CN111361406A - 一种汽车混合动力系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车混合动力系统及控制方法，其包括发动机、发电机、驱动电机、离合器、行星排和传动系统，离合器设置在发动机与发电机之间，发动机通过行星排与离合器的主动部分传动连接，发电机通过传动装置与离合器的从动部分传动连接；行星排的齿圈与发动机相连接，太阳轮与离合器的从动部分传动连接；传动系统的第一输入端与驱动电机传动连接，离合器的主动部分、行星架分别与传动系统的第二输入端传动连接，传动系统的输出端用于连接汽车的轮端。该汽车混合动力系统的结构紧凑，整体布局合理，能够有效提高车内结构布置的空间利用率，且其具备多种工作模式，能够根据实际需要自动切换，有效的改善混合动力系统的动力性和经济性。

Description

一种汽车混合动力系统及控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车的动力系统领域，尤其涉及一种汽车混合动力系统及控制方法。

背景技术

混合动力汽车最常见的有油电混合动力汽车(Hybrid electric vehicle，简称HEV)及插电式混合动力汽车(Plug in hybrid electric vehicle，简称PHEV)，通常包含有发动机和电动机，发动机为消耗燃油，而电动机则为消耗电能或者为动力电池提供电能。混合动力系统保留内燃发动机及变速机构，增加电机驱动装置及电机发电装置，通过电机对发动机工况调节保证发动机在较理想的动力输出状态工作，并且能够保证低排放，同时又可以获得符合实际工况需求的动力输出。除此之外，混合动力系统还可以实现对普通汽车的换档品质以及操控性能的改善，回收制动能量。

但是，由于混合动力系统需要涉及传统发动机驱动以及电动机驱动，故而系统的结构设计往往比较复杂，且占用空间较大，会对车辆其他部件的布置造成影响。目前，在比较主流的混合动力系统中，电机普遍采用的是盘式结构，并安装在发动机与变速器之间，从而占用一定的轴向尺寸，使得整机结构的布置较为困难。另外，现有的混合动力系统大多只有一个固定档位，较难同时兼顾动力性和经济性的要求。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种汽车混合动力系统及控制方法，该汽车混合动力系统的结构紧凑，整体布局合理，能够有效提高车内结构布置的空间利用率，且其具备多种工作模式，能够根据实际需要自动切换，有效的改善混合动力系统的动力性和经济性。

基于此，本发明的技术方案为：一种汽车混合动力系统，其包括发动机、发电机、驱动电机、离合器、行星排和传动系统，所述离合器设置在所述发动机与所述发电机之间，所述发动机通过所述行星排与所述离合器的主动部分传动连接，所述发电机通过传动装置与所述离合器的从动部分传动连接；

所述行星排包括三个旋转元件，所述三个旋转元件分别是太阳轮、行星架和齿圈；

所述齿圈与所述发动机相连接，所述太阳轮与所述离合器的从动部分传动连接；

所述传动系统具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述驱动电机传动连接，所述离合器的主动部分、所述行星架分别与所述第二输入端传动连接，所述传动系统的输出端用于连接汽车的轮端。

可选的，所述传动系统包括传动比可调的第一减速机构，所述第一减速机构通过差速器连接汽车的轮端，所述驱动电机、所述发动机分别通过所述第一减速机构与所述差速器相连接以实现速比可调。

可选的，所述第一减速机构包括第一齿轮和分别与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮和第三齿轮，所述第二齿轮安装于所述第一输入端，所述第三齿轮安装于所述第二输入端；

所述第一齿轮与所述差速器传动连接，所述驱动电机通过第一连接轴与所述第二齿轮相连接，所述离合器的主动部分、所述行星架分别与所述第三齿轮相连接。

可选的，所述传动系统还包括第二减速机构，所述第一齿轮通过所述第二减速机构与所述差速器相连接；

所述第二减速机构包括相互啮合的第四齿轮和第五齿轮，所述第四齿轮通过第二连接轴与所述第一齿轮相连接，所述第五齿轮与所述差速器相连接。

可选的，所述传动装置包括第三连接轴和相互啮合的第六齿轮、第七齿轮，所述第六齿轮、所述离合器的从动部分、所述太阳轮依次连接在所述第三连接轴上，所述第七齿轮与所述发电机传动连接。

