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CN111717017B - 混合动力驱动系统及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合动力驱动系统，包括发动机、第一轴、行星排、第一离合器、第二离合器、制动装置、发电机、第二轴、制动器、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第三轴、驱动电机、第四轴、第四齿轮和差速器。该混合动力驱动系统的结构较简单，具有多种工作模式，平台化好。本发明还提供一种具有该混合动力驱动系统的车辆。

Description

混合动力驱动系统及车辆
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种混合动力驱动系统及具有该混合动力驱动系统的车辆。
背景技术
目前市场上的变速器主要有有级变速器和无级变速器两大类。有级变速器又细分为手动和自动两种，它们大多通过齿轮系或行星轮系不同的啮合排列来提供有限个离散的输出输入速比，两相邻速比之间驱动轮速度的调节则依靠内燃机的速度变化来实现。无级变速器，无论是机械式、液压式或机电式，都能在一定速度范围内提供无限个连续可选用的速比，理论上说，驱动轮的速度变化完全可通过变速器来完成，这样内燃机可以尽可能的工作在最佳速度范围内。无级变速器和有级变速器相比，具有调速平稳，能充分利用内燃机最大功率等诸多优点，因此无级变速器多年来一直是各国工程师们研究的对象。
近年来，电机混合动力技术的诞生为实现内燃机与动力轮之间动力的完全匹配开拓了新的途径。在众多的动力总成设计方案中，最具代表性的有串联混合系统和并联混合系统两种。串联混合系统中，内燃机、发电机、电动机、轴系、驱动轮组成一条串联的动力链，动力总成结构极为简单。其中，发电机、电动机组合可视为传统意义下的变速器。当与储能器，如电池、电容等联合使用时，该变速器又可作为能量调节装置，完成对速度和扭矩的独立调节。
并联混合系统有两条并行的独立的动力链。一条由传统的机械变速器组成，另一条由电机、电池系统组成。机械变速器负责完成对速度的调节，而电机、电池系统则完成对功率或扭矩的调节。为充分发挥整个系统的潜能，机械变速器还需采用无级变速方式。
串联混合系统的优点在于结构简单，布局灵活，但全部动力通过发电机和电动机，因此电机的功率要求高，体积大，重量重。同时，由于能量传输过程经过两次机电、电机的转换，整个系统的效率较低。在并联混合系统中，只有部分动力通过电机系统，因此对电机的功率要求相对较低，整体系统的效率高。然而，并联混合系统需两套独立的子系统，造价高，通常只用于弱混合系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种混合动力驱动系统，其结构较简单，具有多种工作模式，平台化好。
本发明提供一种混合动力驱动系统，包括发动机、第一轴、行星排、第一离合器、第二离合器、制动装置、发电机、第二轴、制动器、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第三轴、驱动电机、第四轴、第四齿轮和差速器；其中：
该发动机连接该第一轴，该发电机连接该第二轴，该驱动电机连接该第四轴；
该第一轴与该第二轴同轴布置，该发动机与该发电机通过该行星排连接，该行星排包括行星架、太阳轮、行星轮和齿圈，该行星架固定在该第一轴，该太阳轮固定在该第二轴；
该第一齿轮空套在该第一轴，该第二齿轮固定在该第三轴，该第二齿轮与该第一齿轮啮合；
该第三齿轮固定在该第三轴，该第四齿轮固定在该第四轴，该第四齿轮和该差速器的其中之一与该第二齿轮啮合，另一与该第三齿轮啮合；
该制动装置用于制动该行星架，该制动器用于制动该太阳轮，该第一离合器用于结合该行星架与该齿圈，该第二离合器用于结合该第一齿轮与该齿圈。
进一步地，该第四齿轮与该第二齿轮啮合，该差速器与该第三齿轮啮合。
进一步地，该差速器与该第二齿轮啮合，该第四齿轮与该第三齿轮啮合。
进一步地，该制动装置是一个单向离合器，该单向离合器安装在该第一轴上。
进一步地，该制动装置是一个制动器。
进一步地，该第一轴为该发动机的输出轴，该第二轴为该发电机的输出轴，该第四轴为该驱动电机的输出轴。
