双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统的制作方法

本发明涉及驱动系统技术领域，具体地，涉及一种双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统。

背景技术：

汽车动力新能源化、电气化已成为全球发展的重点和热点。

现有电动汽车，一般采用单电机纯电驱动方案。电动机运行点与车辆运行点强耦合，电驱动效率难于优化，使车辆一次充电续航里程缩短。由于单电机的转矩提高会影响系统成本，因此一些车辆采用对电机大速比减速增矩的方案，但这种方案存在电机长时间高速运行带来的可靠性风险。

混联式混合动力系统相对于串联混合动力驱动系统和并联混合动力系统，具有极大的性能优势。但现有的混联式混合动力系统，如最具代表性的日本丰田汽车公司的THS(丰田混合动力系统)、THS2(第二代丰田混合动力系统)混合动力系统、通用汽车公司的EP(电动并联)、AHS2(第二代先进混合动力系统)系统，动力合成机构结构复杂、制造成本高。

经对现有技术的文献检索发现一篇公告号为CN201021118Y，专利名称为“混联式混合动力汽车”的中国专利，该专利技术主要包括发动机，该发动机通过一离合器与一电动机机械连接，该电动机再与一驱动桥机械连接，另，所述发动机又与一发电机机械连接，该发动机则通过发电控制器与蓄电池组电气连接，此外，所述电动机还通过一驱动控制器与所述蓄电池组电气连接”，其不足之处是：在纯电驱动模式下，电动机运行点与车辆运行点强耦合，在一定车速下电动机转速固定，其效率难于优化；在混合驱动模式下，在车辆行驶过程中不能实现对发动机的调速优化控制，系统能量效率难于进一步提高；要求电动机转矩大，电动机体积大、重量大，也使系统成本高，否则整车低速动力性不佳，如果采用大减速比的驱动桥解决该问题，则需要更高转速的电机且存在可靠性风险；难于满足不同地域的使用要求，使该系统主要适用于城市车辆。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统。

根据本发明提供的双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统，包括：第一电机、第一行星齿轮系、第一同步器、第二电机、第二同步器、第二行星齿轮系、输出轴、储能装置以及电机控制装置；其中：

所述第一电机与第一行星齿轮系相连，所述第一行星齿轮系还通过第一同步器与第二电机相连，所述第二电机通过第二同步器与第二行星齿轮系相连，且所述第一行星齿轮系、第二行星齿轮系均与输出轴相连；所述电机控制装置与储能装置相连，并能够发送输出控制指令至第一电机、第二电机。

优选地，所述第一行星齿轮系、第二行星齿轮系均包括内齿圈、行星架以及太阳轮；其中：

第一电机的转子与第一行星齿轮系的内齿圈相连接，第二电机的转子分别通过第一同步器、第二同步器与第一行星齿轮系的太阳轮、第二行星齿轮系的太阳轮相连接，第二行星齿轮系的内齿圈与壳体相连；第一行星齿轮系的行星架、第二行星齿轮系的行星架均与输出轴相连接，并能够通过控制第一同步器、第二同步器的结合与分离实现第二电机转子到第一行星齿轮系的太阳轮、第二行星齿轮系的太阳轮的动力传递。

优选地，还包括：发动机和离合器，发动机的曲轴输出端与离合器的输入端相连接，第一电机的转子与离合器的输出端连接。以此实现的双行星齿轮系同轴耦合无级变速混联式混合动力系统。

优选地，还包括：制动锁止装置，所述制动锁止装置的一端与第一行星齿轮系的太阳轮相连，制动锁止装置的另一端与壳体相连接。

优选地，还包括：起动马达，所述起动马达通过启动齿圈和发动机的曲轴输出端相连。从而实现在系统故障、低温等特定条件下起动发动机。

优选地，还包括：混合动力系统电控单元和纯电驱动电控单元，所述混合动力系统电控单元和纯电驱动电控单元用于对发动机、电机控制装置、储能装置、离合器、第一同步器、第二同步器以及制动锁止装置进行控制；具体地，包括：实现协调控制、整车控制、能量管理、再生制动或滑行、故障诊断、容错控制、数据管理通讯、标定监测。所述混合动力系统电控单元、纯电驱动电控单元能够独立设置或将其功能集成到所述系统或车辆的其它控制装置中。

