CN101323243B - 混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械技术领域的混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置，该装置设置有前行星排和后行星排，前行星排有前行星排行星轮、前行星排太阳轮，后行星排有后行星排行星轮、后行星排太阳轮，前后行星排共用一个齿圈。发动机输出轴与集成起动发电机输入端连接，集成起动发电机输出端与离合器主动盘连接，离合器从动盘通过行星架与前行星排行星轮相连，前行星排太阳轮与驱动电机连接，后行星排行星轮行星架固接于车架，后行星排太阳轮也与驱动电机连接，齿圈外圈齿轮与动力输出齿轮常啮合。本发明结构紧凑、传动比大、承载能力大、传动平稳、传动效率高；可以同时实现功率分流和无级变速的目的。

Description

混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置

技术领域

本发明涉及一种机械技术领域的驱动装置，具体是一种混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置。

背景技术

随着世界能源的紧张与人类环保意识的加强，安全、节能、环保成为当今汽车发展的主题。作为新能源汽车之一的混合动力汽车能够较好的解决上述问题。混合动力汽车是一种由发动机和电机系统共同驱动的车辆。其中发动机可以是使用多种燃料的内燃机；电机既可以是永磁电机也可以是励磁电机，既可以是同步电机也可以是异步电机。混合动力车辆(HEV)的结构主要分为并联式、串联式和混联式。混联形式以及电驱动程序的增加是混合动力发展的大方向，它采用差动行星齿轮，因为行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比，具有质量小、体积小、传动比大、承载能力大、传动平稳及传动效率高等优点，可以同时实现功率分流和变速的目的，单个行星齿轮的机构就可以代替原型车中的离合器和变速器。而双行星排机电耦合驱动装置在具备上述优点的同时，可以更好的减少发动机与电机切换过程中的速度波动，更好地实现无级变速，同时降低对于电机的要求，是一种先进的混合动力汽车驱动装置。

经对现有技术的文献检索发现，专利03128810.3公开了一种混合动力汽车驱动系统，提供了一种较传统车辆而言经济性好、排放低，可实现制动能量回收的混合动力汽车驱动系统，包括发动机、前轮、蓄电池、轮毂电动机、后轮、发电机、后桥，但只是混合动力技术的初步应用，没有较大发挥混合动力的优势；国内专利200610064953.X，200710078132.6及200710047421.X均为基于双行星排的混合动力驱动装置，结构上均采用单电机，双离合器或多离合器以及多制动器，虽能实现机电耦合与无级变速功能，但驱动装置尺寸较大且成本较高，同时对于电机的要求较高。美国专利US 2004/0147365A1披露了一种在变速箱前后采用双电机的混合动力结构，但未对该结构提出任何机构上的改进以实现利用手 动变速箱时实现车辆的纯电动驱动功能，不利于发挥混合动力汽车的优势。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置，通过两个电机、两行星排和一个离合器的不同组合状态实现混合动力汽车的多种工作模式，所述装置具有无级变速功能和模式切换功能。这种驱动装置结构紧凑，传递部件少，能够在最大限度的节约制造和改造成本的基础上实现节约燃油和保证整车动力性能的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置，包括：发动机、集成起动发电机(简称ISG)、离合器、行星架、前行星排太阳轮、前行星排行星轮、齿圈、后行星排行星轮、后行星排太阳轮、驱动电机(简称TM)、动力输出齿轮。其中发动机输出轴与集成起动发电机输入端连接，集成起动发电机输出端与离合器主动盘连接，离合器从动盘通过行星架与前行星排行星轮相连，前行星排太阳轮与驱动电机连接，前后行星排共用用一齿圈，后行星排行星轮行星架固接于车架，后行星排太阳轮也与驱动电机连接，行星排齿圈外圈齿轮与动力输出齿轮常啮合。

