雙行星排混合動力系統及混合動力車輛的制作方法

本實用新型涉及汽車領域，特別是涉及一種雙行星排混合動力系統及混合動力車輛。

背景技術：

目前，混合動力汽車(含PHEV)的驅動系統主要包含串聯、并聯和混聯(功率分流型)三種基本形式。串聯形式下發動機與輸出軸之間無機械連接，可實現轉速/轉矩的最優控制，但是其全部能量都需經過兩次機械功率/電功率之間的轉換才能傳遞到輸出軸，能量損失較大；并聯形式的傳動效率高，但發動機與輸出軸之間為機械連接，不能保證發動機始終處于較優的工作區域內，通常用于中高速的場合；混聯形式結合了串聯和并聯的優點，既能實現發動機的優化控制、又能實現中高速的高效控制，但車輛起步時，對電機的極限功率要求較高，而且傳動效率較低。綜上分析，理想驅動方案是基于混聯式動力驅動系統，實現純電起步、中低速功率分流、中高速發動機直驅或并聯驅動等功能。

混聯式混合動力系統主要采用行星機構作為功率分流裝置，根據電機、發動機在機構中的位置分為分速匯矩、分速匯速、分矩匯速、分矩匯矩四種基本形式。當前主流的行星混合動力系統，一是豐田THS(HSD)單E-CVT模式混動系統，用于搭載豐田普銳斯、卡羅拉、雷凌、凱美瑞、Lexus HS250h和漢蘭達，以及福特Escape等車型；二是通用單E-CVT模式和雙E-CVT模式系統，用于搭載沃藍達、凱雷德、奔馳ML450等車型。豐田混動系統可實現純電、E-CVT混動模式、再生制動等模式。根據其搭載車型級別不同，分為單行星排和雙行星排系統，其目的通過新增一個行星排構造減速比(1+k)增加驅動電機端傳遞扭矩，降低對驅動電機轉矩的需求(特別是純電起步工況)，從而減小驅動電機體積和重量。通用單模式系統可實現純電、串聯增程、E-CVT混動、再生制動等模式，包含1個行星排、2個離合器和1個制動構件。該系統雖較THS多1個串聯增程模式，但此模式系統效率偏低，而且操縱元件數量較多，結構復雜。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種大傳動比純電起步、并可實現直驅/并聯驅動模式的雙行星排混合動力系統，以降低純電起步時對驅動電機的轉矩需求，以及在中高速工況下，提高直驅/并聯驅動模式的傳動效率。

為了實現上述目的，本實用新型提供了一種雙行星排混合動力系統，包括發動機；第一電機；第二電機；輸出構件；具有第一太陽輪、第一行星架以及第一齒圈的第一行星齒輪組；具有第二太陽輪、第二行星架以及第二齒圈的第二行星齒輪組；其中，所述第一太陽輪被設置成與所述第一電機一起轉動；所述第一齒圈、第二太陽輪被設置成同時與所述第二電機一起轉動；所述第二齒圈被設置成與所述輸出構件一起轉動；以及，第一扭矩傳遞構件、第二扭矩傳遞構件和制動構件；其中，所述第一扭矩傳遞構件能夠選擇性地結合以將所述發動機的扭矩傳遞至所述第一行星架；所述第二扭矩傳遞構件能夠選擇性地結合以將所述第一行星架的扭矩同時傳遞至所述第二齒圈和所述輸出構件；所述制動構件能夠選擇性地結合以將所述第二行星架制動；其中，所述第一扭矩傳遞構件、所述第二扭矩傳遞構件和制動構件之間能夠以不同組合方式進行結合以建立起兩個純電驅動模式、一個混合動力驅動模式、一個直驅/并聯驅動模式和一個制動發電模式。