优选地，所述第一行星齿轮系、第二行星齿轮系的结构包括：具有三个动力传递端的单排行星齿轮系、多排耦合行星齿轮系、或者包含行星齿轮系和传动链的行星齿轮传动复合装置中的任一种；

所述第一同步器、第二同步器的结构为具有结合与分离状态的离合装置；所述第一同步器设置于第一电机的转子与第一行星齿轮系的内齿圈之间，或者设置于第一行星齿轮系的行星架与输出轴之间。

优选地，所述电机控制装置包括：第一电机驱动控制模块和第二电机驱动控制模块；其中，所述电机控制装置为一体化结构或分体式独立结构；

所述储能装置包括：动力蓄电池、超级电容、飞轮电池、动力蓄电池与超级电容的复合电源、设有外接充电装置的储能电源中的任一种。

优选地，还包括：减速差速器，所述减速差速器的输入端与输出轴相连，所述减速差速器的输出端通过二个半轴与相应的两个车轮相连。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明取消了变速器，实现了无级变速、结构紧奏、易于模块化设计、改善了其整车搭载性、提高了驾驶的舒适性并降低了驾驶员劳动强度。

2、通过对第二电机的转速控制，根据行星齿轮系的工作员可实现对第一电机工作和/或发动机的无级调速，从而使系统无论在纯电驱动应用中还是在混合驱动应用中均能达到最佳的系统效率。

3、本发明巧妙地通过第二行星齿轮系对第二电机的减速增矩、动力传递控制、对第一行星齿轮系的太阳轮的制动锁止控制，实现了电机小型高速化、总成小型化，并实现了发动机直接驱动模式以实现跛行回家等功能，使系统重量、尺寸、成本大幅度减小、容错能力显著提高。在达到了燃油车辆相当的动力性的同时，电机转矩可减小50％以上，车辆对不同地理环境和道路条件(如，城市道路、城际公路车辆、高速公路)均适用且有显著的性能优势。

4、本发明第二电机的大功率大转矩要求大幅度降低，基于现有车辆的换档机构、离合器、传动齿轮等成熟零部件及其工作模式，从而降低了开发难度、易于产业化实现。

5、本发明显著减小了离合器结合与分离的频次，并实现了转速同步结合，最大程度地避免了离合器的磨损损坏，降低维护成本。通过串联混合运行模式降低了对储能装置的大功率运行要求，由于储能装置在混合动力系统和纯电驱动系统中是故障率和成本比例都较高的部件，因此进一步降低了系统成本和维护成本。通过无级变速，可降低电机转速，优化电机效率的同时提高电机的可靠性、延长其寿命。同轴耦合，可显著降低系统的振动和噪声，进一步提高可靠性和舒适性。

6、混合动力与纯电驱动共平台。本发明电驱动系统可作为纯电驱动系统应用，集成发动机和离合器后即为混合动力系统，从而使应用本发明的单位可以统一新能源汽车的动力系统平台。

7、与国际上著名同类产品相比，节能率更高、性能价格比更高，更具有市场竞争优势、更易于产业化实现。本发明的系统可适用于各种路况、不同地域，模式控制比现有的技术更加灵活，使应用本发明的混合动力车辆、纯电驱动车辆的动力性、能量经济性和有害排放达到了综合最佳，显著优于串联系统、并联系统和现有的混联系统以及现有的单电机或双电机直驱纯电驱动系统。应用本发明的混合动力车辆的节油率可达45％以上，相对于串联和并联混合动力系统，节油率分别可提高25％和20％，相对于基于日本丰田和美国通用汽车公司的行星齿轮机构混合动力系统构型，节油率可提高约3～5％，动力性和驾驶平顺性优于现有燃油车辆、驾驶员劳动强度显著降低，性能价格比高于现有技术30％。由于本发明系统的无级变速特点，本发明的混合动力系统可用于不同地域的城市车辆，对长途运输车辆也将具有20％以上的节油率。应用本发明的纯电动车辆的续航里程可延长10％以上。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统(实施例一，四模双行星齿轮系同轴耦合无级变速混联式混合动力驱动系统)的结构示意图。

