CN1389358A - 使用行星齿轮系统的串、并联混合电动车驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明为使用行星齿轮系统的混合电动车串联、并联复合型驱动系统,属电动车驱动系统的技术领域。本发明能简化已有驱动系统的控制复杂性,减少蓄电池的用量,实现能量的低消耗和废气的低排放。本发明的特征是:内燃发动机通过离合器和制动器与中心轮相连,电机通过制动器、离合器和一内接齿轮与外环齿轮相连。行星轮通过制动器和离合器与主齿轮箱相连。通过主齿轮箱,驱动功率传递到电动车的车轮上。

Description

使用行星齿轮系统的串、并联混合电动车驱动系统

本发明涉及电动车驱动系统的技术领域。

21世纪将是环保的世纪，人们对环境和能源问题日益关注，各国政府对空气污染的控制要求日趋严格。据调查，汽车废气已经是大气污染尤其是城市空气污染的主要来源，严重影响着人们的身体健康，特别是婴儿和儿童的健康。因此，为了解决空气污染以及二氧化碳导致的地球温室效应，实现21世纪可持续发展战略，我们现在面临的一个重要任务就是建立、发展一种洁净、高效、环保、智能的交通运输系统。电动车是一种“零排放”的交通工具。现代电动车为减少废气排放，改善空气质量，降低对石油的依赖，提高能源利用效率提供了一种可行途径。

电动车是以电力为能源、由电机驱动的机动车辆，是一种洁净、高效、零排放或低排放的交通运输工具。纯电动车在行驶过程中不产生任何废气，也无冷却剂、机油等污染物。电动车可以使用电能，而电能的来源是多样化的。除了火力发电外，许多清洁的能源，象水能、风能、太阳能、氢能和核能等都可以转化为电能。在市区行车时，为了等候交通灯，燃油汽车必须经常停车和起动。这既会造成大量的燃油浪费，又增加空气污染。而电动车遇到减速停车或下坡时，可以将车辆的机械动能再生为电能并储存于蓄电池中。电动车的起动速度快，在遇到红灯停车时可以不必让电机空转，这可以减少能源的浪费，节约能源，电动机重新起动时也不会产生大量的废气，可大大减少空气污染。因此电动车是城市中代替燃油汽车，减少空气污染的理想交通工具。同时电动车的能源利用效率比燃油汽车高，它也是节能的交通工具。

现在仅采用蓄电池能的纯电动车受其电池容量的限制，一次充电行驶里程大都在100到200公里之间，且电池的价格仍然偏高。混合电动车因其一次加油行驶里程可达400到1000公里，而其废气的排放与燃油发动机汽车相比也可以大幅度降低。在高性能畜电池成本大幅度低或燃料电池电动车成为现实之前，混合电动车可以视为一种现实的燃油、充电混合电动车。

混合电动车的关键技术之一就是其驱动系统。由于它既使用燃油内燃发动机，又使用电能驱动的电动机，其驱动系统比纯电动车和普通汽车都大为复杂。已有的串联型混合电动车驱动系统可以使其内燃式发动机在市区行驶模式下稳定运行，但是在郊区高速长距离行驶模式下不能单独用内燃式发动机来驱动，在市区行驶模式下也不能单独使用电动机来驱动。而串、并联驱动系统兼备串联式驱动系统和并联式驱动系统的优点，如波兰专利No.P-298013发明的串、并驱动系统。但是它的驱动系统采用了惯性能量存储系统，在郊外行驶模式下需要保持惯性能量存储系统的旋转速度恒定并维持其内部的真空状态。这类串、并联复合型驱动系统的控制十分复杂。在制动时，电动车的惯性能量被回收到电池和惯性能量存储系统中，然后这些回收的能量被用来补偿惯性能量存储系统的自损耗。因此可行驶的里程有所减少。

本申请发明为一种新的、使用行星齿轮系统的、适用于混合电动车的串联、并联复合型驱动系统结构，使混合电动车既能单独采用燃油内燃发动机来驱动，也可以单独使用电动机来驱动，或两者同时驱动。本发明能简化串、并联混合驱动系统的控制，减少储能电池的使用量。使内燃发动机在行驶过程中实现能量的低消耗，并使电池的充电状态在行驶的开始时与行驶结束时相同，同时不减少电动车的行驶里程。在制动时，使电动车的惯性能量直接回收到电池中。能同时实现燃料的低消耗和废气的低排放。

