CN113858934A - 一种混合动力系统及采用混合动力系统的车辆 - Google Patents
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- B60K6/50—Architecture of the driveline characterised by arrangement or kind of transmission units
- B60K6/54—Transmission for changing ratio
Abstract
一种混合动力系统，包括发动机、第一电机、第二电机、第一行星齿轮组、第二行星齿轮组和第三行星齿轮组，发动机与变速箱输入轴一端相连，变速箱输入轴另一端与第一行星齿轮组的齿圈相连，第一行星齿轮组的行星架与第二行星齿轮组的行星架相连并通过第一离合器与第三行星齿轮组的行星架相连，第三行星齿轮组的齿圈通过第二离合器与变速箱壳体相连，第三行星齿轮组的行星架与变速箱输出轴相连，第一电机与第一行星齿轮组的太阳轮相连并通过第四离合器与第二行星齿轮组的齿圈相连，第二电机与第二行星齿轮组以及第三行星齿轮组的太阳轮相连并通过第三离合器与变速箱壳体相连。本发明可以实现多种工作模式，提高发动机工作效率，节能环保，冗余度高。
Description
技术领域
本发明涉及车辆，尤其涉及一种混合动力系统及采用混合动力系统的车辆。
背景技术
纯电动汽车由于零排放的优势，对改善全球空气质量有着重大意义，但是受限于电池技 术水平，存在制造成本高、容量小、充电时间长等不足，使得纯电动汽车的应用受到很大的 限制。针对于纯电动汽车存在的问题，目前常用的解决方案是采用混合动力系统。
行星齿轮机构具有多自由度的特点，在混合动力系统中多利用两个电机来限制其自由度。 通过两个电机分别对发动机的转速和转矩完全解耦，使发动机工作点可以自由控制，实现无 极变速，并最大限度地提高混合动力系统的燃油经济性。目前混合动力系统多采用双行星排 对动力系统进行解耦，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，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两者通过第一 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。这种动力系统虽能实现纯电动和混合驱动模式的变换，但是无法实现发动机直 驱模式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可以实现多种工作模式，提 高发动机工作效率，节能环保，冗余度高的混合动力系统。
本发明进一步提供一种采用上述混合动力系统的车辆。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种混合动力系统，包括发动机、第一电机、第二电机、第一行星齿轮组、第二行星齿 轮组，还包括第三行星齿轮组，所述发动机与变速箱输入轴一端相连，变速箱输入轴另一端 与所述第一行星齿轮组的齿圈相连，第一行星齿轮组的行星架与所述第二行星齿轮组的行星 架相连并通过第一离合器与所述第三行星齿轮组的行星架相连，第三行星齿轮组的齿圈通过 第二离合器与变速箱壳体相连，第三行星齿轮组的行星架与变速箱输出轴相连，所述第一电 机与第一行星齿轮组的太阳轮相连并通过第四离合器与第二行星齿轮组的齿圈相连，所述第 二电机与第二行星齿轮组的太阳轮以及第三行星齿轮组的太阳轮相连并通过第三离合器与变 速箱壳体相连。
作为上述技术方案的进一步改进：
混合动力系统具备第一无级变速驱动模式，此时第一离合器、第三离合器及第四离合器 断开，第二离合器结合。
所述第一无级变速驱动模式包括纯电驱动模式，此时发动机和第一电机不工作，第二电 机动力通过第三行星齿轮组减速增扭输出。
混合动力系统还包括储能模块，所述第一无级变速驱动模式还包括混合驱动模式，此时 发动机动力经过第一行星齿轮组分流，一部分分流至第一电机，第一电机处于发电模式将发 动机输出机械能转换为电能，该电能输出至所述储能模块存储或经过第二电机转换为机械能 驱动车辆；另一部分分流至第三行星齿轮组的太阳能，与第二电机共同驱动车辆。
