一种行星排混合动力驱动系统及使用该系统的车辆的制作方法

本发明涉及一种行星排混合动力驱动系统及使用该系统的车辆，属于行星排混合动力技术领域。

背景技术：

面对日益严重的环境污染和能源危机，节能环保成为时代的主题，混合动力车辆由于其出色的节能效果、行驶里程不受限制以及兼具纯电行驶功能等因素因此受到公众的青睐。车辆混合动力系统分为串联、并联、混联三种，其中，混联系统由于所有能量均需要经过二次转换，导致能量损失过大，因此目前使用应用的相对较少。并联系统能量转换相对较少，但发动机无法长时间工作在相率最高点。但是，使用行星机构的混联系统能够解决并联系统的缺点，因此目前受到各整车和零部件厂家的热捧。

现有混合动力系统构型以行星机构混联和双电机直驱混联两种构型为主。双电机直驱构型受限于电机扭矩无法实现成本和动力性的折中，因此导致该构型使用大速比主减以保证车辆动力性能，但牺牲了车辆高速性能，同时发动机转速和车速线性相关从而导致发动机无法长时间工作在高效区，因此该构型主要应用于公交车领域。公开号为cn103112346a的中国专利申请公开了一种使用双行星机构的混联系统，如图1所示，该系统可以使得发动机转速与车速的解耦使得发动机长时间工作在高效区，同时电机经过后行星排的增扭可以适当增大输出扭矩从而提升车辆爬坡能力，因此该构型为目前行星混联机构的主流构型。另外，图1是直接从上述专利申请中截取下来的，由于图1所示的系统为现有系统，该系统的组成部分1-15在上述专利申请中已给出了详细描述，这里就不一一介绍。

但上述专利申请公开的构型仍存在以下问题：

1、启停机振动噪声，在该专利申请的构型中，发动机与电机以及两个行星排之间均为齿轮机械连接，由于齿轮传动啮合存在齿轮间隙，当电机快速启停发动机过程中，因为齿轮间隙的逐级传递将会导致各级齿轮出现振动，从而出现难以克服的振动噪声。并且，发动机启停机均为电机拖启，前后行星排为齿轮机械连接，由于齿轮啮合存在间隙，从前行星排到后行星排齿轮间隙会被逐渐放大，电机拖启或拖停发动机时由于逐渐放大的齿轮间隙会导致后排太阳轮连接的电机以及后排行星架连接的传动轴出现正反转振动，从而出现明显的振动噪声。

2、在纯电动行驶时，电机驱动车辆行驶，会导致前后两个行星排所有齿轮均在转动，同时前行星排的太阳轮也在转动，因此会导致纯电动行驶时系统损失较大，纯电行驶系统效率低。

3、电机轴为空心轴，动力系统输出轴从电机空心轴穿出，且伴随车辆载荷不同及道路条件不同会导致传动轴上下跳动，从而导致系统输出轴上下震动。且由于目前现有轴类密封圈密封的轴类均为一侧转动，即密封圈外侧转动或密封圈内侧转动，如若密封圈内外侧均转动会导致密封圈寿命急剧缩短从而导致润滑油泄漏。因此，该构型存在输出轴漏油或输出轴密封圈寿命短的问题。

4、车辆无破行回家功能，当车辆的两个电机或电机控制器任一部件发生故障时，车辆将无法行驶。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种行星排混合动力驱动系统，用以解决现有的行星排混合动力构型在发动机启停过程中会出现明显的振动噪声的问题。本发明同时提供一种使用该系统的车辆。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种行星排混合动力驱动系统，包括前动力结构和后动力结构，前动力结构包括发动机、前行星排和第一电机，后动力结构包括后行星排和系统输出轴，所述前行星排中的前太阳轮、前行星架和前齿圈中有一个是前第一端，一个是前第二端，一个是前第三端，所述后行星排中的后太阳轮、后行星架和后齿圈中有一个是后第一端，一个是后第二端，一个是后第三端，所述驱动系统还包括第一锁止离合器、第二锁止离合器和第三锁止离合器，所述发动机传动连接所述前第一端，所述第一电机连接所述前第二端，所述前第一端通过第一锁止离合器连接所述后动力结构，所述前第三端通过第三锁止离合器连接壳体，所述前第三端还通过第二锁止离合器连接所述后动力结构。

