CN1915702A - 无级变速混联式混合动力驱动系统 - Google Patents

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Abstract

一种汽车技术领域的无级变速混联式混合动力驱动系统。本发明包括发动机、发动机曲轴输出端、第一电机、离合器输入端、离合器、第二驱电机输入端、第二电机、传动轴、差速减速器、第一半轴、第二半轴、第一电机高压电路、第一电机驱动控制装置、第二电机高压电路、第二电机驱动控制装置、储能装置、储能装置高压电路。第一电机转子轴与发动机曲轴输出端相连接，并通过离合器与第二电机转子轴相连接，第二电机转子轴通过传动轴、差速减速器、半轴直接与车轮相连接，第一电机、第二电机均与储能装置电连接。本发明具有无级变速、低系统成本、低开发成本、低维修成本等特点，使整车油耗、排放、动力性、驾驶平顺性等达到综合最优。

Description

无级变速混联式混合动力驱动系统
技术领域
本发明涉及的是一种汽车技术领域的系统，具体地说，是一种无级变速混联式混合动力驱动系统。
背景技术
目前，混合动力汽车动力驱动系统的结构型式有串联式、并联式和串并联混联式，具体的结构型式有多种变型，但均存在一定的不足，不能充分发挥混合动力汽车节能、环保的优势。根据三种系统结构形式的特点，串联式混合动力系统汽车更适合车辆起停频繁的城市区域；并联式混合动力汽车更适合道路比较畅通的非城市区域；串并联混联式混合动力系统，目的是集成串联混合动力系统和并联混合动力系统优点、克服了各自的缺点，因此可适用于所有路况，并有极大的性能优势。
目前的串并联混联式混合动力系统，如最具代表性的日本丰田汽车公司的THS(丰田混合动力系统)混合动力系统及其THS2(第二代丰田混合动力系统)混合动力系统、通用汽车公司的EP(电动并联)混合动力系统及其AHS2(第二代先进混合动力系统)系统，发动机输出动力中大都有一部分能量需经系统中的一个电机发电给蓄电池充电或供另一个电机使用，这部分能量经过多次能量转换后造成了较大损失，同时动力合成机构结构复杂、制造成本高、体积大。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN1420034，公开日为2003.05.28，专利名称为：双电机混合动力汽车动力系统，该专利自述为：“双电机混合动力汽车动力系统属于以燃油和电力两种能源为动力源的汽车混合动力装置。它包括内燃机、电机、离合器、变速箱、动力电池、制动系统及整车自动控制系统，其特征在于具有主、副两个电机，其第二电机25的转子轴与变速箱24的输出轴相连接，副电机22的转子轴与内燃机1的曲轴相连接；主、副电机25、22与电池28电联接。”其不足之处是：由于变速箱的采用，系统成本也高，而且换档过程中的动力中断和冲击等也难于完全避免，系统尺寸大也使整车布置困难。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种无级变速混联式混合动力驱动系统，使其克服目前混联式混合动力系统结构复杂、制造成本高、体积大等不足，具有良好的与现有车辆的技术继承性以及整车动力性、燃油经济性和低排放的特点，实现了无级变速、混联驱动和低开发成本、低系统成本的有机结合。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：发动机、发动机曲轴输出端、第一电机、离合器输入端、离合器、第二驱电机输入端、第二电机、传动轴、差速减速器、第一半轴、第二半轴、第一电机高压电路、第一电机驱动控制装置、第二电机高压电路、第二电机驱动控制装置、储能装置、储能装置高压电路。连接关系为：发动机通过发动机曲轴输出端与第一电机相连接，第一电机再通过离合器输入端与离合器相连接，离合器再通过第二电机输入端与第二电机相连接，第二电机的输出轴再通过传动轴与差速减速器相连接，差速减速器再分别通过第一半轴、第二半轴与第一车轮和第二车轮相连接；第一电机通过第一电机高压电路与第一电机驱动控制装置相连接，第二电机通过第二电机高压电路与第二电机驱动控制装置相连接；储能装置通过储能装置高压电路分别与第一电机驱动控制装置和第二电机驱动控制装置相连接。
