CN111823855A - 一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略 - Google Patents

Abstract

一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，本发明属于传统汽车、混合动力汽车、新能源汽车动力总成设计及制造技术领域，利用双动力源与多模式变速传动系统进行有机组合，可以获得更多样化参数动力输出。其双电机可以是性能参数完全一样的同款式电机，也可以是不同功率性能参数的电机。其系统可以有多种功率输出模式、多工况高效区工作模式，可以确保用最少档位数及最合理的速比范围前提下保证电机处于高效率工作，并满足更多路况需求，达到最优动力性、经济型。

Description

一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略

技术领域

本发明属于传统汽车、混合动力汽车、新能源汽车动力总成设计及制造技术领域。

背景技术

电动汽车产业的快速发展促进了电机及相关产业发展，同时也使车辆传动系统发生大的变化，并对变速箱高速性，噪音，可靠性，性价比提出更高要求，现有电动车变速器包括直驱，两档，三档及多档位变速器等，此类变速器大多存在一定时间动力中断，使得车辆出现顿挫现象，为了改善性能对电动及执行机构控制提出更高要求。

发明内容

本发明在专利申请“一种双动力混合系统设计方法及控制策略”(专利申请号：201810383569.9)基础上进一步改进，利用双动力源与多模式变速传动系统进行有机组合，可以获得更多样化参数动力输出。

其双电机可以是性能参数完全一样的同款式电机，也可以是不同功率性能参数的电机。诸如：1、两电机功率不同；2、两电机的高效率转速区不同，即：一个为高速电机，一个为低速电机。

1、多种功率输出模式：让不同功率参数电机分别通过不同档位传动链路径输出功率，通过对不同电机与不同档位传动链进行排列组合，可以获得多种功率输出模式，提供多种功率参数输出，具有更好动力性及经济性。

例如：电机A功率＝100kw；电机B功率＝50kw，则可以获得三种功率输出：50kw；100kw；150kw。同时再辅助以直驱及多档变换，则可以获得更加多样化功能，例如：50kw；100kw；150kw三种功率与2种档位的排列组合即可组合出6种不同参数的功率输出。如图5所示则可以输出12种不同参数的功率。

2、多工况高效区工作模式：电机A为低速电机，其允许长时间工作的最经济高效转速区在3000rpm；电机B为高速电机，其允许长时间工作的最经济高效转速区在10000rpm；则可以在低速区主要使用电机A工作，高速区主要使用电机B工作，配置合适速比的直驱减速器，则基本可以满足所有功率段的高效工作了；如果再与两档或多档位的变速传动系统进行有机排列组合将可以获得更多样化的动力输出，使得在更多工况下都能获得最佳动力性及经济性；即：电机A通过最低档传动链路径工作时，输出功率扭矩特性最符合起步工况；电机B通过最高档传动链路径工作时，输出功率扭矩转速特性最符合高速工况，可以确保用最少档位数及最合理的速比范围前提下保证电机处于高效率工作，并满足所有路况需求，达到最优动力性、经济型。

其中，两电机可以是一个可以调速或两个均可以调速的电机来完成变速换挡工作。

或者，以上双电机可以是双发动机，或电机加发动机，分别组合成传统发动机双动力，或混合动力。

另外，此电机也可以是传统内燃机、液压马达，气动马达，蒸汽机，燃气轮机，空气动力发动机，压缩空气发动机等动力源。

其双动力源中，至少有一个动力源是可以调速的动力源。

另外，可根据对输出功率需求大小来采用单动力源工作或双动力源同时工作。

对于双电机模式，为了简化同步器档位数，在电机转动惯量影响不大情况下，也可以用电机断电方式来代替分离变换器(同步器)，即：需要断开此电机动力时，不是断开同步器，而是让其断电。例如：图1、图9所示结构按照此方式处理，用电机断电代替断开变换器，则其可提供的功率流路径也是6种模式。同理：图2也可以输出6模式，图6也可以输出12模式。

