混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置的制作方法

專利名稱：混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種混合動力汽車技術領域的裝置，具體是一種混合動力汽 車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置。
技術背景安全、節能、環保已經成為當今汽車發展的主題，而混合動力汽車被業內公 認為當前實現上述目標的最佳手段之一。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。混合動力汽車 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，雙排行星齒輪機電動力耦合裝 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，并可降低對于電機的要求，是一種較為先進的混合動 力汽車驅動裝置。經對現有技術的文獻檢索發現中國專利申請號03128810. 3公開了一種混 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，但是輪轂電機的應用不但會提高混合動力汽車整車成本，而且會導致簧載 質量變化，從而引起整車動力學特性的改變；中國專利申請號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，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。又經檢索發現日本豐田汽車公司公開了一種行星齒輪機電耦合機構，該技術具有以下特點(1)第二排往往為一個固定速比；(2)幾乎不采用任何的離合器和制動器，各種模式的實現主要依靠復雜的控制技術來實現。此外，美國通用汽車公司公開的行星齒輪機電耦合機構結構上主要是靈活的采用多個離合器和 制動器實現工作模式的切換。但是上述耦合機構對于電機的要求較高，需要電機 具有IO種以上不同的速比來實現各種工作模式。 發明內容本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種混合動力汽車的雙排行星齒 輪機電動力耦合裝置，與現有技術相比，在控制的復雜程度以及對于電機的要求 方面相對較低，可實現性較強。同時，此裝置的結構緊湊，傳遞部件少，具備無 級變速功能和模式切換功能，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，本發明包括離合器、第一制動器、第 二制動器、前行耦合裝置和后行耦合裝置，其中離合器的一端與發動機輸出軸 連接，離合器的另一端經第二制動器與前行耦合裝置的輸入端相連接，后行耦合 裝置的輸入端分別連接前行耦合裝置和后行電機，第一制動器的兩端分別連接前 行電機和前行耦合裝置，前行耦合裝置和后行耦合裝置的輸出端與動力輸出軸相 連接并輸出動力至車輪。所述的前行耦合裝置包括前行星排太陽輪、前行星排行星架和前行星排齒 圈，其中離合器的從動盤經第二制動器與前行星排行星架連接，前行星排太陽輪經第一制動器與前行電機的輸出端相連接，前行星排齒圈與動力輸出軸相連接 并輸出動力至車輪。所述的后行耦合裝置包括后行星排太陽輪、后行星排行星架和后行星排齒 圈，其中后行星排齒圈與前行耦合裝置的輸出端相連接，后行星排太陽輪與后行電機連接，后行星排行星架與動力輸出軸相連接并輸出動力至車輪。本發明裝置在結構上，根據混合動力汽車的需求，為發動機，前行電機和后 行電機提供了前行星排行星架，前行星排太陽輪以及后行星排太陽輪三個輸入， 動力經過前行星排齒圈，后行星排行星架耦合經動力輸出軸輸出。三構件的具體 連接方法為前行星排齒圈的延伸端與后行星排支撐行星輪的行星架軸鉚接固 聯，動力輸出軸與行星架中間軸通過花鍵過盈配合固定連接。本發明裝置將發動機、前行電機和后行電機輸出的動力通過前后兩行星排進 行耦合，其中，發動機與前行電機為串聯式耦合，二者合成的動力與后行電機進 行并聯式耦合，因此，整個系統為混聯式混合動力系統。兩排行星齒輪的行星架與齒圈互聯方式使得結構十分緊湊。離合器與制動器的應用可以更好的實現各種 復雜的工作模式，從而實現對于機電動力的最優配置，提高能源的利用率。同時， 兩排行星齒輪特征參數的變換，可以靈活調節對于兩電機的要求。 