可选的，所述汽车混合动力系统还包括减振器，所述减振器的输入端与所述发动机相连接，所述减振器的输出端与所述齿圈相连接。

本发明还提供了一种基于上述汽车混合动力系统的控制方法，其包括以下步骤：

判断电池的剩余电量与第一阈值的大小关系以及车速与第二阈值的大小关系，根据判断结果，切换所述汽车混合动力系统的工作模式：

当电池剩余电量高于第一阈值时，控制所述发动机、所述发电机均不工作，断开所述离合器，所述驱动电机的动力经所述传动系统传递至汽车的轮端，使得所述汽车混合动力系统进入纯电动模式；

当电池的剩余电量低于第一阈值且车速低于第二阈值时，控制所述发电机工作，断开所述离合器，所述发电机拖动所述发动机启动，所述发动机带动所述发电机发电，所述发动机和所述驱动电机的动力均经过所述传动系统传递至汽车的轮端，使得所述汽车混合动力系统进入无级变速模式；

当电池的剩余电量低于第一阈值且车速高于第二阈值时，控制所述发电机工作，结合所述离合器，所述发电机启动所述发动机进行工作，所述发动机的动力经所述传动系统传递至汽车的轮端，使得所述汽车混合动力系统进入发动机直驱模式。

可选的，所述汽车混合动力系统的控制方法还包括：

在汽车制动时，控制所述驱动电机产生制动力矩，能够在所述驱动电机的线圈绕组中产生感应电流以向电池充电。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明的汽车混合动力系统通过控制发动机、发电机、驱动电机三者的工作与离合器的结合和断开相配合，使得车辆在行驶过程中根据电池的剩余电量值以及车速自动实现纯电动模式、无级变速模式和发动机直驱模式之间的自由切换，而行星排和传动系统对动力的传动则能够使驱动电机和发动机工作在高效的工作区。在无极变速模式下，发动机、发电机和驱动电机能够共同驱动，以实现最佳的加速性能，提高汽车在驾驶过程中的舒适性能，并最大效率的利用发动机的能量，提高动力性；发动机直驱模式下，能够有效的避免驱动电机在低工作效率区的工作，提升整体系统的经济性，由此，使得整个汽车混合动力系统能够兼顾动力性和经济性的要求。另外，该汽车混合动力系统在控制模式的切换过程中，驱动电机参与驱动，故而动力不存在中断，能够确保汽车在行驶过程中动力的持续输出。且整个汽车混合动力系统的结构设计非常简单，各部件之间的布局合理，结构紧凑，方便布置，能够有效的克服现有的并联式混合动力总成的尺寸空间大，结构复杂的缺陷，有利于装配且节省空间，极大的节省汽车内部的空间利用率。

附图说明

图1是本发明的实施例所述的汽车混合动力系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例所述的汽车混合动力系统在纯电动模式下工作的动力传递结构示意图；

