CN110509760B

CN110509760B - 混合动力车辆用动力驱动系统

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Publication number: CN110509760B
Application number: CN201910893191.1A
Authority: CN
Inventors: 段志辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: US20220340121A1; US11760337B2; WO2021052372A1; CN110509760A

Abstract

本发明公开一种混合动力车辆用动力驱动系统，其包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，所述混合动力模块由电机、复合行星齿轮机构、离合器和制动器组成；复合行星齿轮机构具有至少四个转轴，分别与电机的转子、发动机的动力输出轴、双输入变速机构的第一输入轴、第二输入轴连接，发动机的动力输出轴转速介于第一输入轴转速和第二输入轴转速之间，且第一输入轴转速介于电机转速和发动机转速之间；制动器设置在发动机的动力输出轴上，离合器设置在复合行星齿轮机构的四个转轴中的任意两个之间。本发明利用复合行星齿轮机构差速特性和双输入轴变速机构双输入轴特点，增加多个衍生的速比/变速挡位，扩宽速比变化范围，提高发动机效率。

Description

混合动力车辆用动力驱动系统

技术领域

本发明涉及混合动力车辆技术领域，尤其是涉及一种混合动力车辆用动力驱动系统。

背景技术

混合动力汽车是电动化汽车中最具有产业化和市场化前景的动力系统。混合动力汽车采用热能发动机和电机作为动力源，既可以使用发动机驱动，也可以使用电力驱动，还可以混合动力驱动，能够降低油耗，还能用电能取代一部分燃油或燃气，部分改变能源结构。

单电机并联式混合动力系统是混合动力汽车中应用广泛的一种混合动力系统，由发动机、电机、动力耦合机构和机械变速箱构成，其中，电机具有多项功能，包括单独驱动车辆行驶、助力发动机驱动车辆、行驶时和驻车时发电、能量再生制动等；动力耦合机构的功能是：根据需要和指令，开通或关闭发动机和电机动力的输出通道，或切换其流向，实现混动车的各种工况；机械变速装置的功能是减速和增扭，并改变输入轴和输出轴之间的速比，使得发动机和电机能够高效率工作；同时放大扭矩，增大车轮扭矩。双第一离合器变速器(Dual Clutch Transmission，简写DCT)经常被用做机械变速机构。

US 8,931,371公开一种混合动力系统，采用DCT作为机械变速装置，发动机输出轴连接两个第一离合器的一端，第一离合器的另一端分别与第一输入轴和第二输入轴连接，驱动电机直接连接在变速箱的输出轴上。纯电驱动时，第一离合器分离，发动机与车轮分离；电机直接驱动车轮；混合驱动工况时，DCT变速箱如常规变速箱一样工作；电机可以根据需要，辅助驱动、发电或空转，简单实用，传动效率高；但存在以下缺点：1、驱动电机和车轮连接，无法分离，驻车时不能发电，需要另设发电机解决驻车发电的问题，也需要解决驻车空调压缩机动力问题；2、电机和车轮的速比固定，电机输出扭矩要求高，转速范围宽，电机成本较高、平均效率受影响。

US 9,308,907公开一种混动系统，也采用DCT作为传动、变速装置，DCT的两个第一离合器分别与第一输入轴和第二输入轴连接，驱动电机位于发动机输出轴和两个第一离合器之间，电机和发动机的动力输出轴之间还有一个分离第一离合器。纯电动工况时，分离第一离合器分离，发动机的动力输出轴与电机轴分离，发动机停机，电机转动并输出扭矩，通过变速箱驱动车轮，实现纯电驱动；发动机工作时，分离第一离合器闭合，将发动机和电机锁定，发动机输出的动力通过第一离合器传递到电机和变速箱输入轴，实现混合驱动。此混动系统传动效率高；电机可以与车轮脱离，能进行驻车发电，能在驻车时为空调压缩机提供动力；驱动电机位于变速箱的输入端，与车轮的速比可变，电机扭矩、速度要求降低，成本低，工作效率高。但是，该混动系统存在两个缺点：1、双第一离合器技术复杂、成本高，特别是第一离合器控制难度大；2、一般只有六、七个挡位(增加挡位会增加轴向长度，受限制)，挡位之间速比差距较大，不利于优化发动机工作点、降低油耗。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种混合动力车辆用动力驱动系统，其结构简单可靠，设计合理紧凑，传动效率高，能够在不增加传动齿轮对数的条件下，增加多个挡位。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合动力车辆用动力驱动系统，其包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，所述混合动力模块由电机、复合行星齿轮机构、第一离合器和制动器组成；复合行星齿轮机构具有至少四个转轴，分别与电机的转子、发动机的动力输出轴、双输入变速机构的第一输入轴以及第二输入轴连接，发动机的动力输出轴转速介于第一输入轴转速和第二输入轴转速之间，且第一输入轴转速介于电机转速和发动机转速之间；制动器设置在发动机的动力输出轴上，第一离合器设置在复合行星齿轮机构的四个转轴中的任意两个转轴之间；所述双输入轴变速机构由第一输入轴、第二输入轴、若干对前进档位齿轮、至少一套倒档齿轮和至少一个输出轴组成，第一输入轴上设有奇数档位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数档位主动齿轮，输出轴上布置各个档位的从动齿轮，上述各档位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；每一个档位中有一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接。

