專利名稱：混合動力汽車雙行星排機電耦合驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械技術領域的驅動裝置，具體是一種混合動力汽車雙行星 排機電耦合驅動裝置。
技術背景隨著世界能源的緊張與人類環保意識的加強，安全、節能、環保成為當今汽 車發展的主題。作為新能源汽車之一的混合動力汽車能夠較好的解決上述問題。 混合動力汽車是一種由發動機和電機系統共同驅動的車輛。其中發動機可以是使 用多種燃料的內燃機；電機既可以是永磁電機也可以是勵磁電機，既可以是同步 電機也可以是異步電機。混合動力車輛(HEV)的結構主要分為并聯式、串聯式 和混聯式。混聯形式以及電驅動程序的增加是混合動力發展的大方向，它采用差 動行星齒輪，因為行星齒輪傳動與普通定軸齒輪傳動相比，具有質量小、體積小、 傳動比大、承載能力大、傳動平穩及傳動效率高等優點，可以同時實現功率分流 和變速的目的，單個行星齒輪的機構就可以代替原型車中的離合器和變速器。而 雙行星排機電耦合驅動裝置在具備上述優點的同時，可以更好的減少發動機與電 機切換過程中的速度波動，更好地實現無級變速，同時降低對于電機的要求，是 一種先進的混合動力汽車驅動裝置(去掉"和驅動方法")。經對現有技術的文獻檢索發現，專利03128810. 3公開了一種混合動力汽車 驅動系統，提供了一種較傳統車輛而言經濟性好、排放低，可實現制動能量回收 的混合動力汽車驅動系統，包括發動機、前輪、蓄電池、輪轂電動機、后輪、發 電機、后橋，但只是混合動力技術的初步應用，沒有較大發揮混合動力的優勢； 國內專利200610064953. X， 200710078132. 6及200710047421. X均為基于雙行星 排的混合動力驅動裝置，結構上均采用單電機，雙離合器或多離合器以及多制動 器，雖能實現機電耦合與無級變速功能，但驅動裝置尺寸較大且成本較高，同時 對于電機的要求較高。美國專利US 2004/0147365 Al披露了一種在變速箱前后 采用雙電機的混合動力結構，但未對該結構提出任何機構上的改進以實現利用手3動變速箱時實現車輛的純電動驅動功能，不利于發揮混合動力汽車的優勢。 發明內容本發明目的在于針對現有技術的不足，提供一種混合動力汽車雙行星排機電 耦合驅動裝置，通過兩個電機、兩行星排和一個離合器的不同組合狀態實現混合 動力汽車的多種工作模式，具有無級變速功能和模式切換功能，這種驅動裝置結 構緊湊，傳遞部件少，能夠在最大限度的節約制造和改造成本的基礎上實現節約 燃油和保證整車動力性能的目的。本發明是通過以下技術方案實現的-本發明所述的混合動力汽車雙行星排機電耦合驅動裝置，包括發動機、行 星架、集成起動發電機(以下簡稱ISG)、前行星排行星輪、前行星排太陽輪、 前行星排齒圈、后行星排行星輪、驅動電機TM、后行星排太陽輪、動力輸出齒 輪、后行星排齒圈、離合器。其中發動機通過行星架與前行星排行星輪連接，ISG 電機與前行星排太陽輪連接，前行星排齒圈與離合器主動盤連接，離合器從動盤 與后行星排齒圈相連，后行星排行星輪行星架固接于車架，后行星排太陽輪與驅 動電機TM連接，后行星排齒圈外圈齒輪與動力輸出齒輪常嚙合。本發明裝置將發動機輸出的動力與ISG和TM的動力通過前后兩行星排進行 耦合，前后行星排與各自的動力源連接，均可視為獨立的耦合機構，兩行星排的 齒圈通過一個可控離合器連接，便于各種工作模式時通過控制策略對可控離合器 以及各動力元件進行獨立控制，以達到最優效果。后行星排行星輪固接于車架， 作為不動件，由外齒圈經一對常嚙合齒輪輸出動力，相對于單行星齒輪而言，由 于前行星排機電耦合裝置的參與，可以明顯降低對于驅動電機TM的要求，經動 力學分析知，其扭矩需求可降低約70%。