本发明提出一种串、并联混合驱动系统，尤其是装配有与行星齿轮机构相连接的内燃发动机和与行星齿轮机构外环齿轮相连接、电池供电的电动机，其特征在于：内燃发动机通过第一个离合器和第一个制动器与行星齿轮机构的中心轮相连；电动机通过第二个制动器与行星齿轮机构的外环齿轮相连。

本发明简化了串、并联混合驱动系统的控制，减少了储能电池的容量。能使内燃发动机在行驶过程中实现能量的低消耗，并使电池的充电状态在行驶的开始时与行驶结束时相同，同时不减少电动车的行驶里程。在制动时，能使电动车的惯性能量直接回收到电池中。能同时实现燃料的低消耗和废气的低排放。通过本发明的实施，混合式电动车可以成为一种商品化的产品。

参照下面本发明最佳实施例以及附图的详细描述，本发明的特点和优点将更加容易理解。这些附图包括：

图1为本申请所发明的串、并联结构混合驱动系统结构；

图2为本发明所派生的另一种电动车混合式驱动结构；

图3给出了行星齿轮机构各轴的旋转速度在一个电动车行驶模式周期中变化规律；

图4给出了相应各轴转矩的变化规律。

本申请所发明的串、并联结构混合驱动系统结构(方框图)如图1所示。发明的初始构思是：内燃发动机(SC)通过第一个离合器(S10)和第一个制动器(H1)与行星齿轮机构(PP)的中心轮(SL)相连，电动机(ME)通过第二个制动器(H2)与行星齿轮机构的外环齿轮(K)相连。第一个制动器(H1)经由第一个机械传动机构(P1)与行星齿轮机构的中心轮(SL)相连。第二个制动器(H2)经由第二个机构传动机构(P2)与电动机(ME)相连，在第二个制动器(H2)与第二个机械传动机构(P2)之间则由第二个离合器(S2)将它们连接起来。第二个制动器(H2)与行星齿轮机构的外环齿轮(K)相连是通过一内接齿轮(KP)来实现的。经过进一步的改进，行星齿轮机构的行星轮(J)通过第三个制动器(H3)和第三个离合器(S3)与主齿轮变速箱(PG)相连。行星轮(J)与第三个制动器(H3)的连接则是通过第三个机械传动机构(P3)来实现的。

驱动系统的内燃发动机(SC)通过机械轴与单级、可阻隔发动机输出轴的第一个离合器(S1)、第一个制动器(H1)以及第一个机械传动机构(P1)(具有恒定的传输比或周期性恒定的传输比)相连。而第一个机械传动机构(P1)又与行星齿轮机构(PP)的中心轮(SL)相连。驱动系统的电动机(ME)通过和第二个机械传动机构(P2)(具有恒定的传输比或周期性恒定的传输比)、第二个离合器(S2)、第二个制动器(H2)和内接齿轮(KP)与行星齿轮(PP)的外环齿轮轴相连。电动机(ME)通过其控制单元(US)与电池单元(B)相连。行星齿轮机构(PP)的行星轮(J)与第三个机械传动齿轮(P3)(具有恒定的传输比或周期性恒定的传输比)相连，后者再通过第三个离合器(S3)和第三个制动器(H3)与电动车的主齿轮箱(PG)相连。通过主齿轮箱，驱动功率传递到电动车的车轮(KN)上。

将图1中内燃发动机(SC)和电动机(ME)相互交换其驱动连接轴，可以得到本发明所派生的另一种电动车混合式驱动结构，如图2所示。在本发明的基础上还可以派生出其它的混合式驱动结构。例如将驱动车轮(KN)与行星齿轮系统的星轮(J)连接改为与外环齿轮(K)或与中心轮(SL)相连。也可以对驱动系统的离合传动机构的传输比进行一些改变得到其它的混合式驱动系统的新结构。