进一步地，上述的复合行星齿轮机构为拉维纳式行星齿轮机构，由一个单行星齿轮排和一个双行星齿轮排组成，单行星齿轮排由大太阳齿轮SL、齿圈R、行星齿轮PL和行星架C组成，大太阳齿轮SL与行星齿轮PL啮合，行星齿轮PL与齿圈R内啮合，行星齿轮PL的转轴布置在行星架C上，双行星齿轮排包括小太阳齿轮SS、内行星齿轮PS，并与单行星齿轮排共享齿圈R、行星架C和行星齿轮PL，小太阳齿轮SS与内行星齿轮PS啮合，内行星齿轮PS与行星齿轮PL啮合，内行星齿轮PS的转轴固定在行星架C上；齿圈R的转轴与发动机的动力输出轴连接，使发动机的动力能够通过齿圈R作用在行星齿轮机构上，大太阳轮SL的转轴与电机的转子连接，行星架C的转轴与双输入轴变速机构的第一输入轴连接，小太阳齿轮SS的转轴与双输入轴变速机构的第二输入轴连接。

进一步地，上述的混合动力模块中的制动器也可以采用第二离合器替代，第二离合器安装在发动机的动力输出轴上。

上述的混合动力车辆用动力驱动系统，其同步器仅挂一个挡位且第一离合器闭合时，发动机的动力输出轴输出该挡位；用同步器挂不同的挡位，发动机的动力输出轴能够实现每一个齿轮的固有挡位。

上述的混合动力车辆用动力驱动系统，其第一离合器分离、同步器挂一个奇数挡和一个偶数挡时，发动机的动力输出轴输出一个介于奇数挡与偶数挡之间的衍生挡位；每一对相邻的奇数和偶数挡位之间，产生一个衍生挡位。

本发明的混合动力车辆用动力驱动系统的换挡控制方法，其通过整车控制器控制实现，包括以下步骤：

换挡有以下4种情况：(1)、现挂奇数挡位i，换成相邻的衍生挡位i/i+1或者i/i-1；(2)、现挂衍生挡位i/i+1或者i/i-1，换挂挡相邻的奇数挡位i或者偶数挡位i+1；(3)、现挂偶数挡位j，换成相邻的衍生挡位j/j+1或者j/j-1；(4)、现挂衍生挡位j/j+或者j/j-，换挂挡相邻的奇数挡位j+1或者j-1；

(1)、由奇数挡位i换挂衍生挡位i/i+1或者i/i-1：

换挡前系统状态：奇数i挡齿轮挂挡，第一离合器闭合、将复合行星齿轮机构锁定，发动机和电机并联驱动第一输入轴11；换挡步骤如下：

步骤1、调整发动机和电机扭矩，使之相对于第一输入轴的扭矩平衡；

步骤2、将第一离合器分离；

步骤3、控制电机调速，使得第二输入轴与i+1挡位齿轮或者i-1挡位齿轮同步；

步骤4、控制同步器挂偶数i+1挡位或者偶数i-1挡位；

步骤5、根据需求调整发动机和电机扭矩；完成换挡，系统挂衍生挡位i/i+1或者i/i-1，发动机的速比介于i挡速比和i+1挡位速比之间、或者i挡速比和i-1挡位速比之间；

(2a)、由衍生挡位i/i+1换挂偶数挡位i+1：

换挡前系统状态：奇数i挡位和偶数挡位i+1挂挡，第一离合器分离，发动机和电机分别驱动第一输入轴和第二输入轴；换挡步骤如下：

步骤1、调整发动机和电机扭矩，使之相对于第二输入轴的扭矩平衡、第一输入轴上的扭矩为零；

步骤2、摘掉奇数挡位i；

步骤3、控制电机调速，使电机转速和发动机转速跟随第二输入轴转速；

步骤4、闭合第一离合器，锁定复合行星齿轮机构，4个转轴同速转动；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂偶数挡位i+1；