图3是本发明的实施例所述的汽车混合动力系统在无级变速模式下工作的动力传递结构示意图；

图4是本发明的实施例所述的汽车混合动力系统在发动机直驱模式下工作的动力传递结构示意图；

图5是本发明的实施例所述的汽车混合动力系统的控制方法的步骤流程图。

附图标记说明：

1、发动机，2、发电机，3、驱动电机，4、离合器，5、行星排，51、太阳轮，52、行星架，53、齿圈，6、第一齿轮，7、第二齿轮，8、第三齿轮，9、差速器，10、第一连接轴，11、第四齿轮，12、第五齿轮，13、第二连接轴，14、第六齿轮，15、第七齿轮，16、第三连接轴，17、减振器，18、汽车的轮端，19、第四连接轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1至图5，本优选实施例的汽车混合动力系统包括发动机1、发电机2、驱动电机3、离合器4、行星排5和传动系统，离合器4设置在发动机1与发电机2之间，发动机1通过行星排5与离合器4的主动部分传动连接，发电机2通过传动装置与离合器4的从动部分传动连接；行星排5包括三个旋转元件，三个旋转元件分别是太阳轮51、行星架52和齿圈53；齿圈53与发动机1相连接，太阳轮51与离合器4的从动部分传动连接；传动系统具有第一输入端和第二输入端，第一输入端与驱动电机3传动连接，离合器4的主动部分、行星架52分别与第二输入端传动连接，传动系统的输出端用于连接汽车的轮端18。

基于以上结构，该汽车混合动力系统的离合器4设置在发动机1和发电机2之间，发动机1通过行星排5与离合器4的主动部分相连接，发电机2通过离合器4的从动部分与行星排5相连接，从而能够实现发电机2拖动发动机1点火启动，以及发动机1带动发电机2发电的功能，发动机1的输出轴与行星排5的齿圈53相连接，将发动机1的动力传递至行星排5，通过行星架52输出至离合器4的主动部分，进而向发电机2传动；设置在发动机1和离合器4的主动部分之间的行星排5以及设置在发电机2与离合器4的从动部分之间的传动装置，均能够实现发动机1的输出轴与发电机2的输出轴之间的速比调节，以能够区别传输至发动机1上或者发电机2上的转速，且速比范围较大，也有利于相应的减小发电机2的体积，以满足汽车的动力性和经济性的要求；发电机2的动力通过离合器4的从动部分向行星排5的太阳轮51传输，由此来实现发电机2与发动机1之间相互配合的工作关系。连接在发动机1和驱动电机3之间的传动系统则用于有效的实现速比的调节，传动系统的第一输入端用于将驱动电机3的动力传递至汽车的轮端18，传动系统的第二输入端连接行星排5的行星架52用于将发动机1的动力传递至汽车的轮端18，传动系统的两个输入端分别与发动机1和驱动电机3相连接，使得汽车在行驶过程中能够获得二者的同时驱动。该汽车混合动力系统的结构简单，汽车在行驶时，通过判断电池的剩余电量与第一阈值的大小关系和车速与第二阈值的大小关系的结果，切换混合动力系统的工作模式。具体的，当发动机1、发电机2均不工作且断开离合器4时，驱动电机3为汽车的驱动轮提供动力，实现单独用驱动电机3驱动的纯电动模式；当发电机2工作，控制离合器4断开时，发电机2通过传动装置、离合器4的从动部分和行星排5的太阳轮51拖动发动机1点火启动后，发动机1开始带动发电机2向汽车的动力电池和驱动电机3供电，并由驱动电机3和发动机1分别将动力通过传动系统传递至汽车的轮端18，使得汽车实现无级变速模式；当离合器4控制结合，发动机1工作时，其动力通过传动系统向汽车的轮端18进行传递，实现发动机直驱模式。在无极变速模式下，发动机1、发电机2和驱动电机3共同驱动，有效的实现最佳的加速性能，且能够通过调节发电机2、发动机1和驱动电机3三者的转速，使得汽车的驾驶舒适性更高，且便于最大效率的利用发动机1的能量，提高动力性能；在发动机直驱模式下，能够编驱动电机3工作在低工作效率区，提高经济性能。

