CN111717016A - 混合动力系统及其发动机启动方法、混合动力车辆 - Google Patents

混合动力系统及其发动机启动方法、混合动力车辆 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混合动力系统及其发动机启动方法、混合动力车辆。在该单电机混合动力系统中，一方面，在发动机与变速器的输入轴之间设置一个离合器；另一方面，电机不经由上述离合器，而是经由另外两个离合器与变速器的输入轴和输出轴选择性地传动联接。这样，该混合动力系统的电机能够根据需要择一地与输入轴或输出轴传动联接，从而保证了不同情况下车辆的行驶性能；同时，该混合动力系统还不用额外设置输入轴或另一个电机，因而兼顾了整个混合动力系统的成本。

Description

混合动力系统及其发动机启动方法、混合动力车辆
技术领域
本发明涉及混合动力车辆领域，更具体地本发明涉及混合动力系统及其发动机启动方法，以及包括该混合动力系统和/或采用该发动机启动方法的混合动力车辆。
背景技术
在一种单电机混合动力系统中，根据需要有时会采用如下的架构：在发动机的发动机轴(例如发动机曲轴)与变速器的一个输入轴之间设置离合器，通过离合器的接合使得发动机轴与变速器的一个输入轴实现传动联接，通过离合器的分离使得发动机轴与变速器的一个输入轴断开传动联接；电机不经由上述离合器，而是与变速器的另一个输入轴直接连接；进一步地，两个输入轴能够选择性地通过不同的齿轮副与输出轴传动联接。这样，该单电机混合动力系统实现了所谓的P2.5架构。
但是在具有上述架构的单电机混合动力系统中，需要额外增设一个输入轴以及对应的齿轮，从而导致成本增加；而且在变速器实现某些挡位时接合的齿轮副过多导致NVH性能劣化，对车辆的行驶性能造成不良影响。
此外，在另一种单电机混合动力系统中，根据需要有时会采用如下的另一种架构：在发动机的发动机轴与变速器的至少一个输入轴之间设置离合器(例如双离合器)，通过离合器的接合使得发动机轴与变速器的至少一个输入轴实现选择性的传动联接，通过离合器的分离使发动机轴与变速器的输入轴断开传动联接；电机不经由上述离合器和变速器，而是通过齿轮副与差速器的输入齿轮传动连接；进一步地，变速器的至少一个输入轴能够选择性地通过不同的齿轮副与变速器的输出轴传动联接，变速器的输出轴上的齿轮与差速器的输入齿轮传动联接。这样，该单电机混合动力系统实现了所谓的P3架构。
但是在具有上述架构的单电机混合动力系统中，当通过电机启动发动机时电机需要向发动机侧输出较大的扭矩，因而导致电机的转速受限，对车辆的行驶性能造成不良影响。而如果单独设置用于启动发动机的电机，则导致成本增加。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点而做出了本发明。本发明的发明目的在于提供一种新型的混合动力系统，其能够兼顾混合动力系统的成本以及不同情况下车辆的行驶性能。此外，本发明的另一个发明目的在于提供该混合动力系统的发动机启动方法以及包括该混合动力系统和/或采用该发动机启动方法的混合动力车辆。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案。
本发明提供了一种如下的混合动力系统，所述混合动力系统包括变速器、一个电机和三个离合器，
所述变速器包括输入轴、输出轴和至少一个同步啮合机构，借助于所述至少一个同步啮合机构能够使得所述输入轴与所述输出轴选择性地经由不同的齿轮副实现传动联接，
所述三个离合器中的第一离合器设置在发动机与所述输入轴之间，当所述第一离合器接合时，所述发动机与所述输入轴经由所述第一离合器实现传动联接，当所述第一离合器分离时所述发动机与所述输入轴断开该传动联接，
所述三个离合器中的第二离合器设置在所述电机与所述输入轴之间，当所述第二离合器接合时所述电机与所述输入轴经由所述第二离合器实现传动联接，当所述第二离合器分离时所述电机与所述输入轴断开该传动联接，并且
所述三个离合器中的第三离合器设置在所述电机与所述输出轴之间，当所述第三离合器接合时所述电机与所述输出轴经由所述第三离合器实现传动联接，当所述第三离合器分离时所述电机与所述输出轴断开该传动联接。
优选地，所述第二离合器和/或所述第三离合器为单向离合器。
优选地，所述第二离合器为双离合器的一个离合单元，所述第三离合器为所述双离合器的第二离合单元。