(2b)、由衍生挡位i/i+1换挂奇数挡位i：

步骤1、调整发动机和电机扭矩，使之相对于第一输入轴的扭矩平衡、第二输入轴上的扭矩为零；

步骤2、摘掉偶数挡位j；

步骤3、控制电机调速，使电机转速和发动机转速跟随第一输入轴转速；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂奇数挡位i；

(3)、偶数挡位j换挂衍生挡位j/j+1或者j/j-1：

换挡前系统状态：偶数j挡齿轮挂挡，第一离合器闭合、将复合行星齿轮机构锁定，发动机和电机并联驱动第二输入轴；换挡步骤如下：

步骤1、调整发动机和电机扭矩，使之相对于第二输入轴的扭矩平衡；

步骤2、将第一离合器分离，使得复合行星齿轮机构差速转动；

步骤3、控制电机调速，使得第一输入轴与奇数挡位j+1挡位齿轮或者奇数挡位j-1挡位齿轮同步；

步骤4、控制同步器挂j+1挡位或者j-1挡位；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩；系统完成挂衍生挡位j/j+1或者j/j-1，发动机的速比介于j挡速比和j+1挡位速比之间、或者介于j挡速比和j-1挡位速比之间；

(4a)、由衍生挡位j/j+1换挂奇数挡位j+1：

换挡前系统状态：偶数j挡位和奇数j+1挡位挂挡，第一离合器分离，发动机和电机分别驱动第一输入轴和第二输入轴；换挡步骤如下：

步骤1、调整发动机和电机扭矩，使之对第一输入轴的扭矩平衡、第二输入轴上的扭矩为零；

步骤2、摘掉偶数挡位j；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂奇数挡位j+1；

(4b)、由衍生挡位j/j-1换挂奇数挡位j-1：

步骤1、调整发动机和电机扭矩，使之对第二输入轴的扭矩平衡、第一输入轴上的扭矩为零；

步骤2、摘掉奇数挡位j+1；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂奇数挡位j-1。

本发明还保护一种包括有上述动力驱动系统的车辆。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该混合动力车辆用动力驱动系统，其利用复合行星齿轮机构的差速特性和双输入轴变速机构的双输入轴特点，在双输入轴变速机构原有齿轮挡位的基础上，增加多个衍生的速比/变速挡位，扩宽速比变化范围，使得发动机工作转速更接近最佳工作点，提高发动机效率；换挡位时，电机分别驱动变速机构的第一输入轴和第二输入轴精确调速，当输入轴与待挂挡位齿轮同步后，同步器直接挂挡，改善换挡平顺性；同时，避免采用具有起步功能的双离合器，减少使用高成本零部件，降低动力系统成本；混合动力变速箱全部通过齿轮传动，传动效率高；实现纯电驱动、发动机和电机混合驱动、能量再生制动、巡航发电、驻车发电等功能。

