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CN111731089A - 两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置 - Google Patents

两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置 Download PDF

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CN111731089A
CN111731089A CN202010660183.5A CN202010660183A CN111731089A CN 111731089 A CN111731089 A CN 111731089A CN 202010660183 A CN202010660183 A CN 202010660183A CN 111731089 A CN111731089 A CN 111731089A
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Abstract

本发明属于车辆传动领域，公开了两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，目的是使发动机可持续工作在最大效率点，提高燃油率，节能减排，同时通过单电机联合ISG电机和发动机混合驱动，实现无级变速。这两种传动装置均主要包括发动机、ISG电机、阻尼减震器、驱动电机、电力转换器、储能装置和功率耦合变速装置。其中功率耦合变速装置均由三个行星排、三个制动器和三个离合器组成。通过不同操纵件的组合和对发动机和电机的控制，均可实现纯电驱动模式、并联模式、混联驱动模式和固定机械挡位等功能。本发明优点是通过不同操纵件组合可以实现多种工况模式，发动机可持续工作于高效区，车辆可以实现纯电起动、中高速巡航混合驱动等工况，可以满足车辆爬坡和频繁启停等要求，有效节能减排。同时电机功率小，节省空间和重量，具有机械挡位，传动效率高。

Description

两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置
技术领域
本发明属于动力传动领域，具体涉及两种适用于混合动力汽车使用的混联式油电混合传动装置。
背景技术
由于能源短缺以及公众环保意识的增强，新能源环保汽车日益受到重视。然而由于技术的制约，针对商用车，纯电动或燃料电池型商用车由于续航里程短和充电难等原因，短时间内难以全面推广，所以混合动力型商用车为目前较为理想的一种新能源环保汽车选择。
混合动力汽车与传统汽车、纯电动汽车相比，最大的差别为动力系统。混合动力汽车不仅可以使发动机长时间工作在高效区，提高其燃油经济性，并且可以实现制动能量回收，节约了能源，同时弥补了纯电动汽车续航里程短和充电难的问题。混合动力汽车是当今世界商用汽车发展的主流形式之一。
混合动力按电机与发动机的动力耦合形式，有串联、并联和混联形式。由于行星排具有多自由度和速度合成的功能，以行星排作为动力耦合核心的混联式混合动力传动装置是当今混合动力汽车发展的主要趋势。
发明内容
本发明的目的是：提供两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，不仅可以使车辆实现无级变速驱动，发动机常工作在高效区，节约能源，同时降低电机功率需求，提高功率密度，节约成本。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案，提供了两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置。
1.两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置中的第一种装置包括：发动机、ISG电机、阻尼减震器、驱动电机、电力转换器、储能装置和功率耦合变速装置。其功率耦合变速装置由三个行星排、三个离合器和三个制动器组成，其中：
第一个行星排为内外啮合单星行星排，包括一排齿圈（R1）、一排行星架（PC1）、一排太阳轮（S1）和一排行星轮（P1）；一排行星轮（P1）同时和一排太阳轮（S1）、一排齿圈（R1）啮合；一排行星架（PC1）支撑一排行星轮（P1）；
第二个行星排为内外啮合单星行星排，包括二排齿圈（R2）、二排行星架（PC2）、二排太阳轮（S2）和二排行星轮（P2）；二排行星轮（P2）同时和二排太阳轮（S2）、二排齿圈（R2）啮合；二排行星架（PC2）支撑二排行星轮（P2）；