图2为本发明实施例一的混合动力系统电控单元的外部电气连接示意图。

图3为本发明实施例一的混合动力系统电控单元的方框图。

图4为本发明实施例一的混合动力系统控制流程图。

图5为本发明提供的双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统(实施例二，五模双行星齿轮系同轴耦合无级变速混联式混合动力驱动系统)的结构示意图。

图6为本发明提供的双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统(实施例三，双模双行星齿轮系双电机同轴耦合纯电驱动系统)的结构示意图。

图7为本发明提供的双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统(实施例五，三模双行星齿轮系双电机同轴耦合纯电驱动系统)的结构示意图。

图中：

1-发动机；

2-离合器；

3-第一电机；

31-第一电机的转子31；

4-第一行星齿轮系；

41-第一行星齿轮系的内齿圈；

42-第一行星齿轮系的行星架；

43-第一行星齿轮系的太阳轮；

5-第二电机；

51-第二电机的转子；

6-第二行星齿轮系；

61-第二行星齿轮系的内齿圈；

62-第二行星齿轮系的行星架；

63-第二行星齿轮系的太阳轮；

71-第一同步器；

72-第二同步器；

8-减速差速器；

9-半轴；

10-车轮；

11-储能装置；

12-电机控制装置；

13-起动马达；

14-制动锁止装置；

15-输出轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的双行星齿轮系双电机同轴耦合驱动系统，包括：双电机、双星齿轮系等，行星齿轮系包括齿圈、行星架、太阳轮，第一电机的转子与第一行星齿轮系的齿圈相连接，第二电机的转子分别通过同步器与第一行星齿轮系的太阳轮、第二行星齿轮系的太阳轮相连接，该二行星轮系的行星架与输出轴相连接，第二行星轮系的齿圈与壳体相连接，输出轴与减速差速器的输入端相连接，减速差速器的输出端与二个车轮通过二个半轴相连接，电机控制装置与储能装置相连接并进行电能传递,电机控制装置还分别与第一电机、第二电机相连接并输出控制指令。

下面结合具体实施例对本发明做更加详细的说明。

实施例一

如图1所示，本发明四模双行星齿轮同轴耦合无级变速混联式混合动力驱动系统(实施例一)，包括：发动机1、离合器2、第一电机3、第一行星齿轮系4、第一同步器71、第二电机5、第二同步器72、第二行星齿轮系6、输出轴15、储能装置11和电机控制装置12，所述第一行星齿轮系包括内齿圈、行星架和太阳轮，所述第二行星齿轮系包括内齿圈、行星架和太阳轮，发动机1通过离合器2与第一电机2的转子31相连接，第一电机的转子31与第一行星齿轮系的内齿圈41相连接，第二电机的转子51分别通过第一同步器71与第一行星齿轮系的太阳轮43相连接、通过第二同步器72与第二行星齿轮系的太阳轮63相连接，第二行星齿轮系的内齿圈61与壳体相连接，第一行星齿轮系的行星架42、第二行星齿轮系的行星架62均与输出轴15相连接，通过控制第一同步器71、第二同步器72的结合与分离实现第二电机的转子51到第一行星齿轮系的太阳轮43、第二行星齿轮系的太阳轮63的动力传递控制进而实现与输出轴15的动力传递控制，电机控制装置12与储能装置11相连接并进行电能传递，电机控制装置12还分别与第一电机3、第二电机5相连接并输出控制指令。