附图说明

图1是本发明混合动力车辆用动力驱动系统实施例之一的结构示意图；

图2是本发明混合动力车辆用动力驱动系统实施例之二的结构示意图；

图3是图1中的拉维纳式行星齿轮机构的结构示意图；

图4是图2中的拉维纳式行星齿轮机构的结构简图；

图5是拉维纳式行星齿轮机构中4个转轴转速等效杠杆表示图；

图6是拉维纳式行星齿轮机构中4个转轴转速杠杆表示图；

图7是复合行星齿轮机构中4个转轴转速杠杆表示图；

图8是C-R复合行星齿轮机构的结构示意图；

图9是图8中的C-R复合行星齿轮机构中4个转轴转速杠杆表示图；

图10是本发明混合动力车辆用动力驱动系统中发动机的动力输出轴的速比杠杆表示图；

图中：1－发动机；2－动力输出轴；3－制动器；4－第一离合器；5－复合行星齿轮机构；6－电机；7－转子；8－第二离合器；11－第一输入轴；12－第二输入轴；10－混合动力模块；15－输出轴；20－双输入轴变速机构；SL－大太阳齿轮；PL－行星齿轮；R－齿圈；C－行星架；SS－小太阳齿轮；PS－内行星齿轮；G(1～6)－前进挡位齿轮；GR－倒档齿轮；S(1～6)－同步器；SR－倒档同步器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1、3、4所示，该混合动力车辆用动力驱动系统，其包括发动机1、混合动力模块10和双输入轴变速机构20，所述混合动力模块20由电机6、复合行星齿轮机构5、第一离合器4和制动器3组成；复合行星齿轮机构5为拉维纳式行星齿轮机构(Ravigneaux式行星齿轮机构)，由一个单行星齿轮排和一个双行星齿轮排组成，单行星齿轮排由大太阳齿轮SL、齿圈R、行星齿轮PL和行星架C组成，大太阳齿轮SL与行星齿轮PL啮合，行星齿轮PL与齿圈R内啮合，行星齿轮PL的转轴布置在行星架C上，双行星齿轮排包括小太阳齿轮SS、内行星齿轮PS，并与单行星齿轮排共享齿圈R、行星架C和行星齿轮PL，小太阳齿轮SS与内行星齿轮PS啮合，内行星齿轮PS与行星齿轮PL啮合，内行星齿轮PS的转轴固定在行星架C上；拉维纳式行星齿轮机构至少有4个转轴，分别为：齿圈R的转轴、大太阳轮SL的转轴、行星架C的转轴、小太阳齿轮SS的转轴，上述4个转轴的轴心线在一条直线上；齿圈R的转轴与发动机1的动力输出轴2连接，使发动机的动力能够通过齿圈R作用在行星齿轮机构上，大太阳轮SL的转轴与电机6的转子7连接，行星架C的转轴与双输入轴变速机构20的第一输入轴11连接，小太阳齿轮SS的转轴与双输入轴变速机构20的第二输入轴12连接；发动机的动力输出轴2转速介于第一输入轴11转速和第二输入轴12转速之间，且第一输入轴11转速介于电机6转速和发动机1转速之间；制动器3设置在发动机的动力输出轴2上；第一离合器4设置在复合行星齿轮机构的四个转轴中的任意两个转轴之间，用于将复合行星齿轮机构的4个转轴锁定在一起，同速转动；所述双输入轴变速机构20由第一输入轴11、第二输入轴12、若干对前进档位齿轮、至少一套倒档齿轮GR和至少一个输出轴15组成，若干对前进挡位齿轮分别是挡位齿轮G1、G2、G3、……，一套倒档齿轮GR中的两个齿轮之间设有转向齿轮，第一输入轴上设有奇数档位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数档位主动齿轮，输出轴上布置各个档位的从动齿轮，上述各档位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；上述的每一对齿轮中的一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接；同步器挂挡时，该齿轮与相应的轴连接，同速转动；同步器摘挡时，该齿轮与相应的轴分离，能够以不同速度转动。

上述的混合动力模块20中的制动器3也可以采用第二离合器8替代，如图2所示，第二离合器8安装在发动机的动力输出轴2上，其他结构不变；纯电动驱动时：第二离合器8分离，将发动机的动力输出轴2与混合动力模块20分离；挂一奇数挡位；第一离合器4闭合，将行星齿轮系所在一起，同速转动，电机输出扭矩，通过行星齿轮系、挂挡齿轮驱动。发动机和电机混合驱动时：第二离合器8闭合，发动机的动力输出轴2与行星齿轮系中的相关转轴连接在一起；其他所有的功能和实现方法都不变。

上述的拉维纳式行星齿轮机构具有4个绕固定轴线转动的轴：大太阳齿轮SL的转轴、小太阳齿轮SS的转轴、行星架C的转轴和齿圈R的转轴。这4个转轴之间存在一定的运动学约束：大太阳齿轮SL、行星架C和齿圈R的转速之间存在单行星齿轮排运动学约束：

n_R+ρ₁·n_SL＝(1+ρ₁)·n_C (1)

同时，小太阳齿轮SS、行星架C和齿圈R的转速存在双行星行星排的运动学约束，即：

n_R-ρ₂·n_SS＝(1-ρ₂)·n_C (2)

其中：n_R、n_SL、n_C和n_SS分别表示齿圈R、大太阳齿轮SL、行星架C和小太阳齿轮SS的转速；R、SL和SS分别表示齿圈R、大太阳齿轮SL和小太阳齿轮SS的齿轮；ρ₁＝SL/R，ρ₂＝SS/R。R表示齿圈，也表示齿圈齿数；SL表示大太阳齿轮，也表示大太阳齿轮的齿数；SS表示小太阳齿轮，也表示小太阳齿轮的齿轮。

上述4个转轴转速之间的运动学约束也可以用杠杆图直观地描述：一杠杆水平放置，上面有4个点，依次为SL、C、R和SS，分别代表大太阳齿轮SL、行星架C、齿圈R和小太阳齿轮SS；点SL到点C之间的距离为1，点C到点R的距离为ρ₁＝SL/R，点C到点SS的距离为ρ₁/ρ₂，如图5所示；从每一个点引出一条垂直于杠杆的矢量，矢量长度分别代表大太阳齿轮SL、行星架C、齿圈R和小太阳齿轮SS的转速；这四个转轴之间存在运动学约束可表示为：4个矢量的顶点保持在一条直线上，如图6所示。