现根据图3和4分别为行星齿轮机构各轴的旋转速度在一个电动车行驶模式周期中变化规律和相应各轴转矩的变化规律。

电动车的加速过程(I)可分为两个阶段。第一阶段(Ia)是从外环齿轮与中心轮的转速方向相反时开始，到外环齿轮转速改变方向为止。第二阶段(Ib)是从外环齿轮的旋转方向改变、转速为正时开始，到加速过程结束为止。在第一阶段(Ia)中心轮的功率通过行星齿轮机构分配到外环齿轮的轴(K)和行星轮上，电动机(M)工作地发电状态。在恒速行驶过程中(II)，内燃发动机(SC)运行在怠速状态，内燃发动机的功率和电动机的功率迭加在一起传递到行星轮的输出轴上。在滑行过程中(III)，内燃发动机的输了轴与中心轮脱离并且被制动{通过使用离合器(S1)和制动器(H1)来进行}。在再生发电制动过程中(IV)，所有的惯性能量通过电动机都转变成电能，然后传递、存储到电池中。这时，中心轮的轴被制动锁住，行星齿轮机构的工作状态和普通的齿传动机构相同。在郊区行驶模式下，外环齿轮(K)将被第二个制动器(H2)制动锁住，行星齿轮机构运行状态与普通的齿轮传动机构相同，此时只有内燃发动机(SC)在工作。

第三个离合器(S3)和第三个制动器(H3)主要是用来将车轮(KN)和驱动系统相脱离并进行制动(尤其电动车在停车时)。通过第三个离合器(S3)可将驱动系统与车轮脱离。通过制动器(H3)可将行星轮制动、锁住，从而使中心轮和外环齿轮的速度在下一次行驶开始时能相同。机械传动机构(P3)可以用来调节其输出轴的转矩大小和旋转速度的高低，进而能满足电动车以最高速行驶时的要求。

附图标号表：SC    内燃发动机S1    第一个离合器H1    第一个制动器P1    第一个机械传动机构ME    电动机US    电动机控制单元B     电池单元S2    第二个离合器H2    第二个制动器P2    第二个机械传动机构PP    行星齿机构SL    中心轮K     外环齿轮J    行星轮KP    内接齿轮S3    第三个离合器H3    第三个制动器P3    第三个机械传动机构PG    电动车主传动齿轮变速箱KN    驱动车轮

Claims (8)

1.一种串、并联混合驱动系统，尤其是装配有与行星齿轮机构相连接的内燃发动机和与行星齿轮机构外环齿轮相连接、电池供电的电动机，其特征在于：内燃发动机(SC)通过第一个离合器(S1)和第一个制动器(H1)与行星齿轮机构(PP)的中心轮(SL)相连；电动机(ME)通过第二个制动器(H2)与行星齿轮机构(PP)的外环齿轮(K)相连。

2.根据权利要求1的混合驱动系统，其特征在于：第一个制动器(H1)通过第一个机械传动机构(P1)与中心轮(SL)相连。

3.根据权利要求1的混合驱动系统，其特征在于：第二个制动器(H2)通过第二个机械传动机构(P2)与电动机(ME)相连。

4.根据权利要求3的混合驱动系统，其特征在于：第二个制动器(H2)通过第二个离合器(S2)与机械传动机构(P2)相连，通过内接齿轮(KP)与外环齿轮(K)相连。

5.根据权利要求1的混合驱动系统，其特征在于：内燃发动机(SC)通过第一个离合器(S1)和第一个制动器(H1)与行星齿轮机(PP)的中心轮(SL)相连，电动机(ME)通过第二个制动器(H2)与行星齿轮机构(PP)的外环齿轮(K)相连；行星轮(J)通过第三个制动器(H3)和第三个离合器(S3)与主齿轮变速箱(PG)相连。

6.根据权利要求5的混合驱动系统，其特征在于：第一个制动器(H1)通过第一个机械传动机构(P1)与中心轮(SL)相连。

7.根据权利要求5的混合戏系统，其特征在于：第二个制动器(H2)通过第二个机械传动机构(P2)与电动机(ME)相连。

8.根据权利要求1至5之一的混合驱动系统，其特征在于：第二个制动器(H2)通过第二个离合器(S2)与第二个机械传动机构(P2)相连，并通过内接齿轮(KP)与外环齿轮(K)相连；行星齿轮机构(PP)的行星轮(J)能过第三个机械传动机构(P3)与第三个制动器(H3)相连。

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