所述离合器2为电控干式离合器。

所述第一行星齿轮系4、第二行星齿轮系6为具有三个动力传递端的单排行星齿轮系、多排耦合行星齿轮系或包含行星齿轮系和传动链的行星齿轮传动复合装置。

所述储能装置11为动力蓄电池、超级电容、飞轮电池、动力蓄电池与超级电容的复合电源或设有外接充电装置的储能电源装置。

所述发动机1的曲轴输出端设有起动马达13，该起动马达通过与曲轴输出端连接的启动齿圈和发动机1的曲轴输出端相连接并实现在系统故障、低温等特定条件下起动发动机1。

所述电机控制装置12包含第一电机驱动控制功能和第二电机驱动控制功能，且为一体化结构或分体式独立结构，还可包含如DC/DC、电动转向、电控空调等其它控制功能。

所述四模双行星齿轮系同轴耦合无级变速混联式混合动力驱动系统中设置有混合动力系统电控单元。参照图2，该混合动力系统电控单元与点火钥匙开关、12V/24V辅助电源、加速踏板、制动踏板、变速手柄、车速传感器、所述发动机1、所述电机控制装置12、所述储能装置11、所述离合器2、所述第一同步器71、所述第二同步器72以及车辆配置的附件系统如DC/DC、充电器、电动转向系统、电动空调系统、ABS制动系统、电机热管理系统等电气连接。参照图3，该混合动力系统电控单元包括信号输入、通讯接口、输出控制、电源、运算、诊断保护、存储等电路，和用于对所述发动机1、所述电机控制装置12、所述储能装置11、所述离合器2、所述第一同步器71、所述第二同步器72进行协调控制以及整车控制、能量管理、再生制动或滑行、故障诊断、容错控制、数据管理通讯、标定监测等的软件，该混合动力系统电控单元独立设置，或将其功能集成到所述系统或车辆的其它控制装置中。

本实施例的工作过程和工作原理为：

系统参数设置：发动机1的功率、第一电机3的功率≥车辆运行工况所需的平均功率。第二电机5的功率≥车辆运行工况所需的功率。第一电机3的峰值转矩≥起动发动机1要求的转矩，第二电机5的峰值转矩×(1+第二行星齿轮系的内齿圈61的齿数/其太阳轮63的齿数)≥车辆动力性指标要求的最大转矩。储能装置11的功率≥第一电机3的最大功率+第二电机5的最大功率。

无级调速原理：根据第一行星齿轮系4的内齿圈41、太阳轮43和行星架42之间的转速关系式，在任意的车速(对应任意的减速差速器8的输入端的转速)下，在第一同步器71结合、第二同步器72分离时，通过控制第二电机5的转速，即可将第一行星齿轮系4的内齿圈41的转速调节在任意期望的转速。当离合器2处于接通状态时，第一行星齿轮系4的内齿圈41的转速也就是发动机1的转速。所以，在任意车速下，通过控制第二电机5的转速即可对发动机1实现无级调速，使其在最佳转速下运行，实现发动机1的节油减排的最优化。当离合器2处于分离状态时，则实现第一电机3废热无级调速控制。

双行星齿轮系同轴耦合多模运行原理：

单电机纯电动模式如下：控制发动机1处于停机状态，控制离合器2处于分离状态，控制第一同步器71处于空档位置(即，分离状态)、第二同步器72处于在档位置(即，结合状态)后，第一行星齿轮系4的太阳轮43处于自由空转状态，第二电机5通过第二同步器72、第二行星齿轮系6、输出轴15与减速差速器8的输入端之间进行动力传递。

双电机纯电动模式如下：控制发动机1处于停机状态，控制离合器2处于分离状态，控制第一同步器71处于在档位置(即，结合状态)、第二同步器72处于空档位置(即，分离状态)后，第二行星齿轮系的太阳轮63自由空转，第一电机3与第一行星齿轮系的齿圈41进行动力传递，第二电机5与第一行星齿轮系4的太阳轮43进行动力传递，经第一行星齿轮系4耦合到行星齿轮系4的行星架42，进而经输出轴15与减速差速器8的输入端进行动力传递。此模式下，通过对第一电机3、第二电机5中的一个电机的转速控制，可以实现对另一个电机的无级调速，从而达到优化系统效率的目的，并能避免电机长期高速运行带来的可靠性风险。