其中，传动系统包括传动比可调的第一减速机构，第一减速机构通过差速器9连接汽车的轮端18，驱动电机3、发动机1分别通过第一减速机构与差速器9相连接以实现速比可调，发动机1和/或驱动电机3的动力均由第一减速机构通过差速器9传递至汽车的轮端18，有效的实现汽车行驶过程中在变速范围内的传动比的可调。第一减速机构包括第一齿轮6和分别与第一齿轮6相啮合的第二齿轮7和第三齿轮8，第二齿轮7安装于第一输入端，第三齿轮8安装于第二输入端；第二齿轮7和第三齿轮8分别向第一齿轮6传递动力，第一齿轮6与差速器9传动连接，由第一齿轮6将从第二齿轮7和第三齿轮8处获得的动力通过差速器9向汽车的轮端18进行传递，所述驱动电机3通过第一连接轴10与第二齿轮7相连接，驱动电机3工作时将动力从第一连接轴10传递给第二齿轮7，使得第二齿轮7获得动力开始转动，进一步带动与其相啮合的第一齿轮6转动，离合器4的主动部分、行星架52分别与第三齿轮8相连接，发动机1的动力通过行星排5的齿圈53传递给行星架52，使得行星架52开始转动，再由行星架52带动第三齿轮8转动，使得与第三齿轮8相啮合的第一齿轮6获得动力，并向差速器9进行输出，由此第一减速机构能够接收发动机1和驱动电机3的动力，便于实现无级变速的调节。传动系统还包括第二减速结构，第一齿轮6通过第二减速机构与差速器9相连接，即发动机1和/或驱动电机3的动力传递至第一齿轮6上时，还需要进行减速再向差速器9传递，实现汽车动力传递的两级减速，第二减速机构包括相互啮合的第四齿轮11和第五齿轮12，第四齿轮11通过第二连接轴13与第一齿轮6相连接，第五齿轮12与差速器9相连接，第一齿轮6上的动力通过第二连接轴13传递给第一齿轮6，由第四齿轮11带动与其相啮合的第五齿轮12进行转动，实现二级的减速，第五齿轮12将减速后的动力传递给差速器9，使得汽车的轮端18获得最终动力。通过传动系统能够有效的实现汽车动力模式改变下的速比的调节，灵活性更高，且因为动力能够经过两级减速，故而能够使得驱动电机3高速化，从而减小驱动电机3的体积，有利于节省空间和轻量化，方便进行布置。传动系统主要设置轴系齿轮装置，使得发动机1、发电机2和驱动电机3并排布置，通过与行星排5的配合工作，既能够使得发电机2和驱动电机3工作在高效工作区，也能够使得发动机1、发电机2和驱动电机3并排布置，节约轴向尺寸，且结构非常紧凑，方便整机的布置，减少空间的占用，为车辆的其他部件的布置提供有利的条件。

另外，连接在发电机2和离合器4之间的传动装置包括有第三连接轴16和相互啮合的第六齿轮14、第七齿轮15，第六齿轮14、离合器4的从动部分、太阳轮51依次连接在第三连接轴16上，第七齿轮15通过第四连接轴19与发电机2传动连接，相互啮合的第六齿轮14和第七齿轮15实现减速，改变传递在发电机2和发动机1之间的转速，发电机2的动力通过第四连接轴19传递给第七齿轮15，由第七齿轮15带动与其相啮合的第六齿轮14转动，并使得与第六齿轮14固定连接的第三连接轴16转动，进一步的通过第三连接轴16带动太阳轮51转动，能够实现发电机2拖动发动机1点火启动。

进一步的，该汽车混合动力系统还包括减振器17，减振器17的输入端与发动机1相连接，减振器17的输出端与齿圈53相连接，减振器17能够缓和非稳定工况下的扭转冲击载荷，改善传动的平顺性，需要说明的是，在本实施例中，减振器17的类型可以是扭转减振器17，也可以是液力耦合器，当可按照实际需要进行选择。

本发明的实施例中该提供了一种基于上述汽车混合动力系统的控制方法，具体包括如下步骤：判断电池的剩余电量与第一阈值的大小关系，判断车速与第二阈值的大小关系，根据判断的结果，切换该汽车混合动力系统的工作模式；

