一種混合動力驅動系統及其驅動方法
2023-04-27 21:53:41
專利名稱：一種混合動力驅動系統及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及混合動力車領域，尤其涉及一種混合動力驅動系統及其驅動方法。
背景技術：
現有技術公開了一種由發動機和電機驅動的混合動力車，包括發動機，電機，變速 器和車輪驅動軸。變速器包括具有第一至第三轉動元件的行星齒輪機構以及單向離合器。 行星齒輪機構的第一轉動元件(如太陽輪)連接到發動機的輸出軸，第二轉動元件(如齒 圈)連接到電機的輸出軸，第三轉動元件(如行星架)連接到車輪驅動軸。單向離合器布 置在第一轉動元件與發動機之間，保證發動機沿一個方向旋轉，避免太陽輪反轉時拖動發 動機反轉。根據上述技術方案，車輛可以由發動機和電機共同驅動，由發動機單獨驅動，以及 由電機單獨驅動。在車輛由電機單獨驅動時，可以使變速器在低檔運行，從而電機能夠提供 足夠的驅動力來驅動車輛行駛，同時單向離合器避免發動機不工作時被反拖。在該技術方案的基礎上，還可以在行星齒輪機構的齒圈與太陽輪之間布置離合 器，或者在齒圈與變速器殼體之間布置制動器，或者在齒圈與太陽輪之間布置單向離合器， 或者在齒圈與車輪驅動軸之間布置單向離合器，等等，以滿足不同的車輛設計要求。在上述各個技術方案中，能夠實現不同的車輛驅動模式。但是，這些技術方案並沒 有充分考慮到發動機參與工作時其燃油經濟性的問題。
發明內容
本發明為了解決混合動力驅動系統中發動機參與工作時沒有充分考慮發動機燃 油經濟性的問題，提供一種混合動力驅動系統，其中在發動機參與驅動時，所述發動機能夠 總是在油耗經濟區運行。一種混合動力驅動系統，該系統包括發動機、第一電動發電機、第二電動發電機、 與第一電動發電機和第二電動發電機均相連的儲能裝置、傳動機構和離合器，其中，該系統 還包括差速機構，第二電動發電機的轉子具有中空結構，所述差速機構位於所述第二電動 發電機中，所述差速機構包括第一轉動元件、第二轉動元件和第三轉動元件，所述第一轉動 元件為行星架，所述發動機通過所述離合器連接到所述第一轉動元件，第一電動發電機的 轉子軸與所述第二轉動元件相連，第二電動發電機的轉子軸與所述第一轉動元件相連，所 述第三轉動元件與傳動機構相連，該驅動系統至少工作在以下工況發動機參與驅動，通過 調節第一電動發電機的轉速，使得發動機在油耗經濟區運行。本發明還提供一種混合動力驅動系統的驅動方法，其中該驅動系統為根據本發明 的驅動系統，該方法包括控制所述驅動系統至少工作在以下工況所述發動機參與驅動，通 過調節第一電動發電機的轉速，使得發動機在油耗經濟區運行。對於發動機而言，根據萬有特性曲線，每一種發動機具有確定的油耗經濟區，其與 發動機的轉速範圍相對應。當發動機工作在其油耗經濟區時，燃油最經濟、油耗最低。
在上述技術方案中，所述發動機通過所述離合器連接到所述第一轉動元件，所述 制動器通過第一電動發電機的轉子軸與所述第二轉動元件相連，所述第二電動發電機的轉 子軸與所述第一轉動元件相連，所述第三轉動元件與傳動機構相連。因此，根據差速機構的 三個轉動元件之間的轉速關係，通過控制第一電動發電機的轉速，可以控制發動機的轉速， 使之總是在油耗經濟區運行，從而更好地降低發動機的油耗。
圖1是本發明混合動力驅動系統的一種實施方式結構示意圖；圖2是根據本發明一種實施方式的表示左半軸齒輪、行星架和右半軸齒輪之間轉 速關係的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施方式作詳細說明。根據本發明的一種實施方式，如圖1所示，一種混合動力驅動系統，該系統包括發 動機1、第一電動發電機8、第二電動發電機4、與第一電動發電機8和第二電動發電機4均 相連的儲能裝置3、傳動機構6和離合器2，其中，該系統還包括差速機構5，第二電動發電 機4的轉子具有中空結構，差速機構5位於第二電動發電機4中，差速機構5包括第一轉動 元件51、第二轉動元件52和第三轉動元件53，第一轉動元件51為行星架，發動機1通過離 合器2連接到第一轉動元件51，第一電動發電機8的轉子軸與第二轉動元件52相連，第二 電動發電機4的轉子軸與第一轉動元件51相連，第三轉動元件53與傳動機構6相連，該驅 動系統至少工作在以下工況發動機1參與驅動，通過調節第一電動發電機8的轉速，使得 發動機1在油耗經濟區運行。