本发明装置将发动机输出的动力与集成起动发电机和驱动电机的动力通过前后两行星排进行耦合，两行星排共用一个外齿圈，且此外齿圈经过一对常啮合齿轮将耦合机构的动力输出至车轮，两行星排的太阳轮共同与驱动电机连接。且在集成起动发电机输出端连接一个可控离合器，通过对此离合器在各种工作模式下分离与结合的控制以实现动力的最优控制，提高能源的利用率。后行星排行星轮固接于车架，为单自由度系统。此种驱动装置可以明显降低对于驱动电机的要求。

本发明装置结构上的创新之处在于以下两点：第一，应用了具有结构紧凑、传动比大、传动平稳、传动效率高等诸多优点的双星行排结构，且两行星排共用一个外齿圈，两行星排太阳轮共同连接驱动电机，并且在集成起动发电机输出端连接一个可控离合器，从而克服了普通行星结构中前后电机或电机与发动机之间在起动或制动过程中的干扰阻力，能够较好实现混合动力汽车各传动部件之间的良好匹配和最优控制。第二，前行星排太阳轮连接离合器后串接集成起动发电机，前后行星排太阳轮共同连接驱动电机，能够降低对驱动电机的要求，并且充分发 挥集成起动发电机在静止启动时的优势。

本发明上述的装置，包括以下多种工作模式：

(1)启动模式：启动模式根据车的状态，分为静止启动和纯电动启动两种情况：

静止启动时，离合器结合，ISG做起动机运行，由电机前输出端直接拖动发动机启动，根据启动转速的不同决定启动同时充电与否；

纯电动启动时，要求汽车行驶速度超过设定值Vm或者ISG电机蓄电池的电量低于一定值SOC，以及蓄电池的SOC值达到强制充电状态SOCq时，离合器结合，由驱动电机经双行星排、离合器及ISG后带动发动机启动，进入发动机运行，功率分流驱动汽车，并对ISG电机蓄电池充电。

(2)纯电动驱动模式：电动机驱动模式(轻度负荷)，指在汽车运行速度小于某设定值，蓄电池的SOC值高于SOC₁时，汽车运行所需要的转矩由驱动电机单独提供。此时，离合器分离，发动机静止驱动电机TM的动力经后行星排太阳轮、后行星排行星轮、行星排齿圈，外侧常啮合齿圈后，由动力输出齿轮输出到车轮，驱动汽车。

(3)发动机驱动模式：指汽车中低速行驶，蓄电池的SOC值低于SOC₁时，汽车运行所需要的转矩由发动机单独提供；离合器结合，ISG电机作为发电机工作吸收能量至电池，驱动电机自由旋转，动力由发动机经前后行星排传至车轮。

(4)混合驱动模式：在车辆需求功率大于发动机效率优化功率、电池SOC值不低时，离合器结合，发动机、驱动电机共同驱动车辆，ISG电机根据功率的不同需求及电池的SOC值高低来判断作为电动机参与驱动或作为发电机吸收驱动剩余能量，这种模式通常工作于中低速加速和高速区。

(5)制动模式：制动模式根据车的状态，分为驱动电机TM制动和联合制动两种情况：

中低速情况下，离合器分离，发动机静止，ISG自由旋转，由驱动电机TM单独制动，克服地面摩擦阻力矩，做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电；

在高速情况下，离合器结合，发动机和驱动电机TM联合制动，根据电池SOC情况，ISG做发电机或电动机运行，驱动电机TM做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电。

本发明装置，在启动模式中，根据车速、电池SOC值来决定采用静止启动模 式或纯电动启动模式，在发动机启动前的时间，实现电能的最大利用，降低了燃油消耗；混合驱动模式发生在高功率需求的情况下，驱动电机参与到高速行驶车辆的驱动过程中，且此时ISG电机根据功率的不同需求及电池的SOC值高低来判断作为电动机参与驱动或作为发电机吸收驱动剩余能量，通过优化控制策略可以实现发动机、驱动电机、ISG电机三者的最优控制，在不影响汽车整体动力性的前提下，提高了车辆的燃油经济性，而这些都源于耦合装置的结构创新和控制策略的优化设计；制动模式，则是根据车速高低来决定离合器的分离与结合，以实现驱动电机TM制动或联合制动，能够在实现制动功能的前提下，更高效的实现能量回收。

