CN2657969Y - 混合动力电动汽车的分割式多能源动力总成 - Google Patents

Abstract

一种用于混合动力电动汽车的分割式多能源动力总成，由发动机、主电机、调速电机、电池组、燃油箱、新型功率分汇流无级变速器、监控分系统和传动装置等部件组成。这种动力系统采用机电一体化的新型功率分汇流无级变速器替代二自由度行星分汇流机构，有效地解决了现有分割式动力系统中存在的“变速不变矩”等问题。因其功率分流、分段连续无级变速、段位可灵活增减、相邻段之间切换平顺迅速等特性，带来了传动效率较高、许用传递功率和速比调节范围大等优点，使之适应轻、中、重各类型混合动力电动汽车的使用要求，适于采用先进的优化控制策略在发动机和电机之间实现最佳的功率分配，便于实现低油耗、低排放和高动力性等整车性能优化的目标。

Description

混合动力电动汽车的分割式多能源动力总成

                                 技术领域

本实用新型涉及以下两个领域：(1)混合动力电动汽车的多能源动力总成，即把车载储能器的电能和燃油的化学能经电机和发动机转换成机械能来共同驱动车辆行驶的装置或系统；(2)无级变速传动系统，即实现机械功率势变量与流变量(转矩与转速)受控连续变换及调节的装置或系统。

                                 背景技术

多能源动力总成是混合动力电动汽车的关键或核心系统，分为串联式、并联式和混联式等不同的类型，其中混联式综合了前两大类型的优点。最典型的混联式动力系统包括：基于二自由度行星分汇流机构的分割式(图1，即功率分流式，典型的例子如丰田公司THS系统)，以及可作多种工作模式切换的串并联式(如我国专利申请03247689.2)等等。虽然分割式混联动力系统被认为是目前最先进的方案，但现有诸如丰田THS的这类动力系统还存在一些缺陷或不足，主要是由于其基于二自由度行星排的功率分汇流与无级变速机构具有“变速不变矩”的特性，若不采取重大改进措施，将难以实现传动比在较大范围内的变化，影响车辆的动力性，因而仅适合于工作载荷及其变化不大的轻型混合动力轿车，应用范围受到很大的限制。

                                实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种混合动力电动汽车的分割式多能源动力总成，适应轻、中、重各类型混合动力电动汽车的使用要求，其分汇流机构既变速又变矩，传动比可在较大范围内连续变化，适于采用先进的优化控制策略，以克服现有分割式动力系统的不足。

如图2所示，本实用新型提出的混合动力电动汽车的分割式多能源动力总成，由发动机E、电机M1和M2、电池组B、油箱F、新型功率分汇流无级变速器H、调制控制器A和传动装置G等部件，通过机械、电气联接而组成。与图1所示的现有基于二自由度单行星排的分割式动力系统相比，其主要特征在于采用新型功率分汇流无级变速器H取代原来的二自由度单行星排机构C。在图1和图2中，空心粗箭头表示电能与燃油化学能(或功率)的流动及方向，实心细箭头表示转轴上机械能(或功率)的流动及方向。

这里发动机E可以是汽油机、柴油机或其它热机，包括发动机的控制单元和执行器(如电动油门)等部件，其功能是随时按控制策略所指定的转矩与转速输出机械功率。

调速电机M1和主电机M2两个电机中，M1的功能主要是通过图2虚线框所示分汇流无级变速器H来实现无级变速、稳定发动机E的工作点，兼顾启动发动机E以及向电池组B和电机M2供电；M2的功能主要是通过汇流装置G和系统输出轴0，和发动机E一起向车辆驱动桥(车轮)g提供混合驱动力，并在需要时向电池组B充电及实现制动能量再生回馈的“电刹车”。这两个电机可从直流、交流同步或异步、永磁或励磁、单相或三相等不同类型中选用，要求各电机应能按优化控制策略给其分配功率的大小、正负及指定转速，作发电、电动等不同工作状态的运行。

作为电能存储器的电池组B，由电池单体通过恰当电气联接而构成，在需要时分别向电机M1和M2提供电能，或接受它们的充电。

调制控制器A是根据既定控制策略来控制电机M1、M2和电池组B工作状态及它们之间电能流动方向与大小的功率电子器件分系统，包含实现双向直流-直流(DC/DC)或直流-交流(DC/AC)变换的功率电子装置、电机调速的电子控制单元(ECU)、电池组充放电及均衡管理模块以及它们之间的电气联接等。