进一步地，该混合动力驱动系统还包括动力电池，该动力电池分别与该发电机、该驱动电机电性连接。
进一步地，该混合动力驱动系统具有单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、ECVT驱动模式、两个档位的发动机直驱模式以及串联增程模式。
本发明还提供一种车辆，包括上述的混合动力驱动系统。
本发明实施例提供的混合动力驱动系统，主要有以下几个优点：
1.该驱动系统整体结构较简单，可以实现实现单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、ECVT驱动模式、两个档位的发动机直驱模式、串联增程模式，以及驻车发电、制动能量回收等多种工作模式，具有较强的灵活性；
2.该驱动系统的发动机和发电机通过行星排连接，速比可调，速比范围较大，可以减小发电机的体积；
3.在各模式切换过程中，驱动电机参与驱动，不存在动力中断；
4.该驱动系统可以覆盖HEV(Hybrid Electric Vehicle，即混合动力汽车)车型和PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，即插电式混合动力汽车)车型，平台化好；
5.该驱动系统的发动机转速不受离合器最高相对转速限制。
附图说明
图1是本发明第一实施例中的混合动力驱动系统的结构示意图。
图2是该驱动系统工作于单电机纯电动模式的示意图。
图3是该驱动系统工作于双电机纯电动模式的示意图。
图4是该驱动系统工作于ECVT模式的示意图。
图5-图6是该驱动系统工作于发动机直驱模式的示意图。
图7是该驱动系统工作于串联增程模式的示意图。
图8是该驱动系统工作于驻车发电模式的示意图。
图9为本发明第二实施例的混合动力驱动系统的结构示意图。
图10为本发明第三实施例的混合动力驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。
第一实施例
图1是本发明第一实施例中的混合动力驱动系统的结构示意图。如图1所示，本实施例的混合动力驱动系统包括发动机1、第一轴2、行星排、第一离合器7、第二离合器8、制动装置9、发电机10、第二轴11、制动器12、第一齿轮13、第二齿轮14、第三齿轮15、第三轴16、驱动电机17、第四轴18、第四齿轮19和差速器20。其中，行星排包括行星架3、太阳轮4、行星轮5和齿圈6。
发动机1连接第一轴2，发电机10连接第二轴11，驱动电机17连接第四轴18。具体地，第一轴2为发动机1的输出轴，第二轴11为发电机10的输出轴，第四轴18为驱动电机17的输出轴。发动机1可以为汽油发动机或柴油发动机，发电机10和驱动电机17可以为驱动和发电一体机。
第一轴2与第二轴11同轴布置，发动机1与发电机10通过行星排连接，驱动电机17通过定轴齿轮与发动机1及发电机10的动力耦合输出。
具体地，行星架3固定在第一轴2，使发动机1与行星架3相连。太阳轮4固定在第二轴11，使发电机10与太阳轮4相连。
第一齿轮13空套在第一轴2，第二齿轮14固定在第三轴16，第二齿轮14与第一齿轮13啮合。
第三齿轮15固定在第三轴16，第四齿轮19固定在第四轴18，在本实施例中，第四齿轮19与第二齿轮14啮合，差速器20与第三齿轮15啮合。
该驱动系统包含制动装置9、制动器12、第一离合器7及第二离合器8。
制动装置9为了制动行星排的行星架3。当制动装置9制动行星架3时，行星架3被制动而不能旋转。
制动器12为了制动行星排的太阳轮4。当制动器12制动太阳轮4时，太阳轮4被制动而不能旋转。
第一离合器7为了结合行星架3与齿圈6。当第一离合器7结合时，行星架3和齿圈6锁定在一起，此时整个行星排整体旋转，速比为1。
第二离合器8为了结合第一齿轮13与齿圈6。当第二离合器8结合时，第一齿轮13和齿圈6锁定在一起，此时发动机1和发电机10的动力可以通过第一齿轮13向轮端输出。
在本实施例中，制动装置9具体是一个单向离合器，该单向离合器安装在第一轴2上。当发动机1工作并带动第一轴2正向转动时，该单向离合器不对第一轴2进行制动(即不工作)；但是，当发动机1不工作且第一轴2被带动有反向转动的趋势时，该单向离合器工作并对第一轴2进行制动。