本發明裝置結構上的創新之處在于以下兩點第一，應用了雙行星排結構， 結構緊湊、傳動比大、承載能力大、傳動平穩、傳動效率高，并且在雙行星排各 自的齒圈之間連接一個離合器，從而克服了普通雙行星排結構中前后電機或電機 與發動機之間在起動或制動過程中的干擾阻力，能夠較好實現混合動力汽車各傳 動部件之間的良好匹配和最優控制。第二，前行星排太陽輪連接集成起動發電機 ISG，后行星排太陽輪連接驅動電機TM，能夠充分發揮各自優勢，且降低了對于 TM的要求，實現了機電裝置的較好耦合和動力的高效利用。本發明上述裝置，包括以下多種工作模式(1) 啟動模式啟動模式根據車的狀態，分為靜止啟動和純電動啟動兩種情況靜止啟動時，離合器結合，ISG做起動機運行，其動力輸出通過前行星排太 陽輪帶動前行星排行星輪轉動，再經過行星架拖動發動機啟動，根據啟動轉速的 不同決定啟動同時充電與否；純電動啟動時，要求汽車行駛速度超過設定值Vm或者ISG電機蓄電池的電 量低于一定值SOC，以及蓄電池的SOC值達到強制充電狀態SOCq時，離合器結合，驅動電機的電能，經耦合裝置傳遞至發動機，帶動發動機啟動，進入發動機 運行，功率分流驅動汽車，并對ISG電機蓄電池充電。(2) 純電動驅動模式電動機驅動模式(輕度負荷)，指在汽車運行速度小 于某設定值，蓄電池的S0C值高于S0Cl時，汽車運行所需要的轉矩由驅動電機 單獨提供。此時，離合器分離，發動機靜止，ISG自由轉動，驅動電機TM的動 力經后行星排太陽輪、后行星排行星輪、后行星排齒圈，外側常嚙合齒圈后，由 動力輸出齒輪輸出到車輪，驅動汽車。(3) 發動機驅動模式指汽車中低速行駛，蓄電池的S0C值低于S0Ci時， 汽車運行所需要的轉矩由發動機單獨提供；離合器結合，ISG電機作為發電機工作吸收能量至電池，驅動電機自由旋轉，動力由發動機經前后行星排傳至車輪。(4) 混合驅動模式在車輛需求功率大于發動機效率優化功率、電池S0C 值不低時，離合器結合，發動機、驅動電機共同驅動車輛，ISG電機根據功率的 不同需求及電池的S0C值高低來判斷作為電動機參與驅動或作為發電機吸收驅 動剩余能量，這種模式通常工作于中低速加速和高速區。(5) 制動模式制動模式根據車的狀態，分為驅動電機TM制動和聯合制動兩種情況中低速情況下，離合器分離，發動機靜止，ISG自由旋轉，由驅動電機TM 單獨制動，克服地面摩擦阻力矩，做發電機運行，回收制動能量，并對電池充電；在高速情況下，離合器結合，發動機和驅動電機TM聯合制動，根據電池S0C 情況，ISG做發電機或電動機運行，驅動電機TM做發電機運行，回收制動能量， 并對電池充電。本發明驅動裝置，在啟動模式中，根據車速、電池SOC值來決定采用靜止啟 動模式或純電動啟動模式，在發動機啟動前的時間，實現電能的最大利用，降低了燃油消耗；混合驅動模式發生在高功率需求的情況下，驅動電機參與到高速行 駛車輛的驅動過程中，且此時ISG電機根據功率的不同需求及電池的S0C值高低 來判斷作為電動機參與驅動或作為發電機吸收驅動剩余能量，通過優化控制策略 可以實現發動機、驅動電機、ISG電機三者的最優控制，在不影響汽車整體動力 性的前提下，提高了車輛的燃油經濟性，而這些都源于耦合裝置的結構創新和控 制策略的優化設計；制動模式，則是根據車速高低來決定離合器的分離與結合， 以實現驅動電機TM制動或聯合制動，能夠在實現制動功能的前提下，更高效的 實現能量回收。與現有混聯式混合動力汽車相比，本發明具有以下顯著效果(1) 應用了雙行星排結構，結構緊湊、傳動比大、承載能力大、傳動平穩、 傳動效率高；(2) 可以同時實現功率分流和無級變速的目的；(3) 采用前后行星排齒圈之間連接一個可控離合器的結構，可以進一步減 少發動機與電機切換過程中的速度波動，更好地實現無級變速，提高經濟性，同 時降低對于電機的要求；(4) 沿用了眾多現有行星變速器的結構與開發經驗，這樣可以大幅降低制 造成本。
