混合动力耦合装置、混合动力驱动系统和混合动力车辆的制作方法

本发明涉及一种混合动力耦合装置、一种包括该混合动力耦合装置的混合动力驱动系统、一种包括该混合动力驱动系统的混合动力车辆。

背景技术

随着世界各国环境保护的措施越来越严格，替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等。混合动力汽车目前最有实用性价值。混合动力驱动系统以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式、混联式(series-parallel)、专用混合动力变速器(dht)等。在混合动力车辆中，混合动力耦合装置可用于传递或耦合发动机和电机的动力。

目前，混联式混合动力系统通常设有两个电机，一个电机用于发动机速度调制，另一个电机用于扭矩调制。已知一种单模式混联式混合动力系统具有多个离合器和固定传动比，例如us5669842a中所公开的；已知一种多模式混联式混合动力系统具有多个行星齿轮组和离合器，例如us5558588a中所公开的；已知其它配置的混联式混合动力系统都具有多个电机和多个行星齿轮组。

一些现有的专用混合动力系统(dht)使用单一电机，以便在系统性能和成本之间实现折衷。由us5433282a已知一种机电混合动力系统具有一个行星齿轮组、一个发动机、一个电机和一个单向离合器，然而该系统仅仅能提供两种运行模式。

混联式混合动力系统由于高的系统效率近些年比较流行，然而双电机的布置导致系统成本增加、集成难度增大、控制系统复杂性提高。使用单一电机的专用混合动力系统(dht)在降低成本方面是有利的，然而要牺牲系统性能，仅仅具有受限的运行模式。现有技术中方案都具有相当复杂的动力耦合机构，这增加了制造和集成难度并且不利于商业化。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术中的缺陷，提供一种部件数量优化、结构简单的混合动力耦合装置。

根据本发明的机电混合动力耦合装置，包括：第一行星齿轮组，其具有第一齿圈、第一行星架和第一太阳轮；第二行星齿轮组，其具有第二齿圈、第二行星架和第二太阳轮；一个旋转离合器；第一制动离合器；第二制动离合器；输出轴；固定部件。机械动力源连接到第一行星齿轮组的第一齿圈，电机的转子连接到第二行星齿轮组的第二齿圈，第一行星齿轮组的第一太阳轮与第二行星齿轮组的第二行星架刚性连接，输出轴与第一行星齿轮组的第一行星架刚性连接。所述旋转离合器位于第一行星齿轮组的第一齿圈和第二行星齿轮组的第二太阳轮之间，用于控制所述第一齿圈和所述第二太阳轮之间的连接或脱开。所述第一制动离合器位于第二行星齿轮组的第二太阳轮和固定部件之间，用于控制第二太阳轮和固定部件之间的连接或脱开。所述第二制动离合器位于第二行星齿轮组的第二行星架和固定部件之间，用于控制第二行星架和固定部件之间的连接或脱开。

在一个可选的实施方式中，在仅电机提供动力的纯电动运行模式下，所述机械动力源被关停，所述第二制动离合器打开，而所述第一制动离合器和所述旋转离合器闭合，从而所述电机的动力通过第二行星齿轮组的第二齿圈、第二行星架、第一行星齿轮组的第一太阳轮、第一行星架传递到输出轴输出。

在一个可选的实施方式中，在仅机械动力源提供动力的纯机械运行模式下，电机被关停，所述第一制动离合器打开，而所述第二制动离合器和所述旋转离合器闭合，从而所述机械动力源的动力通过第一行星齿轮组的第一齿圈和第一行星架传递到输出轴输出。

在一个可选的实施方式中，在并联混合动力运行模式下，所述第一制动离合器打开，而所述第二制动离合器和所述旋转离合器闭合，电机的动力通过第二行星齿轮组的第二齿圈、第二行星架、第二太阳轮、第一行星齿轮组的第一齿圈传递到第一行星架，机械动力源的动力通过第一行星齿轮组的第一齿圈传递到第一行星架，所述动力然后从第一行星架传递到输出轴输出。

在一个可选的实施方式中，在电子无级变速混合动力运行模式i下，所述第二制动离合器和所述旋转离合器打开，而所述第一制动离合器闭合，电机的动力通过第二行星齿轮组的第二齿圈、第二行星架、第一行星齿轮组的第一太阳轮传递到第一行星架，机械动力源的动力通过第一行星齿轮组的第一齿圈传递到第一行星架，所述动力然后从第一行星架传递到输出轴输出。