作為優選方案，還包括第三扭矩傳遞構件，所述第三扭矩傳遞構件能夠選擇性地結合以將所述第二行星架與所述第二太陽輪固連在一起保持周向靜止；所述第一扭矩傳遞構件、所述第二扭矩傳遞構件、所述第三扭矩傳遞構件和所述制動構件之間能夠以不同組合方式進行結合以建立起三個純電驅動模式、兩個混合動力驅動模式、兩個直驅/并聯驅動模式和兩個制動發電模式。

作為優選方案，所述純電驅動模式包括第一純電驅動模式和第二純電驅動模式；其中，在所述第一純電驅動模式中，所述第二扭矩傳遞構件與所述制動構件進行組合結合，并且由所述第一電機輸出扭矩；在所述第二純電驅動模式中，僅有所述制動構件結合，并且由所述第二電機輸出扭矩。

作為優選方案，所述純電驅動模式包括第三純電驅動模式，在所述第三純電驅動模式中，僅有所述第三扭矩傳遞構件結合，并且由所述第二電機輸出扭矩。

作為優選方案，所述混合動力驅動模式包括第一混合動力驅動模式，在所述第一混合動力驅動模式中，所述第一扭矩傳遞構件與所述制動構件進行組合結合；所述發動機的輸出轉矩的傳遞通過所述第一行星齒輪組分流出一條機械傳遞路線和一條電功率傳遞路線，并通過所述第二行星齒輪組將該兩條路線傳遞的扭矩匯合至所述輸出構件。

作為優選方案，所述混合動力驅動模式包括第二混合動力驅動模式，在所述第二混合動力驅動模式中，所述第一扭矩傳遞構件與所述第三扭矩傳遞構件進行組合結合；所述發動機的輸出轉矩的傳遞通過所述第一行星齒輪組分流出一條機械傳遞路線和一條電功率傳遞路線，并通過所述第二行星齒輪組將該兩條路線傳遞的扭矩匯合至所述輸出構件。

作為優選方案，所述直驅/并聯驅動模式包括第一直驅/并聯驅動模式，在所述第一直驅/并聯驅動模式中，所述第一扭矩傳遞構件和所述第二扭矩傳遞構件進行組合結合，并且同時由所述發動機及所述第二電機輸出扭矩。

作為優選方案，所述直驅/并聯驅動模式包括第二直驅/并聯驅動模式，在所述第二直驅/并聯驅動模式中，所述第一扭矩傳遞構件、所述第二扭矩傳遞構件以及所述制動構件進行組合結合，并且同時由所述發動機和所述第二電機輸出扭矩。

作為優選方案，所述制動發電模式包括第一制動發電模式，在所述第一制動發電模式中，僅有所述制動構件結合，扭矩由所述輸出構件傳遞至所述第二電機，此時，所述第二電機用作發電機。

作為優選方案，所述制動發電模式包括第二制動發電模式，在所述第二制動發電模式中，僅有所述第三扭矩傳遞構件結合，扭矩由所述輸出構件傳遞至所述第二電機，此時，所述第二電機用作發電機。

作為優選方案，還包括電源模塊，所述電源模塊設有電池及功率轉換器，所述電池的電能通過所述功率轉換器轉換后分別輸送給所述第一電機或第二電機；或者電能由所述功率轉換器轉換后輸送給所述電池。

作為優選方案，還包括扭矩接收單元，所述扭矩接收單元與所述輸出構件連接，以接收來自所述輸出構件的扭矩。

為了解決相同的問題，本實用新型還公開了一種混合動力車輛，上述任一方案的雙行星排混合動力系統。

本實用新型的雙行星排混合動力系統通過兩個行星齒輪組、一個發動機、兩個電機以及扭矩傳遞機構的排布組合，能夠實現在純電驅動模式下的大傳動比的純電起步，可以大幅降低對電機的輸出轉矩的要求，從而可以減小電機的體積和功率；此外，還能夠實現直驅/并聯驅動模式，當發動機直驅速比為1(發動機直接連接驅動輸出構件)時，可用于中高速工況，以提高系統的傳動效率，當發動機的轉矩無法滿足需求時，第一電機和第二電機均可充當驅動電機的作用，以實現并聯模式，從而提高高速工況下系統的輸出動力。