为了获得多模式功率流传动路径，其功率流路径变换器(以下简称“变换器”)可以是常规同步器结构，也可以是可以跳跃交互多点位离合的功率流路径变换器，即：多点位交互变换器。

如图3所示结构，多点位交互变换器F(见虚线框内)由：链轮A结合齿(17)、电机A输出结合齿A(18)、结合套A(19)、奇数档输入轴结合齿A(20)组合而成。其中，结合套A(19)具有跳跃交互多点位离合的功能，当结合套A(19)在如图所示的F1所示位置时，链轮A结合齿(17)、奇数档输入轴结合齿A(20)二者结合，而与电机A输出结合齿A(18)分离；当结合套A(19)在如图所示的F2所示位置时(见点划线所示)，链轮A结合齿(17)、电机A输出结合齿A(18)、奇数档输入轴结合齿A(20)三者均结合；当结合套A(19)在如图所示的F3所示位置时(见双点划线所示)，电机A输出结合齿A(18)、奇数档输入轴结合齿A(20)二者结合。

注：为了更清晰表述工作原理，对于多点位交互变换器，则把变换器的各零件分开标注(如图3中虚线框内的多点位交互变换器F)，对于非跳跃交互离合的传统相邻离合式变换器，也即现有变速器通用俗名“同步器”，则不分开标注，采用常规同步器简图符号，用一个标识序号说明。

另外，当档位切换是在无动力中断的全同步条件下完成时，其功率流路径变换器(同步器)可以简化为无同步环的结合齿、结合套方案，降低成本，减小体积及重量，减小噪音。

或者；功率流路径变换器也可以用干式离合器，湿式离合器，电磁离合器，超越离合器等代替。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行具体说明：

图1：同心轴双动力2档4模式机构简图A

图2：平行轴双动力2档4模式机构简图

图3：平行轴双动力2档6模式机构简图A

图4：平行轴双动力2档6模式机构简图B

图5：平行轴双动力4档12模式机构简图

图6：平行轴双动力4档8模式机构简图

图7：同心轴双动力2档6模式机构简图A

图8：同心轴双动力2档6模式机构简图B

图9：同心轴双动力2档4模式机构简图B

其中：

1、电机A 6、双动力变换器(耦合器)

2、变速器输入轴A 7、输出轴

3、低速档齿轮副 8、高速档变换器A

4、低速档变换器A 9、高速档齿轮副

5、电机B 10、变速器输入轴B

11、链轮A 36、奇数高低档变换器

12、低速档变换器B 37、三档输入齿轮

13、高速档变换器B 38、高速档变换器D

14、链轮功率流变换器 39、三四档输出齿轮

15、链轮B 40、四档输入齿轮

16、链条 41、偶数高低档变换器

17、链轮A结合齿 42、二档输入齿轮

18、电机A输出结合齿A 43、低速档变换器D

19、结合套A 44、一二档输出齿轮

20、奇数档输入轴结合齿A 45、三档输入齿轮K

21、链轮B结合齿 46、三档输出齿轮K

22、电机B输出结合齿A 47、电机A功率流变换器

23、结合套B 48、电机B功率流变换器

24、偶数档输入轴结合齿A 49、电机A输出结合齿B

25、低档输入齿轮A 50、双动力连接轴结合齿A

26、输入高低档变换器A 51、结合套C

27、高档输入齿轮A 52、低档输入齿轮结合齿A

28、低档输出齿轮 53、高档输入齿轮结合齿A

29、低速档变换器C 54、双动力连接轴结合齿B

30、高速档变换器C 55、结合套D

31、高档输出齿轮 56、电机B输出结合齿B

32、低档输入齿轮B 57、低速档变换器E

33、输入高低档变换器B 58、高速档变换器E

34、高档输入齿轮B 59、四档输出齿轮

35、一档输入齿轮 60、轴承

注：为了让功能相同的零件排序清晰，对于同名零件标识名称命名采取增加后缀A、B、C排序，仅仅是为了区分是不同零件，并不表示特殊含义；另外，为了减少标识数量，相同机构图示区域的相同零件采用了同样的标识序号。