传动装置G可以是定轴齿轮、挠性链、带或其他形式更为简单(如：轴3与轴k间的速比等于1时可使两者合并为同一根轴)的传动副，用于在电机M2的转轴3、分汇流无级变速器H的输出轴k和系统输出轴0之间建立所需的固定传动关系。

监控分系统f₁是整个系统的大脑与中枢神经，参见附图3，主要由监控(及显示)器V、通讯总线及接口电路W与分布在各分系统部件内的电子控制单元ECU及各种传感器相联接而构成。监控及显示器V实质上是个装有控制策略及算法软件的微型计算机，通过通讯总线及接口电路W不断采集各传感器和各部件ECU的信号，计算确定各部件的工作状态和功率输出并加以显示，按控制策略向各部件ECU发出协调工作的指令。各ECU根据从网络上接收的指令和信息使相应的执行器动作，控制部件的运行状态、提供要求的功率，并把相关部件的当前状态信号经网络传回给监控器。这里通讯网络可采用诸如CAN总线一类恰当的现场总线及接口电路；而各种传感器中包括了反映司机对车轮上驱动或制动总功率的需求的油门及制动踏板开度传感器等。

如图2虚线框所示的分汇流无级变速器H，由至少包括一个正向和一个反向行星排通过部分构件相联而构成的双向行星排组C₀、自动换段机构C₁及其换段电子控制单元等组成，是本实用新型的关键装置。该装置利用具有多个不同固定速比的自动换段机构(可看成一种特殊的机械式自动变速器AMT)C₁，使行星排组C₀中的正、反向行星排(或行星排组)平顺无冲击地分段交替工作，在转速连续可调的条件下将来自发动机E以及调速电机M1的动力向下游输出，实现变速兼变矩的特性。其工作原理详述如下。

对照图1和图2，除了图1中的C与图2中的H不同之外，其余部分两者相似。图1所示现有典型混联式动力系统中的三角形C，代表一个(或一组)二自由度分汇流行星排及其三个输入/输出元件；设在其一个输入元件a上输入来自发动机的稳定转速n_a、另一输入元件b上输入来自电机M1输出端的可变转速n_b，则第三或输出元件c上将产生一个可变的输出转速n_c，n_c与n_b呈线性关系。本实用新型定义：若n_c随n_b增大而增大(n_c∝n_b)，则称此汇流行星排(组)具有正向传递特性，是正向行星排(组)；反之若n_c随n_b增大而减小(n_c∝-n_b)，则称此行星排(组)具有反向传递特性，是反向行星排(组)。

图2虚线框H中的双向行星排组C0则包含了一个正向和一个反向的C机构。与一般的二自由度行星传动有3个输入/输出端的情形不同，它共有4个输入/输出端，即两个输入轴i、j和两个输出轴1、2，其中1、2也分别是正、反向行星排(组)的输出轴，均与自动换段机构C₁相连。轴1、2的转速n₁、n₂与电机M1的转速n_j呈线性关系，其中n₁是n_j的增函数，而n₂是n_j的减函数。

双向行星排组C₀的动力来源为两路：一路是来自发动机E的功率被传递到H的输入轴i上，其转速与转矩的方向不可改变；另一路来自电机M1的功率被传递到H的另一输入轴j上，其转速与转矩的大小和方向均可能改变，具体根据稳定发动机E工作点(转速与转矩)的实际需要来确定，并会导致装置输出轴k的转速n_k在一定范围内连续变化。

自动换段机构C₁在结构上与常规机械自动变速器AMT有某些相似之处，它接受其换段电子控制单元ECU根据工况给出的调控指令，可按IIIIIIIV…的段位顺序，依次、不跳段地实施段位往复变化，交替选择正、反向行星排(组)的输出轴1或2，将其转速连续变化着的功率以每段不同的固定速比传递给输出轴k。对应于工作段位IIIIIIIV…的从低到高排列，C₁的固定速比也被设计成按一定规律从小到大变化；但根据第I段被设计成是由正向还是反向行星排工作(即轴1还是轴2输出)的不同情况，相应地可按“正向反向正向反向…”或“反向正向反向正向…”的顺序进行传递方式交替。顺带说明，第一，在本实用新型中“速比”定义为所论传动装置的输出转速与输入转速之比；第二，对应于C₁的每个固定速比，轴i到轴k的速比i_ik随电机D₀₁转速的变化而在一定范围(段)内线性地连续变化，而不像常规机械式自动变速器那样是个固定值，故采用术语“段”或“段位”，而不是“档”或“档位”来表述，以示概念上的区别。