本发明的工作过程和工作原理为：第二电机通过传动轴、差速减速器、第一半轴、第二半轴与第一车轮、第二车轮进行动力传递。发动机由第一电机通过发动机曲轴输出端起动，发动机与第二电机之间通过发动机曲轴输出端、第一电机、离合器输入端、离合器、第二驱电机的输入端进行动力传递。第一电机与与第二电机之间通过离合器输入端、离合器、第二驱电机的输入端进行动力传递，亦与发动机之间通过发动机曲轴输出端进行动力传递。
第一电机通过第一电机高压电路与第一电机驱动控制装置、储能装置高压电路与储能装置进行电能传递，第一电机按电动方式运行时需要的电能由储能装置提供，按发电方式运行时发出的电能由储能装置接收。第二电机通过第二电机高压电路与第二电机驱动控制装置、储能装置高压电路亦与储能装置进行电能传递，第二电机按电动方式运行时需要的电能亦由储能装置提供，按发电方式运行时发出的电能亦由储能装置接收。第一电机和第二电机的其中之一按发电方式工作、另一电机按电动方式工作时，二电机之间还可通过各自的驱动控制装置、高压电路和储能装置进行电能传递。
在发动机、第一电机、第二电机等全部动力部件与车轮之间的动力传递链中，取消现有内燃机汽车的变速器和缓速器，实现无级变速混合驱动。发动机可按停机、运行等2种方式工作，第一电机可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作，第二电机也可按停机/空转、发电、电动等3种方式工作，离合器可按结合、分离等2种方式工作，可实现发动机怠速停机/快速起动、无级变速纯电动驱动、无级变速纯发动机驱动、无级变速串联驱动、无级变速并联混合驱动、无级变速发电混合驱动、再生制动能量回馈、停车充电等全部混合动力系统的运行模式。
与现有混合动力系统相比，本发明的有益效果是：
1)无级变速。第二电机输出端的动力直接通过传动轴传递到差速减速器，然后通过第一半轴和第二半轴传递到第一车轮和第二车轮，实现了无级变速，提高了驾驶的舒适性和降低了驾驶员劳动强度。
2)低系统成本。由于第二电机采用了大功率大扭矩电机，取消了变速器和缓速器，有效避免了混合动力系统开发中自动机械变速系统的技术难题，降低系统成本和系统开发成本。
3)低维修成本。采用可控自动离合器，减小了离合器结合与分离的频次，并实现了离合器小滑差或无滑差结合，最大程度地避免了离合器的磨损损坏，降低维护成本。另外，由于第一电机可提供第二电机驱动所需的全部或部分电能，降低了对储能装置的要求，由于储能装置在混合动力系统中是故障率和成本比例都较高的部件，因此进一步降低了系统成本和维护成本。
4)与国际上著名同类产品相比有比较高的性能价格比，具有较强的市场竞争力。既可方便地自动切换到典型的串联系统结构，也可方便地自动切换到典型的并联系统结构，还可方便地切换到典型的双电机混联系统结构，使本发明可适用于各种路况，实现了混合动力系统的全部运行模式，而且模式控制比现有的技术更加灵活，可以很方便地实现储能装置电量平衡控制，延长其寿命，使应用本发明的混合动力汽车的动力性、燃油经济性和有害排放达到了综合最佳，显著优于串联系统、并联系统和现有的混联系统。经统计分析，应用本发明的混合动力客车，节油可达到30％以上、尾气排放可满足国4以上法规限制、动力性不低于现有车辆、驾驶平顺性明显优于现有车辆、驾驶员劳动强度显著降低，整车成本增加小于同类车辆的10％。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：发动机1、发动机曲轴输出端2、第一电机3、离合器输入端4、离合器5、第二驱电机输入端6、第二电机7、传动轴8、差速减速器9、第一半轴10、第二半轴11、第一电机高压电路14、第一电机驱动控制装置15、第二电机高压电路16、第二电机驱动控制装置17、储能装置18、储能装置高压电路19。其连接关系为：发动机1通过发动机曲轴输出端2与第一电机3相连接，第一电机3再通过离合器输入端4与离合器5相连接，离合器5再通过第二电机输入端6与第二电机7相连接，第二电机7的的输出轴再通过传动轴8与差速减速器9相连接，差速减速器9再分别通过第一半轴10、第二半轴11与第一车轮12和第二车轮13相连接；第一电机3通过第一电机高压电路14与第一电机驱动控制装置15相连接，第二电机7通过第二电机高压电路16与第二电机驱动控制装置17相连接；储能装置18通过储能装置高压电路19分别与第一电机驱动控制装置15和第二电机驱动控制装置17相连接。