第三个行星排为内外啮合单星行星排，包括三排齿圈（R3）、三排行星架（PC3）、三排太阳轮（S3）和三排行星轮（P3）；三排行星轮（P3）同时和三排太阳轮（S3）、三排齿圈（R3）啮合；三排行星架（PC3）支撑三排行星轮（P3）；
一排太阳轮（S1）与驱动电机（MG）、第三离合器（C3）內毂及第三制动器（B3）内毂固定连接，一排行星架（PC1）与二排齿圈（R2）及第二制动器（B2）內毂固定连接，一排齿圈（R1）与第二离合器（C2）內毂、二排行星架（PC2）、三排齿圈（R3）及第一制动器（B1）内毂固定连接；
二排太阳轮（S2）与第一离合器（C1）內毂及三排太阳轮（S3）固定连接；
三排行星架（PC3）与输出轴（Output）固定连接；
发动机（Engine）输出轴与起动发电一体机（ISG）连接，通过阻尼减振器（ZN）与第一离合器（C1）外毂、第二离合器（C2）外毂及第三离合器（C3）外毂固定连接；
第一制动器（B1）外毂、第二制动器（B2）外毂和第三制动器（B3）外毂固定在变速器壳体上。
2.第二种驱动装置结构与第一种装置结构基本相同，区别在于第二离合器（C2）不再连接发动机输出构件和一排齿圈（R1）所在构件，而是连接发动机输出构件和一排行星架（PC1）所在构件。
3.通过结合不同操纵件，这两种装置均可实现不同的工作模式。
结合所述第一制动器（B1），均可形成驱动电机纯电驱动模式一。
结合所述第二制动器（B2），均可形成驱动电机纯电驱动模式二。
结合所述第一制动器（B1）和第一离合器（C1），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机并联驱动模式一。
结合所述第二制动器（B2）和第一离合器（C1），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机并联驱动模式二。
结合所述第一制动器（B1）和第三离合器（C3），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机并联驱动模式三。
结合所述第一离合器（C1），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机功率分流混合驱动模式一。
结合所述第二离合器（C2），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机功率分流混合驱动模式二。
4.通过结合不同操纵件，这两种装置均可实现不同的机械挡位。
结合所述第一离合器（C1）和第一制动器（B1），均可形成第一机械挡位。
结合所述第一离合器（C1）和第二制动器（B2），均可形成第二机械挡位。
结合所述第一离合器（C1）和第三制动器（B3），均可形成第三机械挡位。
结合所述第一离合器（C1）和第二离合器（C2），均可形成第四机械挡位，该挡位为直接挡。
结合所述第二离合器（C2）和第三制动器（B3），均可形成第五机械挡位，该挡位为超速挡。
结合所述第二离合器（C2）和第二制动器（B2），第一种混合驱动装置可形成第六机械挡位，第二种混合驱动装置不可以形成有效挡位。
结合所述第三离合器（C3）和第一制动器（B1），均可形成第一倒挡挡位。
结合所述第三离合器（C3）和第二制动器（B2），均可形成第二倒挡挡位。
5.发动机带动ISG电机发电，通过电力转换器或储能装置，均可实现串联驱动模式，使驱动电机驱动车辆行驶。
6.发动机当ISG电机被其他类型驱动电机取代时，该混合驱动装置功能不变；当去掉第二制动器（B2）和第三制动器（B3）和第三离合器（C3）中的任意一个或多个，该混合驱动装置仍然可用于车辆动力传动系统中。
7.这两种混合驱动装置还包括电机控制单元、电池控制器和动力传动控制单元。
有益效果
上述技术方案所提供的两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，通过发动机、ISG电机、驱动电机、三个行星排、三个离合器和三个制动器来实现纯电低速启动、并联驱动、混联驱动、串联驱动和固定机械挡等模式。可以使发动机常工作在高效区，电机可实现制动能量回收，有效节能减排，同时电机功率需求低，有利于减小传动装置的尺寸，减轻变速箱的重量，降低制造费用。多个模式切换，电池容量需求小，提高了汽车的续航里程。拥有机械挡，可提高其传动效率。
附图说明
图1为本发明实施例的第一种混联式的混合驱动装置简图。
其中，Engine为发动机、ISG为起动发电一体机、ZN为阻尼减振器、MG为驱动电机、R1为一排齿圈、PC1为一排行星架、S1为一排太阳轮、P1为一排行星轮；R2为二排齿圈、PC2为二排行星架、S2为二排太阳轮、P2为二排行星轮；R3为三排齿圈、PC3为三排行星架、S3为三排太阳轮、P3为三排行星轮。操纵件B1、B2和B3为制动器，操纵件C1、C2和C3为离合器。还包括电力转换器和储能装置。图中：①为发动机输入构件，②为输出构件，③为驱动电机输入构件，④、⑤和⑥为传动构件。
