CN112238745A - 一种混合动力耦合系统、控制方法以及混合动力汽车 - Google Patents

一种混合动力耦合系统、控制方法以及混合动力汽车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新能源汽车技术领域，具体涉及一种混合动力耦合系统、控制方法以及混合动力汽车；包括发动机、差速器、电机组和第一离合器，所述电机组包括第一电机和第二电机；所述发动机与第一电动机传动连接，所述第一电机、第二电机分别与第一离合器传动连接；所述第三离合器与差速器传动连接；本发明通过采用耦合的三个动力源的动力，不仅可以有效降低整车的能量消耗，还可以扩充市场上紧缺的混联式动力耦合系统；当车辆在高速行驶时，发动机可以直接驱动车辆行驶，无功率循环现象出现，提升高速时的能量消耗。

Description

一种混合动力耦合系统、控制方法以及混合动力汽车
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，具体涉及一种混合动力耦合系统、控制方法以及混合动力汽车。
背景技术
随着国家油耗法规的日益严格，国家第五阶段乘用车燃料限值已经降到4l/100km，这是传统燃油车很难达到的目标值，而纯电动汽车的里程焦虑和充电焦虑也是制约纯电动汽车发展的瓶颈。因此，结合了传统燃油车和纯电动汽车优点的混合动力汽车成为了各大主机厂研发的热门车型。混联式混合动力汽车的动力耦合系统又是研发混合动力汽车的重中之重，丰田的普锐斯、本田的雅阁混动版、三菱的欧蓝德混动版、上汽乘用车的eRX5都是采用了独特的混联式动力耦合系统，但是以上系统均具有诸多的专利技术保护。
目前市场上主流的混联式动力耦合系统主要有三种：上汽的EDU混动系统、丰田的THS系统以及本田的i-MMD与三菱欧蓝德的混动系统，但是现有这些技术均存在一定的弊端。
其中
一、上汽EDU系统是通过2挡AMT和两个干湿离合器将驱动电机和ISG系统连接起来，其结构形式如下图1所示；
当车载动力电池电量较高时，仅启动TM电机驱动车辆，这是纯电动模式。
当动力电池SOC(电量)下降到一定程度时，整车控制器给出指令，这时发动机点火并驱动ISG电机发电，给动力电池充电，此时，动力电池一方面继续给TM电机供电维持行驶，另一方面增加电池SOC，这就是增程模式，或者串联模式。
当动力需求更多而TM电机无法满足时，C1离合器由常开变为常闭，这时候发动机、ISG电机与TM电机三擎共同驱动车辆，这就是并联模式。
当不踩踏板自由滑行与踩制动踏板时，制动能量会通过ISG电机或者TM电机进行发电，然后给动力电池充电，这就是能量回收模式。
当SOC较低时，发动机驱动ISG电机发电，这时候C1离合器闭合，发动机同时驱动车辆形式，C2离合器断开，这是行车充电。
当SOC较低，发动机驱动ISG电机发电，C1离合器断开，TM电机离合器闭合但TM电机处于怠速模式，这是怠速充电。
二、丰田THS系统也采用行星排的作为动力耦合装置，但是连接形式不同，特别是THS系统的发动机与行星架相连，发电机与太阳轮相连电动机与齿圈相连，更关键的是THS系统不存在离合器机构，其结构简图如图2所示。
其具体驱动模式形式如下：
纯电驱动模式下：外齿圈(MG2电机和输出轴)为正向转速，行星齿轮托架(发动机)转速为0，此时发动机为熄火状态。太阳齿轮(MG1发电机)在行星齿轮的作用下空转。
混联驱动(非高速巡航)模式下：电动机和发动机都为正转速，两者动力叠加驱动车辆加速。发电机也为正转速，进行发电。
混联驱动(高速巡航)模式下：电动机和发动机都为正转速，此时发动机保持较低转速驱动用于节省燃油，发电机为负转速(反转)发电。
制动能量回收模式：外齿圈带动电动机，电机为正转速，通过电控系统的控制，实现发电功能，发动机熄火断开连接，发电机反转发电。
停车：当遇到红灯时，发动机会自动熄火，避免怠速运行而造成的不必要的油耗损失。