在发动机启停时，控制第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器锁止，那么，前行星排就和驱动系统的后动力结构机械连接分离，不管发动机在启机还是停机时，启机和拖停扭矩仅在前行星排中传递，也就是说，仅前行星排齿轮在传动扭矩，避免出现现有构型扭矩在前后行星排中均传递的情况，从而有效减少了传动扭矩齿轮的数量，即有效降低了启停机时扭矩传递齿轮链数，降低了动力传递的齿轮间隙，有效避免了后动力结构的后行星排和车桥主减端由于齿轮间隙而导致的齿轮振动，从而有效降低了发动机启停机时系统出现的振动噪声。

而且，通过电机快速拖启发动机可以实现发动机的快速启机，通过电机快速拖停发动机可以实现发动机的快速停机。

所述后动力结构还包括第二电机和第四锁止离合器，所述系统输出轴连接所述后第一端，所述第二电机连接所述后第二端，所述前第三端通过所述第二锁止离合器连接所述后第二端，所述前第一端通过所述第一锁止离合器连接所述后第三端，所述后第三端还通过第四锁止离合器连接壳体。

所述前第一端为前行星架，前第二端为前太阳轮，前第三端为前齿圈。

所述前第一端为前行星架，前第二端为前太阳轮，前第三端为前齿圈，所述后第一端为后行星架，后第二端为后太阳轮，后第三端为后齿圈。

所述驱动系统具有以下工作模式：发动机启停机模式、纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、停车发电模式、制动能量回收模式和破行回场模式，其中，

发动机启停机模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器锁止；

纯电动模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第四锁止离合器锁止；

发动机和电机联合驱动模式分为两个模式，第一模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器锁止，第三锁止离合器分离，第四锁止离合器锁止，第二模式的控制方式是：第一锁止离合器锁止，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器分离或锁止，第四锁止离合器分离；

发动机直驱模式的控制方式是：第一锁止离合器锁止，第二锁止离合器锁止，第三锁止离合器锁止，第四锁止离合器分离；

停车发电模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器锁止，第四锁止离合器分离；

制动能量回收模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器分离，第四锁止离合器锁止；

破行回场模式的控制方式是：第一锁止离合器锁止，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器分离，第四锁止离合器分离。

本发明还提供一种车辆，包括一种行星排混合动力驱动系统，所述驱动系统包括前动力结构和后动力结构，前动力结构包括发动机、前行星排和第一电机，后动力结构包括后行星排和系统输出轴，所述前行星排中的前太阳轮、前行星架和前齿圈中有一个是前第一端，一个是前第二端，一个是前第三端，所述后行星排中的后太阳轮、后行星架和后齿圈中有一个是后第一端，一个是后第二端，一个是后第三端，所述驱动系统还包括第一锁止离合器、第二锁止离合器和第三锁止离合器，所述发动机传动连接所述前第一端，所述第一电机连接所述前第二端，所述前第一端通过第一锁止离合器连接所述后动力结构，所述前第三端通过第三锁止离合器连接壳体，所述前第三端还通过第二锁止离合器连接所述后动力结构。

所述后动力结构还包括第二电机和第四锁止离合器，所述系统输出轴连接所述后第一端，所述第二电机连接所述后第二端，所述前第三端通过所述第二锁止离合器连接所述后第二端，所述前第一端通过所述第一锁止离合器连接所述后第三端，所述后第三端还通过第四锁止离合器连接壳体。

所述前第一端为前行星架，前第二端为前太阳轮，前第三端为前齿圈。

所述前第一端为前行星架，前第二端为前太阳轮，前第三端为前齿圈，所述后第一端为后行星架，后第二端为后太阳轮，后第三端为后齿圈。

所述驱动系统具有以下工作模式：发动机启停机模式、纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、停车发电模式、制动能量回收模式和破行回场模式，其中，

发动机启停机模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器锁止；

纯电动模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第四锁止离合器锁止；

发动机和电机联合驱动模式分为两个模式，第一模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器锁止，第三锁止离合器分离，第四锁止离合器锁止，第二模式的控制方式是：第一锁止离合器锁止，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器分离或锁止，第四锁止离合器分离；