附圖說明

圖1是本實用新型一優選實施例的雙行星排混合動力系統的連接結構示意圖；

圖2是本實用新型另一優選實施例的雙行星排混合動力系統的連接結構示意圖。

其中，1、發動機；2、第一行星齒輪組；21、第一太陽輪；22、第一行星架；23、第一齒圈；3、第二行星齒輪組；31、第二太陽輪；32、第二行星架；33、第二齒圈；4、第一電機；5、第二電機；6、第一扭矩傳遞構件；7、第二扭矩傳遞構件；8、制動構件；9、第三扭矩傳遞構件；10、輸出構件；11、功率轉換器；12、電池；13、差動器總成；14、扭轉減振器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

本實用新型實施例中的發動機是一個廣義概念，發動機的具體形式可以是汽油發動機、柴油發動機、燃料電池發動機、空氣發動機等除去電動機以外的動力輸出元件；本實用新型實施例中的電機的含義包括電動機和發電機，電機的具體含義根據系統處于不同工作模式而具有不同的含義，例如，電機在制動發電模式下做作為發電機使用，在其它模式下作為電動機使用；本實用新型實施中的用語"一起轉動"的含義是指兩個一起轉動的構件能夠始終在繞其軸線旋轉的方向上相對靜止，包括該兩個構件同時都不轉動的情況；本實用新型實施例中，在沒有提到某一個扭矩傳遞構件或制動構件結合時，均默認為沒提及的扭矩傳遞構件或制動構件處于不結合狀態。

實施例1

如圖1所示，示意性地顯示了本實用新型一實施例的雙行星排混合動力系統，其包括發動機1、第一行星齒輪組2、第二行星齒輪組3、第一電機4、第二電機5、輸出構件10；其中，第一行星齒輪組2 設有第一太陽輪21、第一行星架22以及第一齒圈23，第二行星齒輪組3設有第二太陽輪31、第二行星架32以及第二齒圈33；第一太陽輪21被設置成與第一電機4的轉子一起轉動，第一齒圈23和第二太陽輪31被設置成同時與第二電機5的轉子一起轉動；第二齒圈33被設置成與輸出構件10(例如輸出齒輪、輸出軸等)一起轉動；以及，第一扭矩傳遞構件6、第二扭矩傳遞構件7和制動構件8；其中，第一扭矩傳遞構件6能夠選擇性地結合以將發動機1的扭矩傳遞至第一行星架22，使得第一行星架22能夠與發動機1的輸出端軸一起轉動；第二扭矩傳遞構件7能夠選擇性地結合以將第一行星架22的扭矩同時傳遞至第二齒圈33和輸出構件10，使得第二齒圈33和輸出構件10能夠與第一行星架22一起轉動；制動構件8能夠選擇性地結合以將第二行星架32制動；此外，可以在發動機1的輸出端與第一扭矩傳遞構件6的輸入端之間設置扭轉減振器14，以吸收來自發動機1端或第一扭矩傳遞構件6端因扭矩突變而產生的振動，使系統趨于平穩。

如表1所示，示意性地羅列了本實用新型實施例的雙行星混合動力系統的操作邏輯，當第一扭矩傳遞構件5、第二扭矩傳遞構件7和制動構件8之間以不同組合方式進行結合時，能夠建立起兩個純電驅動模式、一個混合動力驅動模式、一個直驅/并聯驅動模式和一個制動發電模式。

結合圖1及表1所示，本實用新型實施例的雙行星混合動力系統，當第二扭矩傳遞構件7和制動構件8組合進行結合時，可實現第一純電驅動模式，在該第一純電驅動模式下的輸入端與輸出端的傳動比為：i＝1+k1+k1*k2，其中，k為行星齒輪組的特征參數，等于齒圈齒數與太陽輪齒數的比值，k1對應第一行星齒輪組2的特征參數，k2對應第二行星齒輪組3的特征參數；一般情況下k的取值為k＝1.5～4，由此，可計算出第一純電驅動模式下的傳動比i的取值為4.75～21，因此，當系統在第一純電驅動模式下工作時，可以大幅度降低驅動電機的額定輸出轉矩，從而可以減小驅動電機的體積和額定功率，該第一純電驅動模式一般用于純電起步的大載荷工況。