其中：
所述发动机1提供车辆行驶的大部分动力。
所述第一电机3用于起动发动机，也用于提供车辆行驶过程中的部分动力，还可按发电机运行提供第二电机7驱动车辆需要的电能或辅助回收再生制动能量或向储能装置18充电。
所述离合器5为自动可控离合器，用于接通或切断发动机1和第一电机3端动力到第二电机7端的机械连接和动力传递。
所述第二电机7为一大功率大扭矩电机，用于提供车辆行驶过程中的全部或部分动力，还可回收再生制动能量或向储能装置18充电。
所述第一电机驱动控制器15和第二电机驱动控制器17，均为一种实现将直流变为交流、或将交流变为直流的电源变换器和电机运行控制器。
所述传动轴8将第二电机7输出端动力通过差速减速器9、第一半轴10和第二半轴11直接传递到第一车轮12、第二车轮13，取消了变速器和缓速器等部件。
所述储能装置18为动力蓄电池或超级电容，储能装置18用于向第一电机3、第二电机4提供电能，也可用于接收第一电机3、第二电机4发电发出的电能。
本发明可实现全部混合动力系统的运行模式：发动机怠速停机/快速起动模式、无级变速纯电驱动模式、无级变速纯发动机驱动模式、无级变速串联驱动模式、无级变速直接并联混合驱动模式、无级变速发电混合驱动模式、再生制动能量回馈模式、停车充电模式。
(1)发动机怠速停机/快速起动模式
在车辆减速过程中、或遇红灯或堵车或其它情况而停车时，通过使发动机1断油、停机，避免了现有内燃机汽车此时减速、怠速运行的油耗和尾气排放，是提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放的重要策略之一。根据整车控制策略，在需起动发动机时，离合器5处于分离状态，可随时通过第一电机快速拖动发动机1到某一较高转速后，发动机1才开始喷油，避免了现有车辆发动机起动过程造成的燃油消耗与尾气有害排放，提高整车燃油经济性和降低尾气有害排放。
(2)无级变速纯电驱动模式
在车辆起步阶段或低负荷或车辆低速运行时，发动机1处于低负荷工况，其热效率低且尾气排放不佳。此时，可通过第二电机7提供整车驱动的全部扭矩，实现零排放，离合器5处于分离状态，避免了倒拖发动机1的能量消耗。该模式对于城市客车降低排放、避免离合器频繁结合而引起的磨损等，具有重要贡献。
利用本发明，还具有纯电驱动的冗余设计，即可以实现由第一电机3、第二电机7中任意电机单独或联合驱动的3种无级变速纯电驱动模式。
(3)无级变速纯发动机驱动模式
在车辆的驱动扭矩达到设定范围或车速高于设定值后，发动机工作在高效率区，可通过使第一电机3和第二电机7空转而实现无级变速纯发动机驱动，确保将通过制动回馈能量和行车发电优化发动机1效率而对储能装置18的充电电能充分高效地利用于助力混合驱动等工况，提高整车效率，且可避免储能装置18的电量快速损失，延长其使用寿命。在所述储能装置18电量太低或电驱动系统不能完成车辆驱动时，也将起动发动机进入纯发动机驱动模式。
(4)无级变速串联驱动模式
在任何车速和车辆驱动的动力需求下，当第二电机7驱动能力满足车辆驱动要求，且车辆运行环境要求(如穿越闹市区)时，通过使发动机1工作在高效率点或一个极高效率区间，使离合器5被切换到或保持在分离状态，第一电机3按发电机运行提供第二电机7驱动车辆所需要的主要能量，系统被方便地切换到无级变速串联驱动模式，可使发动机尾气排放量达到最低。还可方便地实现储能装置18的电量平衡控制和降低对储能装置18的容量要求，降低零部件成本和维护成本。
在基于第二电机7的纯电驱动模式下，如果储能装置电量低，也可使系统按无级变速串联驱动模式工作。
(5)无级变速直接并联混合驱动模式
在当车辆急加速或爬坡等需要较大车辆驱动扭矩或所需车辆驱动扭矩快速增大时，如果储能装置18的电量适合提供所需电驱动能量，车速高于设定值后，则可在发动机输出动力的同时，使第一电机3、第二电机7中任意一个电机或2个电机按电动模式运行，实现与发动机输出动力的直接耦合，具有3种形式的无级变速直接并联混合驱动模式，可在获得良好整车动力性的同时，提高能量效率优化。