但是现有技术存在一定的问题：丰田的THS系统在高速行驶时由于发动机无法直接驱动整车，发动机功率需要经过发电机到电动机才可以传递到车轮上，存在功率循环问题，严重影响节油效果；本田的i-MMD与三菱欧蓝德的混动系统均无法实现驱动电机的挡位调节，影响驱动电机在纯电模式下的工作效率；而上汽EDU系统是采用两挡AMT变速箱，换挡时，需要变速器通过离合器与动力源断开，同步器同步挡位齿轮转速才能实现换挡，换挡完成后重新结合离合器，因此造成换挡冲击较大，换挡舒适性较差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可以在实现节油效果的前提下，大大提升换挡舒适性的混合动力耦合系统、控制方法以及混合动力汽车。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案为：
提供一种混合动力耦合系统，包括发动机、差速器、电机组和第一离合器，所述电机组包括第一电机和第二电机；
所述发动机与第一电动机传动连接，所述第一电机、第二电机分别与第一离合器传动连接；
所述第三离合器与差速器传动连接。
进一步的，所述第二电机与第一离合器之间还设置有变速器；所述第一离合器包括相互配合的离合片；
所述变速器包括第二离合器、第三离合器和行星齿轮组；所述第二离合器固定设置；
所述行星齿轮组包括行星架、行星轮、齿圈和太阳轮，所述行星轮设置在行星架上，所述太阳轮与第二电机传动连接；所述齿圈同轴设置在太阳轮外，所述行星轮设置在齿圈与太阳轮之间，所述行星轮转动连接在行星架上，所述行星架与第一离合器的其中一离合片连接；所述第一离合器的另一离合片与第一电机连接；
所述第二离合器与齿圈合连接；所述齿圈通过第三离合器与太阳轮离合连接。
进一步的，所述齿圈包括内齿环和离合环，所述内齿环的直径和离合环的直径不同；
所述行星轮设置在内齿环和行星轮之间；所述第三离合器设置在离合环上。
进一步的，所述第一离合器为干式离合器，所述第二离合器和第三离合器为锁止离合器。
进一步的，所述第二离合器为常闭状态，第三离合器为常开状态。
进一步的，所述第一离合器还包括传动件，所述行星架与离合片之间通过传动件连接，所述传动件与差速器之间还设置有减速器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第二技术方案为：
一种上述混合动力耦合系统的控制方法，包括
停车模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机关闭，第三离合器断开，第一离合器断开，第二离合器结合，无动力输出，系统处于随时启动纯电动状态；
停车充电模式：发动机工作，第一电机工作，第二电机关闭，第三离合器断开，第一离合器断开，第二离合器结合，无动力输出，系统处于充电且随时启动纯电或串联状态；
纯电动模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机工作，第一离合器断开，动力从减速器传出；
发动机启动模式：系统维持当前运行模式，第一电机作为起动机工作，发动机被第一电机带动启动；
串联模式：发动机工作，第一电机作为发电机工作，第二电机工作，第一离合器分离，第二离合器和第三电机根据行驶需求选择挡位，系统处于第二电机电机驱动，发动机和第一电机为电池和第一电机提供电量；
并联模式：发动机工作，第一电机关闭，第二电机工作，第一离合器结合，第二离合器和第三电机根据需求选择挡位，系统处于发动机与第二电机共同驱动状态，动力由第二电机和发动机经行星齿轮组耦合后从行星架传递到减速器上；
发动机驱动模式：发动机工作，第一电机关闭，第二电机关闭，第一离合器结合，第三离合器分离，第二离合器结合，系统动力由发动机经第一离合器传递到行星架上，再由减速器传出；
发动机驱动且充电模式：发动机工作，第一电机作为发电机工作，第二电机关闭，第一离合器结合，第三离合器分离，第二离合器结合，动力由发动机经第一电机和第一离合器传递到行星架上，再由转减速器传出；
再生制动模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机作为发电机工作，第一离合器分离，第三离合器分离，第二离合器结合，动力由减速器传入，经行星架传递到太阳轮，带动第二电机发电，实现再生制动；
进一步的，所述纯电动模式还包括：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机工作，第一离合器断开，第三离合器断开，第二离合器结合，系统处于一挡状态，动力由第二电机经太阳轮传递到行星架上，速比为1+k，再从减速器传出；当第一离合器关闭，第三离合器结合，第二离合器断开，系统处于二挡状态，动力由第二电机经太阳轮、齿圈共同传递到行星架上，速比为1，再从减速器传出；
