本发明涉及混合动力汽车的技术领域，尤其是一种车辆混合动力驱动系统及具有该驱动系统的混合动力车辆。
背景技术：
随着车辆技术的发展，人们对车辆的性能提出了越来越多的要求，混合动力汽车因其不仅具有良好的动力性、操纵性、舒适性和安全性，而且还能够降低油耗及排放，越来越受到人们的欢迎。
混合动力汽车是指由两个或多个能够同时运转的驱动单元提供动力的车辆，它依据车辆实际行驶状态选择不同驱动单元独立或联合地提供动力。按照动力传输路线分类，混合动力汽车可分为串联式、并联式和混联式三种类型，其中混联式混合动力汽车在油耗和排放方面具有较佳表现。混合动力汽车按照动力源输出的动力耦合方式的不同又可以分为转矩耦合式、转速耦合式、牵引力耦合式及混合耦合式，混合耦合式由于兼有转矩耦合式及转速耦合式的优点而在燃油经济性，动力性及工作模式切换平顺性等方面具有很大优势。在现有技术中，混联式混合动力汽车一般需要通过行星齿轮或差减速器来实现转速耦合，通过齿轮、磁场或链带来实现转矩耦合。当混联式混合动力耦合机构采用行星齿轮系方案时，需要设置至少两个电机，并通过多个单离合器才能实现多动力源之间的耦合。
在公开号为CN103786564A号的专利中公开了一种混合动力驱动装置，该装置包括发动机、双电机、双排行星齿轮机构、离合器及制动器，其前排太阳轮上设有制动器，前排行星架与发动机动力输出端连接，前行星架还通过第一离合器与第一电机主轴相连，第一电机主轴与前排齿圈连接，前排齿 圈通过第二离合器与后行星架连接，后太阳轮与第二电机主轴连接，通过后齿圈与驱动装置动力驱动轴连接，从而驱动车辆行驶。该发明通过设计双排行星齿轮机构及双电机，可实现转速及转矩耦合解决了平行轴式齿轮传动机构第一、二电机不能同时工作在高效区的问题，解决了单行星排机构在车辆高速行驶模式下，发电机工作效率低下的问题。但双电机混连式混合动力系统结构复杂，零部件多，轴向尺寸长，加大了制造及布置的难度，使得成本提高。
在公开号为CN 102678871A的专利中公开了一种电动车的三离合变速器装置及电动车辆，采用三离合器分别与一档齿轮、二档齿轮及三档齿轮连接，档位控制器自动控制输入轴通过不同离合器接入不同档位，能兼顾最高车速及最大爬坡度，能实现动力换挡，具有换挡时间短，换挡品质好，结构紧凑等有优点，但该发明只有一个动力输入接口无法实现不同动力源的动力耦合，只能应用于纯电动车辆或传统车辆。
在现有的混合动力驱动系统中，采用单电机结构虽然零部件简单，但是无法兼有转速耦合及转矩耦合功能；而采用多电机结构，虽然能够实现多种工作模式的转换，但是混合动力驱动系统的布置及控制将变得复杂，此外多电机混合动力驱动系统中大多通过控制多个单离合器及制动器的分离或结合来实现不同的工作模式，多个单离合器将使液压管路变得复杂并且不能通过交叉工作来实现动力不中断的切换，响应速度较慢，模式切换平顺性较差,影响工作模式切换品质。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种车辆混合动力驱动系统及混合动力车辆，该系统结构简单，采用单个电机并搭配三离合器即能够使车辆在多种工作模式之间进行切换，且在工作模式切换时，响应速度快，工作模式切换具有较好的平顺性。