進一步地，該驅動系統還包括制動器9，制動器9通過第一電動發電機8的轉子軸 與第二轉動元件52相連。第二轉動元件52可以為左半軸齒輪或右半軸齒輪，第三轉動元件53可以為右半 軸齒輪或左半軸齒輪。作為一種實施方式，第二轉動元件52為左半軸齒輪，第三轉動元件53為右半軸齒 輪。行星架通過離合器2與發動機1的輸出軸連接，同時行星架還與第二電動發電機4的 轉子軸相連。行星架與第二電動發電機4的轉子軸可以通過各種合適的方式連接在一起， 例如將差速機構的外殼與第二電動發電機4的轉子軸做成一體，這樣當第二電動發電機4 轉動時即可帶動行星架轉動，同時當行星架轉動時也可以帶動第二電動發電機4轉動。左 半軸齒輪通過第一電動發電機8的轉子軸與制動器相連，例如通過將第一電動發電機8的 轉子軸延長從而實現與左半軸齒輪和制動器9的連接。此時，第一電動發電機8的轉子軸 可以具有中空結構，連接行星架和離合器2的傳動軸可以穿過第一電動發電機8的中空轉 子軸，從而有利於布置發動機1和第一電動發電機8，有效節約安裝空間。由於第二電動發電機4的轉子具有中空結構，差速機構5位於第二電動發電機4 內部即位於其轉子軸的中空結構中，從而有利於節約安裝空間，使得整個驅動系統結構更 加緊湊。發動機1可以採用汽油或柴油等作為燃料，並可以通過輸出軸向外輸出動力。
第一電動發電機8和第二電動發電機4為交流電機，如永磁同步電機；這兩個電動 發電機均可以作為發電機和電動機使用，此時其工作狀態分別為發電和電動工作狀態。儲能裝置3為一可控的能量存儲單元，可以是鋰電池、鐵電池、鎳氫電池、鎳鉻電 池等。本發明的儲能裝置3還可以具有外接充電接口(圖中未示出)，因此本發明的驅動系 統還具有外接電源充電工況。即，通過外接充電接口為儲能裝置3充電。通過這種工況，在 用電低谷時期進行充電，例如晚上或者深夜，可以合理的利用市電。並且，利用市電充電比 利用燃油發動機發電成本要低的多，因此降低了車輛的使用成本，並減少了環境汙染。進一步地，在儲能裝置3和兩個電動發電機之間還可以分別連接有第一功率變換 器和第二功率變換器(圖中未示出)，第一功率變換器和第二功率變換器可進行雙向的功 率變換，因而通過功率變換單元的轉化，兩電動發電機可以將儲能裝置3儲存的電能轉換 為動力輸出，同時，兩電動發電機還可以將動力轉換為電能儲存在儲能裝置3中。傳動機構6通常包括車輛的傳動軸、減速器、差速器以及半軸等。半軸與車輪7相 連，從而可以將動力傳遞給車輪7進而驅動車輛行駛。為了方便控制，制動器9優選為電控制動器。對於發動機而言，根據萬有特性曲線，每一種發動機具有確定的油耗經濟區，其與 發動機的轉速範圍相對應。圖2是根據本發明一種實施方式的表示左半軸齒輪、行星架和右半軸齒輪之間轉 速關係的示意圖。其中，m表示第一電動發電機8的轉速；N2表示發動機1或者發動機1和 第二電動發電機4的轉速；N3表示傳動機構6的輸入轉速即從差速機構5輸出的轉速。圖 2中各轉速關係連接線的交匯點表示發動機1對應油耗經濟區的轉速。三個轉動元件之間 的轉速關係為A1+N3 = 2N2。如圖2所示，當車輛行駛速度確定時，傳動機構6的輸入轉速 確定，由於發動機1工作在油耗經濟區的轉速已確定，根據三個轉動元件之間的轉速關係 N1+N3 = 2N2，通過調節第一電動發電機8的轉速即可使得第一電動發電機8的轉速、發動 機1的轉速和傳動機構6的輸入轉速滿足三個轉動元件之間的轉速關係。此時發動機1的 轉速處於油耗經濟區的轉速。因此，本發明的技術方案可使發動機1工作在油耗經濟區，從 而可以更好地降低發動機1的油耗，提高整個驅動系統的燃油經濟性。進一步地，如圖2所示，當發動機1工作在油耗經濟區時，通過調節第一電動發電 機8的轉速，傳動機構6的轉速即可在一定的速度範圍內逐漸變化，即可以實現一定範圍內 的無級調速。當發動機1對應於其它轉速時，通過調節第一電動發電機8的轉速，傳動機構 6的轉速也會隨之變化，這樣就能實現無級調速。