进一步地，该混合动力驱动系统还包括动力电池(图未示)，动力电池分别与发电机10、驱动电机17电性连接。动力电池可以为发电机10和驱动电机17提供驱动用的电能，同时发电机10和驱动电机17被驱动旋转时产生的电能也可以存储在动力电池中。
该驱动系统主要包含发动机1、发电机10、驱动电机17、两个离合器(7、8)、一个制动器12、一个制动装置9、一个行星排(3、4、5、6)以及轴齿系统等。该驱动系统可以实现单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、ECVT驱动模式、两个档位的发动机直驱模式、串联增程模式，以及驻车发电、制动能量回收等多种工作模式。
图2是该驱动系统工作于单电机纯电动模式的示意图，图3是该驱动系统工作于双电机纯电动模式的示意图。当电池电量充足的时候，整车可以以纯电动模式运行，如图2及图3所示。
图2是单电机纯电动模式，此时第一离合器7和第二离合器8均断开，制动装置9和制动器12均不工作，发动机1和发电机10均不工作。动力由驱动电机17通过第四轴18、第四齿轮19传递到第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20，最后到轮端。
图3是双电机纯电动模式，此时第二离合器8结合，第一离合器7断开，制动器12不工作，制动装置9对第一轴2和行星架3进行制动，发动机1不工作。动力有两条路径传递，路径一是由发电机10通过第二轴11、太阳轮4、行星轮5、齿圈6、第二离合器8传递到第一齿轮13，再通过第一齿轮13传递到第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20，最后到轮端；路径二是由驱动电机17通过第四轴18、第四齿轮19传递到第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20，最后到轮端。
图4是该驱动系统工作于ECVT模式的示意图，此时第二离合器8结合，第一离合器7断开，制动装置9和制动器12均不工作。在ECVT模式，发动机1的功率通过行星排分为两部分，一部分发动机功率通过太阳轮4、第二轴11带动发电机10发电，向动力电池充电，另一部分发动机功率经通过齿圈6、第二离合器8、第一齿轮13、第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20传递到轮端以驱动车辆。另外，驱动电机17的动力通过第四轴18、第四齿轮19传递到第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20，最后到轮端。
图5-图6是该驱动系统工作于发动机直驱模式的示意图。
图5是中速发动机直驱模式，此时第一离合器7和第二离合器8均结合，制动装置9和制动器12均不工作。由于第一离合器7将行星架3和齿圈6锁定在一起，整个行星排整体旋转，速比为1。发动机1以机械功率的形式传递到轮端驱动车辆，即动力由发动机1通过第一轴2、行星排(3、4、5、6)、第二离合器8传递到第一齿轮13，再通过第一齿轮13传递到第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20，最后到轮端。在中速发动机直驱模式下，若整车需求功率低时，其中一部分发动机功率可以通过第四齿轮19、第四轴18带动驱动电机17发电，转化为电功率存储在电池中；若整车需求功率高时，电池放电，电功率经由驱动电机17转化为机械功率输出到轮端驱动车辆，即由驱动电机17通过第四轴18、第四齿轮19、第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20传递到轮端，此时由发动机直驱模式转变为混合动力模式一。
图6是高速发动机直驱模式，此时第二离合器8结合，第一离合器7断开，制动装置9不工作，制动器12对第二轴11和太阳轮4进行制动。发动机1以机械功率的形式传递到轮端驱动车辆，即动力由发动机1通过第一轴2、行星架3、行星轮5、齿圈6、第二离合器8传递到第一齿轮13，再通过第一齿轮13传递到第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20，最后到轮端。在高速发动机直驱模式下，若整车需求功率低时，其中一部分发动机功率可以通过第四齿轮19、第四轴18带动驱动电机17发电，转化为电功率存储在电池中；若整车需求功率高时，电池放电，电功率经由驱动电机17转化为机械功率输出到轮端驱动车辆，即由驱动电机17通过第四轴18、第四齿轮19、第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20传递到轮端，此时由发动机直驱模式转变为混合动力模式二。