为了解决上述技术问题，本发明采用的第三技术方案为：
一种混合动力汽车，包括权利要求上述混合动力耦合系统以及控制方法；所述混合动力汽车还包括驱动桥和车轮；
所述差速器通过驱动桥将动力传递至车轮。
进一步的，所述混合动力汽车还包括机械制动系统；所述混合动力耦合系统的控制方法还包括：
机械制动模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机关闭，第一离合器分离，第三离合器分离，第二离合器结合，系统无动力输出或输入，整车制动力由机械制动系统提供。
本发明的有益效果在于：通过采用简单的行星排和三离合器结构耦合三个动力源的动力，实现了混合动力模式切换和换挡功能，不仅可以有效降低整车的能量消耗，还可以扩充市场上紧缺的混联式动力耦合系统；本发明中的换挡功能是通过行星排和第二离合器和第三离合器实现，由于行星排的特性，不需要在换挡时用同步器同步转速，因此不存在动力中断的现象，可以大大提升换挡舒适性；当车辆在高速行驶时，发动机可以直接驱动车辆行驶，无功率循环现象出现，提升高速时的能量消耗；采用的行星排及离合器布置位置结构紧凑，适合传统横置布置结构，便于空间布置。
附图说明
图1为上汽EDU混动系统结构简图；
图2为丰田Pruise THS混动系统结构简图；
图3所示为本发明具体实施方式的一种混合动力耦合系统的结构示意图；
标号说明：1、发动机；2、差速器；3、第一离合器；31、离合片；32、传动件；4、第一电机；5、第二电机；6、变速器；61、第二离合器；62、第三离合器；63、行星齿轮组；631、行星架；632、行星轮；633、齿圈；6331、内齿环；6332、离合环；634、太阳轮；7、减速器；8、驱动桥；9、车轮。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
实施例一
一种混合动力耦合系统，包括发动机1、差速器2、电机组和第一离合器3，所述电机组包括第一电机4和第二电机5；
所述发动机1与第一电动机传动连接，所述第一电机4、第二电机5分别与第一离合器3传动连接；
所述第三离合器62与差速器2传动连接。
所述第二电机5与第一离合器3之间还设置有变速器6；所述第一离合器3包括相互配合的离合片31；
所述变速器6包括第二离合器61、第三离合器62和行星齿轮组63；所述第二离合器61固定设置；
所述行星齿轮组63包括行星架631、行星轮632、齿圈633和太阳轮634，所述行星轮632设置在行星架631上，所述太阳轮634与第二电机5传动连接；所述齿圈633同轴设置在太阳轮634外，所述行星轮632设置在齿圈633与太阳轮634之间，所述行星轮632转动连接在行星架631上，所述行星架631与第一离合器3的其中一离合片31连接；所述第一离合器3的另一离合片31与第一电机4连接；
所述第二离合器61与齿圈离合连接；所述齿圈633通过第三离合器62与太阳轮634离合连接。
所述齿圈633包括内齿环6331和离合环6332，所述内齿环6331的直径和离合环6332的直径不同；
所述行星轮632设置在内齿环6331和行星轮632之间；所述第三离合器62设置在离合环6332上。
所述第一离合器3为干式离合器，所述第二离合器61和第三离合器62为锁止离合器。
所述第二离合器61为常闭状态，第三离合器62为常开状态。
所述第一离合器3还包括传动件32，所述行星架631与离合片31之间通过传动件32连接，所述传动件32与差速器2之间还设置有减速器7。
实施例二
一种实施例一所述混合动力耦合系统的控制方法，包括
停车模式：发动机1关闭，第一电机4关闭，第二电机5关闭，第三离合器62断开，第一离合器3断开，第二离合器61结合，无动力输出，系统处于随时启动纯电动状态；
停车充电模式：发动机1工作，第一电机4工作，第二电机5关闭，第三离合器62断开，第一离合器3断开，第二离合器61结合，无动力输出，系统处于充电且随时启动纯电状态；