与现有混联式混合动力汽车相比，本发明具有以下显著效果：

(1)应用了双行星排结构，结构紧凑、传动比大、承载能力大、传动平稳、传动效率高；

(2)可以同时实现功率分流和无级变速的目的；

(3)采用发动机与ISG串联后经过一个离合器与双行星排连接的结构，可以进一步减少发动机与电机切换过程中的速度波动，更好地实现无级变速，提高经济性，同时降低对于电机的要求；

(4)沿用了众多现有行星变速器的结构与开发经验，这样可以大幅降低制造成本。

附图说明

图1混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置结构示意图；

图2静止启动模式的能量传递路线图；

图3纯电动启动模式的能量传递路线图；

图4纯电动驱动模式的能量传递路线图；

图5发动机驱动模式的能量传递路线图；

图6混合驱动模式的能量传递路线图；

图7驱动电机制动模式的能量传递路线图；

图8联合制动模式的能量传递路线图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例混联式混合动力驱动装置，包括发动机1、集成起动发电机2、离合器3、行星架4、前行星排太阳轮5、前行星排行星轮6、齿圈7、后行星排行星轮8、后行星排太阳轮9、驱动电机10、动力输出齿轮11。其中发动机1输出轴与集成起动发电机2输入端连接，集成起动发电机2输出端与离合器3主动盘连接，离合器3从动盘通过行星架4与前行星排行星轮6相连，前行星排太阳轮5与驱动电机10连接，前后行星排公用一齿圈7，后行星排行星轮8行星架固接于车架，后行星排太阳轮9也与驱动电机10连接，齿圈7外圈齿轮与动力输出齿轮11常啮合。

发动机1作为动力单元，其动力可以通过机械系统直接传递给车轮，也可以通过集成起动发电机2或驱动电机10以电能的方式给蓄电池充电。

集成起动发电机2主要是用来启动发动机1和吸收发动机1的能量发电，并能够调节发动机1的转速，减少其转速波动。

离合器3连接集成起动发电机2输出端与前行星排行星架4，用于传输发动机1、集成起动发电机2和驱动电机7的动力，同时进行自动离合切换，实现能量的合理优化使用，提高能量利用率。

本发明驱动装置中的动力耦合机构由行星架4、前行星排太阳轮5、前行星排行星轮6、齿圈7、后行星排行星轮8、后行星排太阳轮9构成，能够对来自发动机1、集成起动发电机2和驱动电机10的动力进行耦合叠加，并且能够通过控制策略对能量传递进行优化配置，是本发明的核心机构之一。

驱动电机10可作为电动机在启动及驱动过程中驱动车辆，并可作为发电机用来回收车辆制动时的动能。

动力输出齿轮11与齿圈7外齿圈齿轮常啮合，用以在耦合机构与车轮之间的能量传递。

本发明结构上的创新之处在于应用了发动机1与集成起动发电机2串联后经过一个离合器3与双行星排连接的结构，从而克服了普通双星行排结构中前后电机或电机与发动机之间在起动或制动过程中的干扰阻力，能够较好实现混合动力汽车各传动部件之间的良好匹配和最优控制。配置有此种结构混合动力汽车各种模式下的工作过程在图2～8中介绍。

如图2所示，在静止启动模式时，离合器3结合，集成起动发电机2做起动 机运行，一方面通过传动轴带动发动机1启动；另一方面，其输出能量依次通过离合器3、行星架4、前行星排行星轮6、齿圈7、常啮合齿轮副的动力输出齿轮11传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图2中粗实线所示。

如图3所示，在纯电动启动模式时，离合器3结合，驱动电机10做电动机运行，其动力输出一方面通过后行星排太阳轮9、后行星排行星轮8、前行星排太阳轮5、前行星排行星轮6、齿圈7、常啮合齿轮副的动力输出齿轮11传递至车轮驱动汽车；另一方面，其输出能量依次通过后行星排太阳轮9、后行星排行星轮8、齿圈7、前行星排太阳轮5、前行星排行星轮6、行星架4、离合器3、集成起动发电机2带动发动机1启动。动力传递路线如图3中粗实线所示。