图2为本发明实施例的第二种混联式混合驱动装置简图。
其中，各个零部件代号涵义和图1所示结构相同，区别在于C2离合器连接的部件是发动机Engine输出构件和一排行星架PC1所在构件。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图1和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。结构附图2的具体实施方式因与附图1基本相同，所以这里不再赘述。
为了解决现有技术中存在的问题，实现本发明的技术方案如图1所示，此图描述了混合驱动装置的具体方案，它由发动机、ISG电机、驱动电机、三个行星排、三个离合器和三个制动器来实现纯电低速起动、并联驱动、混联驱动、串联驱动和固定机械挡等模式。
为了方便说明，转动部件依次定义为：①—发动机Engine和起动发电一体机ISG输出轴通过阻尼减振器ZN与离合器C1外毂和离合器C2外毂及离合器C3外毂连接组成，②—输出轴Output及三排行星架PC3组成，③—驱动电机MG输出轴及一排太阳轮S1和离合器C3内毂及制动器B3内毂组成，④—一排行星架PC1及二排齿圈R2和制动器B2內毂组成，⑤—一排齿圈R1和离合器C2內毂及二排行星架PC2及三排齿圈R3和制动器B1內毂组成，⑥—二排太阳轮S2和三排太阳轮S3及离合器C1內毂组成。
第一制动器B1和第二制动器B2及第三制动器B3外毂均固定在变速器壳体上。
所述制动器B1即用于制动构件⑤。
所述制动器B2即用于制动构件④。
所述制动器B3即用于制动构件③。
所述离合器C1即用于连接构件①和构件⑥。
所述离合器C2即用于连接构件①和构件⑤。
所述离合器C3即用于连接构件①和构件③。
上述技术方案中，采用三个行星排，用六个操纵件（三个离合器、三个制动器）将每个排的基本构件（齿圈、行星架和太阳轮）与驱动电机、发动机、起动发电一体机、输出轴和箱体直接或间接连接。
以下是各个工作模式实现的说明，此混合驱动装置可以实现纯电驱动模式标记为EV1和EV2；三个并联驱动模式PD1、PD2和PDR；功率分流型混联驱动模式PS1和PS2；六个前进机械挡分别标记为：D1-D6；两个倒挡机械挡RD1和RD2；串联驱动模式SE。具体分析如下所示。
（1）纯电驱动模式EV。
纯电驱动模式主要用于起步、倒挡和低速城市工况。
结合所述第一制动器B1，动力通过驱动电机MG输入一排太阳轮S1，由于构件⑤制动，三个行星排共同工作，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成纯电驱动模式EV1。
结合所述第二制动器B2，动力通过驱动电机MG输入一排太阳轮S1，由于构件④制动，三个行星排共同工作，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成纯电驱动模式EV2。
（2）并联驱动模式PD。
并联驱动模式一PD1主要用于起步和爬坡等工况，当纯电驱动模式动力不足时，发动机助力。
结合所述第一制动器B1和第一离合器C1，驱动电机MG动力通过一排太阳轮S1输入，发动机Engine动力从二排太阳轮S2输入，由于构件⑤制动，三个行星排共同工作，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成发动机助力，驱动电机和发动机共同驱动的并联驱动模式PD1。
并联驱动模式二PD2主要用于低速行驶工况，当纯电驱动模式动力不足时，发动机助力。
结合所述第二制动器B2和第一离合器C1，驱动电机MG动力通过一排太阳轮S1输入，发动机Engine动力从二排太阳轮S2输入，由于构件④制动，三个行星排共同工作，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成发动机助力，驱动电机和发动机共同驱动的并联驱动模式PD2。
并联驱动模式三PDR主要用于倒挡工况，当纯电驱动模式动力不足时，发动机助力。
结合所述第一制动器B1和第三离合器C3，发动机Engine动力和驱动电机MG动力均通过一排太阳轮S1输入，由于构件⑤制动，三个行星排共同工作，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成发动机助力，驱动电机和发动机共同驱动的并联驱动模式PDR。
（3）功率分流型混联驱动模式PS。
功率分流型混联驱动模式可用于低速、中速和高速等工况。
结合所述第一离合器C1，发动机Engine动力从二排太阳轮S2输入，驱动电机MG动力从一排太阳轮S1输入，三个行星排共同工作，动力通过输出轴②输出。通过驱动电机转速调节，实现输出无级变速，发动机和驱动电机耦合驱动形成功率分流型混合驱动模式PS1，主要用于低速和中速行驶工况。