串联混合驱动模式如下：控制发动机1处于运行状态，控制离合器2处于结合状态，控制第一同步器71处于空档位置(即，分离状态)、第二同步器72处于在档位置(即，结合状态)后，对第二电机5进行电动/发电模式控制，第一电机3通过离合器2与发动机1的曲轴输出端间进行动力传递并按发电模式运行。在该模式下，发动机1与车轮10间没有机械传动，因此可将发动机1控制到最优运行点。

混联混合驱动模式如下：控制发动机1处于运行状态，控制离合器2处于结合状态，控制第一同步器71处于在档位置(即，结合状态)、第二同步器72处于空档位置(即，分离状态)后，发动机1、第一电机3与第一行星齿轮系的齿圈41进行动力传递，第二电机5与第一行星齿轮系的太阳轮43进行动力传递并对发动机1进行无级调速，使发动机1、第一电机3和第二电机5在系统能耗排放最佳点运行。根据第一电机3和第二电机5的运行状态，还可进一步实现单电机并联驱动模式、双电机并联驱动模式、一个电机发电另一电机电动的混联驱动模式等子模式。在此模式下，发动机1与车轮10间可以进行机械传动，但通过对第二电机5实施转速控制，可以在输出轴15的任何转速下，都能将发动机1无级调速到最优运行转速，实现对系统能量效率的优化。

第一电机3、第二电机5分别通过高压电缆与电机控制装置12、储能装置11进行电能传递。

在发动机1、第一电机3、第二电机5等全部动力部件与车轮10之间的动力传递链中，取消现有内燃机汽车的变速器和缓速器。

发动机1可按停机、运行等两种方式工作，第一电机3可按停机/空转、发电、电动等三种方式工作，第二电机5也可按停机/空转、发电、电动等三种方式工作，离合器2可按结合、分离等两种方式工作，第一同步器71、第二同步器72各有的在档、空挡等二种位置状态、三种组合状态(该二同步器不应在系统运行同时处于在档状态)以选择第二电机5的转子51到第一行星齿轮系4的太阳轮43或第二行星齿轮系6的太阳轮63的动力传递。本实施例一的控制流程参照图4。可实现全部混合动力系统的运行模式：发动机怠速停机/快速起动、无级变速单电机纯电驱动、无级变速双电机纯电驱动、无级变速串联驱动、无级变速并联驱动、无级变速行车充电混合驱动、再生制动能量回馈、停车充电等全部混合动力系统的运行模式。

图4中，SOC为储能装置荷电状态，SOCeL为纯电驱动的SOC下限，TbatL为储能系统要求的工作温度下限，TorqH为单电机纯电驱动模式的车辆需求扭矩下限,Vm1H为单电机纯电驱动模式的车速上限,SOCLL为储能系统SOC极低的限值,Time_i为当前运行模式的持续时间，Time_min为模式切换的最小时间间隔，EFFe1、EFFe2、EFFs、EFFf分别为系统如按单电机纯电驱动模式、双电机纯电驱动模式、串联驱动模式、混联驱动模式估计的系统效率。

实施例二

如图5所示，本实施例二(五模双行星齿轮系同轴耦合无级变速混联式混合动力驱动系统)与实施例一基本相同，其不同之处在于：本实施例二的五模双行星齿轮系同轴耦合无级变速混联式混合动力驱动系统为进一步实现发动机1直接驱动模式，还包括制动锁止装置14，制动锁止装置14用于对第一行星齿轮系4的太阳轮43进行制动锁止、制动锁止解除的控制，制动锁止装置14的一端与行星齿轮系4的太阳轮43相连接、另一端与壳体相连接。本实施例二中设置的混合动力系统电控单元，在实施例二所述混合动力系统电控单元的基础上，增加对所述制动锁止装置14进行协调控制、故障诊断等的控制电路和软件，该混合动力系统电控单元独立设置，或将其功能集成到所述系统或车辆的其它控制装置中。