具体实施方式

图1：同心轴双动力2档4模式机构简图A

图7：同心轴双动力2档6模式机构简图A

图8：同心轴双动力2档6模式机构简图B

图9：同心轴双动力2档4模式机构简图B

此4图所示为双电机对峙同心轴布置方案，逐一分析如下：

图1所示：由同心对峙的电机A、电机B分别与变速器输入轴A、变速器输入轴B连接，两轴通过双动力变换器(耦合器，可以是同步器或离合器)6可以连接或断开，两轴与输出轴7之间各自分别安装有低速档齿轮副3、高速档齿轮副9，并分别通过低速档变换器A、高速档变换器A的离合控制可以改变变速器功率流路径。

其工作原理及控制逻辑关系可部分参考在先专利申请，本文主要阐述其多功率模式设计策略。如图1所示，假设：电机A功率＝100kw；电机B功率＝50kw，则对于低速档，可以通过控制双动力变换器的离合，实现输出100kw、150kw两种功率；具体为：当双动力变换器分离、高速档变换器A分离、低速档变换器A结合时，输出功率为100kw；当双动力变换器结合、高速档变换器A分离、低速档变换器A结合时，输出功率为150kw。同理，对于高速档，也可以实现输出50kw、150kw两种功率。

图9与图1的工作原理及功能完全一样，不同之处在于，图9将所有变换器位置都设计在了主动轴上，使得变换器不存在径向空间影响，从动轴上零件很少，齿轮与轴固联，通过精准设计电机及减速器减速比，可以将两轴中心距设计更紧凑，减小体积及重量。

图7与图1的区别：在各电机上增加了功率流变换器(同步器或离合器)，可以根据需要适时切断各自电机功率及转动惯量干扰，这样，可以使得每一档位增加一项功率输出参数。如图7所示，假设：电机A功率＝100kw；电机B功率＝50kw，则对于低速档，可以通过控制双动力变换器6、电机A功率流变换器47、电机B功率流变换器48的离合，实现输出50kw、100kw、150kw三种功率，具体为：当电机A功率流变换器结合、双动力变换器分离、低速档变换器A结合、高速档变换器A分离时，输出功率为100kw；当电机A功率流变换器结合、电机B功率流变换器结合、双动力变换器结合、低速档变换器A结合、高速档变换器A分离时，输出功率为150kw；当电机A功率流变换器分离、电机B功率流变换器结合、双动力变换器结合、低速档变换器A结合、高速档变换器A分离时，输出功率为50kw；同理，对于高速档，也可以实现输出50kw、100kw、150kw三种功率。

另外，如果在电机转动惯量影响不大情况下，也可以用电机断电方式来代替分离功率流变换器，即：需要断开此电机动力时，不是断开变换器，而是让其断电。例如：图1、图9所示结构按照此方式处理，用电机断电代替断开变换器，则其可提供的功率流路径也是6种模式；即：低档、高档各输出三种功率。同理：图2也可以输出6模式，图6也可以输出12模式。

图8与图7的工作原理及功能完全一样，但图8采用多点位交互变换器，简化了控制及执行系统，将5个常规变换器(同步器)整合为2个多点位交互变换器。

如图8所示结构，多点位交互变换器J(见虚线框内)由：电机A输出结合齿B(49)、双动力连接轴结合齿A(50)、结合套C(51)、低档输入齿轮结合齿A(52)组合而成。其中，结合套C(51)具有跳跃交互多点位离合的功能。

为阐述简洁，分别依次将电机A输出结合齿B(49)、双动力连接轴结合齿A(50)、低档输入齿轮结合齿A(52)用I、II、III代替，如图所示：

当结合套C(51)在如图所示的J1所示位置时，I、III结合；

当结合套C(51)在如图所示的J2所示位置时(见点划线所示)，I、II、III结合；

当结合套C(51)在如图所示的J3所示位置时(见虚线所示)，II、III结合；

当结合套C(51)在如图所示的J4所示位置时(见双点划线所示)，I、II结合；

基于此，图8通过两个多点位交互变换器实现了图7采用5个常规变换器(同步器)所能实现的功能，同样满足2档6模式的功效。结构及控制更为简单，用两控制电机即可满足所有功效需求。另外，由于两对高低档齿轮副中间无任何零件，可以使得两对齿轮副靠更近，增大转轴刚度，优化各零件及箱体强度刚度设计。