发动机直驱模式的控制方式是：第一锁止离合器锁止，第二锁止离合器锁止，第三锁止离合器锁止，第四锁止离合器分离；

停车发电模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器锁止，第四锁止离合器分离；

制动能量回收模式的控制方式是：第一锁止离合器分离，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器分离，第四锁止离合器锁止；

破行回场模式的控制方式是：第一锁止离合器锁止，第二锁止离合器分离，第三锁止离合器分离，第四锁止离合器分离。

附图说明

图1是公开号为cn103112346a的中国专利申请文件中公开的混联系统结构图；

图2是本发明提供的行星排混合动力驱动系统的结构示意图；

图3是行星排混合动力驱动系统的各工作模式的控制流程图；

图2中，1为发动机，2为扭转减震器，3为第一电机，4为前行星排，5为第二电机，6为后行星排，7为第四锁止离合器，8为第三锁止离合器，9为第二锁止离合器，10为第一锁止离合器，11为电机控制器，12为动力电源。

具体实施方式

车辆实施例

本实施例提供一种车辆，该车辆的动力系统为一种行星排混合动力驱动系统，由于车辆的其他组成部分不是本申请的重点，因此，以下着重对行星排混合动力驱动系统进行详细描述。

行星排混合动力驱动系统整体上包括两大部分，前动力结构和后动力结构，如图2所示，前动力结构包括发动机1，前行星排4和第一电机3，后动力结构包括后行星排6和系统输出轴。

前行星排4包括三个端，分别称为前第一端、前第二端和前第三端，由于前行星排4的三个端分别是前太阳轮、前行星架和前齿圈，因此，前第一端、前第二端和前第三端分别与前太阳轮、前行星架和前齿圈中的其中一个一一对应。同理，后行星排6包括三个端，分别称为后第一端、后第二端和后第三端，由于后行星排6的三个端分别是后太阳轮、后行星架和后齿圈，因此，后第一端、后第二端和后第三端分别与后太阳轮、后行星架和后齿圈中的其中一个一一对应。

该驱动系统还包括第一锁止离合器10、第二锁止离合器9和第三锁止离合器8，前行星排4中的前第一端、前第二端和前第三端均对应连接有相关机构，其中，发动机1传动连接前第一端，第一电机3连接前第二端，前第一端通过第一锁止离合器10连接后动力结构，前第三端通过第三锁止离合器8连接壳体，前第三端还通过第二锁止离合器9连接后动力结构。

其中，前第一端、前第二端和前第三端与前太阳轮、前行星架和前齿圈的对应关系并不唯一，原则上总共有六种对应关系，不同的对应关系代表机械传动变比不同，因此，在满足运行要求的前提下，具体的对应关系可以根据实际需要进行设定，本实施例中，给出一种具体的对应关系：前第一端为前行星架，前第二端为前太阳轮，前第三端为前齿圈。那么，如图2所示，发动机1传动连接前行星排4的前行星架，第一电机3连接前太阳轮，前行星架通过第一锁止离合器10连接后动力结构，前齿圈通过第三锁止离合器8连接壳体，并且，前齿圈还通过第二锁止离合器9连接后动力结构。

根据第一锁止离合器10、第二锁止离合器9和第三锁止离合器8能够有效降低在发动机启停时系统出现的振动噪声。具体为：在发动机启停时，控制第一锁止离合器10分离，第二锁止离合器9分离，第三锁止离合器8锁止，那么，前行星排就和驱动系统的后动力结构机械连接分离，仅前行星排齿轮在传动扭矩，有效降低了启停机时扭矩传递齿轮链数，降低了动力传递的齿轮间隙，有效避免了后动力结构的后行星排和车桥主减端由于齿轮间隙而导致的齿轮振动，从而有效降低了发动机启停机时系统出现的振动噪声。

也就是说，仅通过第一锁止离合器10、第二锁止离合器9和第三锁止离合器8就能够有效降低在发动机启停时系统出现的振动噪声，后动力结构的构型并不影响前动力结构的功能，因此，本实施例并不限于后动力结构的具体构型，为了便于说明，以下给出一种具体的结构。