即該驅動系統可以實現無級調速。本發明還提供一種混合動力驅動系統的驅動方法，其中驅動系統為上述的驅動系 統，其中，該驅動方法包括控制該驅動系統至少工作在以下工況發動機1參與驅動，通過 調節第一電動發電機8的轉速，使得發動機1在油耗經濟區運行。。進一步地，該驅動系統還包括制動器9，制動器9通過第一電動發電機8的轉子軸 與第二轉動元件52相連。當車輛行駛需要較大的扭矩，如爬坡或加速行駛時，發動機1和電動發電機可以 共同驅動車輛行駛，即該驅動方法還包括控制該驅動系統處於如下工況之一混聯工況1 由第一電動發電機8和發動機1共同驅動車輛行駛，此時離合器2結 合，制動器9分離，同時還驅動第二電動發電機8發電並給儲能裝置3充電，此時通過調節第一電動發電機8的轉速即可使得發動機1的轉速處於油耗經濟區的轉速即發動機1工作 在油耗經濟區，當發動機1工作在油耗經濟區時，通過調節第一電動發電機8的轉速，傳動 機構6的轉速即可在一定的速度範圍內逐漸變化，即可以實現一定範圍內的無級調速；並聯工況由第一電動發電機8、第二電動發電機4和發動機1共同驅動車輛行 駛，離合器2結合，制動器9分離，此時通過調節第一電動發電機8的轉速即可使得發動機1 的轉速處於油耗經濟區的轉速即發動機1工作在油耗經濟區，當發動機1工作在油耗經濟 區時，通過調節第一電動發電機8的轉速，傳動機構6的轉速即可在一定的速度範圍內逐漸 變化，即可以實現一定範圍內的無級調速。此時，該驅動方法還包括控制該驅動系統處於如下工況混聯工況2 由第二電動發電機4和發動機1共同驅動車輛行駛，此時離合器2結 合，制動器9分離，同時還驅動第一電動發電機8發電並給儲能裝置3充電。當發動機單獨驅動時，該驅動方法還包括控制該驅動系統處於如下工況之一發動機驅動工況1 此工況下車輛由發動機1單獨驅動行駛，離合器2結合，制動 器9結合(即制動)，同時發動機1還可以驅動第二電動發電機4發電並給儲能裝置3充 電，此時，第二電動發電機4也可以空轉即不發電；發動機驅動工況2 此工況下車輛由發動機1單獨驅動車輛行駛，離合器2結合， 制動器9分離(即不制動)，同時發動機1還可以驅動第一電動發電機8和第二電動發電 機4共同發電並給儲能裝置3充電，此時，第一電動發電機8和第二電動發電機4也可以都 空轉即不發電，或者第二電動發電機4空轉不發電而第一電動發電機8發電並給儲能裝置 3充電。當儲能裝置3中的能量充足時，驅動系統可以工作在如下純電動工況下純電動工況1 由第二電動發電機4單獨驅動車輛行駛，此時離合器2分離，制動 器9結合；純電動工況2 由第一電動發電機8和第二電動發電機4共同驅動，此時離合器2 分離，制動器9分離。本發明的混合動力驅動系統還可以處於以下發電工況駐車發電工況發動機1啟動，離合器2結合，制動器9分離時，發動機1可以同時 驅動第一電動發電機8和第二電動發電機4發電，也可以單獨驅動第一電動發電機8發電， 當制動器9結合時，發動機1可以單獨驅動第二電動發電機4發電；回饋發電工況1 離合器2分離，制動器9分離，傳動機構6同時驅動第一電動發 電機8和第二電動發電機4發電；回饋發電工況2 離合器2分離，制動器9結合，傳動機構6驅動第二電動發電機4 發電。如上所述，由於差速機構5的三個轉動元件即第一轉動元件51、第二轉動元件52 和第三轉動元件53分別與發動機1、第一電動發電機8和傳動機構6相連，因此，發動機1、 第一電動發電機8和傳動機構6三者之間的轉速關係符合差速機構5的三個轉動元件之間 的轉速關係，如圖2所示。因此，通過控制第一電動發電機8的轉速，可以使發動機1在油 耗經濟區運行，從而能夠更好地降低發動機1的油耗，提高燃油經濟性。
權利要求
一種混合動力驅動系統，該系統包括發動機、第一電動發電機、第二電動發電機、與第一電動發電機和第二電動發電機均相連的儲能裝置、傳動機構和離合器，其特徵在於，該系統還包括差速機構，第二電動發電機的轉子具有中空結構，所述差速機構位於所述中空結構中，所述差速機構包括第一轉動元件、第二轉動元件和第三轉動元件，所述第一轉動元件為行星架，所述發動機通過所述離合器連接到所述第一轉動元件，第一電動發電機的轉子軸與所述第二轉動元件相連，第二電動發電機的轉子軸與所述第一轉動元件相連，所述第三轉動元件與傳動機構相連，該驅動系統至少工作在以下工況發動機參與驅動，通過調節第一電動發電機的轉速，使得發動機在油耗經濟區運行。