混合动力系统具备第二无级变速驱动模式，此时第一离合器结合，第二离合器、第三离 合器及第四离合器断开。
所述第二无级变速驱动模式包括纯电驱动模式，此时发动机停止工作，第一电机和第二 电机通过第二行星齿轮组共同驱动车辆。
混合动力系统还包括储能模块，所述第二无级变速驱动模式还包括混合驱动模式，此时 发动机动力经过第一行星齿轮组和第二行星齿轮组分流，一部分分流至第二电机，第二电机 处于发电模式将发动机输出机械能转换为电能并输出至所述储能模块存储；另一部分分流至 第一行星齿轮组的行星架，与第一电机共同驱动车辆。
混合动力系统具备发动机变速驱动模式，发动机变速驱动模式包括固定速比1挡，此时 第二离合器和第四离合器结合，第一离合器和第三离合器断开，发动机动力通过第三行星齿 轮组进行减速增扭输出；固定速比2挡，此时第一离合器和第二离合器结合，第三离合器和 第四离合器断开；固定速比3挡，此时第一离合器和第四离合器结合，第二离合器和第三离 合器断开；固定速比4挡，第一离合器和第三离合器结合，第二离合器和第四离合器断开， 第二电机不工作，发动机动力经过第一行星齿轮组和第二行星齿轮组增速减扭后输出至输出 轴。
混合动力系统具备无动力传输模式，此时第一离合器、第二离合器、第三离合器及第四 离合器均断开。
混合动力系统还包括储能模块，混合动力系统具备制动回收模式，在车辆刹车时，第一 电机和第二电机处于发电模式回收车辆动能并存储在储能模块。
混合动力系统还包括机械油泵和电子油泵，所述机械油泵及电子油泵的油泵电机均与所 述变速箱输入轴相连。
一种车辆，包括车轮，还包括上述的混合动力系统，变速箱输出轴与所述车轮通过传动 轴相连。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的混合动力系统：
1)采用三组行星齿轮组进行多动力耦合，利用行星齿轮组两自由度特点，耦合发动机、 第一电机及第二电机动力后输出，从而使发动机与整车运行车速解耦，实现发动机无级变速， 发动机相对不同车辆运营工况条件下均能够稳定的工作在高效区，从而提升发动机的工作效 率，实现节能减排；
2)通过多个离合器的配合，可实现整车双模式混动动力驱动，四速比发动机直驱等多种 模式，以满足整车不同需求；
3)在各个模式下，两个电机至少有一个可以参与驱动，从而补充发动机动力不足的情况， 在制动时，至少有一个电机可以参与能量回收；
4)通过四个离合器的配合，可以实现发动机四个固定速比机械传动，可以减少能量转换 过程中的损耗，提升整车经济性，同时保证发送机工作在经济区域；
5)通过四个离合器均断开，整车可实现无动力传输模式，该模式可以作为变速箱空挡使 用；
6)系统具备高冗余度，当其中的部分部件，如某一离合器中的某一部件出现故障时，或 均出现故障时，整车仍可以通过发动机、储能模块与行星齿轮组配合，实现整车的坡形运行； 或在整车的储能模块、电控系统等高压部件出现故障时，整车可以通过发动机及各离合器配 合，以传统模式运行；从而避免了整车某一部分部件故障时导致整车无法运行的问题。
本发明公开的车辆，采用上述混合动力系统，因此同样具备上述优点。
附图说明
图1是本发明混合动力系统及采用混合动力系统的车辆的结构示意图。
图2是本发明混合动力系统处于第一无级变速驱动模式中的纯电驱动模式的动力流图。
图3是本发明混合动力系统处于第一无级变速驱动模式中的混合驱动模式的动力流图。
图4是本发明混合动力系统处于第二无级变速驱动模式中的纯电驱动模式的动力流图。
图5是本发明混合动力系统处于第二无级变速驱动模式中的混合驱动模式的动力流图。
图6是本发明混合动力系统处于发动机变速驱动模式中的固定速比1挡的动力流图。
图7是本发明混合动力系统处于发动机变速驱动模式中的固定速比2挡的动力流图。
图8是本发明混合动力系统处于发动机变速驱动模式中的固定速比3挡的动力流图。
图9是本发明混合动力系统处于发动机变速驱动模式中的固定速比4挡的动力流图。
图中各标号表示：1、发动机；2、储能模块；3、24V低压电池；4、控制总成；5、转向 电机；6、打气泵电机；7、传动轴；8、车轮；9、第一离合器；10、第二离合器；11、第三 行星齿轮组；12、第二电机；13、第三离合器；14、第四离合器；15、第二行星齿轮组；16、 第一电机；17、第一行星齿轮组；18、电子油泵；19、油泵电机；20、扭转减振器。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