本发明提供一种车辆混合动力驱动系统，包括发动机、电机、蓄电池、离合系统、制动系统、前排行星齿轮机构、后排行星齿轮机构及驱动轴，所述前排行星齿轮机构包括前排太阳轮、前排行星轮、前排齿圈及前排行星架，所述后排行星齿轮机构包括后排太阳轮、后排行星轮、后排齿圈及后排行星架，所述前排行星架与所述后排太阳轮固定相连，所述发动机的输出轴与所述后排行星架固定相连，，所述后排行星齿轮机构与所述驱动轴之间设有差减速器，所述后排齿圈通过所述差减速器与所述驱动轴相连，所述驱动轴将动力传递至车轮，所述蓄电池与所述电机相连，所述离合系统包括第一离合器、第二离合器及第三离合器，所述电机通过所述第一离合器与所述前排齿圈相连，所述电机通过所述第二离合器与所述前排太阳轮相连，所述电机通过所述第三离合器与所述发动机的输出轴相连，所述制动系统对所述前排行星齿轮机构及所述后排行星齿轮机构中的部件进行制动。
进一步地，所述制动系统包括第一制动器、第二制动器及第三制动器，所述第一制动器与所述前排太阳轮相连并用于锁止所述前排太阳轮，所述第二制动器与所述前排齿圈相连并用于锁止所述前排齿圈，所述第三制动器与所述后排行星架相连并用于锁止所述后排行星架。
进一步地，所述发动机、所述电机、所述第一离合器、所述第二离合器、所述第三离合器、所述前排行星齿轮机构及所述后排行星齿轮机构同轴设置。
进一步地，所述车辆混合动力驱动系统还包括车辆混合动力驱动系统总控制器、离合控制器及制动控制器，所述总控制器控制所述发动机及所述电机的启动与停止，所述离合控制器和所述制动控制器分别控制所述离合系统及所述制动系统的结合与分离。
进一步地，所述车辆混合动力驱动系统具有纯电动模式，在所述纯电动模式下，仅通过所述电机驱动车辆行驶，车辆具有第一工作状态及第二工作状态两种工作状态；在处于所述第一工作状态时，所述第二离合器与所述前排太阳轮结合，所述第二制动器将所述前排齿圈锁止，所述第三制动器将所 述后排行星架锁止；在处于所述第二工作状态时，所述第一离合器与所述前排齿圈结合，所述第一制动器将前排太阳轮锁止，所述第三制动器将后排行星架锁止。
进一步地，所述车辆混合动力驱动系统具有发动机驱动模式，在所述发动机驱动模式下，所述三离合器均分离，所述发动机启动而所述电机停止，所述第一制动器将前排太阳轮锁止，所述第二制动器将前排齿圈锁止。
进一步地，所述车辆混合动力驱动系统具有力矩耦合混合驱动模式，在所述力矩耦合混合驱动模式下，所述第三离合器与所述发动机结合，所述发动机与所述电机均启动，所述第一制动器将所述前排太阳轮锁止，所述第二制动器将前排齿圈锁止。
进一步地，所述车辆混合动力驱动系统具有无级变速混合驱动模式，在所述无级变速混合驱动模式下，所述发动机与所述电机都启动，车辆具有第三工作状态及第四工作状态两种工作状态；在处于所述第三工作状态时，所述第一离合器与所述前排齿圈结合，所述第一制动器将所述前排太阳轮锁止；在处于所述第四工作状态时，所述第二离合器与所述前排太阳轮结合，所述第二制动器将前排齿圈锁止。
进一步地，所述车辆混合动力驱动系统具有力矩耦合混合驱动充电模式，在所述力矩耦合混合驱动充电模式下，所述第三离合器与所述发动机结合，所述第一制动器将所述前排太阳轮锁止，所述第二制动器将所述前排齿圈锁止，所述电机工作于发电机状态并且可以把所述发动机驱动车辆行驶多余的动能转化为电能并储存在所述蓄电池中。
本发明还提供了一种混合动力车辆，所述混合动力车辆包括本发明所提供的任意一项车辆混合动力驱动系统。
综上所述，本发明提供的混合动力驱动系统通过合理布设动力耦合系统，通过三离合器及双排行星齿轮机构，巧妙的把发动机及电机的动力耦合在一起，使用单个电机并通过控制三离合器和制动器的动作，即可实现混合动力 驱动系统的转速及转矩的耦合，降低了系统的复杂程度，实现多种工作模式，且布置简单，结构紧凑，重量轻，提供车辆燃油的经济性，降低排放，同时能够实现工作模式切换的平顺性及响应最优，避免了使用双电机而导致布置复杂、成本高的问题，同时采用三离合器实现不同工作模式的动力切换，兼有双离合器的特点并且能很好的弥补双离合器接口的不足。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明提供的车辆混合动力驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如下。