更优选地，所述变速器包括多个挡位齿轮，设置于所述输入轴的所述挡位齿轮与设置于所述输出轴的所述挡位齿轮分别啮合以构成所述齿轮副。
更优选地，所述至少一个同步啮合机构设置于所述输入轴和/或所述输出轴，各所述同步啮合机构与所述多个挡位齿轮中的至少一个挡位齿轮对应。
更优选地，所述变速器还包括设置于所述输出轴并能够始终随着所述输出轴转动的输出齿轮，并且
所述混合动力系统还包括差速器，所述差速器的输入齿轮与所述输出齿轮始终处于啮合状态。
另外，本发明还提供了一种以上技术方案中任意一项技术方案所述的混合动力系统的发动机启动方法，当包括该混合动力系统的车辆处于纯电机驱动模式时所述第一离合器和所述第二离合器均分离且所述第三离合器接合，所述发动机启动方法包括：
选择预定的所述齿轮副使所述输入轴和所述输出轴实现传动联接；
使所述第三离合器分离；以及
使所述第二离合器和所述第一离合器接合，使得来自所述电机的扭矩经由所述第二离合器、所述输入轴和所述第一离合器能够传递到所述发动机并且经由所述第二离合器、所述输入轴和所述预定的齿轮副传递到所述输出轴。
优选地，所述第二离合器和所述第三离合器为单向离合器，仅通过调整所述电机的转速和扭矩来控制所述第二离合器和所述第三离合器的接合/分离。
更优选地，当所述车辆的速度超过预定阈值时，所述预定的齿轮副为传动比小于预定值的齿轮副。
此外，本发明还提供了一种如下的混合动力车辆，所述混合动力车辆包括以上技术方案中任意一项技术方案所述的混合动力系统和/或采用以上技术方案中任意一项技术方案所述的发动机启动方法。
通过采用上述技术方案，本发明提供了一种新型的混合动力系统及其发动机启动方法、混合动力车辆。在该单电机混合动力系统中，一方面，在发动机与变速器的输入轴之间设置一个离合器，通过该离合器的接合使得发动机与变速器的输入轴实现传动联接，通过该离合器的分离使发动机与变速器的输入轴断开传动联接；另一方面，电机不经由上述离合器，而是经由另外两个离合器与变速器的输入轴和输出轴选择性地传动联接。进一步地，变速器的输入轴能够选择性地通过不同的齿轮副与输出轴传动联接。
这样，根据本发明的混合动力系统的电机能够根据需要择一地与输入轴或输出轴传动联接，例如在纯电机驱动的情况下电机与输出轴传动联接(混合动力系统实现所谓的P3架构)，而在驱动车辆行驶的同时启动发动机的情况下电机与输入轴传动联接(混合动力系统实现所谓的P2架构)，从而保证了不同情况下车辆的行驶性能；同时，该混合动力系统还不用如现有技术那样额外设置输入轴或另一个电机，因而兼顾了整个混合动力系统的成本。
附图说明
图1是示出了本发明的一实施方式的混合动力系统的拓扑结构的示意图。
附图标记说明
ICE发动机EM电机C1第一离合器C2第二离合器C3第三离合器S1输入轴S2输出轴A1第一同步啮合机构A2第二同步啮合机构G11、G12、G13、G14、G21、G22、G23、G24挡位齿轮G25输出齿轮G3输入齿轮DM差速器。
具体实施方式
以下将结合说明书附图详细说明本发明的具体技术方案。需要说明的是，在本发明中，“传动联接”是指两个部件能够传递驱动力/扭矩地连接。
(根据本发明的一实施方式的混合动力系统的结构)
如图1所示，根据本发明的一实施方式的混合动力系统包括一个电机EM、三个离合器(第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3)、变速器和差速器DM。
在本实施方式中，发动机ICE为例如四缸发动机。发动机ICE相对于第一离合器C1位于变速器所在侧的相反侧，也就是说发动机ICE位于离合器C1的轴向一侧的位置，而变速器位于离合器C1的轴向另一侧的位置。发动机ICE的发动机轴(例如发动机曲轴)与变速器的输入轴S1同轴地布置，发动机ICE的发动机轴经由第一离合器C1能够与变速器的输入轴S1实现传动联接或断开传动联接。当第一离合器C1接合时，发动机ICE的发动机轴与变速器的输入轴S1就能够实现传动联接；当第一离合器C1分离时，发动机ICE的发动机轴与变速器的输入轴S1的传动联接断开。