以下参照图2叙述分汇流无级变速器H的工作机理，为方便计，均假设C₁被设计成按段位依次作“正向反向正向反向…”的传递方式交替。

车辆在起步阶段，通常要求传动系统有较小的速比(即较大的减速比)，以便获得较大的低速启动转矩，此后速比和运转速度逐步提高，转矩逐步减小。对应地，自动换段机构C₁首先工作在正向传递的第I段，以最小速比、最大转矩把正向轴1的功率传递到输出轴k并让反向轴2空转；在此过程中，电机M1接受其自身电控单元的指令，转速n_j从规定的最小值逐渐提高、不断靠近规定的最大值，导致转速n₁和n_k随n_j升高而升高。当n_j达到规定最大值时，自动换段机构C₁根据其电控单元的指令切入反向传递的第II段工作，使轴1空转并以适当的较大速比、较小转矩把轴2的功率传递到输出轴k，与此同时电机M1的转速n_j也被控制着从规定最大值逐渐下降，向规定最小值逼近，导致转速n₂升高，n_k则以上一段最大值为起点随n_j的降低而继续不断升高。若需要的调速范围较大，还可以设第III、第IV或更多的工作段，例如在第II段n_j达到最小值时切入正向汇流的第III段，让2轴空转并以适当的更大速比、更小转矩把1轴的功率传递到输出轴k，而n_j又从最小向最大变化，使转速n₁上升，n_k则以上一段最大值为起点随n_j的升高而更进一步不断上升……。当然，若采取相反的步骤，也可使变速器的速比及输出转速n_k由高向低地连续变化、输出转矩逐段地升高。

可见，若如此使电机M1的转速n_j在其高效区内逐段往复变化，并由自动换段机构C₁平滑、无冲击地逐段改变固定速比及轮换正、反向传递方式相配合，就能使整个无级变速器H的速比或输出转速n_k在要求的较大范围内连续可调，输出转矩也相应地逐段变化，从而获得变速兼变矩的特性。

本实用新型整个动力系统的工作原理，除了分汇流无级变速器H自身的控制及其与整个系统控制的协调之外，其余部分与现有分割式动力系统的相似。下面还将结合具体实施例对此做进一步的详细说明，包括说明其不同的工作模式。

本实用新型通过在混合动力电动汽车的分割式动力系统中采用分汇流无级变速器，有效地解决了现有动力系统中存在的“变速不变矩”的问题，还因其分流、分段工作和段位可增减等特点，带来了传动效率较高、许用传递功率和无级调速范围较大等优点。这样就使整个动力系统能适应轻、中、重各类型混合动力电动汽车的使用要求，适于采用先进的优化控制策略，便于实现超低排放、提高燃油经济性及动力性等混合动力电动汽车整车性能优化的目标。

                                 附图说明

图1是现有典型的混合动力电动汽车分割式多能源动力总成示意图；

图2是本实用新型混合动力电动汽车分割式多能源动力总成示意图；

图3是本实用新型分割式多能源动力总成的监控分系统图；

图4是本实用新型分割式多能源动力总成的一个具体实施例；

图5是图4中正、反向行星排速比i₊、i_-随电传动速比i_ME变化的规律；

图6是图4中总速比连续变化的规律曲线图。

                                具体实施方式

图4为分割式多能源动力总成的一个具体实施方案，虚线框内为对应于图2中H的分汇流无级变速器，包括由正向行星排k2和反向行星排k1组成的行星排组、具有四个前进段和一个倒车段的自动换段机构。该方案还包括电池组cell、调速电机M1和主电机M2及其调制控制器MO、以及电子控制单元ECU1和ECU2等。其主要零部件的联接和工作关系叙述如下。