如图2所示，后动力结构除了后行星排6和系统输出轴之外，还包括第二电机5和第四锁止离合器7，系统输出轴连接后行星排6的后第一端，第二电机5连接后第二端，前第三端通过第二锁止离合器9连接后第二端，前第一端通过第一锁止离合器10连接后第三端，后第三端还通过第四锁止离合器7连接壳体。

与前行星排4同理，后行星排6中的后第一端、后第二端和后第三端分别与后太阳轮、后行星架和后齿圈的对应关系并不唯一，不同的对应关系代表机械传动变比不同，因此，可以根据实际需要设定，本实施例中，给出一种具体的对应关系：后第一端为后行星架，后第二端为后太阳轮，后第三端为后齿圈。那么，如图2所示，后行星排6的后行星架连接系统输出轴从而输出动力，第二电机5连接后太阳轮，前齿圈通过第二锁止离合器9连接后太阳轮，前行星架通过第一锁止离合器10连接后齿圈，后齿圈还通过第四锁止离合器7连接壳体。

动力电源12通过控制线束与电机控制器11连接，电机控制器11通过高压线束与第一电机3和第二电机5相连接。另外，发动机1的输出轴通过扭转减震器2与前行星排4的前行星架相连接。

该行星排混合动力驱动系统主要包括以下几种工作模式：发动机快速启停机模式、纯电动模式、发动机和电机联合驱动模式、发动机直驱模式、制动能量回收模式和破行回场模式。具体如下：

发动机快速启停机模式：发动机怠速停机是混合动力车辆节能的重要措施之一，尤其是公交车辆，由于车辆需要频繁停车，因此发动机长时间处于怠速工作。车辆具有怠速停机功能就需要发动机频繁启停，现有车辆发动机启动电机无法满足车辆频繁启停机需求，本发明通过电机快速拖启发动机可以实现发动机的快速启机，通过电机拖停发动机可以实现发动机的快速停机。同时通过第一锁止离合器10分离，第二锁止离合器9分离，第三锁止离合器8锁止，使得发动机1快速启停机时仅前行星排4齿轮在传动扭矩，从而有效的减少了传动扭矩齿轮的数量，有效避免了后行星排6和车桥主减端由于齿轮间隙而导致的齿轮振动，从而有效降低了发动机1启停机时系统出现的振动噪声。

纯电动模式：此模式为电机单独驱动，此模式下第一锁止离合器10分离，第二锁止离合器9分离，第四锁止离合器7锁止，通过三个锁止离合器的配合使得前行星排4和后行星排6机械连接断开，那么，纯电行驶时，第二电机5提供驱动能量，前行星排的4齿轮和第一电机3静止不转动，从而有效降低机械损耗，降低车辆能耗。此时系统根据车速v是否大于v纯电以及整车需求功率是否大于pl来确定车辆是否工作在纯电动模式，其中v纯电和pl分别为纯电模式判断条件的速度限值和功率限值。

根据车速的不同将发动机和电机联合驱动模式分为两个模式，其中，

发动机和电机联合驱动模式1：此模式下第一锁止离合器10分离，第二锁止离合器9锁止，第三锁止离合器8分离，第四锁止离合器7锁止。此时发动机1输出扭矩teng分为两部分，分别传递至前行星排4的前太阳轮和前齿圈，传递至前太阳轮的扭矩为(k1为前行星排的特征值)，用于驱动第一电机3发电，发出的电能用于第二电机5驱动车辆行驶或者存储至动力电源12中；传递至前齿圈的扭矩为用于驱动车辆行驶。此模式下发动机1输出驱动车辆的扭矩和第二电机5输出扭矩tmot均传递至后行星排6的后太阳轮，经过后行星排6减速增扭后由后行星架输出，此时后行星排6作用为一级减速机，速比为1+k2，其中k2为后行星排的特征值，前行星排4的转速关系为：(1+k1)nr＝k1neng+ns，其中，nr为前行星架输出轴转速，neng为发动机转速，ns为第一电机转速，通过调整第一电机转速ns，可以使得发动机1处于任意转速工作，从而保证发动机1长期处于高效区域工作。因此，此模式下实现了发动机1转速扭矩与车速和车辆需求扭矩的双解耦，实现了发动机1长期工作于高效率区域，从而有效提升整车经济性。