本發明上述的裝置，包括以下多種工作模式(1) 發動機啟動模式發動機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，駕駛員將車制動在原地，前行電機做起動機運行， 后行電機空轉，由前行電機輸出的動力，經過前行星排太陽輪和行星架傳遞至發 動機，瞬間帶動發動機至怠速以上，實現發動機啟動；純電動啟動時，要求汽車行駛速度超過設定值Vm或者蓄電池的SOC值達 到強制充電狀態SOCq時，離合器接合，第一制動器接合，制動前行電機，后行 電機輸出的動力經雙行星排、離合器后帶動發動機啟動，進入發動機運行，功率 分流驅動汽車。(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SOC值高于SOC—low時，汽車運行所需要的轉矩由驅動 后行電機單獨提供。此時，第一制動器分離，第二制動器接合，離合器C分離，前行電機空轉，發動機靜止，驅動后行電機的動力經后行星排行星架輸出到車輪， 驅動汽車。(3) 發動機驅動模式分為發動機單獨驅動模式和發動機驅動行車發電模式。發動機單獨驅動模式，指汽車中低速行駛，汽車需求轉矩低于Tm時，汽車 運行所需要的轉矩由發動機單獨提供。此時，第一制動器接合，制動前行電機， 離合器C結合，后行電機自由旋轉，動力由發動機經前后行星排傳至車輪。發動機驅動行車發電模式，指指汽車中低速行駛，汽車需求轉矩低于Tm， 且蓄電池的SOC值達到強制充電狀態SOCq時，發動機同時提供汽車運行所需 的驅動轉矩和為電池充電的電機轉矩。此時，第一制動器分離，前行電機轉矩與 轉速方向相反，為電池充電，后行電機自由旋轉。(4) 混合驅動模式在大負荷下，當車輛需求功率大于發動機效率優化功 率、電池SOC值高于SOCJow時，離合器C結合，第一制動器、第二制動器分 離，發動機、電機共同驅動車輛，這種模式能獲得最大的驅動力，通常用于中低速加速和高速區，如極限速度行駛，超車等情況。
(5)制動模式制動模式根據車的狀態，分為純電制動和聯合制動兩種情
況
純電制動，指在中低速車速以及制動力要求不高的情況下，第一制動器分離，第二制動器接合，發動機靜止，驅動后行電機單獨制動，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；
聯合制動，指在高速，制動力要求較高或者緊急制動情況下，進行機電聯合制動，即液壓制動和電機制動。此時，第一制動器接合，離合器C接合，第二制動器分離，發動機和驅動后行電機參與制動，制動力不足部分由液壓制動補足。驅動后行電機做發電機運行，回收制動能量，并對電池充電。
本發明與現有技術相比，其啟動模式，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，避免了發動機工作在低速低效區，從而降低了燃油消耗；混合驅動模式發生在高功率需求的情況下，通過優化控制策略可以實現發動機、前行電機、后行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與制動器的狀態，以實現純電制動或聯合制動，能夠在滿足制動要求的前提下，更高效的實現能量回收。


圖1混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置機械連接圖。圖2混合動力汽車雙排行星齒輪機電動力耦合裝置的結構示意圖。
具體實施例方式
下面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和圖2所示，本實施例包括發動機1、離合器2、第一制動器3、第二制動器4、前行耦合裝置5、后行耦合裝置6、前行電機7、后行電機8和動力電池9，其中離合器2的一端與發動機1輸出軸連接，離合器2的另一端經第二制動器4與前行耦合裝置5的輸入端相連接，后行耦合裝置6的輸入端分別連接前行耦合裝置5和后行電機8，第一制動器3的兩端分別連接前行電機7和前行耦合裝置5，前行耦合裝置5和后行耦合裝置6的輸出端與動力輸出軸相連接并輸出動力至車輪。動力電池9通過電池管理系統和逆變器(圖中未示出)與前行電機7和后行電機8相連。
所述的前行耦合裝置5包括前行星排太陽輪IO、前行星排行星架ll和前行星排齒圈12，其中離合器2的從動盤經第二制動器4與前行星排行星架11連接，前行星排太陽輪10經第一制動器3與前行電機7的輸出端相連接，前行星排齒圈12與動力輸出軸相連接并輸出動力至車輪。