从杠杆图中看出，上述4个转轴的转速是有序的，总有n_SL>n_C>n_R>n_SS或n_SL<n_C<n_R<n_SS或n_SL＝n_C＝n_R＝n_SS；从n_SL到n_C到n_R到n_SS，可以是从大到小，也可从小到大，但是相对顺序不会变，故称4轴的转速顺序为SL、C、R、SS；这一转速顺序也可以描述为：行星架转速介于大太阳轮转速和齿圈转速之间，并且齿圈转速介于行星架转速和小太阳轮转速之间。

如图7所示，本发明混合动力车辆用动力驱动系统中，所述的复合行星齿轮机构由至少两个行星齿轮排按照某种方式连接而成，有至少4个转轴绕固定轴线转动，4个转轴分别为X1、X2、X3、X4，转速分别为n_X1、n_X2、n_X3、n_X4，4个转轴转速之间存在一定的运动学约束，该运动学约束可以用杠杆图示法表示：一杠杆水平放置，上面有4个点，依次为X1、X2、X3和X4，分别代表转轴X1、X2、X3和X4，点与点之间的距离由行星排的参数决定；从每一个点引出一条垂直于杠杆的矢量，矢量长度分别代表转轴X1、X2、X3和X4的转速；这四个转轴之间存在运动学约束可表示为：4个矢量的顶点保持在一条直线上。从杠杆图中可出，4个转轴的转速为n_X1<n_X2<n_X3<n_X4或n_X1>n_X2>n_X3>n_X4或n_X1＝n_X2＝n_X3＝n_X4，即：4个转轴转速是有序的，n_X1、n_X2、n_X3、n_X4可以是从大到小，也可从小到大，但是相对顺序不会变，故称4轴的转速顺序为X1、X2、X3、X4；这一转速顺序也可以描述为：轴X2转速介于轴X1转速和轴X3转速之间，且轴X3转速介于轴X2转速和轴X4转速之间。转轴X1与电机的转子连接，转轴X2与第一输入轴连接，转轴X3与发动机的动力输出轴连接，转轴X4与第二输入轴连接。

拉维纳行星机构是复合行星机构的一特例，其中，X1为大太阳齿轮SL、X2为行星架C、X3为齿圈R、X4为小太阳齿轮SS；点SL到点C之间的距离为1，点C到点R的距离为ρ₁＝SL/R，点C到点SS的距离为ρ₁/ρ₂。

C-R复合行星齿轮机构也是所述的复合行星齿轮机构一特例，由两个单行星行星排组成，一个行星齿轮排的齿圈、行星架分别与另一个行星齿轮排的行星架、齿圈连接，共有4个转轴：太阳齿轮S1的转轴、行星架C1/齿圈R2的转轴、齿圈R1/行星架C2的转轴、以及太阳齿轮S2的转轴，如图8所示；这4个转轴的转速可以用杠杆图表示：一杠杆水平放置，上面有4个点，依次为S1、C1/R2、R1/C2和S2，分别代表复合行星齿轮排的4个转轴，点与点之间的距离由行星排的参数(如太阳齿轮和齿圈齿数)决定，标注在图上，其中：ρ₁＝S1/R1，ρ₂＝S2/R2；从每一个点引出一矢量，垂直于杠杆，矢量长度代表该转轴的转速，矢量向上为正转；这四个顶端保持在一条直线上，如图9所示。由图可见，这4个转轴的转速是有序的，存在关系n_S1<n_C1<n_R1<n_S2或n_S1>n_C1>n_R1>n_S2或n_S1＝n_C1＝n_R1＝n_S2，可以是从小变大，也可以是从大变小，但相互顺序不会改变，故称4个转轴的转速顺序为S1、C1、R1和S2。

在本发明中，转轴X1与电机6的转子7连接并作用驱动扭矩Tm，转轴X3与发动机1的动力输出轴2连接并作用驱动扭矩Ten，转轴X2与双输入轴变速机构20的第一输入轴11连接并作用反作用扭矩T1，转轴X4与双输入轴变速机构20的第二输入轴12连接并作用反作用扭矩T2。

在一奇数挡齿轮挂挡的情况下，若扭矩Tm与点X1到点X2的距离的乘积等于扭矩Ten与点X3到点X2之间的距离的乘积，且扭矩方向相同则电机和发动机相对于转轴X2的扭矩平衡，这时，电机和发动机扭矩完全作用在X2转轴/第一输入轴上；如果同时挂偶数挡，则X4转轴/第二输入轴扭矩为零，可以轻松摘掉偶数挡；如果未挂偶数挡，则第一离合器所受扭矩为零，可以平稳释放；偶数挡摘掉后或第一离合器释放后，电机和发动机可以差速驱动X2转轴。