结合所述第二离合器C2，发动机Engine动力从一排齿圈R1输入，驱动电机MG动力从一排太阳轮S1输入，三个行星排共同工作，动力通过输出轴②输出。通过驱动电机转速调节，实现输出无级变速，发动机和驱动电机耦合驱动形成功率分流型混合驱动模式PS2，主要用于中速和高速行驶工况。
（4）前进机械挡工况D1-D6。
结合所述第一离合器C1和第一制动器B1，三排齿圈R3制动，一排和二排不工作，三排工作，发动机Engine动力从三排太阳轮S3输入，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第一前进机械挡位D1。
结合所述第一离合器C1和第二制动器B2，二排齿圈R2制动，一排不工作，二排和三排组成挡位，动力从发动机Engine输出，二排太阳轮S2输入，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第二前进机械挡位D2。
结合所述第一离合器C1和第三制动器B3，一排太阳轮S1制动，三个行星排共同工作组成挡位，动力从发动机Engine输出，二排太阳轮S2输入，动力从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第三前进机械挡位D3。
结合所述第一离合器C1和第二离合器C2，三个行星排整体回转，动力从发动机Engine输出，三排工作，通过三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第四前进机械挡位D4，该挡位为直接挡。
结合所述第二离合器C2和第三制动器B3，一排太阳轮S1制动，三个行星排共同工作组成挡位，动力从发动机Engine输出，从构件⑤输入，通过三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第五前进机械挡位D5，该挡位为超速挡。
结合所述第二离合器C2和第二制动器B2，二排齿圈R2制动，一排不工作，二排和三排组成挡位，动力从发动机Engine输出，从二排行星架PC2输入，通过三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第六前进机械挡位D6，该挡位为超速挡。
（5）倒挡机械挡工况RD。
结合所述第三离合器C3和第一制动器B1，构件⑤制动，三个排共同工作组成挡位，动力从发动机Engine输入，从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第一倒挡挡位RD1。
结合所述第三离合器C3和第二制动器B2，构件④制动，三个排共同工作组成挡位，动力从发动机Engine输入，从三排行星架PC3即输出轴②输出，形成第二倒挡挡位RD2。
（6）串联驱动模式SE。
发动机带动ISG电机发电，通过电力转换器和储能装置，驱动电机驱动车辆行驶，可实现串联驱动模式。
当发动机助力时，ISG电机可以根据需求进行助力和辅助驱动。
该混合动力驱动装置，当去掉第二制动器B2和第三制动器B3和第三离合器C3中的任意一个或多个后，虽然会减少机械挡位，但该功率耦合变速装置仍然可用于车辆混合驱动系统中。
各模式传动比范围由三个行星排的内传动比决定，即行星排的齿圈与太阳轮的齿数比，例如，三个排k值分别如下所示。
一排齿圈（R1）与一排太阳轮（S1）：ZR1/ZS1=3.5。
二排齿圈（R2）与二排太阳轮（S2）：ZR2/ZS2=2.5。
三排齿圈（R3）与三排太阳轮（S3）：ZR3/ZS3=2.5。
表1为混合驱动模式实现方式和传动比范围，此表描述了实现模式所需要结合的操纵件。 表中“√”表示操纵件结合。
表1 实现各模式的操纵件结合顺序及传动比。
Figure 592552DEST_PATH_IMAGE002
以上所述仅是本发明的优选实施方式之一，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以进行若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，其特征在于，所述第一种驱动装置包括：
发动机、ISG电机、阻尼减震器、驱动电机、电力转换器、储能装置和功率耦合变速装置；
其中功率耦合变速装置，特征在于，包括：
该功率耦合变速装置由三个行星排、三个离合器和三个制动器组成；
第一个行星排为内外啮合单星行星排，包括一排齿圈（R1）、一排行星架（PC1）、一排太阳轮（S1）和一排行星轮（P1）；一排行星轮（P1）同时和一排太阳轮（S1）、一排齿圈（R1）啮合；一排行星架（PC1）支撑一排行星轮（P1）；