包含燃油箱等组件的发动机组Engine group，其输出轴4上固接有齿轮Z1，与固接在套轴5(相当于图2中i轴)上的齿轮Z2相啮合。图中虚线框内的分汇流无级变速器，其双向行星排组由反向正向两行星排构成，反向行星排由太阳轮t1、行星架j1、齿圈q1及行星齿轮x1等组成，行星排特性参数为k1；正向行星排由太阳轮t2、行星架j2、齿圈q2及行星齿轮x2等组成，行星排特性参数为k2；它们都满足一般单行星排的构件相互联接关系。此外，反向行星排的行星架j1在其左侧与轴5相联(如通过花键或平键等联接方式)并同轴旋转，在其右侧与正向行星排齿圈q2相连成为一体，构件q1通过花键或平键与反向输出套轴7相联，套轴7相当于图2中的轴2，其上固接有主动齿轮Z3、Z5；构件j2(通过花键或平键等)与正向输出轴8相联，轴8相当于图2中的轴1，可相对套轴7转动并固接有主动齿轮Z7、Z9、Z11。轴9相当于图2中的轴k，其上的从动齿轮Z4、Z6、Z8、Z12对应地与主动齿轮Z3、Z5、Z7、Z11相啮合，形成I～IV前进段；从动齿轮Z10则通过一个中间齿轮(惰轮)与轴8上的主动齿轮Z9相啮合，形成R倒车段。分汇流无级变速器的自动换段机构，则由图4中的轴7、轴8和输出轴9上的多对定轴式换段齿轮Z3～Z12、电磁或液压作动的自动换段执行器r、s、t等组成。电磁或液压作动的自动换段执行器(啮合套或离合器等)r、s、t，由换段电控单元ECU2来控制。r、s两个执行器有左中右三个工作位，处于左或右位时将联接其左或右侧的相应从动齿轮与轴9同轴旋转，处于中位时两侧的从动齿轮将套在轴9上空转；执行器t有中、右两个工作位，处于右位时将联接从动齿轮Z12与轴9同轴旋转，处于中位时从动齿轮Z12空转。电控单元ECU2可与ECU1实施部分信息交换或共享，也可将两者制成一体。图4中双点划线箭头代表电控单元的指令走向，而指各电控单元的虚线箭头，代表来自各传感器的信号。

自动换段机构的段位总数目和各段速比值分配的确定方法，首先可借鉴一般车用变速器确定速比范围的方法，确定最低段速比i_I、最末段速比i_n及倒档速比i_R，此后再根据能平滑无冲击地实现换段的连续性条件以及其他附加准则(例如各段速比按等比级数分布等)，确定中间段数目和速比。按电机M1的工作转速范围(最高、最低转速)选取或确定的方式不同，速比分配方法可以有所不同，但必须满足能平滑无冲击地实现换段的连续性条件，即：当电机M1转速往复变化至其规定最大值或最小值需换段时，使输出轴(如本例之轴9)上对应于相关两相邻段的两个从动齿轮(如本例中III换段时的Z8和Z6、或IIIII换段时的Z6和Z12、或IIIIV换段时的Z12和Z4)，恰好能达到转速相等或转速差趋于零。现具体通过本实施例对此加以说明。

设当电机M1的转速达最大值时，由发动机输出轴(轴4)到正向输出轴(轴8)的速比记为i_+max、到反向输出轴(轴7)的速比记为i_-max；当电机M1转速达最小值时，对应的速比记为i_+min和i_-min；下标+号表示正向(k2)行星排工作、-号表示反向(k1)行星排工作，下标max、min表电机M1输出转速达最高或最低。则满足连续性条件就是满足下列等式：

 i_m·i_+max＝i_m+1·i_-max， m＝I，III，V…(奇数段)

 i_m·i_-min＝i_m+1·i_+min， m＝II，IV，VI…(偶数段)    (1)式中下标m是段位号。式(1)适合于图4这类首(第I)段为正向行星排工作者(即按正向反向正向反向…交替者)。而对于首(第I)段为反向行星排工作者(即按反向正向反向正向…交替者)，其连续性条件表为：

i_m·i_-min＝i_m+1·i_+min，    m＝I，III，V…(奇数段)    (2)

i_m·i_+max＝i_m+1·i_-max，    m＝II，IV，VI…(偶数段)在行星排参数等已合理确定的前提下，利用式(1)或者(2)可从i_I逐个递推确定II、III、IV…等各段齿轮对的速比i_II、i_III、i_IV…，直至段位数目足以覆盖i_I～i_n的范围。

在本实施例中，设已知下列参数为：i₅₄＝Z4/Z5＝1、反向行星排特性参数k1＝2.6、正向行星排特性参数k2＝1.9、i_I＝Z8/Z7＝0.4。考虑避免调速电机M1运转在低效率区，其工作转速控制在0.3n_e≤n_M1≤1.4n_e范围内，n_e为发动机转速；相当于在发动机输出轴4和电机枢轴6之间设置了一个“无级电传动速比”i_ME＝n_M1/n_e，其变化范围为0.3～1.4。由行星排理论可得，随i_ME的变化，正向行星排的速比i₊＝n₅/n₈表为