图1示出了本发明混合动力系统的一种实施例，本实施例的混合动力系统的机械结构具 体为：发动机1与扭转减振器20连接，扭振减振器20与变速箱输入轴相连，变速箱输入轴 上连接油泵电机19、变速箱电子油泵18以及机械油泵；变速箱输入轴与第一行星齿轮组17 的齿圈相连；第一电机16与第一行星齿轮组17的太阳轮相连，并通过第四离合器14与第二 行星齿轮组15的齿圈相连；第二电机12与第二行星齿轮组15的太阳轮、第三行星齿轮组 11的太阳轮相连，并通过第三离合器13与变速箱壳体相连；第一行星齿轮组17的行星架与 第二行星齿轮组15的行星架相连，并通过第一离合器9与第三行星齿轮组11的行星架相连； 第三行星齿轮组11的齿圈通过第二离合器10与变速箱壳体相连，第三行星齿轮组11的行星 架与变速箱输出轴相连作为动力输出，并连接传动轴7，从而将动力输出至车轮8。其中，第 一离合器9、第二离合器10、第三离合器13与第四离合器14优选采用湿式多片离合器；变 速箱输入轴采用电子油泵18，从而实现整车在停车发电工况或发动机1转速较低下时，通过 该电子油泵18实现发电机及相应行星齿轮部件的润滑与冷却，避免在该工况下时，由于电机 与齿轮的润滑、冷却不足导致的齿轮、轴承及电机等部件的烧损；除了在输入轴采用电子油 泵18外，还设置了机械油泵，在整车运行后，通过变速箱输入轴驱动该机械油泵工作，为电 机、及相应的行星齿轮部件提供润滑冷却油与润滑，从而避免了电子油泵18长时间工作，有 效提升电子油泵18的工作寿命
作为优选的技术方案，本实施例的混合动力系统的电气连接结构：包括高压、低压控制 连接两部分，其中高压部分具体为储能模块2的高压正负电缆连接至控制总成4，在控制总 成4内部包含有两个电机逆变控制模块，通过电机逆变控制模块分别与第一电机16及第二电 机12的定子三相线UVW连接，24V低压电池3的正负电缆连接至控制总成4内部的DC/DC 模块，转向电机5、打气泵电机6UVW三相线分别连接至控制总成4内部的DC/AC模块。 其低压控制主要通过CAN总线将控制总成4与发动机1ECU进行连接，以进行通讯协调控制。
通过上述系统构型，本实施例的混合动力系统具备可变传动比的双模式混合动力驱动、 四个固定速比挡位的传统动力驱动以及无动力传输等工作模式说明具体如下：
混合动力系统的应用实施例一
第一无极变速驱动模式：此状态下，第二离合器10结合、第一离合器9、第三离合器13 与第四离合器14断开，该模式主要适用于车速较低以及需求最大牵引力时，处于该模式时可 以通过以下方式驱动车辆：
参见图2，纯电驱动模式；发动机1与第一电机16停止工作，第二电机12动力通过第三行星齿轮组11减速增扭输出，减速比为1+k3，其中K3为第三行星齿轮组11的齿圈齿数 /太阳轮齿数。
混合动力系统的应用实施例二
参见图3，混合驱动模式；发动机1动力经第一行星齿轮组17功率分流，一部分分流至第一电机16，第一电机16工作于发电模式，将发动机1输出的机械能转换为电能，该电 能可输出至储能模块2，也可通过控制总成4经第二电机12转换为机械能驱动整车行驶；一 部分分流至第三行星齿轮组11的太阳轮，与第二电机12一起驱动车辆；此状态下，第一电 机16作为发电机，以转速环控制模式进行调速控制以配合发动机1始终工作在经济区间。由行星齿轮转速特性可知：其中发动机1转速neng，第一电机16转速nm1及第二电机12转速nm2满足以下关系：
其中，K1、K2、K3分别为第一行星齿轮17、第二行星齿轮组15、第三行星齿轮组11的齿圈齿数/太阳轮齿数。
混合动力系统的应用实施例三
第二无极变速驱动模式：此状态下，第一离合器9结合，第二离合器10、第三离合器13 与第四离合器14断开，该模式主要适用于车速较高时，处于该模式时可以通过以下方式驱动 车辆：
参见图4，纯电驱动模式；发动机1停止工作，第一电机16与第二电机12通过第二行星齿轮组15共同驱动车辆行驶。由行星齿轮转速特性可知：其中
第一电机16转速nm1， 
第二电机12转速nm2以及输出轴转速nout满足以下关系：