图7是该驱动系统工作于串联增程模式的示意图，此时第一离合器7结合，第二离合器8断开，制动装置9和制动器12均不工作。由于第一离合器7将行星架3和齿圈6锁定在一起，整个行星排整体旋转，速比为1。动力有两条路径传递，路径一是由发动机1通过第一轴2、行星排(3、4、5、6)、第二轴11传递到发电机10发电，向动力电池充电；路径二是由驱动电机17通过第四轴18、第四齿轮19传递到第二齿轮14、第三轴16、第三齿轮15、差速器20，最后到轮端。
图8是该驱动系统工作于驻车发电模式的示意图，此时第一离合器7结合，第二离合器8断开，制动装置9和制动器12均不工作。由于第一离合器7将行星架3和齿圈6锁定在一起，整个行星排整体旋转，速比为1。动力由发动机1通过第一轴2、行星排(3、4、5、6)、第二轴11传递到发电机10发电，向动力电池充电。
此外，汽车制动时，驱动电机产生制动力矩制动车轮，同时其电机绕组中将产生感应电流向电池充电，实现制动能量的回收。
本实施例的驱动系统可以实现实现单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、ECVT驱动模式、两个档位的发动机直驱模式、串联增程模式，以及驻车发电、制动能量回收等多种工作模式，可根据动力电池的SOC(剩余电量)值及车速需求自动实现不同模式的切换。例如，判断动力电池SOC值与第一阈值的大小关系，或者同时判断动力电池SOC值与第一阈值的大小关系以及车速与第二阈值的大小关系；根据判断结果，切换该混合动力驱动系统的工作模式。需要说明的是，第一阈值用于判断动力电池SOC值的高低，第二阈值用于判断车速的高低，本实施例不对第一阈值和第二阈值的取值范围做限定，通常可以根据具体的控制策略自由设定，不同的控制策略下，第一阈值和第二阈值的取值都不尽相同。设定好第一阈值和第二阈值后，则自动判断并根据判断结果在各种模式之间自动切换。
上述各种工作模式具体以表格体现如下：
在动力调节方面，该驱动系统可通过动力电池有效的补充动力轮所需的驱动动力，从而更合理地调配内燃机的动力，保持发动机的工作状态不受或少受路况的影响，发动机可始终工作在设定的最佳状态，以提高整车的效率。
因此，该驱动系统主要有以下几个优点：
1.该驱动系统整体结构较简单，可以实现实现单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、ECVT驱动模式、两个档位的发动机直驱模式、串联增程模式，以及驻车发电、制动能量回收等多种工作模式，具有较强的灵活性；
2.该驱动系统的发动机和发电机通过行星排连接，速比可调，速比范围较大，可以减小发电机的体积；
3.在各模式切换过程中，驱动电机参与驱动，不存在动力中断；
4.该驱动系统可以覆盖HEV(Hybrid Electric Vehicle，即混合动力汽车)车型和PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，即插电式混合动力汽车)车型，平台化好；
5.该驱动系统的发动机转速不受离合器最高相对转速限制。
第二实施例
图9为本发明第二实施例的混合动力驱动系统的结构示意图。如图9所示，本实施例的混合动力驱动系统与上述第一实施例基本相同，不同点仅在于，在本实施例中，差速器20与第二齿轮14啮合，第四齿轮19与第三齿轮15啮合。
关于本实施例的其他结构及工作模式，可以参见上述第一实施例，在此不再赘述。
第三实施例
图10为本发明第三实施例的混合动力驱动系统的结构示意图。如图10所示，本实施例的混合动力驱动系统与上述第一实施例基本相同，不同点仅在于，在本实施例中，制动装置9具体是一个制动器。在双电机纯电动模式下，发动机1不工作，但发电机10输出动力，此时该制动器工作并对第一轴2和行星架3进行制动，而在其他模式下，该制动器不工作(即不对第一轴2和行星架3进行制动)。