多工况高效区工作模式分析：如图1所示，假设，电机A为低速电机，其允许长时间工作的最经济高效转速区在3000rpm；电机B为高速电机，其允许长时间工作的最经济高效转速区在10000rpm；则可以在低速区主要使用电机A工作，高速区主要使用电机B工作，如果再与高低档变速传动系统进行有机排列组合将可以获得更多样化的动力输出，使得在更多工况下都能获得最佳动力性及经济性；即：电机A通过低速档齿轮副3功率流路径工作时，输出功率扭矩特性最符合起步工况；电机B通过高速档齿轮副9功率流路径工作时，输出功率扭矩转速特性最符合高速工况。

图2：平行轴双动力2档4模式机构简图

图3：平行轴双动力2档6模式机构简图A

图4：平行轴双动力2档6模式机构简图B

图5：平行轴双动力4档12模式机构简图

图6：平行轴双动力4档8模式机构简图

此5图所示为双电机平行轴布置方案，逐一分析如下：

图2其工作原理与图1类似，二者区别是空间布局不同，图1为同心轴布局，图2为平行轴布局，两轴的功率流衔接需用链轮链条或齿轮加惰轮来完成。

图3采用多点位交互变换器F，可以实现2档6模式的功效。

如图3所示结构，多点位交互变换器F(见虚线框内)由：链轮A结合齿(17)、电机A输出结合齿A(18)、结合套A(19)、奇数档输入轴结合齿A(20)组合而成。其中，结合套A(19)具有跳跃交互多点位离合的功能。

当结合套A(19)在如图所示的F1所示位置时，链轮A结合齿(17)、奇数档输入轴结合齿A(20)二者结合，而与电机A输出结合齿A(18)分离；

当结合套A(19)在如图所示的F2所示位置时(见点划线所示)，链轮A结合齿(17)、电机A输出结合齿A(18)、奇数档输入轴结合齿A(20)三者均结合；

当结合套A(19)在如图所示的F3所示位置时(见双点划线所示)，电机A输出结合齿A(18)、奇数档输入轴结合齿A(20)二者结合。

图4：平行轴双动力2档6模式机构简图B；紧凑型

图4方案是采用两组对称的高低档布置方案，可实现2档6模式功效。

特点：低档输入齿轮A(25)与低档输入齿轮B(32)的齿轮设计参数完全一样，即：二者为相同齿轮；高档输入齿轮A(27)、高档输入齿轮B(34)的齿轮设计参数完全一样，即：二者为相同齿轮；这样的设计布局，可以使得图4在用传统变换器的前提下实现图3所有功能，由于两电机在空间布置及所允许的变速传动链系统完全相同对称，所以，两电机之间无需再增加链轮链条的连接，同样可获得双电机功率的耦合输出或任一单电机通过任一速比的变速传动链输出功率，满足2档6模式功效需求。

优势分析：减少每个输入齿轮平均工作时间，延长寿命，同时使得输出齿轮在双电机工作模式下具备对称力偶输出特性(此时，上轴在同一平面)，优化齿轮及轴受力环境，虽然增加两个齿轮，但减少了链轮链条，所以寿命、噪音、安全性及性价比会更有优势。