图1为本发明提供的车辆混合动力驱动系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的车辆混合动力驱动系统与车轮相连，该驱动系统包括发动机10、电机20、蓄电池30、离合系统40、制动系统50、前排行星齿轮机构60、后排行星齿轮机构70及驱动轴80。
前排行星齿轮机构60包括前排太阳轮61、前排行星轮62、前排齿圈63及前排行星架64，后排行星齿轮机构70包括后排太阳轮71、后排行星轮72、后排齿圈73及后排行星架74。前排行星架64与后排太阳轮71固定相连，发动机10的输出轴与后排行星架74固定相连，。后排行星齿轮机构70与驱动轴80之间设有差减速器81，后排齿圈73通过减速齿轮组(图未标)与差减速器81相连，差减速器81与驱动轴80相连，驱动轴80将动力传递至车轮90。
离合系统40包括第一离合器41、第二离合器42及第三离合器43，电机20通过第一离合器41与前排齿圈63相连，电机20通过第二离合器42与前排太阳轮61相连，电机20通过第三离合器43与发动机10的输出轴相连。制动系统50对前排行星齿轮机构60及后排行星齿轮机构70中的部件进行制动，以改变各个部件的相对运动关系。本发明通过离合系统40控制电机20与前排齿圈63、前排太阳轮61及发动机10的结合或分离，以及通过制动系统50对前排行星齿轮机构60及后排行星齿轮机构70中部件的制动，使用单个电机20即可完成混合动力驱动系统在多个工作模式之间进行切换。
具体地，发动机10、电机20、离合系统40，前排行星齿轮机构60、后排行星齿轮机构70同轴设置，可以方便发动机10与电机20的动力传输及耦合。制动系统50包括第一制动器51、第二制动器52及第三制动器53，第一制动器51与前排太阳轮61相连，用以锁止前排太阳轮61；第二制动器52与前排齿圈63相连，用以锁止前排齿圈63；第三制动器53与后排行星架74相连，用以锁止后排行星架74。
为了便于对本发明提供的车辆混合动力驱动系统进行控制，本发明提供的车辆混合动力驱动系统还包括混合动力驱动系统总控制器(图未示)、离合控制器(图未示)及制动控制器(图未示)，混合动力驱动系统总控制器能够控制发动机10、电机20的启动与停止，离合控制器、制动控制器能够分别控制离合系统40及制动系统50的启动与关闭。
在本实施例中，发动机10可以为汽油或柴油发动机，电机20可以为外绕组内永磁体的永磁同步电机，离合器41、42、43可以为空心轴式多片离合器，制动器51、52、53可以为钳盘式制动器、液压摩擦片式制动器或电磁制动器，前、后排行星齿轮机构60、70可以为高强度、低噪音、适当修形的齿轮，差减速器81可以为敞开式差速减速器，蓄电池30可以为高功率密度、高质量比、充电效率高、长寿命的锂离子电池，驱动轴80可以为高效率、低振动的等速驱动轴，车轮90可以为低滚阻、低风燥、操稳性好的高性能轮胎。
本发明提供的车辆混合动力驱动系统可以使动力驱动系统具有纯电动模式、发动机驱动模式、力矩耦合混合驱动模式、无级变速混合驱动模式、制动能量回收模式、发动机启动模式、力矩耦合混合驱动充电模式及驻车充电模式等多种工作模式，以下对本发明提供的混合动力驱动系统在各个工作模式中的工作方式进行描述。