在一偶数挡齿轮挂挡的情况下，若扭矩Tm与点X1到点X4的距离的乘积等于扭矩Ten与点X3到点X4的距离的乘积，但扭矩方向相反，则电机和发动机相对于转轴X4的扭矩平衡，这时，电机和发动机扭矩完全作用在X4转轴/第二输入轴上；如果同时挂奇数挡，则X2转轴/第一输入轴扭矩为零，可以轻松摘掉奇数挡；如果未挂奇数挡位，则第一离合器所受扭矩为零，可以平稳释放；奇数挡摘掉后或第一离合器释放后，电机和发动机可以差速驱动X4转轴。

下面详细描述本发明中的双输入轴变速机构的速比及表达方法。

所述的双输入轴变速机构20具有若干对前进档位和一个倒车档位，第一输入轴11上设置有奇数档位1、3、5、……等档位的主动齿轮，速比分别为η₁、η₃、η₅、……；第二输入轴12上设置有偶数档位2、4、……等档位的主动齿轮，速比分别为η₂、η₄、……；这些档位相应的从动齿轮布置在输出轴15上，通过各自的同步器Si，与输出轴15连接。

如图10所示，用垂直线L1表示第一输入轴11，第一输入轴上的奇数档位1、3、5等档的速比η₁、η₃、η₅、……用纵坐标表示；用垂直线L2表示第二输入轴12，第二输入轴上的偶数档位2、4、……等档位的速比η₂、η₄、……用纵坐标表示；用垂直线Le表示发动机1的动力输出轴2，用纵坐标表示发动机的动力输出轴2与双输入轴变速机构的输出轴15的速比。

速比的定义是输入轴转速与输出轴转速之比，也就是输入轴转速除以输出轴转速。行星齿轮系各转轴的转速除以输出轴转速就得到该转轴的速比，因此复合行星齿轮排各个转轴之间的运动学约束方程(1)、(2)两边都替换成各轴的速比，约束方程依然成立；运动学约束的杠杆图表示法也依然成立，各个矢量分别表示相关轴的速比。

在本发明的系统中，行星排的大太阳轮与电机连接、行星架C与第一输入轴11连接、发动机轴2与齿圈连接、小太阳轮SS与第二输入轴12连接，因此，表示各轴速比关系的杠杆表示图可以和双输入变速箱的速比图示法相结合，如图10所示。

本发明实现固有挡位的操作方法：

如果同步器只挂一个奇数挡i，则第一输入轴11的速比为ηi；此时，若第一离合器闭合，则复合行星齿轮机构的4个转轴被锁定、同速转动，行星架C/发动机轴2的速比也等于ηi。这一情况可表示为：从直线L1上的点ηi引出水平线，与垂直线Le相交，交点的纵坐标就表示发动机的速比ηi。

如果同步器只挂一个偶数挡j，则第二输入轴12的速比为ηj；此时，若第一离合器闭合，则复合行星齿轮机构的4个转轴被锁定、同速转动，行星架C/发动机轴2的速比也等于ηj。这一情况也可以表示为：从直线L2上的点η_j引出水平线，与垂直线Le相交，交点的纵坐标就表示发动机的速比η_j。

总而言之，当同步器仅挂一个挡位且第一离合器闭合时，发动机的动力输出轴的速比等于该挡位的速比；用同步器挂不同的挡位，发动机能够实现每一个齿轮挡位；这些挡位的速比由齿轮的速比决定，速比为：η₁、η₂、η₃、……等，称为固有挡位。在图10中，这些固有挡位的速比用水平线与垂直线Le交点的纵坐标表示。

本发明实现衍生挡位的操作方法：

本发明不但有固有挡位，还有多个衍生挡位：当第一离合器4分离、同步器挂一个奇数挡i和一个偶数挡j时，第一输入轴11/行星架C的速比为ηi，第二输入轴12/小太阳齿轮SS的速比为ηj。参照图10，过L1上的点ηi和L2上的点ηj做一条直线(斜线)，该直线与Le相交于点ηi/j，该交点的纵坐标就是发动机轴的速比。从图9中可看出，齿圈R/发动机的动力输出轴2的速比是介于ηi和ηj之间的，是一个新的速比；这一速比不等于任何一对齿轮的速比，不是变速齿轮对所固有的；该速比是通过系统构造设计而产生的，称之为衍生速比或衍生挡位，用i/j表示，其速比取决于选挂的奇数挡和偶数挡的速比以及行星齿轮排的参数，用ηi/j表示。