圖1混合動力汽車雙行星排機電耦合驅動裝置結構示意圖；圖2靜止啟動模式的能量傳遞路線圖；圖3純電動啟動模式的能量傳遞路線圖；圖4純電動驅動模式的能量傳遞路線圖；圖5發動機驅動模式的能量傳遞路線圖；圖6混合驅動模式的能量傳遞路線圖；圖7驅動電機制動模式的能量傳遞路線圖；圖8聯合制動模式的能量傳遞路線圖；具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例混聯式混合動力驅動裝置，包括發動機1、行星架12、 集成起動發電機(以下簡稱ISG) 2、前行星排行星輪3、前行星排太陽輪4、前 行星排齒圈5、后行星排行星輪6、驅動電機TM7、后行星排太陽輪8、動力輸出 齒輪9、后行星排齒圈10、離合器11。其中發動機1通過行星架12與前行星排 行星輪3連接，ISG電機2與前行星排太陽輪4連接，前行星排齒圈5與離合器 11主動盤連接，離合器11從動盤與后行星排齒圈10相連，后行星排行星輪6 行星架固接于車架，后行星排太陽輪8與驅動電機TM 7連接，后行星排齒圈 10外圈齒輪與動力輸出齒輪9常嚙合。發動機l作為動力單元，其動力可以通過機械系統直接傳遞給車輪，也可以 通過集成起動發電機2或驅動電機TM 7以電能的方式給蓄電池充電。集成起動發電機2主要是用來啟動發動機1和吸收發動機1的能量發電，并 能夠調節發動機l的轉速，減少其轉速波動。前行星排由前行星排行星輪3、前行星排太陽輪4、前行星排齒圈5組成， 后行星排由后行星排行星輪6、后行星排太陽輪8、后行星排齒圈IO組成，是本 發明驅動裝置中的動力耦合機構，能夠對來自發動機l、集成起動發電機2和驅 動電機TM 7的動力進行耦合疊加，并且能夠通過控制策略對能量傳遞進行優化 配置，是本發明的核心機構之一。驅動電機TM 7可作為電動機在啟動及驅動過程中驅動車輛，并可作為發電機用來回收車輛制動時的動能。動力輸出齒輪9與后行星排外齒圈IO齒輪常嚙合，用以在耦合機構與車輪 之間的能量傳遞。離合器11連接前后行星排，用于傳輸經行星排傳遞而來的發動機1、集成 起動發電機2和驅動電機TM 7的動力，同時進行自動離合切換，實現能量的合 理優化使用，提高能量利用率。本發明結構上的創新之處在于應用了雙星行排結構，并且在雙行星排各自的 齒圈之間連接一個離合器11，從而克服了普通雙星行排結構中前后電機或電機 與發動機之間在起動或制動過程中的干擾阻力，能夠較好實現混合動力汽車各傳 動部件之間的良好匹配和最優控制。配置有此種結構混合動力汽車各種模式下的 工作過程在圖2 8中介紹。如圖2所示，在靜止啟動模式時，離合器ll結合，ISG2做起動機運行，一方面通過前行星排太陽輪4帶動前行星排行星輪3轉動，再經過行星架12帶動 發動機l啟動；另一方面，其輸出能量依次通過前行星排齒圈5、離合器ll、后 行星排齒圈10、常嚙合齒輪副的動力輸出齒輪9傳遞至車輪驅動汽車。動力傳 遞路線如圖2中粗實線所示。如圖3所示，在純電動啟動模式時，離合器ll結合，ISG2自由旋轉，驅動 電機TM 7做電動機運行，其動力輸出一方面通過后行星排太陽輪8、后行星排 行星輪6、后行星排齒圈10、常嚙合齒輪副的動力輸出齒輪9傳遞至車輪驅動汽 車；另一方面，其輸出能量依次通過后行星排太陽輪8、后行星排行星輪6、后 行星排齒圈IO、離合器ll、前行星排齒圈5、前行星排行星輪3、行星架12帶 動發動機l啟動。動力傳遞路線如圖3中粗實線所示。如圖4所示，在純電動驅動模式時，離合器ll分離，發動機1靜止，ISG2 自由轉動，驅動電機TM7的動力輸出依次通過后行星排太陽輪8、后行星排行星 輪6、后行星排齒圈IO、常嚙合齒輪副的動力輸出齒輪9傳遞至車輪驅動汽車。 動力傳遞路線如圖4中粗實線所示。