i₊＝(i_ME+k₂)/(1+k₂)           (3)反向行星排的速比i₊＝n₅/n₇则表为

i_-＝(1+k₁-i_ME)/k₁             (4)i₊和i_-随i_ME变化的规律如图5所示。利用式(1)可得自动换段机构的各段速比i_I＝0.4000，i_II＝0.5379，i_III＝0.8999，i_IV＝1.2102；若增设一前进段V，则i_V＝2.0247。图4虚线框所示分汇流无级变速器的总速比i₉₄随i_ME变化的规律如图6(a)所示；将其按段位展开成图6(b)，清楚地显示出该总速比随段位近似按双曲线规律连续变化，图中单点划线还给出了i_ME的相应往复变化情况。在上述参数下，总速比i₉₄的变化区域为0.3034～1.5359(在增设速比为i_V的前进段时扩大为0.3034～2.3039，如图6中虚线所示)，变速范围R_b≈5.06(增设i_V时扩大到7.59)，满足一般车辆的使用要求范围。由计算知，本例调速电机M1的速比在0.3≤i_ME≤1.4范围内时，该调速电传动分路所传递功率占变速器传递总功率的比例在29％～43％内变化。

图4中的齿轮传动副Z13/Z14对应于图2中的传动装置G₁，把主电机M2与系统输出轴9并联起来。主电机M2和调速电机均通过导线与调制控制器MO电气联结，根据电控单元ECU1的指令在电动或发电状态下工作，当处于电动状态时由电池组cell提供能量，当处于发电状态时向电池组cell充电。

为应对车辆的不同实际运行工况，图4所示分割式多能源动力总成可以采取不同的工作模式。具体如何应对，取决于写入ECU1及ECU2的控制策略(软件)，而本实用新型为各种控制策略的灵活应用提供了硬件平台。以下仅就一种可能的控制策略及相应的各工作模式做粗略的描述。

1、常规电动起步模式

车辆在普通平路起步时，根据油门踏板状态，自动换段机构处于I段，电池组向主机M2供电使之处于电动状态，以纯电动模式驱动车辆起步，此时调速电机M1不通电处于无负荷空转状态，发动机不点火处于制动状态，功率的流向为电池(cell)→电机M2→齿轮13→齿轮14→输出轴9至驱动桥及驱动轮。而在车辆达到一定车速后，电机M1呈电动状态，快速拖动发动机启动，转入发动机-电机混联驱动模式。这样可避免起步时发动机怠速高油耗、高排放的缺点。

2、纯电动驱动模式

车辆行驶在对排放要求特别高的地区(如风景区，人口高密集区)或车内电池高于一定设定值或发动机出现严重故障时，车辆即转入纯电动驱动模式。该模式与上述起步模式转入混联驱动前的情况类似。

3、纯发动机驱动模式

仅在电机M2或电池组出现严重故障或人为干预时，车辆转入纯发动机驱动模式。在该模式下有两种情况，一是电机M2停止工作，车辆由发动机驱动，电机M1仍交替在电动与发电状态下工作，与分汇流无级变速器共同完成调速、变矩任务；二是电机M1、M2均停止工作，且M1处于机械制动状态，分汇流无级变速器停止换段，车辆由发动机单独应急驱动。

4、混联式混合动力驱动模式

在一般车况下，电控单元根据既定控制策略的优化目标函数、实际车况功率需求和电池组荷电状态，通过调节供油量、变速器传动比、电流及电压，并使发动机和两个电机在并联和混联(串并联)工作模式之间不断切换，从而实时地控制发动机和电机(主要是电机M2)之间的功率分配，在随时满足驱动轮上要求提供的总功率、保证动力性的前提下，达到诸如大幅度减少油耗和排放等优化目标。

5、能量回馈制动驱动模式

在除纯发动机驱动模式之外的上述任何工作模式下，且车辆需要制动减速或下坡限速时，根据制动踏板信号，向电机M2发出负力矩给定信号，使其处于反拖发电状态，向车辆提供制动力并向电池组回馈电能；同时减少向发动机的供油量、调节速比以及使电机M1成为发动机的负载。当制动踏板信号继续增大时，使机械制动系统也介入工作，以确保满足制动安全性的需要。

Claims (2)

1、一种混合动力电动汽车的分割式多能源动力总成，主要由发动机、主电机、调速电机、电池组、燃油箱、二自由度行星分汇流机构、监控分系统和传动装置构成，其特征在于用功率分汇流无级变速器替代所述二自由度行星分汇流机构；所述功率分汇流无级变速器由至少一个具有正向传递特性和一个具有反向传递特性的行星排组成的双向行星排组、以及一个结构与常规机械自动变速器AMT相似的自动换段机构通过机械、电气联结构成。

2、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车的分割式多能源动力总成，其特征在于其中发动机选自汽油机、或柴油机；电机选自直流、交流同步或异步、永磁或励磁、单相或三相电机；电池组采用动力蓄电池或超级电容储能器；传动装置采用定轴齿轮传动副、链或带挠性传动副。

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