在第一純電驅動模式中，第二扭矩傳遞構件7和制動構件8組合進行結合，此時第一電機4作為電動機輸出扭矩，第一電機4輸出的扭矩經過第一行星齒輪組2的第一太陽輪21傳遞至第一行星架22，并由第一行星架22分流出兩條扭矩傳遞線路，即其中一條為由第一行星架22傳遞至第二扭矩傳遞構件7，再由第二扭矩傳遞構件7傳遞至輸出構件10；另一條為由第一行星架22傳遞至第一齒圈23，再由第一齒圈23傳遞至第二太陽輪31，然后由第二太陽輪31傳遞至第二行星架32，最終經第二齒圈33傳遞至輸出構件10；此外，若第一電機4的輸出扭矩不滿足工況，可以同時啟動第二電機5作為輔助輸出扭矩。

結合圖1及表1所示，本實用新型實施例的雙行星混合動力系統，當僅有制動構件8結合，并由第二電機5作為電動機輸出扭矩時，可實現第二純電驅動模式，該第二純電驅動模式的傳動比為i＝k2，用于SOC高時的中高速車速、小載荷的驅動工況，在第二純電驅動模式中，第二電機5的扭矩經第二太陽輪31傳遞至第二行星架32，最終經第二齒圈33傳遞至輸出構件10。

結合圖1及表1所示，本實用新型實施例的雙行星混合動力系統，當第一扭矩傳遞構件6與制動構件8組合進行結合，可以實現第一混合動力驅動模式，一般應用在SOC低時的車輛起步或中低速工況。在該第一混合動力驅動模式中，發動機1的輸出扭矩通過第一行星齒輪組2分流出兩條扭矩傳遞路線。其一是通過機械連接傳遞至輸出端：發動機1的輸出扭矩經過第一行星架22傳遞至第一齒圈23，再由第一齒圈23傳遞至第二太陽輪31，然后由第二太陽輪31傳遞至第二行星架32，最終經第二齒圈33傳遞至輸出構件10；其二是通過電氣連接傳遞至輸出端：發動機1的輸出扭矩經過第一行星架22傳遞至第一太陽輪21，再由第一太陽輪21傳遞至第一電機4，再由第一電機4轉化成電功率通過電氣系統傳遞至第二電機5，再由第二電機5傳遞至第二太陽輪31，然后由第二太陽輪31傳遞至第二行星架32，最終經第二齒圈33傳遞至輸出構件10。當電池SOC低至無法滿足純電起步時，該模式可用于車輛起步，此時可通過第一電機4充當啟動機啟動發動機1，之后通過發動機1輸出扭矩完成車輛起步。因發動機1轉速n1、第一電機4轉速n4、第一齒圈23轉速滿足如下關系：n4+k1*n23-(1+k1)*n1＝0，其中n23與輸出轉速及車速線性相關。隨著車速增加，可當通過電機4調節發動機1轉速n1使之處于經濟區。在該第一混合模式下，第一電機4和第二電機5可以根據工況條件充當電動機或發電機作用。但是，在第一混合模式下，因制動構件8結合，故可得n23＝n31＝-k2*n33＝-k2*n10，結合上述關系式可知當發動機1轉速一定時，第一電機4轉速隨車速增大而增大。