在本实施方式中，一方面，电机EM相对于变速器的输入轴S1偏置，第二离合器C2设置在电机EM和输入轴S1之间，电机EM经由第二离合器C2能够与变速器的输入轴S1实现传动联接或断开传动联接。当第二离合器C2接合时，电机EM与变速器的输入轴S1就能够实现传动联接；当第二离合器C2分离时，电机EM与变速器的输入轴S1的传动联接断开。另一方面，电机EM相对于变速器的输出轴S2偏置，第三离合器C3设置在电机EM和输出轴S2之间，电机EM经由第三离合器C3能够与变速器的输出轴S2实现传动联接或断开传动联接。当第三离合器C3接合时，电机EM与变速器的输出轴S2就能够实现传动联接；当第三离合器C3分离时，电机EM与变速器的输出轴S2的传动联接断开。
这样，使得电机EM和变速器之间能够双向传递驱动力/扭矩。在电机EM由电池(未示出)供给电能的情况下，电机EM作为电动机选择性地向变速器的输入轴S1或输出轴S2传递驱动力/扭矩；在电机EM获得来自变速器的输出轴S2的驱动力/扭矩的情况下，电机EM作为发电机对电池充电。
在本实施方式中，第一离合器C1不是双离合器，而是具有仅一个离合单元的离合器。该第一离合器C1可以例如为干式离合器。另外，在本实施方式中，第二离合器C2和第三离合器C3为单向离合器，它们仅通过电机EM的转速和扭矩即可以控制离合器的接合/分离，因而省略了现有技术中用于驱动离合器的致动机构，从而节省了成本。
在本实施方式中，变速器具有四个挡位。该变速器包括彼此平行且间隔开设置的输入轴S1和输出轴S2。进一步地，变速器还包括用于构成与各挡位对应的齿轮副的挡位齿轮G11、G12、G13、G14和G21、G22、G23、G24，以及控制与不同挡位对应的齿轮副选择性地接合的第一同步啮合机构A1和第二同步啮合机构A2。
在本实施方式中，第一同步啮合机构A1设置于输入轴S1，第二同步啮合机构A2设置于输出轴S2。各同步啮合机构A1、A2均包括同步器系统和齿轮致动器。第一同步啮合机构A1对应于两个挡位齿轮G12、G13，第二同步啮合机构A2对应于两个档位齿轮G21、G24。以下说明变速器中构成各挡位的齿轮副。
齿轮G11设置于输入轴S1且始终随着输入轴S1转动，齿轮G21设置于输出轴S2且在与第二同步啮合机构A2接合之前不随着输出轴S2转动，齿轮G11与齿轮G21始终处于啮合状态，以构成对应于第一挡位的齿轮副。在第二同步啮合机构A2与齿轮G21接合之后，输入轴S1和输出轴S2能够经由该齿轮副传动联接。
齿轮G12与齿轮G11间隔开地设置于输入轴S1且在与第一同步啮合机构A1接合之前不随着输入轴S1转动，齿轮G22与齿轮G21间隔开地设置于输出轴S2且始终随着输出轴S2转动，齿轮G12与齿轮G22始终处于啮合状态，以构成对应于第二挡位的齿轮副。在第一同步啮合机构A1与齿轮G12接合之后，输入轴S1和输出轴S2能够经由该齿轮副传动联接。
齿轮G13与齿轮G11间隔开地设置于输入轴S1且在与第一同步啮合机构A1接合之前不随着输入轴S1转动，齿轮G23与齿轮G21间隔开地设置于输出轴S2且始终随着输出轴S2转动，齿轮G13与齿轮G23始终处于啮合状态，以构成对应于第三挡位的齿轮副。在第一同步啮合机构A1与齿轮G13接合之后，输入轴S1和输出轴S2能够经由该齿轮副传动联接。
齿轮G14与齿轮G11间隔开地设置于输入轴S1且始终随着输入轴S1转动，齿轮G24与齿轮G21间隔开地设置于输出轴S2且在与第二同步啮合机构A2接合之前不随着输出轴S2转动，齿轮G14与齿轮G24始终处于啮合状态，以构成对应于第四挡位的齿轮副。在第二同步啮合机构A2与齿轮G24接合之后，输入轴S1和输出轴S2能够经由该齿轮副传动联接。
这样，通过采用上述结构，使得变速器的挡位齿轮G11、G12、G13、G14和G21、G22、G23、G24以及同步啮合机构A1、A2设置于输入轴S1和输出轴S2，挡位齿轮G11、G12、G13、G14和G21、G22、G23、G24对应啮合以构成分别对应变速器的四个挡位的齿轮副，同步啮合机构A1、A2能够与对应的挡位齿轮G12、G13、G21、G24接合或断开接合来实现换挡。当需要变速器进行换挡作业时，同步啮合机构A1、A2的同步器系统和齿轮致动器进行动作以使得输入轴S1和输出轴S2经由对应的齿轮副实现传动联接或断开传动联接。
进一步地，变速器还包括设置于输出轴S2且始终随着输出轴S2转动的输出齿轮G25。该输出齿轮G25与差速器DM的输入齿轮G3始终处于啮合状态。这样，变速器的输出轴S2与差速器DM能够经由齿轮G25、G3构成的齿轮副传动联接。
此外，在本实施方式中，差速器DM可以为例如锥齿轮差速器。差速器DM可以独立于变速器，也可以整合到变速器中。