发动机1直接驱动模式的实现原理：当第一电机3或/和第二电机5或/和电机控制装置12或/和储能装置11发生故障或/和发动机单独驱动效率最高时，设置于系统中的电控单元控制制动锁止装置14处于制动锁止位置，使第一行星齿轮系4的太阳轮43被锁止固定。控制第一同步器71处于在档或空挡状态、第二同步器72处于空挡状态，根据行星齿轮系的工作原理，可实现如下动力传递路径：(1)当离合器2被控制在结合位置时的动力传递路径为：发动机1←-→离合器2←-→第一电机3←-→第一行星齿轮系的齿圈41和行星架42←-→输出轴15←-→减速差速器8←-→车轮10，从而实现发动机1直接驱动模式；(2)当离合器2被控制在分离位置时的动力传递路径为第一电机3←-→第一行星齿轮系的齿圈41和行星架42←-→输出轴15←-→减速差速器8←-→车轮10，从而实现第一电机3单独驱动模式。

其它的部件连接、工作过程、系统运行模式和基本控制策略同实施例二，在此不再赘述。

实施例三

如图6所示，本实施例三(双模双行星齿轮系双电机同轴耦合纯电驱动系统)是通过取消实例一中的发动机1、离合器2及离合器2与第一电机3之间的连接来实现的。具有实施例一中的单电机纯电驱动模式和双电机纯电驱动模式，其有益效果是：

(1)避免第二电机5长时间高速运行，可提高系统的可靠性；

(2)通过第一行星齿轮系4的耦合和无级变速，可实现第一电机3和第二电机5的运行总效率最优化；

(3)由于第一同步器71、第二同步器72的不同状态的自动切换，第一电机1、第二电机5采用较小的转矩，亦可实现与常规车相当的动力性。

本实施例三设置有纯电驱动电控单元，与实施例二所述混合动力系统电控单元相比较，取消了与发动机1和离合器2相关的电气连接、硬件电路和软件功能，用于对所述电机控制装置12、所述储能装置11、所述第一同步器71、所述第二同步器72进行协调控制以及整车控制、充电管理、故障诊断、容错控制、数据管理通讯等，该纯电驱动电控单元可独立设置，亦可将其功能集成到所述系统或车辆的其它控制装置中。

其它的部件连接、工作过程、系统运行模式和基本控制策略同实施例一，在此不再赘述。

实施例四

如图7所示，本实施例四(三模双行星齿轮系双电机同轴耦合纯电驱动系统)是通过取消实例二中的发动机1和离合器2及离合器2与第一电机3之间的连接来实现的。具有实施例一中的单电机纯电驱动模式和双电机纯电驱动模式，还具有实施例二中的第一电机3单独驱动模式，其有益效果是：在实施例三的基础上，通过实现第一电机3单独驱动模式，可进一步提高系统的容错能力，即在第二电机5故障情况下，车辆仍可由第一电机3单独驱动。本实施例四设置有纯电驱动电控单元，与实施例二所述混合动力系统电控单元相比较，取消了与发动机1和离合器2相关的电气连接、硬件电路和软件功能，用于对所述电机控制装置12、所述储能装置11、所述第一同步器71、所述第二同步器72、所述制动锁止装置14进行协调控制以及整车控制、能量管理、再生制动或滑行、充电管理、故障诊断、容错控制、数据管理通讯、标定监测等的软件，该纯电驱动电控单元可独立设置，亦可将其功能集成到所述系统或车辆的其它控制装置中。

其它的部件连接、工作过程、系统运行模式和基本控制策略同实施例二，在此不再赘述。

本发明应用于车辆，具有与现有车辆的技术继承性以及整车动力性、燃油经济性和低排放的特点，具有无级变速功能、混联系统功能等，具有适应全地域、多用途应用要求的特点，解决现有同类技术驱动力不足、坡道起步能力不足、应用局限性大、系统体积大和成本高、无法实现对发动机无级调速以及因机电部件制造困难而难于批量产业化的问题，实现了高性能、低成本、适应性强、易于规模产业化实现的有机结合。应用本发明的纯电动车辆，相对于单电机或双电机直驱纯电驱动车辆，电能消耗可降低10％以上。应用本发明的混合动力车辆，燃油消耗可降低45％以上。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。