在一个可选的实施方式中，在电子无级变速混合动力运行模式ii下，所述第一制动离合器和所述第二制动离合器打开，而所述旋转离合器闭合，电机的动力一方面通过第二行星齿轮组的第二齿圈、第二行星架、第一行星齿轮组的第一太阳轮传递到第一行星架，另一方面通过第二行星齿轮组的第二齿圈、第二行星架、第二太阳轮、第一行星齿轮组的第一齿圈传递到第一行星架，机械动力源的动力通过第一行星齿轮组的第一齿圈传递到第一行星架，所述动力然后从第一行星架传递到输出轴输出。

在一个可选的实施方式中，在停车充电运行模式i下，所述旋转离合器和所述第二制动离合器打开，而所述第一制动离合器闭合，驻车制动器闭合，机械动力源的动力通过第一行星齿轮组的第一齿圈、第一行星架、第一太阳轮、第二行星齿轮组的第二行星架、第二齿圈传递到电机，带动电机给电池充电。

在一个可选的实施方式中，在停车充电运行模式ii下，所述第一制动离合器和所述第二制动离合器打开，而所述旋转离合器闭合，驻车制动器闭合，机械动力源的动力一方面通过第一行星齿轮组的第一齿圈、第一行星架、第一太阳轮、第二行星齿轮组的第二行星架、第二齿圈传递到电机，另一方面通过第一齿圈、第二太阳轮、第二行星架、第二齿圈传递到电机，带动电机给电池充电。

本发明的目的也通过一种混合动力驱动系统实现。所述混合动力驱动系统包括机械动力源、电机和上述根据本发明的机电混合动力耦合装置，所述机电混合动力耦合装置用于传递或耦合机械动力源和电机的动力，所述机电混合动力耦合装置的输出轴与下游的传动系连接。

在一个可选的实施方式中，所述机械动力源是发动机。在一个可选的实施方式中，所述机械动力源通过减振器连接到所述第一齿圈。在一个可选的实施方式中，所述机电混合动力耦合装置集成在一个壳体中，所述固定部件是所述壳体。在一个可选的实施方式中，所述固定部件是车身车体。在一个可选的实施方式中，所述电机能够作为电动机或发电机运行。在一个可选的实施方式中，所述电机具有定子和转子，所述电机的定子在径向外部包围其转子。在一个可选的实施方式中，所述下游的传动系是主减速器和差速器。在一个可选的实施方式中，所述机电混合动力耦合装置作为变速器使用。

在一个可选的实施方式中，所述电机集成在所述机电混合动力耦合装置的壳体中。在一个可选的实施方式中，所述电机与所述机电混合动力耦合装置集成在不同的壳体中。

本发明的目的还通过一种混合动力车辆实现。所述混合动力车辆包括上述根据本发明的混合动力驱动系统。

本发明的混合动力耦合装置、混合动力驱动系统和混合动力车辆成本低、集成难度小，并且可以保证动力性能和系统效率。

附图说明

下面，通过参照附图更详细地描述本发明，可更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图示出：

图1示出了根据本发明的一个具体实施方式的混合动力驱动系统的示意图。

图2a示出了处于纯电动运行模式下的混合动力驱动系统的工作状态和功率流图。

图2b示出了处于纯发动机运行模式下的混合动力驱动系统的工作状态和功率流图。

图2c示出了处于并联混合动力运行模式下的混合动力驱动系统的工作状态和功率流图。

图2d示出了处于e-cvt运行模式i下的混合动力驱动系统的工作状态和功率流图。

图2e示出了处于e-cvt运行模式ii下的混合动力驱动系统的工作状态和功率流图。

图2f示出了处于停车充电运行模式i下的混合动力驱动系统的工作状态和功率流图。

图2g示出了处于停车充电运行模式ii下的混合动力驱动系统的工作状态和功率流图。

图3示出了在一个实施例中各种运行模式下的特征曲线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的一个具体实施方式的混合动力驱动系统的示意图。

如图1所示，该混合动力驱动系统包括发动机1、电机2、第一行星齿轮组3、第二行星齿轮组4、旋转离合器(cr)5、第一制动离合器(cb1)7、第二制动离合器(cb2)6和输出轴9，其中，第一行星齿轮组3主要由第一齿圈、第一行星架和第一太阳轮组成，第二行星齿轮组4主要由第二齿圈、第二行星架和第二太阳轮组成，电机2包括定子和转子，电机2根据需要可作为电动机或发电机运行。优选地，该混合动力驱动系统还包括扭振减振器8，扭振减振器8设置在发动机1和第一行星齿轮组3的第一齿圈之间。