如圖5所示，在發動機驅動模式時，離合器ll結合，ISG2作為發電機工作 吸收能量至電池，驅動電機TM7自由旋轉，發動機1的動力輸出依次通過行星架 12、前行星排行星輪3、前行星排齒圈5、離合器ll、后行星排齒圈10、常嚙合 齒輪副的動力輸出齒輪9傳遞至車輪驅動汽車。動力傳遞路線如圖5中粗實線所 示。如圖6所示，在混合驅動模式時，離合器ll結合，發動機l、驅動電機TM7 共同驅動車輛，ISG2作為發電機或電動機工作。發動機1的動力輸出依次通過 行星架12、前行星排行星輪3、前行星排齒圈5、離合器ll、后行星排齒圈IO， 驅動電機TM7的動力輸出依次通過后行星排太陽輪8、后行星排行星輪6、后行 星排齒圈IO， 二者動力在外齒圈處匯合，并經由常嚙合齒輪副的動力輸出齒輪9 傳遞至車輪驅動汽車。動力傳遞路線如圖6中粗實線所示。如圖7所示，在驅動電機TM制動模式時，離合器ll分離，發動機1靜止， ISG2自由旋轉，來自車輪的車輛動能依次經過動力輸出齒輪9、后行星排齒圈 10、后行星排行星輪6、后行星排太陽輪8到達驅動電機TM7，使之做發電機運 行，回收制動能量，并對電池充電。動力傳遞路線如圖7中粗實線所示。如圖8所示，聯合制動模式時，離合器ll結合，發動機1和驅動電機TM78聯合制動，根據電池SOC情況，ISG2做發電機或電動機運行。地面制動力一部 分，依次經過車輪、動力輸出齒輪9、后行星排齒圈IO、后行星排行星輪6、后 行星排太陽輪8到達驅動電機TM7，使之做發電機運行，回收制動能量，并對電 池充電；另一部分則由發動機1經過行星架12、前行星排行星輪3、前行星排齒 圈5、離合器ll、后行星排齒圈10的動力輸出來平衡。動力傳遞路線如圖8中 粗實線所示。
權利要求
1、一種混合動力汽車雙行星排機電耦合驅動裝置，包括發動機(1)、集成起動發電機(2)、前行星排行星輪(3)、前行星排太陽輪(4)、前行星排齒圈(5)、后行星排行星輪(6)、驅動電機(7)、后行星排太陽輪(8)、動力輸出齒輪(9)、后行星排齒圈(10)、離合器(11)、行星架(12)，其特征在于發動機(1)通過行星架(12)與前行星排行星輪(3)連接，集成起動發電機(2)與前行星排太陽輪(4)連接，前行星排齒圈(5)與離合器(11)主動盤連接，離合器(11)從動盤與后行星排齒圈(10)相連，后行星排行星輪(6)行星架固接于車架，后行星排太陽輪(8)與驅動電機(7)連接，后行星排齒圈(10)外圈齒輪與動力輸出齒輪(9)常嚙合。
2、 根據權利要求1所述的混合動力汽車雙行星排機電耦合驅動裝置，其特 征是所述發動機(1)作為動力單元，其動力通過機械系統直接傳遞給車輪， 或通過集成起動發電機(2)或驅動電機(7)以電能的方式給蓄電池充電。
3、 根據權利要求1所述的混合動力汽車雙行星排機電耦合驅動裝置，其特 征是所述前行星排行星輪(3)、前行星排太陽輪(4)、前行星排齒圈(5)組 成前行星排，后行星排行星輪(6)、后行星排太陽輪(8)、后行星排齒圈(10) 組成后行星排，兩行星排是整個驅動裝置的動力耦合機構。
全文摘要
本發明公開一種機械技術領域的混合動力汽車雙行星排機電耦合驅動裝置。所述裝置設置有前后行星排，兩行星排均有行星輪、太陽輪、排齒圈，兩行星排齒圈由離合器連接。發動機與前行星排行星輪連接，ISG電機與前行星排太陽輪連接，前行星排齒圈與離合器主動盤連接，離合器從動盤與后行星排齒圈相連，后行星排行星輪行星架固接于車架，后行星排太陽輪與驅動電機連接，后行星排齒圈外圈齒輪與動力輸出齒輪常嚙合。本發明結構緊湊、傳動比大、承載能力大、傳動平穩、傳動效率高，可同時實現功率分流和無級變速。
文檔編號B60K6/28GK101323242SQ20081004091
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者周國清, 朱福堂, 殷承良, 俐 陳 申請人:上海交通大學