(6)无级变速发电混合驱动模式
在储能装置剩余电量较小，发动机在满足整车驱动扭矩需求后还有剩余的情况下，可通过使第一电机3或第二电机7中的一个按发电机模式运行，补充储能装置电能，或向另一个按电动机模式运行的电机提供部分或全部电能，使发动机运行效率提高，并同时用于实现储能装置18的电量平衡和满足整车动力性要求。
(7)再生制动能量回馈模式
在车辆制动或减速过程中，所述发动机1停油且所述第二电机7按发电机工作，进入再生制动能量回馈模式。由于所述离合器5被切换到或保持分离状态，可避免对所述发动机1的倒拖引起的能量回馈效率损失。由于第二电机7为一大功率大扭矩电机，且与车轮为机械连接，因此可根据需要随时进行再生制动而回馈能量，且回馈功率较一般并联系统和混联系统大。
(8)停车充电模式
在停车状态，如所述储能装置18的电量太低，可以进行停车充电模式。在停车充电模式，离合器5处于分离状态，由与发动机1的曲轴输出端2连为一体的第一电机3按发电方式工作，给储能装置18充电。当储能装置18的电量超过一个设定值后，停车充电模式结束。

Claims (7)

1、一种无级变速混联式混合动力驱动系统，包括：发动机(1)、发动机曲轴输出端(2)、第一电机(3)、离合器输入端(4)、离合器(5)、第二驱电机输入端(6)、第二电机(7)、传动轴(8)、差速减速器(9)、第一半轴(10)、第二半轴(11)、第一电机高压电路(14)、第一电机驱动控制装置(15)、第二电机高压电路(16)、第二电机驱动控制装置(17)、储能装置(18)、储能装置高压电路(19)，其特征在于：发动机(1)通过发动机曲轴输出端(2)与第一电机(3)相连接，第一电机(3)再通过离合器输入端(4)与离合器(5)相连接，离合器(5)再通过第二电机输入端(6)与第二电机(7)相连接，第二电机(7)再通过传动轴(8)与差速减速器(9)相连接，差速减速器(9)再分别通过第一半轴(10)、第二半轴(11)与第一车轮(12)和第二车轮(13)相连接，第一电机(3)通过第一电机高压电路(14)与第一电机驱动控制装置(15)相连接，第二电机(7)通过第二电机高压电路(16)与第二电机驱动控制装置(17)相连接；储能装置(18)通过储能装置高压电路(19)分别与第一电机驱动控制装置(15)和第二电机驱动控制装置(17)相连接。
2、根据权利要求1所述的无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述离合器(5)，为自动可控离合器，用于接通或切断发动机(1)和第一电机(3)端动力到第二电机(7)端的机械连接和动力传递。
3、根据权利要求1所述的无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述第二电机(7)，为一大功率大扭矩电机。
4、根据权利要求1所述的无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述第一电机驱动控制器(15)和第二电机驱动控制器(17)，均为一种实现将直流变为交流、或将交流变为直流的电源变换器和电机运行控制器。
5、根据权利要求1所述的无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述传动轴(8)，将第二电机(7)输出端动力通过差速减速器(9)、第一半轴(10)和第二半轴(11)直接传递到第一车轮(12)、第二车轮(13)。
6、根据权利要求1所述的无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，所述储能装置(18)，为动力蓄电池或超级电容。
7、根据权利要求1所述的无级变速混联式混合动力驱动系统，其特征是，其运行模式包括发动机怠速停机/快速起动模式、无级变速纯电驱动模式、无级变速纯发动机驱动模式、无级变速串联驱动模式、无级变速直接并联混合驱动模式、无级变速发电混合驱动模式、再生制动能量回馈模式、停车充电模式。
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