的各实施例中的混合动力系统的各实施例相同，不再赘述。

Claims (10)

1.混合动力系统，包括前、后行星排，前行星架传动连接有发动机，前太阳轮传动连接有一号电机，前太阳轮或一号电机上或其二者之间设有第一制动装置，前齿圈传动连接有系统输出轴，后行星架与所述系统输出轴传动连接，后太阳轮传动连接有二号电机，混合动力系统还包括分别与一号、二号电机电连接的逆变器以及与逆变器电连接的动力电源，其特征是，后齿圈连接有控制后齿圈转动和停止的第二制动装置，后太阳轮、后行星架和后齿圈中的其中两个通过第一离合器连接以实现连接与分离，前行星架与发动机之间还设有控制前行星架转动和停止的第三制动装置，该系统的工作的主模式包括纯电驱动模式，纯电驱动模式包括子模式一～模式五，各子模式下发动机、一、二号电机、第一、二、三制动装置以及第一离合器的工作状态如下表所示：
以上五种工作模式基于以下原则进行选择：
第一步：开始判断；
第二步：判断整车驱动功率需求Pdrive，P1为一号电机最大功率，P2为二号电机最大功率，P1＜P2；如果Pdrive＞P2，则进入第三步，否则进入第四步；
第三步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入模式五，否则进入模式四；
第四步：如果Pdrive≤P1，进入模式三，否则进入第五步；
第五步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入第六步，否则进入第七步；
第六步：比较模式二和模式五的效率，如果模式二效率>模式五效率，则进入模式二，否则进入模式五；
第七步：比较模式一和模式四的效率，如果模式一效率>模式四效率，则进入模式一，否则进入模式四。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是，后太阳轮和后行星架通过第一离合器连接。
3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是，后太阳轮和后齿圈通过第一离合器连接。
4.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是，后行星架和后齿圈通过第一离合器连接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的混合动力系统，其特征是，第一制动装置、第二制动装置和第三制动装置为制动器或离合器。
6.车辆，包括混合动力系统以及与混合动力系统的系统输出轴传动连接的驱动桥、装配在驱动桥上的车轮，混合动力系统包括前、后行星排，前行星架传动连接有发动机，前太阳轮传动连接有一号电机，前太阳轮或一号电机上或其二者之间设有第一制动装置，前齿圈传动连接有系统输出轴，后行星架与所述系统输出轴传动连接，后太阳轮传动连接有二号电机，混合动力系统还包括分别与一号、二号电机电连接的逆变器以及与逆变器电连接的动力电源，其特征是，后齿圈连接有控制后齿圈转动和停止的第二制动装置，后太阳轮、后行星架和后齿圈中的其中两个通过第一离合器连接以实现连接与分离，前行星架与发动机之间还设有控制前行星架转动和停止的第三制动装置，混合动力系统的工作的主模式包括纯电驱动模式，纯电驱动模式包括子模式一～模式五，各子模式下发动机、一、二号电机、第一、二、三制动装置以及第一离合器的工作状态如下表所示：
以上五种工作模式基于以下原则进行选择：
第一步：开始判断；
第二步：判断整车驱动功率需求Pdrive，P1为一号电机最大功率，P2为二号电机最大功率，P1＜P2；如果Pdrive＞P2，则进入第三步，否则进入第四步；
第三步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入模式五，否则进入模式四；
第四步：如果Pdrive≤P1，进入模式三，否则进入第五步；
第五步：判断当前车速V与档位切换速度V切换的关系，如果，V>V切换进入第六步，否则进入第七步；
第六步：比较模式二和模式五的效率，如果模式二效率>模式五效率，则进入模式二，否则进入模式五；
第七步：比较模式一和模式四的效率，如果模式一效率>模式四效率，则进入模式一，否则进入模式四。
7.根据权利要求6所述的车辆，其特征是，后太阳轮和后行星架通过第一离合器连接。
8.根据权利要求6所述的车辆，其特征是，后太阳轮和后齿圈通过第一离合器连接。
9.根据权利要求6所述的车辆，其特征是，后行星架和后齿圈通过第一离合器连接。
10.根据权利要求6-9任意一项所述的车辆，其特征是，第一制动装置、第二制动装置和第三制动装置为制动器或离合器。
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