纯电动模式：发动机1关闭，第一电机4关闭，第二电机5工作，第一离合器3断开，第三离合器62断开，第二离合器61结合，系统处于一挡状态，动力由第一电机4经太阳轮634传递到行星架631上，速比为1+k，再从减速器7传出；当第一离合器3关闭，第三离合器62结合，第二离合器61断开，系统处于二挡状态，动力由第一电机4经太阳轮634、齿圈633共同传递到行星架631上，速比为1，再从减速器7传出；其中的速比为1+k，其中k表示的意思：太阳轮634与齿圈633的传动比；
发动机1启动模式：系统维持当前运行模式，第一电机4作为起动机工作，发动机1被第一电机4带动启动；
串联模式：发动机1工作，第一电机4作为发电机工作，第二电机5工作，第一离合器3分离，第二离合器61和第三电机根据行驶需求选择挡位，系统处于第二电机5电机驱动，发动机1和第一电机4为电池和第一电机4提供电量；
并联模式：发动机1工作，第一电机4关闭，第二电机5工作，第一离合器3结合，第二离合器61和第三电机根据需求选择挡位，系统处于发动机1与第二电机5共同驱动状态，动力由第二电机5和发动机1经行星齿轮组63耦合后从行星架631传递到减速器7上；
发动机1驱动模式：发动机1工作，第一电机4关闭，第二电机5关闭，第一离合器3结合，第三离合器62分离，第二离合器61结合，系统动力由发动机1经第一离合器3传递到行星架631上，再由减速器7传出；
发动机1驱动且充电模式：发动机1工作，第一电机4作为发电机工作，第二电机5关闭，第一离合器3结合，第三离合器62分离，第二离合器61结合，动力由发动机1经第一电机4和第一离合器3传递到行星架631上，再由转减速器7传出；
再生制动模式：发动机1关闭，第一电机4关闭，第二电机5作为发电机工作，第一离合器3分离，第三离合器62分离，第二离合器61结合，动力由减速器7传入，经行星架631传递到太阳轮634，带动第二电机5发电，实现再生制动；
实施例三
一种混合动力汽车，包括实施例一所述混合动力耦合系统以及实施例二所述的控制方法；所述混合动力汽车还包括驱动桥8和车轮9；
所述差速器2通过驱动桥8将动力传递至车轮9。
所述混合动力汽车还包括机械制动系统；所述混合动力耦合系统的控制方法还包括：
机械制动模式：发动机1关闭，第一电机4关闭，第二电机5关闭，第一离合器3分离，第三离合器62分离，第二离合器61结合，系统无动力输出或输入，整车制动力由机械制动系统提供。
综上所述，本发明提供的一种混合动力耦合系统、控制方法以及混合动力汽，其中动力耦合系统由一个行星排和三个离合器组成，驱动第二电机5与太阳轮634连接，发动机1和电动机第一电机4(ISG电机)通过第一离合器3与行星架631连接；通过三个离合器的分离与结合，该动力耦合系统可以实现整车的停车充电、纯电动驱动、发动机1驱动、串联模式、并联模式、发动机1驱动且充电、再生制动等多种混联式混合动力汽车的工作模式，在不同的驱动需求下，通过合理的模式选择，可以有效的提升整车的油耗水平，通过仿真分析节油率可达到40％。
本发明中采用简单的行星排和三离合器结构耦合三个动力源的动力，实现了混合动力模式切换和换挡功能，不仅可以有效降低整车的能量消耗，还可以扩充市场上紧缺的混联式动力耦合系统。
本发明中的换挡功能是通过行星排和第二离合器61和第三离合器62实现，由于行星排的特性，不需要在换挡时用同步器同步转速，因此不存在动力中断的现象，可以大大提升换挡舒适性；当车辆在高速行驶时，发动机1可以直接驱动车辆行驶，无功率循环现象出现，提升高速时的能量消耗；采用的行星排及离合器布置位置结构紧凑，适合传统横置布置结构，便于空间布置。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合动力耦合系统，其特征在于，包括发动机、差速器、电机组和第一离合器，所述电机组包括第一电机和第二电机；
所述发动机与第一电动机传动连接，所述第一电机、第二电机分别与第一离合器传动连接；
所述第三离合器与差速器传动连接。
2.根据权利要求1所述的混合动力耦合系统，其特征在于，所述第二电机与第一离合器之间还设置有变速器；所述第一离合器包括相互配合的离合片；
所述变速器包括第二离合器、第三离合器和行星齿轮组；所述第二离合器固定设置；