所述的后行耦合裝置6包括后行星排太陽輪13、后行星排行星架14和后行星排齒圈15，其中后行星排齒輪圈15與前行耦合裝置5的輸出端相連接，后行星排太陽輪12與后行電機8連接，后行星排行星架13與動力輸出軸相連接并輸出動力至車輪。
所述的發動機1的動力可以按照機械路徑直接傳遞給車輪，也可以通過前行電機7和后行 電機8以電能的方式給蓄電池充電。
所述的離合器2為多片干式離合器。通過液壓控制系統控制其結合分離，達到發動機1動力傳輸與中斷的目的。
所述的第一制動器3為單向離合器，通過液壓控制系統控制其結合分離，實現前行電機7動力的中斷與傳輸，并控制前行星排太陽輪10的運轉與停止。
所述的第二制動器4為單向離合器，通過液壓控制系統控制其結合分離，實現離合器2輸出端動力的中斷與傳輸，并控制前行星排行星架11的運轉與停止。
所述的前行電機7和后行電機8為永磁同步電機，主要用來靜止啟動發動機l或利用發動機l的能量給電池充電，同時，還具有調節發動機1的轉速，減少發動機1轉速波動的功能。
所述的動力電池9選用24V磷酸鐵鋰電池，通過電池管理系統和逆變器(圖中未示出)實現對前行電機7和后行電機8提供驅動汽車所需能量，并可實現制動能量回收和發動機多余能量的存儲。
所述的前行星排太陽輪10的輸入端為凸出端，通過第一制動器3與前行電機7連接。
所述的前行星排行星架11的前后兩端皆為凸出端，前端成包絡狀并形成后行星排齒圈15，后端通過離合器2與發動機1輸出軸相連。所述的前行星排齒圈12由后行星排行星架14包絡形成。
8所述的后行星排太陽輪13的輸入端為凸出端且與后行電機8連接。
所述的后行星排行星架14的前后兩端皆為凸出端，前端成包絡狀并形成前行星排齒圈12，后端通過內花鍵與動力輸出軸相連。
所述的后行星排齒圈15由前行星排行星架11包絡形成。
本實施例在靜止啟動發動機模式時，離合器2結合，輸出端由駕駛員進行制動，保證汽車靜止，前行電機7做電動機運行，其動力輸出經過前行星排太陽輪10、行星排行星架ll、離合器2傳遞至發動機1，帶動發動機l啟動。
本實施例在純電動啟動發動機模式時，離合器2結合，第一制動器3結合，后行電機8做電動機運行，其動力輸出一方面通過后行星排太陽輪13、后行星排行星架14傳遞至車輪驅動汽車；另一方面，其輸出能量在后行星排行星架14分流，經后行星排齒圈15，前行星排齒圈12后在前行星排行星架11處匯流，再經過離合器2后傳遞至發動機1，帶動發動機1啟動。
在純電動驅動模式時，離合器2分離，第一制動器3分離，第二制動器4結合，發動機l停機或怠速運轉，電機空轉，電機的動力輸出依次通過后行星排太陽輪13、后行星排行星架14后經動力輸出軸傳遞至車輪驅動汽車。
在發動機單獨驅動模式時，離合器2結合，第一制動器3結合，第二制動器4分離，發動機l的動力輸出依次通過離合器2、前行星排行星架ll、前行星排齒圈12后經動力輸出軸傳遞至車輪驅動汽車。
在發動機驅動行車發電模式時，離合器2結合，第一制動器3分離，第二制動器4分離，發動機1的動力， 一方面經過離合器2、'前行星排行星架11、前行星排太陽輪10傳遞至前行電機7，前行電機7做發電機運行，給動力電池充電；另一方面，其動力輸出依次通過離合器2、前行星排行星架11、前行星排齒圈12后經動力輸出軸傳遞至車輪驅動汽車。
在混合驅動模式時，離合器2結合，第一制動器3分離，第二制動器4分離，發動機l、后行電機8共同驅動車輛，前行電機7根據動力需求和S0C高低作為發電機或電動機工作。發動機1的動力輸出通過離合器2后在前行星排行星架11處分為兩路， 一路通過前行星排齒圈12， 一路通過后行星排齒圈15到達后行星排行星架14;后行電機8的動力輸出通過后行星排太陽輪13、后行星排行星架14后，與發動機l的兩路輸出在動力輸出軸處匯合，輸出至車輪驅動汽車。
在純電制動模式時，離合器2分離，第一制動器3分離，第二制動器4結合，發動機l停機或怠速運轉，前行電機7空轉，來自車輪的車輛動能依次通過后行星排行星架14、后行星排太陽輪13后到達后行電機8，使之做發電機運行，回收制動能量，通過逆變器和電池管理系統對動力電池9充電。
聯合制動模式時，離合器2結合，第一制動器3結合，第二制動器4分離。液壓系統，發動機1和后行電機8進行聯合制動。由發動機1和電機8制動的車輛動能， 一部分，通過后行星排行星架14、后行星排太陽輪13后到達電機8，使之做發電機運行，回收制動能量，并對動力電池9充電；另一部分則經過后行星排行星架14、后行星排齒圈15、前行星排齒圈12后在前行星排行星架11處匯流，經離合器2傳遞至發動機1，由發動機l的摩擦阻力來平衡。