每一对相邻的奇数和偶数挡位之间，可以产生一个衍生挡位；n对前进挡齿轮对应n个固有挡位，共产生n-1个衍生挡位。此外，当同步器挂一挡，电机拖动A轴接近零转速，此时发动机速比大约为η0/1＝(1+ρ)η1，比一挡速比还大。因此，系统共有共2n个挡位：0/1、1、1/2、2、2/3、3、……、(n-1)/n、n。

不相邻的奇数挡和偶数挡也可以组成衍生挡位，但这些速比一般不方便使用(换挡)，只用于跳挡情况。

本发明的混合动力车辆用动力驱动系统，其通过控制器控制，能够实现以下各种换挡：

(1)、从奇数i挡位变换到相邻的衍生挡位i/i+1(升挡位)，也可以变换到相邻的衍生挡位i/i-1(降挡位)；(2)、从偶数j挡位变换到衍生挡位j/j+1(升挡位)，也可以变换到衍生挡位j/j-1(降挡位)；(3)、从衍生挡位i/i+1变换到偶数i+1挡位(升挡位)，也可以变换到奇数i挡位(降挡位)；(4)、从衍生挡位j/j+1变换到奇数j+1挡位(升挡位)，也可以变换到偶数j挡位(降挡位)。综合起来，系统能够从任意挡位，切换到相邻的挡位，既可以升挡位，也可以降挡位。

(1a)、由奇数挡位i换挂衍生挡位i/i+1：

换挡前系统状态：奇数i挡齿轮挂挡，第一离合器闭合、将复合行星齿轮机构5锁定，发动机和电机并联驱动第一输入轴11。

换挡步骤如下：

步骤2、将第一离合器分离，电机和发动机差速驱动第一输入轴；

步骤3、控制电机调速，使得第二输入轴与i+1挡位齿轮同步；

步骤4、控制同步器挂偶数i+1挡位；

步骤5、根据需求调整发动机和电机扭矩；完成换挡，系统挂衍生挡位i/i+1，发动机的速比介于i挡速比和i+1挡位速比之间。

(1b)、由奇数挡位i换挂衍生挡位i/i-1：

换挡前系统状态：奇数i挡齿轮挂挡，第一离合器闭合、将复合行星齿轮机构5锁定，发动机和电机并联驱动第一输入轴。

换挡步骤如下：

步骤3、控制电机调速，使得第二输入轴与i-1挡位齿轮同步；

步骤4、控制同步器挂偶数i-1挡位；

步骤5、根据需求调整发动机和电机扭矩；完成换挡，系统挂衍生挡位i/i-1，发动机的速比介于i挡速比和i-1挡位速比之间。

(2a)、由衍生挡位i/i+1换挂偶数挡位i+1：

换挡前系统状态：奇数i挡位和偶数挡位i+1挂挡，第一离合器分离，发动机和电机驱动第一输入轴和第二输入轴。

换挡步骤如下：

步骤2、摘掉奇数挡位i；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂偶数挡位i+1。

(2b)、由衍生挡位i/i+1换挂奇数挡位i：

换挡步骤如下：

步骤2、摘掉偶数挡位j；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂奇数挡位i。

(3a)、偶数挡位j换挂衍生挡位j/j+1：

换挡前系统状态：偶数j挡齿轮挂挡，第一离合器闭合、将复合行星齿轮机构锁定，发动机和电机并联驱动第二输入轴。

换挡步骤如下：

步骤2、将第一离合器分离，电机和发动机差速驱动第二输入轴；

步骤3、控制电机调速，使得第一输入轴与奇数挡位j+1挡位齿轮同步；

步骤4、控制同步器挂j+1挡位；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩；系统完成挂衍生挡位j/j+1，发动机的速比介于j挡速比和j+1挡位速比之间。

(3b)、偶数挡位j换挂衍生挡位j/j-1：

换挡步骤如下：

步骤3、控制电机调速，使得第一输入轴与奇数挡位j-1挡位齿轮同步；

步骤4、控制同步器挂j-1挡位；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩；系统完成挂衍生挡位j/j-1，发动机的速比介于j挡速比和j-1挡位速比之间。

(4a)、由衍生挡位j/j+1换挂奇数挡位j+1：

换挡前系统状态：偶数j挡位和奇数j+1挡位挂挡，第一离合器分离，发动机和电机驱动第一输入轴和第二输入轴。

换挡步骤如下：

步骤2、摘掉偶数挡位j；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂奇数挡位j+1。

(4b)、由衍生挡位j/j+1换挂偶数挡位j：

换挡步骤如下：

步骤2、摘掉奇数挡位j+1；

步骤5、根据需要调整发动机和电机扭矩，完成换挂偶数挡位j。

本发明的电驱动模式：当车辆为电驱动模式时，发动机关闭，第一离合器分离，制动器锁定，变速箱挂奇数挡位；电机输出正向扭矩，驱动大太阳齿轮SL的转轴正向转动，速度提高；制动器将齿圈R的转轴锁定，齿圈R的转轴/发动机的动力输出轴2速度为零；从杠杆图可知，行星架C的转轴正向转动，带动第一输入轴转动，通过挂挡齿轮驱动车轮。电驱动模式时，系统可以挂奇数挡位。