当电池的剩余电量高于第一阈值时，需要控制发动机1、发电机2不工作，并断开离合器4，此时，驱动电机3的动力能够通过第一连接轴10传递给第二齿轮7，并由第二齿轮7带动与其相啮合的第一齿轮6转动，第一齿轮6将动力通过第二连接轴13传递给第四齿轮11后，由第四齿轮11带动与其相啮合的第五齿轮12转动，再将动力传递给差速器9，驱动电机3的动力经过两级减速以后传递给差速器9，经过差速器9将动力传递给汽车的轮端18，从而实现车辆已纯电动模式行驶；

当电池的剩余电量低于第一阈值且车速低于第二阈值时，控制断开离合器4，此时发电机2的动力通过第四连接轴19由第七齿轮15传递给与其相啮合的第六齿轮14，并由第六齿轮14带动与其固定连接的第三连接轴16转动，进而带动行星排5的太阳轮51进行转动，实现发电机2拖动发动机1的点火启动，发动机1开始工作后，部分动力带动发电机2向电池以及驱动电机3供电，部分动力经过减振器17传递至齿圈53并带动行星架52转动，行星架52将动力传递给第三齿轮8，进而与第三齿轮8相啮合的第一齿轮6发生转动，第一齿轮6的动力通过第二连接轴13传递向第四齿轮11，经过第五齿轮12后至差速器9，发动机1的部分动力经过两级减速传递至汽车的轮端18。而驱动电机3的动力则能够经过第一连接轴10传递给第二齿轮7，并由第二齿轮7带动与其相啮合的第一齿轮6转动，第一齿轮6将动力通过第二连接轴13传递给第四齿轮11后，由第四齿轮11带动与其相啮合的第五齿轮12转动，再将动力传递给差速器9，驱动电机3的动力经过两级减速以后传递给差速器9，由此实现车辆的无极变速模式；

当电池的剩余电量低于第一阈值且车速高于第二阈值时，需要控制驱动电机3不工作，并使得离合器4结合，此时，发电机2作为启动电机使用，用于启动发动机1进行工作，发动机1的动力经过行星排5、第三齿轮8传递至第一齿轮6，再由第一齿轮6通过第二连接轴13向第四齿轮11、第五齿轮12和差速器9传递，使差速器9能够获得两级减速后的动力，此时车辆通过发动机1、发电机2的共同调速，以发动机直驱模式行驶。

当车辆在无极变速模式下进行行驶，车速高于第二阈值时，车辆将转入发动机直驱模式，由发动机1和发电机2共同调速，离合器4结合，使得车辆进入发动机直驱模式。上述三种工作模式以表格体现如下：

需要说明的是，在本实施例中，第一阈值用于判断电池的剩余电量的高低，第二阈值用于判断车速的高低，本实施例不对第一阈值和第二阈值的取值范围做限定，通常可以根据具体的控制策略自由设定，不同的控制策略下，第一阈值和第二阈值的取值都不尽相同。设定好第一阈值和第二阈值后，则自动判断并根据判断结果在三种模式间自动切换。

另外，在汽车制动时，驱动电机3能够产生制动力矩制动车轮，同时其线圈绕组中将产生感应电流向电池充电，实现制动能量的回收

本发明的汽车混合动力系统通过控制发动机1、发电机2、驱动电机3三者的工作与离合器4的结合和断开相配合，使得车辆在行驶过程中根据电池的剩余电量值以及车速自动实现纯电动模式、无级变速模式和发动机直驱模式之间的自由切换，而行星排5和传动系统对动力的传动则能够使驱动电机3和发动机1工作在高效的工作区。在无极变速模式下，发动机1、发电机2和驱动电机3能够共同驱动，以实现最佳的加速性能，提高汽车在驾驶过程中的舒适性能，并最大效率的利用发动机1的能量，提高动力性；发动机直驱模式下，能够有效的避免驱动电机3在低工作效率区的工作，提升整体系统的经济性，由此，使得整个汽车混合动力系统能够兼顾动力性和经济性的要求。另外，该汽车混合动力系统在控制模式的切换过程中，驱动电机3参与驱动，故而动力不存在中断，能够确保汽车在行驶过程中动力的持续输出。且整个汽车混合动力系统的结构设计非常简单，各部件之间的布局合理，结构紧凑，方便布置，能够有效的克服现有的并联式混合动力总成的尺寸空间大，结构复杂的缺陷，有利于装配且节省空间，极大的节省汽车内部的空间利用率。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种汽车混合动力系统，其特征在于，包括发动机、发电机、驱动电机、离合器、行星排和传动系统，所述离合器设置在所述发动机与所述发电机之间，所述发动机通过所述行星排与所述离合器的主动部分传动连接，所述发电机通过传动装置与所述离合器的从动部分传动连接；