如图4所示，在纯电动驱动模式时，离合器3分离，发动机1静止，集成起动发电机2自由转动，驱动电机10的动力输出依次通过后行星排太阳轮9、后行星排行星轮8、前行星排太阳轮5、前行星排行星轮6、齿圈7、常啮合齿轮副的动力输出齿轮11传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图4中粗实线所示。

如图5所示，在发动机驱动模式时，离合器3结合，集成起动发电机2作为发电机工作吸收能量至电池，驱动电机10自由旋转，发动机1的动力输出依次通过集成起动发电机2、离合器3、行星架4、前行星排行星轮6、齿圈7、常啮合齿轮副的动力输出齿轮11传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图5中粗实线所示。

如图6所示，在混合驱动模式时，离合器3结合，发动机1、驱动电机10共同驱动车辆，集成起动发电机2作为发电机或电动机工作。发动机1的动力输出依次通过集成起动发电机2、离合器3、行星架4、前行星排行星轮6、齿圈7，驱动电机10的动力输出依次通过后行星排太阳轮9、后行星排行星轮8、前行星排太阳轮5、前行星排行星轮6、齿圈7，二者动力在外齿圈处汇合，并经由常啮合齿轮副的动力输出齿轮11传递至车轮驱动汽车。动力传递路线如图6中粗实线所示。

如图7所示，在驱动电机制动模式时，离合器3分离，发动机1静止，集成起动发电机2自由旋转，来自车轮的车辆动能依次经过动力输出齿轮11、齿圈7、后行星排行星轮8、后行星排太阳轮9以及前行星排行星轮6、前行星排太阳轮5到达驱动电机10，使之做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电。动力传递路线如图7中粗实线所示。

如图8所示，联合制动模式时，离合器3结合，发动机1和驱动电机10联合制动，根据电池SOC情况，集成起动发电机2做发电机或电动机运行。地面制动力一部分，动力输出齿轮11、齿圈7、后行星排行星轮8、后行星排太阳轮9以及前行星排行星轮6、前行星排太阳轮5到达驱动电机10，使之做发电机运行，回收制动能量，并对电池充电；另一部分则由发动机1经过集成起动发电机2、离合器3、行星架4、前行星排行星轮6、齿圈7的动力输出来平衡。动力传递路线如图8中粗实线所示。

Claims (3)

1. 一种混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置，包括：发动机(1)、集成起动发电机(2)、离合器(3)、行星架(4)、前行星排太阳轮(5)、前行星排行星轮(6)、齿圈(7)、后行星排行星轮(8)、后行星排太阳轮(9)、驱动电机(10)、动力输出齿轮(11)，其特征在于：发动机(1)输出轴与集成起动发电机(2)输入端连接，集成起动发电机(2)输出端与离合器(3)主动盘连接，离合器(3)从动盘通过行星架(4)与前行星排行星轮(6)相连，前行星排太阳轮(5)与驱动电机(10)连接，前后行星排公用一齿圈(7)，后行星排行星轮(8)行星架固接于车架，后行星排太阳轮(9)也与驱动电机(10)连接，齿圈(7)外圈齿轮与动力输出齿轮(11)常啮合。

2. 根据权利要求1所述的混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置，其特征是：所述发动机(1)作为动力单元，其动力通过机械系统直接传递给车轮，或通过集成起动发电机(2)或驱动电机(10)以电能的方式给蓄电池充电。

3. 根据权利要求1所述的混合动力汽车双电机双行星排单离合器驱动装置，其特征是：所述行星架(4)、前行星排太阳轮(5)、前行星排行星轮(6)、齿圈(7)、后行星排行星轮(8)、后行星排太阳轮(9)构成动力耦合机构。

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