本发明的混合驱动模式：当车辆为混合驱动模式时，制动器分离，发动机工作，电机工作，变速箱挂奇数挡、偶数挡或衍生挡位，并可换挡位。

本发明还保护一种包括有上述动力驱动系统的车辆。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种混合动力车辆用动力驱动系统，包括发动机、混合动力模块和双输入轴变速机构，其特征是：其混合动力模块由电机、复合行星齿轮机构、第一离合器和制动器组成；复合行星齿轮机构具有至少四个转轴，4个转轴分别为转轴X1、转轴X2、转轴X3、转轴X4，转速分别为n_X1、n_X2、n_X3、n_X4，4个转轴的转速存在关系n_X1<n_X2<n_X3<n_X4或n_X1>n_X2>n_X3>n_X4或n_X1＝n_X2＝n_X3＝n_X4，转轴X1与电机的转子连接，转轴X2与双输入变速机构的第一输入轴连接，转轴X3与发动机的动力输出轴连接，转轴X4与双输入变速机构的第二输入轴连接；制动器设置在发动机的动力输出轴上；第一离合器设置在复合行星齿轮机构的四个转轴中的任意两个转轴之间；所述双输入轴变速机构由第一输入轴、第二输入轴、若干对前进档位齿轮、至少一套倒档齿轮和至少一个输出轴组成，第一输入轴上设有奇数档位主动齿轮，第二输入轴上设有偶数档位主动齿轮，输出轴上布置各个档位的从动齿轮，上述各档位的主动齿轮与其对应的从动齿轮相互啮合；每一个档位中有一个齿轮通过同步器与该齿轮所在的轴连接；第一离合器分离、同步器挂一个奇数挡和一个偶数挡时，发动机的动力输出轴输出一个介于奇数挡与偶数挡之间的衍生挡位；每一对相邻的奇数和偶数挡位之间，产生一个衍生挡位。

2.根据权利要求1所述的混合动力车辆用动力驱动系统，其特征是：其复合行星齿轮机构为拉维纳式行星齿轮机构，具有4个同轴线转动的部件：大太阳齿轮SL、行星架C、齿圈R和小太阳齿轮SS；齿圈R的转轴与发动机的动力输出轴连接，使发动机的动力能够通过齿圈R作用在行星齿轮机构上，大太阳轮SL的转轴与电机的转子连接，行星架C的转轴与双输入轴变速机构的第一输入轴连接，小太阳齿轮SS的转轴与双输入轴变速机构的第二输入轴连接。

3.根据权利要求1所述的混合动力车辆用动力驱动系统，其特征是：其混合动力模块中的制动器采用第二离合器替代，第二离合器安装在发动机的动力输出轴上。

4.根据权利要求1、2或3所述的混合动力车辆用动力驱动系统，其特征是：其同步器仅挂一个挡位且第一离合器闭合时，发动机的动力输出轴输出该挡位；用同步器挂不同的挡位，发动机的动力输出轴能够实现每一个齿轮的固有挡位。

5.一种权利要求1～4中任一权利要求所述的混合动力车辆用动力驱动系统的换挡控制方法，其通过整车控制器控制实现，其特征是：其包括以下步骤：

(1)、由奇数挡位i换挂衍生挡位i/i+1或者i/i-1：

步骤2、将第一离合器分离；

步骤4、控制同步器挂偶数i+1挡位或者偶数i-1挡位；

(2a)、由衍生挡位i/i+1换挂偶数挡位i+1：

步骤2、摘掉奇数挡位i；

(2b)、由衍生挡位i/i+1换挂奇数挡位i：

步骤2、摘掉偶数挡位j；

(3)、偶数挡位j换挂衍生挡位j/j+1或者j/j-1：

步骤4、控制同步器挂j+1挡位或者j-1挡位；

(4a)、由衍生挡位j/j+1换挂奇数挡位j+1：

步骤2、摘掉偶数挡位j；

(4b)、由衍生挡位j/j-1换挂奇数挡位j-1：

步骤2、摘掉奇数挡位j+1；

6.一种车辆，其特征是：其包括如权利要求1～4中任一权利要求所述的动力驱动系统。