本實施例最終實現的技術效果為對豐田普銳斯的單排行星齒輪耦合機構和本實施例的雙行星排機電動力耦合機構進行經濟性對比分析，采用UDC_aut循環，仿真結果得到豐田普銳斯行星齒輪耦合機構的等效燃油消耗為每百公里3.3305升，本實施例雙行星排機電動力耦合機構的等效燃油消耗為每百公里3. 1673 升，節油率提高了5%。
權利要求
1、一種混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置，包括離合器、第一制動器、第二制動器，其特征在于，還包括前行耦合裝置和后行耦合裝置，其中離合器的一端與發動機輸出軸連接，離合器的另一端經第二制動器與前行耦合裝置的輸入端相連接，后行耦合裝置的輸入端分別連接前行耦合裝置和后行電機，第一制動器的兩端分別連接前行電機和前行耦合裝置，前行耦合裝置和后行耦合裝置的輸出端與動力輸出軸相連接并輸出動力至車輪。
2、 根據權利要求1所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置， 其特征是，所述的前行耦合裝置包括前行星排太陽輪、前行星排行星架和前行 星排齒圈，其中離合器的從動盤經第二制動器與前行星排行星架連接，前行星排太陽輪經第一制動器與前行電機的輸出端相連接，前行星排齒圈與動力輸出軸 相連接并輸出動力至車輪。
3、 根據權利要求1所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置， 其特征是，所述的后行耦合裝置包括后行星排太陽輪、后行星排行星架和后行 星排齒圈，其中后行星排齒輪圈與前行耦合裝置的輸出端相連接，后行星排太 陽輪與后行電機連接，后行星排行星架與動力輸出軸相連接并輸出動力至車輪。
4、 根據權利要求1所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置， 其特征是，所述的離合器為多片干式離合器。
5、 根據權利要求1所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置， 其特征是，所述的第一制動器和第二制動器為單向離合器。
6、 根據權利要求1所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置， 其特征是，所述的前行電機和后行電機為永磁同步電機。
7、 根據權利要求1所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置，其特征是，所述的動力電池為24V磷酸鐵鋰電池。
8、 根據權利要求1或者2所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦 合裝置，其特征是，所述的前行耦合裝置，其前行星排太陽輪的輸入端為凸出端， 通過第一制動器與 行電機連接；其前行星排行星架的前、后兩端皆為凸出端， 前行星排行星架的前端成包絡狀并形成后行星排齒圈，前行星排行星架的后端通過離合器與發動機輸出軸相連；其前行星排齒圈由后行星排行星架包絡形成。
9、根據權利要求1或者3所述的混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦 合裝置，其特征是，所述的后行耦合裝置，其后行星排太陽輪的輸入端為凸出端 且與后行電機連接；其后行星排行星架的前、后兩端皆為凸出端，后行星排行星 架的前端成包絡狀并形成前行星排齒圈，后行星排行星架的后端通過內花鍵與動 力輸出軸相連；其后行星排齒圈由前行星排行星架包絡形成。
全文摘要
一種用于混合動力汽車的雙排行星齒輪機電動力耦合裝置，包括離合器、第一制動器、第二制動器、前行耦合裝置和后行耦合裝置，其中離合器的一端與發動機輸出軸連接，離合器的另一端經第二制動器與前行耦合裝置的輸入端相連接，后行耦合裝置的輸入端分別連接前行耦合裝置和后行電機，第一制動器的兩端分別連接前行電機和前行耦合裝置，前行耦合裝置和后行耦合裝置的輸出端與動力輸出軸相連接并輸出動力至車輪。本發明結構緊湊、傳動比大、承載能力強、傳動平穩、傳動效率高；可同時實現功率分流和無級變速；通過控制模式切換元件，可靈活實現混合動力汽車多種復雜工作模式。
文檔編號B60K6/36GK101628541SQ200910194649
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月27日 優先權日2009年8月27日
發明者朱福堂, 殷承良, 俐 陳 申請人:上海交通大學