所述行星齿轮组包括行星架、行星轮、齿圈和太阳轮，所述行星轮设置在行星架上，所述太阳轮与第二电机传动连接；所述齿圈同轴设置在太阳轮外，所述行星轮设置在齿圈与太阳轮之间，所述行星轮转动连接在行星架上，所述行星架与第一离合器的其中一离合片连接；所述第一离合器的另一离合片与第一电机连接；
所述第二离合器与齿圈离合连接；所述齿圈通过第三离合器与太阳轮离合连接。
3.根据权利要求2所述的混合动力耦合系统，其特征在于，所述齿圈包括内齿环和离合环，所述内齿环的直径和离合环的直径不同；
所述行星轮设置在内齿环和行星轮之间；所述第三离合器设置在离合环上。
4.根据权利要求2所述的混合动力耦合系统，其特征在于，所述第一离合器为干式离合器，所述第二离合器和第三离合器为锁止离合器。
5.根据权利要求2所述的混合动力耦合系统，其特征在于，所述第二离合器为常闭状态，第三离合器为常开状态。
6.根据权利要求2所述的混合动力耦合系统，其特征在于，所述第一离合器还包括传动件，所述行星架与离合片之间通过传动件连接，所述传动件与差速器之间还设置有减速器。
7.一种权利要求1-6任意一项所述混合动力耦合系统的控制方法，其特征在于，包括
停车模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机关闭，第三离合器断开，第一离合器断开，第二离合器结合，无动力输出，系统处于随时启动纯电动状态；
停车充电模式：发动机工作，第一电机工作，第二电机关闭，第三离合器断开，第一离合器断开，第二离合器结合，无动力输出，系统处于充电且随时启动纯电状态；
纯电动模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机工作，第一离合器断开，动力从减速器传出；
发动机启动模式：系统维持当前运行模式，发动机工作，第一电机作为起动机工作，发动机被第一电机带动启动；
串联模式：发动机工作，第一电机作为发电机工作，第二电机工作，第一离合器分离，第二离合器和第三电机根据行驶需求选择挡位，系统处于第二电机电机驱动，发动机和第一电机为电池和第一电机提供电量；
并联模式：发动机工作，第一电机关闭，第二电机工作，第一离合器结合，第二离合器和第三电机根据需求选择挡位，系统处于发动机与第二电机共同驱动状态，动力由第二电机和发动机经行星齿轮组耦合后从行星架传递到减速器上；
发动机驱动模式：发动机工作，第一电机关闭，第二电机关闭，第一离合器结合，第三离合器分离，第二离合器结合，系统动力由发动机经第一离合器传递到行星架上，再由减速器传出；
发动机驱动且充电模式：发动机工作，第一电机作为发电机工作，第二电机关闭，第一离合器结合，第三离合器分离，第二离合器结合，动力由发动机经第一电机和第一离合器传递到行星架上，再由转减速器传出；
再生制动模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机作为发电机工作，第一离合器分离，第三离合器分离，第二离合器结合，动力由减速器传入，经行星架传递到太阳轮，带动第二电机发电，实现再生制动。
8.一种混合动力耦合系统的控制方法，其特征在于，所述纯电动模式还包括：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机工作，第一离合器断开，第三离合器断开，第二离合器结合，系统处于一挡状态，动力由第一电机经太阳轮传递到行星架上，速比为1+k，再从减速器传出；当第一离合器关闭，第三离合器结合，第二离合器断开，系统处于二挡状态，动力由第一电机经太阳轮、齿圈共同传递到行星架上，速比为1，再从减速器传出。
9.一种混合动力汽车，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述混合动力耦合系统以及权利要求7-8任意一项的控制方法；所述混合动力汽车还包括驱动桥和车轮；
所述差速器通过驱动桥将动力传递至车轮。
10.根据权利要求9所述的混合动力汽车，其特征在于，所述混合动力汽车还包括机械制动系统；所述混合动力耦合系统的控制方法还包括：
机械制动模式：发动机关闭，第一电机关闭，第二电机关闭，第一离合器分离，第三离合器分离，第二离合器结合，系统无动力输出或输入，整车制动力由机械制动系统提供。
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