当然，为了空间紧凑，图4方案中三轴(标识序号为2、7、10的轴)的空间布局也可以是非同一平面的三角关系，如类似现有DCT变速器的布局方式。

图5：平行轴双动力4档12模式机构简图

从表观看，图5与图4虽然都由6个齿轮组成4对啮合齿轮副，但有本质区别，如图4所示为齿轮副对称布局，从传动比数据讲，为2档变速系统，但图5为非对称布局，从传动比数据讲，为4档变速系统，其中包括：一档输入齿轮(35)、二档输入齿轮(42)、三档输入齿轮(37)、四档输入齿轮(40)，奇数高低档变换器(36)、偶数高低档变换器(41)，一二档输出齿轮(44)、三四档输出齿轮(39)，高速档变换器D(38)、低速档变换器D(43)，并通过两套多点位交互变换器H、L(见虚线框内)与各传动链的有机连接，可以使得每一档位均可以通过双电机功率耦合输出或任一单电机功率输出，从而获得4档12模式的功效。此模式等效于用双电机加4档变速传动齿轮组构造出12档功率输出，大大提升纯电动动力性及经济性，满足大功率重型商用电动车的工况需求。

图6：平行轴双动力4档8模式机构简图

为了更自由化设计各档位齿轮传动比，相比图5基础上，图6齿轮副增加一个齿轮，即：三档、四档的输出齿轮不公用，为各自独立齿轮；或一二档的输出齿轮不公用，同样可实现更自由化档位速比设计。图6所示表述了用传统变换器的方案，为4档8模式，也可以用图5的多点位交互变换器，实现4档12模式；或者，采取电机断电代替断开变换器方式，也可实现4档12模式。

注：图示齿轮大小只是示意，不代表真实速比比例，只代表不同速比，可以通过排列组合获得四种不同数值速比。

Claims (10)

1.一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：利用双动力源与多模式变速传动系统进行有机排列组合，可以获得更多样化参数功率输出。

2.根据权利要求1所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：双动力源是双电机，或双发动机，或电机加发动机，分别组合成双电机动力，传统发动机双动力，或混合动力。

3.根据权利要求1所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：双动力源也可以是传统内燃机、液压马达，气动马达，蒸汽机，燃气轮机，空气动力发动机，压缩空气发动机等动力源。

4.根据权利要求1所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：双动力源中，至少有一个动力源是可以调速的动力源，或两个均可以调速的动力源。

5.根据权利要求1所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：可根据对输出功率需求大小来采用单动力源工作或双动力源同时工作。

6.根据权利要求1所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：其动力源可以是两个动力源或两个以上动力源。

7.根据权利要求1所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：其双电机可以是性能参数完全一样的同款式电机，也可以是不同功率性能参数的电机。

8.根据权利要求1-7所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：其双电机的功率不同，与传动系统有机组合成多种功率输出模式，让不同功率参数电机分别通过不同档位传动链路径输出功率，通过对不同电机与不同档位传动链进行排列组合，可以获得多种功率输出模式，提供多种功率参数输出；

或者，两电机的高效率转速区不同，与传动系统有机组合成多工况高效区工作模式，电机A为低速电机，电机B为高速电机，在低速区主要使用电机A工作，高速区主要使用电机B工作，其传动系统可以配置合适速比的直驱减速器；或者，与两档或多档位的变速传动系统进行有机排列组合将可以获得更多样化的动力输出，使得在更多工况下都能获得最佳动力性及经济性；即：电机A通过最低档传动链路径工作时，输出功率扭矩特性最符合起步工况；电机B通过最高档传动链路径工作时，输出功率扭矩转速特性最符合高速工况，可以确保用最少档位数及最合理的速比范围前提下保证电机处于高效率工作；

对于双电机模式，也可以用电机断电方式来代替分离变换器(同步器)；

其功率流路径变换器可以是常规同步器结构，也可以是可以跳跃交互多点位离合的功率流路径变换器，即：多点位交互变换器；

其功率流路径变换器(同步器)可以简化为无同步环的结合齿、结合套结构；

功率流路径变换器也可以用干式离合器，湿式离合器，电磁离合器，超越离合器等代替。

9.根据权利要求1-8所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：由双动力同轴对峙布置，组成双电机对峙同心轴布置方案，具体为：由同心对峙的电机A、电机B分别与变速器输入轴A、变速器输入轴B连接，两轴通过双动力变换器(耦合器，可以是同步器或离合器)6可以连接或断开，两轴与输出轴7之间各自分别安装有低速档齿轮副3、高速档齿轮副9，并分别通过低速档变换器A、高速档变换器A的离合控制可以改变变速器功率流路径；