纯电动模式：当车辆以较低车速行驶或车辆启动、低速巡航等使发动机10工作于中低负荷时，为了避免发动机10工作在低效率区，此时可以选择纯电动模式，仅通过电机20驱动车辆行驶，在此模式下，车辆具有第一工作状态及第二工作状态两种工作状态。
当混合动力驱动系统处于第一工作状态时，第二离合器42与前排太阳轮61结合，将电机20的动力传递至前排太阳轮61，第二制动器52与前排齿圈63结合，并将前排齿圈63锁止，第三制动器53与后排行星架74结合，并将后排行星架74锁止。此时，车辆的动力由电机20通过前排太阳轮61、前排行星轮62及前排行星架64将动力传递至后排太阳轮71，后排太阳轮71通过后排行星轮72将动力传递至后排齿圈73，后排齿圈73通过差减速器81将差减速后的动力传递至驱动轴80，以驱动车辆行驶。
假设在本发明中，前排行星齿轮机构60的特征参数为K1(即前排齿圈63的齿数与前排太阳轮61的齿数比为K1)，根据行星排的运动特性有公式：
nS1+K1nR1-(1+K1)nP1＝0，，
其中：nS1为前排太阳轮61的转速，nR1为前排齿圈63的转速，nP1为前排行星架64的转速。
同理，假设后排行星齿轮机构70的特征参数为K2(即后排齿圈73的齿数与后排太阳轮71的齿数比为K2)，根据行星排的运动特性有公式：
nS2+K2nR2-(1+K2)nP2＝0
其中：nS2为后排太阳轮71的转速，nR2为后排齿圈73的转速，nP2为后排行星架74的转速。
在第一工作状态中，由于前排齿圈63及后排行星架74的转速为零，且前排行星架64与后排太阳轮71的转速相同，故在第一工作状态下，混合动力驱动系统的传动比为：(1+K1)K2。
当混合动力驱动系统处于第二工作状态时，第一离合器41与前排齿圈63结合，将电机20的动力传递至前排齿圈63，第一制动器51与前排太阳轮61结合，并将前排太阳轮61锁止，第三制动器53与后排行星架74结合，并将后排行星架74锁止，此时，驱动系统的动力由电机20通过前排齿圈63、前排行星轮62及前排行星架64传递至后排太阳轮71，后排太阳轮71通过后排行星轮72将动力传递至后排齿圈73，后排齿圈73通过差减速器81将差减速后的动力传递至驱动轴80，以驱动车辆行驶。此时，混合动力驱动系统的传动比为
由上述可知，通过控制离合系统40及制动系统50的动作，混合动力驱动系统能够在纯电动模式下具有不同的传动比或档位，可以避免单纯依靠调节电机20的工作转速来调整车辆的功率，这就兼顾了车辆的最高车速和最大爬坡度，减小了对电机20容量的要求。
发动机驱动模式：当发动机10在高效区工作时，发动机10单独驱动车辆行驶，此时混合动力驱动系统可以选择发动机驱动模式，在此模式下，三离合器41、42、43均分离，发动机10启动而电机20停止，第一制动器51与前排太阳轮61结合，并将前排太阳轮61锁止，第二制动器52与前排齿圈63结合，并将前排齿圈63锁止，发动机10将动力通过后排行星架74及后排行星轮72传递至后排齿圈73，后排齿圈73通过差减速器81将差减速后的动力传递至驱动轴80，此时系统传动比为