通过采用上述的架构，根据本发明的一实施方式的混合动力系统能够实现不同的运行模式。混合动力系统处于不同运行模式下和/或变速器处于不同挡位时驱动力/扭矩的传递路线彼此不同。
以上说明了根据本发明的一实施方式的混合动力系统的结构，以下将结合说明书附图说明该混合动力系统的发动机启动方法的示例。
(发动机启动方法)
当包括如图1所示的混合动力系统的车辆处于纯电机驱动模式时，第一离合器C1和第二离合器C2均分离且第三离合器C3接合，此时该混合动力系统处于所谓的P3架构，通过电机EM经由变速器的输出轴S3向差速器输出扭矩以用于驱动车辆的行驶。在这种情况下，根据本发明的发动机启动方法包括：
选择预定的齿轮副(例如第二同步啮合机构A2与齿轮G24接合从而选择由齿轮G14、G24构成的齿轮副)，使变速器的输入轴S1和输出轴S2经由该齿轮副实现传动联接；
使第三离合器C3分离；以及
使第二离合器C2和第一离合器C1接合，使得该混合动力系统处于所谓的P2架构，这时来自电机EM的扭矩经由第二离合器C2、输入轴S1和第一离合器C1能够传递到发动机ICE，并且经由第二离合器C2、输入轴S1和上述齿轮副传递到输出轴S2，从而进行驱动的同时启动发动机ICE。
进一步地，当第二离合器C2和第三离合器C3为嵌块超越离合器(其为本发明中的单向离合器的一种)时，仅通过调整电机EM的转速和扭矩来控制第二离合器C2和第三离合器C3的接合/分离，例如当电机EM的转子的转速与输入轴S1的转速相同时第二离合器C2接合，当电机EM的转子的转速与输出轴S2的转速相同时第三离合器C3接合，而在其它情况下第二离合器C2和第三离合器C3分离。在这种情况下，上述发动机启动方法包括：
选择预定的齿轮副(例如第二同步啮合机构A2与齿轮G24接合从而选择由齿轮G14、G24构成的齿轮副)，使变速器的输入轴S1和输出轴S2经由该齿轮副实现传动联接；
降低电机EM的转速和扭矩，使得电机EM的转速小于输出轴S2的转速，从而使得第三离合器C3分离；以及
调整电机EM的转速和扭矩，使得电机EM的转速与输入轴S2的转速相同，从而使得第二离合器C2接合，同时利用第一离合器C1的致动机构使得第一离合器C1接合，这时该混合动力系统处于所谓的P2架构，来自电机EM的扭矩经由第二离合器C2、输入轴S1和第一离合器C1能够传递到发动机ICE，并且经由第二离合器C2、输入轴S1和上述齿轮副传递到输出轴S2，从而进行驱动的同时启动发动机ICE。
当车辆的速度较高超过预定阈值的情况下启动发动机ICE时，预定的齿轮副应当选择传动比小于预定值的齿轮副，也就是说应当选择对应于较高挡位的齿轮副(例如图1中由齿轮G13、G23或齿轮G14、G24构成的齿轮副)。
进一步地，本发明还提供了一种混合动力车辆，该混合动力车辆包括具有以上结构的混合动力系统和/或采用如上所述的发动机启动方法。
当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。另外，进行如下补充说明。
(i)虽然在以上的具体实施方式中说明了第二离合器C2和第三离合器C3均为单向离合器，但是本发明不限于此。例如，第二离合器C2和第三离合器C3可以均是传统的具有仅一个离合单元的双向离合器，第二离合器C2和第三离合器C3还可以分别是双离合器的一个离合单元。但是应当理解，当采用单向离合器时由于省略了离合器致动机构，因而成本最低。
(ii)虽然在以上的具体实施方式中说明了根据本发明的混合动力系统中的变速器具有四个挡位，但是本发明不限于此，可以根据需要在根据本发明的混合动力系统中的变速器中设置任意挡位。
(iii)应当理解，当根据本发明的混合动力系统在停车状态下启动发动机ICE时，优选使得混合动力系统处于所谓的P2架构，再通过电机EM来启动发动机ICE。
(iv)虽然在以上的具体实施方式中说明了三个离合器C1、C2、C3不属于变速器，但是本发明不限于此。可以将三个离合器C1、C2、C3整合在变速器内。

Claims (10)

1.一种混合动力系统，所述混合动力系统包括变速器、一个电机(EM)和三个离合器(C1、C2、C3)，
所述变速器包括输入轴(S1)、输出轴(S2)和至少一个同步啮合机构(A1、A2)，借助于所述至少一个同步啮合机构(A1、A2)能够使得所述输入轴(S1)与所述输出轴(S2)选择性地经由不同的齿轮副实现传动联接，