nout＝(1+k1)nm1
混合动力系统的应用实施例四
参见图5，混合驱动模式；发动机1动力经第一行星齿轮组17与第二行星齿轮组15功 率分流，一部分分流至第二电机12，第二电机12工作于发电模式，以电能形式存储于储能 模块2；一部分分流至第一行星齿轮组17的行星架，与第一电机16一起驱动车辆；此状态下，第二电机12作为发电机，以转速环控制模式进行调速控制以配合①发动机始终工作在经 济区间。由行星齿轮转速特性可知：其中，发动机1转速neng，第一电机16转速nm1及第二电机12转速nm2满足以下关系：
混合动力系统的应用实施例五
发动机变速驱动模式：此状态下，与前两个模式不一样，发动机1驱动整车工作在高效 区时，不需要第一电机16与第二电机12进行发动机1输出能量的二次转换，发动机1输出 机械能直接通过行星齿轮组及离合器实现多挡速比驱动整车行驶，减少能量转换过程的损坏， 提升整车经济性。该模式下，整车可实现四个固定速比传动，具体如下：
参见图6，固定速比1挡；此时，第二离合器10与第四离合器14结合，第一离合器9与第三离合器13断开。此时第一行星齿轮组17的各部件与第二行星齿轮组15各部件一起转动，动力通过第三行星齿轮组11进行减速增扭，变速箱传动比：i＝1+k3；
参见图7，固定速比2挡；此时，第一离合器9与第二离合器10结合，第四离合器14与第三离合器13断开。变速箱传动比：
参见图8，固定速比3挡；此时，第一离合器9与第四离合器14结合，第二离合器10与第三离合器13断开。此时，第一行星齿轮组17的各部件、第二行星齿轮组15以及第三行星齿轮组11各部件一起转动，发动机1动力直接输出至传动轴7，变速箱传动比：i＝1；
参见图9，固定速比4挡；此时，第一离合器9与第三离合器13结合，第二离合器10与第四离合器14断开。此时，第二电机12不工作，发动机1动力经过第一行星齿轮组17与 第二行星齿轮组15增速减扭后输出至传动轴7，变速箱传动比：
该挡位为超速挡；
在该模式下，所有固定的基本档位时(除固定速比4挡外)，第一电机16和第二电机12可以工作在无负荷旋转、作为电机驱动，从而为发动机1提供支持，或作为发电机驱动，从而为高电压蓄电池充电；在固定速比四挡时，第二电机12静止，不参与任何工作。
混合动力系统的应用实施例六
无动力传输模式：此状态下，第一离合器9、第二离合器10、第三离合器13与第四离合 器14均断开。此时，发动机1运转时，第一电机16和第二电机12也随之运转，此时电机不产生任何负荷，既不作为发电机也不作为电机驱动，动力系统无动力输出，可实现空挡停车。
混合动力系统的应用实施例七
制动回收模式：在整车刹车时，通过第一电机16和第二电机12工作在发电模式，回收 整车动能，并将其存储在储能模块2内。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技 术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技 术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本 发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及 修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种混合动力系统，包括发动机(1)、第一电机(16)、第二电机(12)、第一行星齿轮组(17)、第二行星齿轮组(15)，其特征在于：还包括第三行星齿轮组(11)，所述发动机(1)与变速箱输入轴一端相连，变速箱输入轴另一端与所述第一行星齿轮组(17)的齿圈相连，第一行星齿轮组(17)的行星架与所述第二行星齿轮组(15)的行星架相连并通过第一离合器(9)与所述第三行星齿轮组(11)的行星架相连，第三行星齿轮组(11)的齿圈通过第二离合器(10)与变速箱壳体相连，第三行星齿轮组(11)的行星架与变速箱输出轴相连，所述第一电机(16)与第一行星齿轮组(17)的太阳轮相连并通过第四离合器(14)与第二行星齿轮组(15)的齿圈相连，所述第二电机(12)与第二行星齿轮组(15)的太阳轮以及第三行星齿轮组(11)的太阳轮相连并通过第三离合器(13)与变速箱壳体相连。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于：混合动力系统具备第一无级变速驱动模式，此时第一离合器(9)、第三离合器(13)及第四离合器(14)断开，第二离合器(10)结合。