力矩耦合混合驱动模式：当混合动力驱动系统处于力矩耦合混合驱动模式时，发动机10沿最优工作曲线工作，不足的动力可由电机20来提供，此时第三离合器43与发动机10结合，发动机10与电机20均启动，第一制动 器51与前排太阳轮61结合，并将前排太阳轮61锁止，第二制动器52与前排齿圈63结合，并将前排齿圈63锁止。此时，电机20与发动机10的动力通过第三离合器43耦合之后经过后排行星架74及后排行星轮72传递至后排齿圈73，后排齿圈73通过差减速器81将差减速后的动力传递至驱动轴80，此时，电机20相当于ISG(Integrated Starter and Generator，起动发电一体机)，在此模式下系统传动比为差减速器81输入端的转矩为(其中：Te为发动机10的转矩，Tm为电机20的转矩，Td为差减速器81输入端的转矩)。
无级变速混合驱动模式：当车辆的车速变化较大时，此时混合动力驱动系统可以选择无级变速混合驱动模式，发动机10与电机20都启动，通过调节电机20跟随车速以稳定发动机10转速。在无级变速混合驱动模式下，混合动力驱动系统具有第三工作状态及第四工作状态两种工作状态。
当混合动力驱动系统处于第三工作状态时，第一离合器41与前排齿圈63结合，将电机20的动力传递至前排齿圈63，第一制动器51与前排太阳轮61结合，并将前排太阳轮61锁止，电机20的动力依次通过前排齿圈63、前排行星轮62、前排行星架64传递至后排太阳轮71，发动机10的动力通过后排行星架74传递至后排行星轮72，后排行星齿轮机构70通过后排太阳轮71及后排行星轮72将电机20与发动机10的转速耦合后传递至后排齿圈73，后排齿圈73通过差减速器81将差减速后的动力传递至驱动轴80，在此种状态下转速关系有(其中no为耦合后的转速，nm为电机20的转速，ne为发动机10的转速)。
当混合动力驱动系统处于第四工作状态时，第二离合器42与前排太阳轮61结合，将电机20的动力传递至前排太阳轮61，第二制动器52与前排齿圈63结合，并将前排齿圈63锁止，此时电机20的动力通过前排太阳轮61、前 排行星轮62、前排行星架64传递至后排太阳轮71，发动机10的动力通过后排行星架74传递至后排行星轮72，后排行星齿轮机构70通过后排太阳轮71及后排行星轮72将电机20与发动机10的转速耦合后传递至后排齿圈73，后排齿圈73通过差减速器81将差减速后的动力传递至驱动轴80，在此种状态下转速关系有(其中no为耦合后的转速，nm为电机20的转速，ne为发动机10的转速)。
由于在第三工作状态及第四工作状态时，经过混合动力驱动系统耦合后，驱动轴80具有两种不同的转速，因此可以缩小电机20转速的变化幅度，降低对电机20的要求。
制动能量回收模式：当车辆减速制动或下坡时，混合动力驱动系统可以选择制动能量回收模式，此时发动机10断油关闭，电机20工作于电动机状态，可将车辆的动能转化为电能并存储于蓄电池30中。此时离合器及制动器的动作同纯电动模式，但其能量传递路径与纯电动模式相反。在此模式下，混合动力驱动系统可以实现两种制动能量的回收路径，从差减速器81到电动机的传动比为：或
发动机启动模式：当车辆启动时，混合动力驱动系统可以选择发动机启动模式，此时第三离合器43与发动机10结合，使电机20能够驱动发动机10，实现发动机10的启动。因此，具有该混合动力驱动系统的车辆可以由电机20作为启动电机以启动发动机10，可以省去启动电机，简化驱动系统。
力矩耦合混合驱动充电模式：当车辆工作于较低负荷且蓄电池30的SOC(State of Charge，荷电状态)较低时，混合动力驱动系统可以选择力矩耦合混合驱动充电模式，此时发动机10工作于最佳燃油经济曲线上，第三离合器43与发动机10结合，第一制动器51与前排太阳轮61结合，并将前排太阳轮61锁止，第二制动器52与前排齿圈63结合，并将前排齿圈63锁止，电机20工作于发电机状态，可以把发动机10驱动车辆行驶多余的动能转化为 电能并储存在蓄电池30中。