或者，将所有变换器位置都设计在了主动轴上，齿轮与轴固联；

或者，在各电机上增加了功率流变换器(同步器或离合器)，可适时切断各自电机功率及转动惯量干扰，使每一档位增加一项功率输出参数；或者，也可以用电机断电方式来代替分离功率流变换器；

或者，采用多点位交互变换器，将5个常规变换器(同步器)整合为2个多点位交互变换器，满足2档6模式，可用两控制电机执行控制指令；其中，多点位交互变换器J由：电机A输出结合齿B(49)、双动力连接轴结合齿A(50)、结合套C(51)、低档输入齿轮结合齿A(52)组合而成，结合套C(51)具有跳跃交互多点位离合的功能；当结合套C(51)在J1所示位置时，I、III结合；当结合套C(51)在J2所示位置时，I、II、III结合；当结合套C(51)在J3所示位置时，II、III结合；当结合套C(51)在J4所示位置时，I、II结合。

10.根据权利要求1-9所述的一种双动力多模式动力系统设计方法及控制策略，其特征是：由双动力平行布置，组成双动力平行轴布置方案，其双动力的功率流衔接可以通过链轮链条或齿轮加惰轮来完成；其中，可采用传统变换器组成平行轴双动力2档4模式机构；或者，采用多点位交互变换器F组成平行轴双动力2档6模式机构A，其多点位交互变换器F由：链轮A结合齿(17)、电机A输出结合齿A(18)、结合套A(19)、奇数档输入轴结合齿A(20)组合而成，其中，结合套A(19)具有跳跃交互多点位离合的功能；

当结合套A(19)在F1所示位置时，链轮A结合齿(17)、奇数档输入轴结合齿A(20)二者结合，而与电机A输出结合齿A(18)分离；

当结合套A(19)在F2所示位置时，链轮A结合齿(17)、电机A输出结合齿A(18)、奇数档输入轴结合齿A(20)三者均结合；

当结合套A(19)在F3所示位置时，电机A输出结合齿A(18)、奇数档输入轴结合齿A(20)二者结合；

或者，由两组对称的高低档传动系统组成平行轴双动力2档6模式机构简图B；其中，低档输入齿轮A(25)与低档输入齿轮B(32)为相同齿轮；高档输入齿轮A(27)、高档输入齿轮B(34)为相同齿轮；可用传统变换器实现多模式功能，两电机在空间布置及所允许的变速传动链系统完全相同对称，两电机之间无需增加链轮链条连接，每一档位均可获得双电机功率的耦合输出或任一单电机通过任一速比的变速传动链输出功率，满足2档6模式功效需求；可使输出齿轮在双电机工作模式下具备对称力偶输出特性，其三轴的空间布局可以在同一平面上，也可以是非同一平面的三角关系的布局方式；

或者，采用平行轴双动力4档12模式机构，由一档输入齿轮(35)、二档输入齿轮(42)、三档输入齿轮(37)、四档输入齿轮(40)，奇数高低档变换器(36)、偶数高低档变换器(41)，一二档输出齿轮(44)、三四档输出齿轮(39)，高速档变换器D(38)、低速档变换器D(43)，构成4档变速系统，并通过两套多点位交互变换器H、L与各传动链的有机连接，可以使得每一档位均可以通过双电机功率耦合输出或任一单电机功率输出，从而获得4档12模式的功效，用双动力加4档变速传动齿轮组构造出12档功率输出；

或者：采用平行轴双动力4档8模式机构，三四档的输出齿轮不公用，或一二档的输出齿轮不公用，为各自输入齿轮组成独立齿轮副，与传统变换器连接，组成4档8模式，也可以用多点位交互变换器，实现4档12模式；或者，采取电机断电代替断开变换器方式，实现4档12模式。

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