3.根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于：所述第一无级变速驱动模式包括纯电驱动模式，此时发动机(1)和第一电机(16)不工作，第二电机(12)动力通过第三行星齿轮组(11)减速增扭输出。
4.根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于：还包括储能模块(2)，所述第一无级变速驱动模式还包括混合驱动模式，此时发动机(1)动力经过第一行星齿轮组(17)分流，一部分分流至第一电机(16)，第一电机(16)处于发电模式将发动机(1)输出机械能转换为电能，该电能输出至所述储能模块(2)存储或经过第二电机(12)转换为机械能驱动车辆；另一部分分流至第三行星齿轮组(11)的太阳能，与第二电机(12)共同驱动车辆。
5.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于：混合动力系统具备第二无级变速驱动模式，此时第一离合器(9)结合，第二离合器(10)、第三离合器(13)及第四离合器(14)断开。
6.根据权利要求5所述的混合动力系统，其特征在于：所述第二无级变速驱动模式包括纯电驱动模式，此时发动机(1)停止工作，第一电机(16)和第二电机(12)通过第二行星齿轮组(15)共同驱动车辆。
7.根据权利要求5所述的混合动力系统，其特征在于：还包括储能模块(2)，所述第二无级变速驱动模式还包括混合驱动模式，此时发动机(1)动力经过第一行星齿轮组(17)和第二行星齿轮组(15)分流，一部分分流至第二电机(12)，第二电机(12)处于发电模式将发动机(1)输出机械能转换为电能并输出至所述储能模块(2)存储；另一部分分流至第一行星齿轮组(17)的行星架，与第一电机(1)共同驱动车辆。
8.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于：混合动力系统具备发动机变速驱动模式，发动机变速驱动模式包括固定速比1挡，此时第二离合器(10)和第四离合器(14)结合，第一离合器(9)和第三离合器(13)断开，发动机(1)动力通过第三行星齿轮组(11)进行减速增扭输出；固定速比2挡，此时第一离合器(9)和第二离合器(10)结合，第三离合器(13)和第四离合器(14)断开；固定速比3挡，此时第一离合器(9)和第四离合器(14)结合，第二离合器(10)和第三离合器(13)断开；固定速比4挡，第一离合器(9)和第三离合器(13)结合，第二离合器(10)和第四离合器(14)断开，第二电机(12)不工作，发动机(1)动力经过第一行星齿轮组(17)和第二行星齿轮组(15)增速减扭后输出至输出轴。
9.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于：混合动力系统具备无动力传输模式，此时第一离合器(9)、第二离合器(10)、第三离合器(13)及第四离合器(14)均断开。
10.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于：还包括储能模块(2)，混合动力系统具备制动回收模式，在车辆刹车时，第一电机(16)和第二电机(12)处于发电模式回收车辆动能并存储在储能模块(2)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的混合动力系统，其特征在于：还包括机械油泵和电子油泵(18)，所述机械油泵及电子油泵(18)的油泵电机(19)均与所述变速箱输入轴相连。
12.一种车辆，包括车轮(8)，其特征在于：还包括权利要求1至11中任一项所述的混合动力系统，变速箱输出轴与所述车轮(8)通过传动轴(7)相连。
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