在图1的具体实施方式中，发动机1通过扭振减振器8连接到第一行星齿轮组3的第一齿圈。第一行星齿轮组3的第一齿圈还能通过旋转离合器5与第二行星齿轮组4的第二太阳轮连接。第二行星齿轮组4的第二太阳轮能被第一制动离合器7制动。电机2直接连接到第二行星齿轮组4的第二齿圈。第一行星齿轮组3的第一太阳轮与第二行星齿轮组4的第二行星架刚性连接，并且它们能被第二制动离合器6制动。第一行星齿轮组3的行星架作为输出轴9通过下游的传动系(例如主减速器和差速器)传递到驱动车轮，用于驱动车辆。

在该混合动力驱动系统中，第一行星齿轮组3、第二行星齿轮组4、旋转离合器(cr)5、第一制动离合器(cb1)7、第二制动离合器(cb2)6和输出轴9构成混合动力耦合装置，用于传递或耦合发动机1和电机2的动力。

需要指出，发动机1仅仅是机械动力源的一个示例，显然也可采用其他任何合适的机械动力装置。此外，电机2优选通过其转子直接连接到第二齿圈，定子优选在径向外部包围转子，由此使得结构更加紧凑。

在该示出的实施方式中，该混合动力驱动系统可实现多种运行模式，即纯电动运行模式、纯发动机运行模式、并联混合动力运行模式、e-cvt(电子无级调速)混合动力运行模式和停车充电模式。具体而言，通过相应离合器接合或分离、电机运行状态、驻车制动器夹紧或释放等各种操作组合能实现五个运行模式，如图2a至2g所示。各个运行模式在表1中列出，其中，◆和◇分别表示接合和释放状态。

表1混合动力驱动系统的运行模式和部件状态

下面，将详细描述各具体运行模式。

(a)纯电动运行模式

如图2a所示，在该运行模式下，旋转离合器5闭合并且第一制动离合器7闭合，第一行星齿轮组3和第二行星齿轮组4一起作为固定传动比的传动装置起作用。此时，发动机1停机，仅仅由电机2以所述固定传动比来驱动车辆。在该模式下的驱动扭矩要足够大以便确保从停车状态进行快速加速。如图2a所示，发动机1被关停，旋转离合器5闭合并且第一制动离合器7闭合，而第二制动离合器6打开，电机2作为电动机运行，其动力从转子通过第二行星齿轮组4的第二齿圈传递到第二行星架，然后依次通过第一行星齿轮组3的第一太阳轮、第一行星架和输出轴9输出。此外，在该运行模式下，电机2也可作为发电机运行，以便在前向制动时回收制动能量。

(b)纯发动机运行模式

如图2b所示，在该运行模式下，旋转离合器5闭合并且第二制动离合器6闭合，第一行星齿轮组3作为固定传动比的传动装置起作用。此时，电机2处于空转状态，仅仅由发动机1驱动车辆。如图2b所示，发动机1发动，旋转离合器5闭合并且第二制动离合器6闭合，而第一制动离合器7打开，发动机1的动力经由第一行星齿轮组3的第一齿圈、第一行星架传递到输出轴9输出。此外，在该运行模式下，电机2也可作为发电机运行，以便在前向制动时回收制动能量。

(c)并联混合动力运行模式

如图2c所示，在该运行模式下，旋转离合器5闭合并且第二制动离合器6闭合，第一行星齿轮组3如在模式(b)中那样起作用，混合动力汽车由发动机1和电机2共同驱动，当电机2作为电动机运行时能为车辆行驶提供最大的驱动动力；当车辆的功率需求低于发动机高效功率区时，电机2也可作为发电机运行，以便利用发动机1的多余动力。

如图2c所示，旋转离合器5闭合并且第二制动离合器6闭合，而第一制动离合器7打开，发动机1的动力经由第一行星齿轮组3的第一齿圈传递到第一行星架，电机2作为发动机运行时其动力经由第二行星齿轮组4的第二齿圈传递到第二行星架、第二太阳轮再传递到第一行星齿轮组3的第一齿圈和第一行星架，然后发动机1和电机2的功率流从第一行星齿轮组3的第一行星架通过输出轴9输出。此外，类似于运行模式(b)的情况，电机2也可作为发电机运行，以便在前向制动时回收制动能量。