驻车充电模式：当车辆驻车且蓄电池30的电量过低时，为了保证蓄电池30的SOC处于一定的范围，防止电池电量过低，延长蓄电池30的寿命，需要发动机10带动电机20对蓄电池30充电，可以使用驻车充电模式，此时第三离合器43与发动机10结合，各个制动器均分离，发动机10工作于最佳燃油经济点并带动电机20发电，并把电能储存在蓄电池30中。
通过混合动力驱动系统进行工作模式之间的切换时，由混合动力驱动系统总控制器接受车辆的状态信号，并通过智能分析进行决策，从而确定切换的模式。当两种工作模式之间的切换不涉及动力源之间的切换，即切换前的工作模式及切换后的工作模式都是由发动机10、电机20或二者共同提供动力时，只需通过离合控制器及制动控制器控制相应的离合器及制动器进行切换即可；当两种工作模式之间的切换涉及动力源之间的切换，即切换前的工作模式与切换后的工作模式相比，动力源发生改变时，此时需要在切换离合器及制动器的同时，启动切换后的动力源。如此，即可以在切换完成时使切换后的动力源达到一定的转矩，可以防止在切换工作模式时，由于动力源的响应时间不足，而造成对传动部件的冲击，从而实现了工作模式之间切换的平顺性及响应最优。
以混合动力驱动系统将车辆的工作模式从纯电动模式的第一工作状态切换至无级变速混合驱动模式的第三工作状态为例。当混合动力驱动系统的工作模式为纯电动模式的第一工作状态时，在切换前，第二离合器42与前排太阳轮61结合，第二制动器52将前排齿圈63锁止，第三制动器53将后排行星架74锁止，车辆的动力由电机20通过前排太阳轮61输入，带动前排行星轮62转动，前排行星轮62通过前排行星架64将动力传递至后排太阳轮71，后排太阳轮71通过后排行星轮72将动力传递至后排齿圈73，后排齿圈73通过差减速器81将差减速后的动力传递至驱动轴80。混合动力驱动系统总控制器接受蓄电池30的SOC信号、车速信号及油门踏板信号，通过智能决 策，发出由纯电动模式的第一工作状态切换至无级变速混合驱动模式的第三工作状态的切换指令，此时总控制器通过离合控制器将第一离合器41与前排齿圈63结合，第二离合器42与前排太阳轮61分离，制动控制器在同一时间控制第一制动器51将前排太阳轮61锁止，第二制动器52与前排齿圈63分离，使前排齿圈63脱离锁止状态，第三制动器53与后排行星架74分离，使后排行星架74脱离锁止状态，在开始切换的同时，总控制器立即启动发动机10，这样就可以使发动机10在切换完成时具有一定的转矩，可以防止由于工作模式切换时发动机10响应时间的不足，而造成对其他车辆零部件的冲击，从而实现了工作模式切换的平顺性及响应最优。
综上所述，本发明提供的混合动力驱动系统通过合理布设动力耦合系统，通过三离合器及双排行星齿轮机构，巧妙的把发动机及电机的动力耦合在一起，使用单个电机并通过控制三离合器和三个制动器的动作，即可实现混合动力驱动系统的转速及转矩的耦合，降低了系统的复杂程度，实现多种工作模式，且布置简单，结构紧凑，重量轻，提供车辆燃油的经济性，降低排放，同时能够实现工作模式切换的平顺性及响应最优，避免了使用双电机而导致布置复杂、成本高的问题，同时采用三离合器实现不同工作模式的动力切换，兼有双离合器的特点并且能很好的弥补双离合器接口的不足。
本发明还提供一种混合动力车辆，包括如上所述的车辆混合动力驱动系统，关于该混合动力车辆的其他结构可以参见现有技术，在此不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。