2.根據權利要求1所述的驅動系統，其特徵在於，所述驅動系統還包括制動器，所述制 動器通過第一電動發電機的轉子軸與所述第二轉動元件相連。
3.根據權利要求2所述的驅動系統，其特徵在於，所述第二轉動元件為左半軸齒輪，所 述第三轉動元件為右半軸齒輪。
4.一種混合動力驅動系統的驅動方法，其中所述驅動系統為根據權利要求1所述的驅 動系統，其特徵在於，該驅動方法包括控制所述驅動系統至少工作在以下工況所述發動機 參與驅動，通過調節第一電動發電機的轉速，使得發動機在油耗經濟區運行。
5.根據權利要求4所述的驅動方法，其特徵在於，所述驅動系統還包括制動器，所述制 動器通過第一電動發電機的轉子軸與所述第二轉動元件相連。
6.根據權利要求5所述的驅動方法，其特徵在於，該驅動方法還包括控制所述驅動系 統處於如下工況之一混聯工況1 由第一電動發電機和發動機共同驅動，離合器結合，制動器分離，同時驅 動第二電動發電機發電，此時通過調節第一電動發電機的轉速，使得發動機在油耗經濟區 運行；並聯工況由第一電動發電機、第二電動發電機和發動機共同驅動，離合器結合，制動 器分離，此時通過調節第一電動發電機的轉速，使得發動機在油耗經濟區運行。
7.根據權利要求6所述的驅動方法，其特徵在於，通過調節第一電動發電機的轉速，使 得第一電動發電機的轉速、發動機的轉速和傳動機構的輸入轉速滿足如下關係式N1+N3 = 2N2，其中m表示第一電動發電機的轉速，N2表示發動機的轉速，N3表示傳動 機構的輸入轉速。
8.根據權利要求7所述的驅動方法，其特徵在於，該驅動方法還包括控制所述驅動系 統在混聯工況1和並聯工況下實現無級調速。
9.根據權利要求6所述的驅動方法，其特徵在於，該驅動方法還包括控制所述驅動系 統處於如下工況混聯工況2:由第二電動發電機和發動機共同驅動，離合器結合，制動器分離，同時驅 動第一電動發電機發電。
10.根據權利要求5所述的驅動方法，其特徵在於，該驅動方法還包括控制所述驅動系 統處於如下工況之一發動機驅動工況1 :由發動機單獨驅動，離合器結合，制動器結合，同時發動機驅動第 二電動發電機發電；發動機驅動工況2 由發動機單獨驅動，離合器結合，制動器分離，此時發動機還同時驅動第一電動發電機和第二電動發電機發電。
11.根據權利要求5所述的驅動方法，其特徵在於，該驅動方法還包括控制所述驅動系 統處於如下工況之一純電動工況1 由第二電動發電機單獨驅動，離合器分離，制動器結合；純電動工況2 由第一電動發電機和第二電動發電機共同驅動，離合器分離，制動器分罔。
12.根據權利要求5所述的驅動方法，其特徵在於，該驅動方法還包括控制所述驅動系 統處於如下工況之一駐車發電工況發動機啟動，離合器結合，制動器分離，發動機同時驅動第一電動發電 機和第二電動發電機發電；回饋發電工況1 離合器分離，制動器分離，傳動機構同時驅動第一電動發電機和第二 電動發電機發電；回饋發電工況2 離合器分離，制動器結合，傳動機構驅動第二電動發電機發電。
全文摘要
一種混合動力驅動系統，包括發動機、第一電動發電機、第二電動發電機、儲能裝置、傳動機構和離合器，還包括差速機構，第二電動發電機的轉子具有中空結構，差速機構位於中空結構中，差速機構包括第一轉動元件、第二轉動元件和第三轉動元件，第一轉動元件為行星架，發動機通過離合器連接到第一轉動元件，第一電動發電機的轉子軸與第二轉動元件相連，第二電動發電機的轉子軸與第一轉動元件相連，第三轉動元件與傳動機構相連，該系統至少工作在以下工況發動機參與驅動，通過調節第一電動發電機的轉速，使得發動機在油耗經濟區運行。本發明還提供一種混合動力驅動系統的驅動方法。本發明可使發動機在油耗經濟區運行，從而更好地提高燃油經濟性。
文檔編號B60K6/36GK101934720SQ20091010845
公開日2011年1月5日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者任毅, 楊勝麟, 王濤 申請人:比亞迪股份有限公司