(d)e-cvt混合动力运行模式

具体包括两种不同类型的e-cvt混合动力运行模式：e-cvt混合动力运行模式i和e-cvt混合动力运行模式ii。

·e-cvt混合动力运行模式i

如图2d所示，在该运行模式下，第一制动离合器7闭合，而旋转离合器5打开并且第二制动离合器6打开，第一行星齿轮组3作为电子无级变速器(evt)起作用，而第二行星齿轮组4作为固定传动比的传动装置起作用。根据发动机1速度要求，电机2可作为电动机或者作为发电机运行，以便使发动机1调节处在其高效区域中。

·e-cvt混合动力运行模式ii

如图2e所示，在该运行模式下，旋转离合器5闭合，而第一制动离合器7打开并且第二制动离合器6打开，第一行星齿轮组3和第二行星齿轮组4共同作为电子无级变速器(evt)起作用。与上述e-cvt混合动力运行模式i类似地，由此可持续调制发动机1转速，并且能优化发动机工况。如果发动机和电机的转速同步，则不存在齿轮啮合和噪声。由此能获得改进的效率和噪声。

这两个e-cvt混合动力运行模式在高速行驶时是特别有利的。

(e)停车充电模式

具体包括两种不同类型的停车充电模式：停车充电模式i和停车充电模式ii。

·停车充电模式i

如图2f所示，在该运行模式下，第一制动离合器7和驻车制动器均闭合，而旋转制动器5和第二制动离合器6均打开，第一行星齿轮组3在驻车制动器闭合的情况下作为固定传动比的传动装置起作用，第二行星齿轮组4在第一制动离合器7闭合的情况下作为固定传动比的传动装置起作用。如图2i所示，发动机1的动力依次通过第一行星齿轮组3的第一齿圈、第一行星架、第一太阳轮传递到第二行星齿轮组4的第二行星架、第二齿圈进而传递到电机2的转子，电机2作为发电机运行，发动机1带动电机2对电池进行充电。

·停车充电模式ii

如图2g所示，在该运行模式下，旋转离合器5和驻车制动器均闭合，而第一制动离合器7和第二制动离合器6均打开，第一行星齿轮组3和第二行星齿轮组4共同作为固定传动比的传动装置起作用。类似于e-cvt混合动力运行模式ii地，发动机1的功率流通过电机2传递至电池。

此外，车辆借助本发明的混合动力耦合装置仅仅在电机2作为电动机运行时才能满足倒车挡位。

由此可以看出，本发明的混合动力驱动系统是相当简单的，其采用两个行星齿轮组、单个电机、两个制动离合器和一个旋转离合器。通过这些部件的不同操作的组合，实现了多种不同的运行模式且适用于不同的行驶条件。图3示例性示出了各种运行模式下的特征曲线，这些特征曲线是根据市场上一种目标运动型多功能车(suv)的参数和要求得出的，其中，横坐标表示车速(km/h)，纵坐标表示车轮扭矩(nm)。曲线30是车速阻力曲线，曲线31是30％坡度曲线。曲线32示出了纯电动运行模式的情况，可见在该运行模式下能借助电机2实现好的加速性能，在该情况下纯电动运行模式能在30％的坡度阻力下达到50km/h，在电池具有足够电量时该运行模式是优选的。曲线33示出了纯发动机运行模式的情况，如图所示在中等车速和扭矩需求时，在电池低荷电状态(soc)的情况下，该运行模式是尤其有利的。曲线34示出了并联混合动力运行模式的情况，此时通过将发动机和电机的动力相结合能实现更强劲的驱动，当行驶负载低时，发动机的部分动力可用于给电池充电，以便确保电池荷电状态(soc)处于适当水平。曲线35示出了e-cvt混合动力运行模式i和曲线36示出e-cvt混合动力运行模式ii，所述运行模式能覆盖整个行驶速度范围，尤其适于高速行驶。这两种e-cvt都可以实现200km/h的最高车速。

本发明的混合动力驱动系统具有较低的成本和系统复杂性，同时又没有牺牲动力性能和经济性能。对于本领域普通技术人员而言，本发明的混合动力驱动系统显然也可应用于其他合适的应用场合，并不局限于混合动力汽车。

对于本领域普通技术人员而言，本发明的其他优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本发明就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施例。相反，本领域技术人员可以在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。