結合圖1及表1所示，本實用新型實施例的雙行星排混合動力系統，當第一扭矩傳遞構件6與第二扭矩傳遞構件7組合進行結合，并同時由發動機1和第二電機5輸出扭矩時，可以實現第一直驅/并聯驅動模式；第一直驅/并聯驅動模式的作用是當發動機1的輸出扭矩不足時，可以通過第二電機5提供額外的輸出轉矩，實現并聯驅動模式，以提升雙行星排混合動力系統的輸出動力；在第一直驅/并聯驅動模式中，輸出扭矩分兩條傳遞路線最終匯聚至輸出構件10，具體為，發動機1的輸出扭矩經過第一扭矩傳遞構件6及第二扭矩傳遞構件7后直接傳遞至輸出構件10；第二電機5的輸出扭矩由第二太陽輪31傳遞至第二行星架32，最終經第二齒圈33傳遞至輸出構件10。

結合圖1及表1所示，本實用新型實施例的雙行星排混合動力系統，當僅有制動構件8結合時，可實現第一制動發電模式，在第一制動發電模式中，可以在高速行駛的車輛出現長時間制動過程中，利用制動滑行時，帶動電機轉動實現制動發電，再將再生能量通過功率轉換器11傳遞至電池12中存儲；其中，在第一制動發電模式中，第二電機5作為發電機使用，輸出構件10的扭矩經過第二齒圈33傳遞至第二行星架32，再由第二行星架32傳遞至第二太陽輪31，從而帶動第二電機5的轉子轉動，實現第二電機5的發電功能。

表1

實施例二

如圖2所示，示意性地顯示了本實用新型另一實施例的雙行星排混合動力系統，本實施例的雙行星排混合動力系統的結構與實施例一的雙行星排混合動力系統的結構大致相同，區別在于，本實施例的雙行星排混合動力系統的還包括第三扭矩傳遞構件9，第三扭矩傳遞構件9能夠選擇性地結合以將第二行星架32與第二太陽輪31固連在一起保持周向靜止；由此，可以在實施例1能夠實現的驅動模式的基礎上，還能夠實現更多的驅動模式，增加了本實用新型實施例的雙行星排混合動力系統的動力輸出模式的豐富性。

如表2所示，示意性地羅列了本實用新型實施例的雙行星混合動力系統的操作邏輯，當第一扭矩傳遞構件5、第二扭矩傳遞構件7、第三扭矩傳遞構件9和制動構件8之間以不同組合方式進行結合時，能夠建立起三個純電驅動模式、兩個混合動力驅動模式、兩個直驅/并聯驅動模式和兩個制動發電模式。

請結合圖2及表2所示，本實用新型實施例的雙行星排混合動力系統，當僅有第三扭矩傳遞構件9結合，并由第二電機5輸出扭矩時，可以實現第三純電驅動模式，在第三純電驅動模式下的傳動比為i＝1，可以用于SOC高時，車速中高速小負荷的工況；第二電機5輸出扭矩以原轉速經第二行星架3傳遞至輸出構件10。

結合圖2及表2所示，本實用新型實施例的雙行星混合動力系統，當第一扭矩傳遞構件6與第三扭矩傳遞構件9組合進行結合，可以實現第二混合動力驅動模式；該第二混合動力驅動模式一般應用在SOC低時的車輛起步或中低速工況。在第二混合動力驅動模式中，由于第三扭矩傳遞構件9結合，使得第二行星齒輪組3的第二行星架32與第二太陽輪31固連在一起保持周向靜止，使得第二行星齒輪組3只能整體轉動。發動機1的輸出扭矩通過第一行星齒輪組2分流出兩條扭矩傳遞路線。其一是通過機械連接傳遞至輸出端：發動機1的輸出扭矩經過第一行星架22傳遞至第一齒圈23，再由第一齒圈23傳遞至第二行星齒輪組3后，直接傳遞至輸出構件10；其二是通過電氣連接傳遞至輸出端：發動機1的輸出扭矩經過第一行星架22傳遞至第一太陽輪21，再由第一太陽輪21傳遞至第一電機4，再由第一電機4轉化成電功率通過電氣系統傳遞至第二電機5，再由第二電機5傳遞至第二行星齒輪組3后，直接傳遞至輸出構件10。當電池SOC低至無法滿足純電起步時，該第二混合動力驅動模式可用于車輛起步，此時可通過第一電機4充當啟動機啟動發動機1，之后通過發動機1輸出扭矩完成車輛起步。發動機1轉速n1、電機4轉速n4、第一齒圈23轉速滿足如下關系：n4+k1*n23-(1+k1)*n1＝0，其中n23與輸出轉速線性相關。隨著車速增加，可當通過電機4調節發動機1轉速n1使之處于經濟區。該第二混合動力驅動模式下，第一電機4和第二電機5根據工況條件充當電動機或發電機作用。不同于第一混合動力驅動模式的是，在第二混合動力驅動模式下因第三扭矩傳遞構件9結合使得第二行星齒輪組3整體回轉得n23＝n31＝n10，結合上述關系式可知當發動機1轉速一定時，隨車速增大第一電機4轉速先降為零，再降低為負，其作用也由發電機逐步轉變為電動機，因此，相對于第一混合動力驅動模式而言，第二混合動力驅動模式在相同工況下降低了第一電機4的轉速需求。