第二个行星排为内外啮合单星行星排，包括二排齿圈（R2）、二排行星架（PC2）、二排太阳轮（S2）和二排行星轮（P2）；二排行星轮（P2）同时和二排太阳轮（S2）、二排齿圈（R2）啮合；二排行星架（PC2）支撑二排行星轮（P2）；
第三个行星排为内外啮合单星行星排，包括三排齿圈（R3）、三排行星架（PC3）、三排太阳轮（S3）和三排行星轮（P3）；三排行星轮（P3）同时和三排太阳轮（S3）、三排齿圈（R3）啮合；三排行星架（PC3）支撑三排行星轮（P3）；
一排太阳轮（S1）与驱动电机（MG）、第三离合器（C3）內毂及第三制动器（B3）内毂固定连接，一排行星架（PC1）与二排齿圈（R2）及第二制动器（B2）內毂固定连接，一排齿圈（R1）与第二离合器（C2）內毂、二排行星架（PC2）、三排齿圈（R3）及第一制动器（B1）内毂固定连接；
二排太阳轮（S2）与第一离合器（C1）內毂及三排太阳轮（S3）固定连接；
三排行星架（PC3）与输出轴（Output）固定连接；
发动机（Engine）输出轴与起动发电一体机（ISG）连接，然后通过阻尼减振器（ZN）与第一离合器（C1）外毂、第二离合器（C2）外毂及第三离合器（C3）外毂固定连接；
第一制动器（B1）外毂、第二制动器（B2）外毂和第三制动器（B3）外毂均固定在变速器壳体上。
2.如权利要求1所述的两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，其特征在于，第二种驱动装置结构与第一种装置结构基本相同，区别在于第二离合器（C2）不再连接发动机输出构件和一排齿圈（R1）所在构件，而是连接发动机输出构件和一排行星架（PC1）所在构件。
3.如权利要求2所述的两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，其特征在于，通过结合不同操纵件，这两种装置均可实现不同的工作模式，包括:
结合所述第一制动器（B1），均可形成驱动电机纯电驱动模式一；
结合所述第二制动器（B2），均可形成驱动电机纯电驱动模式二；
结合所述第一制动器（B1）和第一离合器（C1），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机并联驱动模式一；
结合所述第二制动器（B2）和第一离合器（C1），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机并联驱动模式二；
结合所述第一制动器（B1）和第三离合器（C3），发动机倒挡助力，均可形成发动机、ISG电机和驱动电机并联驱动模式三；
结合所述第一离合器（C1），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机功率分流混合驱动模式一；
结合所述第二离合器（C2），均可形成发动机、ISG电机和驱动电机功率分流混合驱动模式二。
4.如权利要求3所述的两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，其特征在于，通过结合不同操纵件，这两种装置均可实现不同的机械挡位，包括：
结合所述第一离合器（C1）和第一制动器（B1），均可形成第一机械挡位；
结合所述第一离合器（C1）和第二制动器（B2），均可形成第二机械挡位；
结合所述第一离合器（C1）和第三制动器（B3），均可形成第三机械挡位；
结合所述第一离合器（C1）和第二离合器（C2），均可形成第四机械挡位，该挡位为直接挡；
结合所述第二离合器（C2）和第三制动器（B3），均可形成第五机械挡位；
结合所述第二离合器（C2）和第二制动器（B2），第一种混合驱动装置可形成第六机械挡位，第二种混合驱动装置不可以形成有效挡位；
结合所述第三离合器（C3）和第一制动器（B1），均可形成第一倒挡挡位；
结合所述第三离合器（C3）和第二制动器（B2），均可形成第二倒挡挡位。
5.如权利要求4所述的两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，其特征在于，包括：
发动机带动ISG电机发电，通过电力转换器或储能装置，均可实现串联驱动模式，使驱动电机驱动车辆行驶。
6.如权利要求5所述的两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，其特征在于，包括：
当ISG电机被其他类型驱动电机取代时，该混合驱动装置功能不变；当去掉第二制动器（B2）和第三制动器（B3）和第三离合器（C3）中的任意一个或多个，该混合驱动装置仍然可用于车辆动力传动系统中。
7.如权利要求6所述的两种适用于商用车的混联式油电混合动力驱动装置，其特征在于，还包括电机控制单元、电池控制器和动力传动控制单元。
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