关于本实施例的其他结构及工作模式，可以参见上述第一实施例，在此不再赘述。
进一步地，本发明还提供一种车辆，包括上述的混合动力驱动系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合动力驱动系统，其特征在于，包括发动机(1)、第一轴(2)、行星排、第一离合器(7)、第二离合器(8)、制动装置(9)、发电机(10)、第二轴(11)、制动器(12)、第一齿轮(13)、第二齿轮(14)、第三齿轮(15)、第三轴(16)、驱动电机(17)、第四轴(18)、第四齿轮(19)和差速器(20)；其中：
该发动机(1)连接该第一轴(2)，该发电机(10)连接该第二轴(11)，该驱动电机(17)连接该第四轴(18)；
该第一轴(2)与该第二轴(11)同轴布置，该发动机(1)与该发电机(10)通过该行星排连接，该行星排包括行星架(3)、太阳轮(4)、行星轮(5)和齿圈(6)，该行星架(3)固定在该第一轴(2)，该太阳轮(4)固定在该第二轴(11)；
该第一齿轮(13)空套在该第一轴(2)，该第二齿轮(14)固定在该第三轴(16)，该第二齿轮(14)与该第一齿轮(13)啮合；
该第三齿轮(15)固定在该第三轴(16)，该第四齿轮(19)固定在该第四轴(18)，该第四齿轮(19)和该差速器(20)的其中之一与该第二齿轮(14)啮合，另一与该第三齿轮(15)啮合；
该制动装置(9)用于制动该行星架(3)，该制动器(12)用于制动该太阳轮(4)，该第一离合器(7)用于结合该行星架(3)与该齿圈(6)，该第二离合器(8)用于结合该第一齿轮(13)与该齿圈(6)；
该混合动力驱动系统具有单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、ECVT驱动模式；
单电机纯电动模式下，第一离合器(7)和第二离合器(8)均断开，制动装置(9)和制动器(12)均不工作，发动机(1)和发电机(10)均不工作；
双电机纯电动模式下，第二离合器(8)结合，第一离合器(7)断开，制动器(12)不工作，制动装置(9)对第一轴(2)和行星架(3)进行制动，发动机(1)不工作；
ECVT模式下，第二离合器(8)结合，第一离合器(7)断开，制动装置(9)和制动器(12)均不工作；
发动机直驱模式下，第一离合器(7)和第二离合器(8)均结合，制动装置(9)和制动器(12)均不工作。
2.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于，该第四齿轮(19)与该第二齿轮(14)啮合，该差速器(20)与该第三齿轮(15)啮合。
3.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于，该差速器(20)与该第二齿轮(14)啮合，该第四齿轮(19)与该第三齿轮(15)啮合。
4.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于，该制动装置(9)是一个单向离合器，该单向离合器安装在该第一轴(2)上。
5.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于，该制动装置(9)是一个制动器。
6.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于，该第一轴(2)为该发动机(1)的输出轴，该第二轴(11)为该发电机(10)的输出轴，该第四轴(18)为该驱动电机(17)的输出轴。
7.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于，该混合动力驱动系统还包括动力电池，该动力电池分别与该发电机(10)、该驱动电机(17)电性连接。
8.如权利要求1所述的混合动力驱动系统，其特征在于，该混合动力驱动系统还具有两个档位的发动机直驱模式以及串联增程模式。
9.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的混合动力驱动系统。
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