請結合圖2及表2所示，本實用新型實施例的雙行星排混合動力系統，當第一扭矩傳遞構件6、第二扭矩傳遞構件7以及制動構件8組合進行結合，并且同時由發動機1和第二電機5輸出扭矩時，可以實現第二直驅/并聯驅動模式；第二直驅/并聯驅動模式的作用是當發動機1的輸出扭矩不足時，可以通過第二電機5提供額外的輸出轉矩，實現并聯驅動模式，以提升雙行星排混合動力系統的輸出動力；在第二直驅/并聯驅動模式中，輸出扭矩分兩條傳遞路線最終匯聚至輸出構件10，具體為，發動機1的輸出扭矩經過第一扭矩傳遞構件6及第二扭矩傳遞構件7后直接傳遞至輸出構件10，第二電機5的輸出扭矩由第二太陽輪31傳遞至第二行星架32，最終經第二齒圈33傳遞至輸出構件10。

請結合圖2及表2所示，本實用新型實施例的雙行星排混合動力系統，當僅有第三扭矩傳遞構件9結合時，可實現第二制動發電模式，在第二制動發電模式中，可以在高速行駛的車輛出現長時間制動過程中，利用制動滑行時，帶動電機轉動實現制動發電，再將再生能量通過功率轉換器11傳遞至電池12中存儲；其中，在第二制動發電模式中，第二電機5作為發電機使用，輸出構件10的扭矩經過第二行星齒輪組3整體轉動而帶動第二電機5的轉子轉動，從而使第二電機5 實現發電功能。

表2

結合圖1及圖2所示，本實用新型實施例中的雙行星排混合動力系統還包括電源模塊，該電源模塊設有功率轉換器11及電池12，電池12的電能通過功率轉換器11轉換后分別輸送給第一電機4和/或第二電機5；或者第一電機4或第二電機5發電的電能由功率轉換器11轉換后輸送給電池12進行存儲。

結合圖1及圖2所示，本實用新型實施例中的雙行星排混合動力系統還包括扭矩接收單元13(例如差速器、減速器等)，扭矩接收單元13與輸出構件10連接，以接收來自輸出構件10的扭矩。

為了解決相同的問題，本實用新型實施例還公開了一種混合動力車輛，包括上述實施例中的雙行星排混合動力系統。

綜上所述，本實用新型的雙行星排混合動力系統通過兩個行星齒輪組、一個發動機、兩個電機以及扭矩傳遞機構的排布組合，能夠實現在純電驅動模式下的大傳動比的純電起步，可以大幅降低對電機的輸出轉矩的要求，從而可以減小電機的體積和功率；此外，還能夠實現直驅/并聯驅動模式，當發動機直驅速比為1(發動機直接連接驅動輸出構件)時，可用于中高速工況，以提高系統的傳動效率，當發動機的轉矩無法滿足需求時，第一電機和第二電機均可充當驅動電機的作用，以實現并聯模式，從而提高高速工況下系統的輸出動力。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本實用新型的保護范圍。