所述三个离合器(C1、C2、C3)中的第一离合器(C1)设置在发动机(ICE)与所述输入轴(S1)之间，当所述第一离合器(C1)接合时，所述发动机(ICE)与所述输入轴(S1)经由所述第一离合器(C1)实现传动联接，当所述第一离合器(C1)分离时所述发动机(ICE)与所述输入轴(S1)断开该传动联接，
所述三个离合器(C1、C2、C3)中的第二离合器(C2)设置在所述电机(EM)与所述输入轴(S1)之间，当所述第二离合器(C2)接合时所述电机(EM)与所述输入轴(S1)经由所述第二离合器(C2)实现传动联接，当所述第二离合器(C2)分离时所述电机(EM)与所述输入轴(S1)断开该传动联接，并且
所述三个离合器(C1、C2、C3)中的第三离合器(C3)设置在所述电机(EM)与所述输出轴(S2)之间，当所述第三离合器(C3)接合时所述电机(EM)与所述输出轴(S2)经由所述第三离合器(C3)实现传动联接，当所述第三离合器(C3)分离时所述电机(EM)与所述输出轴(S2)断开该传动联接。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述第二离合器(C2)和/或所述第三离合器(C3)为单向离合器。
3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述第二离合器(C2)为双离合器的一个离合单元，所述第三离合器(C3)为所述双离合器的第二离合单元。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的混合动力系统，其特征在于，所述变速器包括多个挡位齿轮(G11、G12、G13、G14、G21、G22、G23、G24)，设置于所述输入轴(S1)的所述挡位齿轮(G11、G12、G13、G14)与设置于所述输出轴(S2)的所述挡位齿轮(G21、G22、G23、G24)分别啮合以构成所述齿轮副。
5.根据权利要求4所述的混合动力系统，其特征在于，所述至少一个同步啮合机构(A1、A2)设置于所述输入轴(S1)和/或所述输出轴(S2)，各所述同步啮合机构(A1、A2)与所述多个挡位齿轮(G11、G12、G13、G14、G21、G22、G23、G24)中的至少一个挡位齿轮(G12、G13、G21、G24)对应。
6.根据权利要求4所述的混合动力系统，其特征在于，
所述变速器还包括设置于所述输出轴(S2)并能够始终随着所述输出轴(S2)转动的输出齿轮(G25)，并且
所述混合动力系统还包括差速器(DM)，所述差速器(DM)的输入齿轮(G3)与所述输出齿轮(G25)始终处于啮合状态。
7.一种权利要求1至6中任一项所述的混合动力系统的发动机启动方法，当包括该混合动力系统的车辆处于纯电机驱动模式时所述第一离合器(C1)和所述第二离合器(C2)均分离且所述第三离合器(C3)接合，所述发动机启动方法包括：
选择预定的所述齿轮副使所述输入轴(S1)和所述输出轴(S2)实现传动联接；
使所述第三离合器(C3)分离；以及
使所述第二离合器(C2)和所述第一离合器(C1)接合，使得来自所述电机(EM)的扭矩经由所述第二离合器(C2)、所述输入轴(S1)和所述第一离合器(C1)能够传递到所述发动机(ICE)并且经由所述第二离合器(C2)、所述输入轴(S1)和所述预定的齿轮副传递到所述输出轴(S2)。
8.根据权利要求7所述的发动机启动方法，其特征在于，所述第二离合器(C2)和所述第三离合器(C3)为单向离合器，仅通过调整所述电机(EM)的转速和扭矩来控制所述第二离合器(C2)和所述第三离合器(C3)的接合/分离。
9.根据权利要求7或8所述的发动机启动方法，其特征在于，当所述车辆的速度超过预定阈值时，所述预定的齿轮副为传动比小于预定值的齿轮副。
10.一种混合动力车辆，所述混合动力车辆包括权利要求1至6中任一项所述的混合动力系统和/或采用权利要求7至9中任一项所述的发动机启动方法。
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CN112193050A (zh) * 2020-10-23 2021-01-08 东风汽车集团有限公司 一种单电机传动系统

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