所述行星排包括三个旋转元件，所述三个旋转元件分别是太阳轮、行星架和齿圈；

所述齿圈与所述发动机相连接，所述太阳轮与所述离合器的从动部分传动连接；

所述传动系统具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述驱动电机传动连接，所述离合器的主动部分、所述行星架分别与所述第二输入端传动连接，所述传动系统的输出端用于连接汽车的轮端。

2.如权利要求1所述的汽车混合动力系统，其特征在于，所述传动系统包括传动比可调的第一减速机构，所述第一减速机构通过差速器连接汽车的轮端，所述驱动电机、所述发动机分别通过所述第一减速机构与所述差速器相连接以实现速比可调。

3.如权利要求2所述的汽车混合动力系统，其特征在于，所述第一减速机构包括第一齿轮和分别与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮和第三齿轮，所述第二齿轮安装于所述第一输入端，所述第三齿轮安装于所述第二输入端；

所述第一齿轮与所述差速器传动连接，所述驱动电机通过第一连接轴与所述第二齿轮相连接，所述离合器的主动部分、所述行星架分别与所述第三齿轮相连接。

4.如权利要求3所述的汽车混合动力系统，其特征在于，所述传动系统还包括第二减速机构，所述第一齿轮通过所述第二减速机构与所述差速器相连接；

所述第二减速机构包括相互啮合的第四齿轮和第五齿轮，所述第四齿轮通过第二连接轴与所述第一齿轮相连接，所述第五齿轮与所述差速器相连接。

5.如权利要求1至4任一项所述的汽车混合动力系统，其特征在于，所述传动装置包括第三连接轴和相互啮合的第六齿轮、第七齿轮，所述第六齿轮、所述离合器的从动部分、所述太阳轮依次连接在所述第三连接轴上，所述第七齿轮与所述发电机传动连接。

6.如权利要求1至4任一项所述的汽车混合动力系统，其特征在于，还包括减振器，所述减振器的输入端与所述发动机相连接，所述减振器的输出端与所述齿圈相连接。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的汽车混合动力系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

判断电池的剩余电量与第一阈值的大小关系以及车速与第二阈值的大小关系，根据判断结果，切换所述汽车混合动力系统的工作模式：

当电池剩余电量高于第一阈值时，控制所述发动机、所述发电机均不工作，断开所述离合器，所述驱动电机的动力经所述传动系统传递至汽车的轮端，使得所述汽车混合动力系统进入纯电动模式；

当电池的剩余电量低于第一阈值且车速低于第二阈值时，控制所述发电机工作，断开所述离合器，所述发电机拖动所述发动机启动，所述发动机带动所述发电机发电，所述发动机和所述驱动电机的动力均经过所述传动系统传递至汽车的轮端，使得所述汽车混合动力系统进入无级变速模式；

当电池的剩余电量低于第一阈值且车速高于第二阈值时，控制所述发电机工作，结合所述离合器，所述发电机启动所述发动机进行工作，所述发动机的动力经所述传动系统传递至汽车的轮端，使得所述汽车混合动力系统进入发动机直驱模式。

8.如权利要求7所述的汽车混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述汽车混合动力系统的控制方法还包括：

在汽车制动时，控制所述驱动电机产生制动力矩，能够在所述驱动电机的线圈绕组中产生感应电流以向电池充电。

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