发动机和电机联合驱动模式2：此模式下第一锁止离合器10锁止，第二锁止离合器9分离，第三锁止离合器8分离或锁止，第四锁止离合器7分离。此时发动机1输出扭矩teng全部传递至后行星排6的后齿圈，用于驱动车辆。根据车辆动力电源12电量和第二电机5功率需求确定第一电机3处于发电模式或者空转模式。根据整车扭矩和功率需求确定第二电机5是否输出扭矩驱动车辆或者跟随空转。此模式下减小或消除了能量转换，发动机1输出扭矩全部用于直接驱动车辆，无需经过电能转换，从而有效提升了能量利用效率，提升了整车经济性。

发动机直驱模式：此模式下第一锁止离合器10锁止，第二锁止离合器9锁止，第三锁止离合器8锁止，第四锁止离合器7分离。此时发动机1输出扭矩teng全部传递至后行星排6的后齿圈，用于驱动车辆，此时扭矩关系为：其中tout为后行星架输出扭矩，teng为发动机1输入扭矩，k2为后行星排特征参数。此状态下根据动力电源12的电量和第二电机5功率需求确定第一电机3处于发电模式或者空转模式。第二电机5处于锁止状态静止不转动，从而有效减小了第二电机5空转带来的机械损伤以及电机弱磁损失，从而提升整车经济性。

停车发电模式：当车辆动力电源12电量较低且车辆静止时，车辆进入停车发电模式，此模式下第一锁止离合器10分离，第二锁止离合器9分离，第三锁止离合器8锁止，第四锁止离合器7分离。此时发动机1输出扭矩完全传递给第一电机3，用于发电。

制动能量回收模式：此模式下第一锁止离合器10分离，第二锁止离合器9分离，第三锁止离合器8分离，第四锁止离合器7锁止。此时发动机1不工作，第二电机5处于发电模式，第二电机5提供整车制动力矩，将车辆动能回收为电能存储到动力电源12中。此制动能量回收模式适用于车辆正常行驶过程中的制动过程。

破行回场模式：当车辆双电机或电机控制器任一部件故障时，电机无法参与车辆驱动工作，此时可以使用破行回场模式行驶至修理厂进行故障修复。此模式下第一锁止离合器10锁止，第二锁止离合器9分离，第三锁止离合器8分离，第四锁止离合器7分离。此时发动机1输出扭矩经过后行星排6减速增扭后用于驱动车辆。此模式下后行星排6的减速比为k2/(1+k2)，k2为后行星排特征值。此模式下可以实现车辆以5-20km/h车速破行回场。

图3给出行星排混合动力驱动系统的各工作模式的控制流程图，当然，这只是一种具体的实施方式，对于其中各工作模式的先后顺序则不做限定性要求。其中，v为车速；v纯电为纯电动模式和混动模式(即发动机和电机联合驱动模式)切换速度限值，即纯电动模式行驶的最高速度限值；socl为车辆动力电源soc下限值；socbrk为制动能量回收动力电源soc上限值；pned为整车需求功率；pl为纯电动模式和混动模式切换功率限值，即纯电动行驶功率上限值；peng为发动机高效区输出功率。

如图3所示，第一步，车辆正常行驶时，根据制动踏板和油门踏板的状态来判定是否属于制动能量回收模式，当制动踏板被踩下或者油门踏板未被踩下的时候，进入第二步，否则进入第三步。

第二步，根据整车动力电源soc值是否低于动力电源soc上限值socbrk来判断车辆是否进入制动能量回收模式，当动力电源soc＜socbrk时，进入制动能量回收模式，否则取消电制动回馈。

第三步，根据整车动力电源soc值是否低于动力电源soc下限值socl来判断车辆是否进入发动机和电机联合驱动模式1，当动力电源soc≤socl时，进入发动机和电机联合驱动模式1，此模式下在满足车辆功率需求前提下，发动机1向第一电机3额外输出功率发电对动力电源12进行充电；否则进入第四步。

第四步，根据整车需求功率pned和车速v判断车辆是否进入纯电动工作模式，当整车需求功率pned小于等于纯电动行驶功率上限值pl且车速v小于等于纯电动模式行驶的最高速度限值v纯电时，车辆进入纯电动工作模式，否则进入第五步。

第五步，根据整车需求功率pned是否大于发动机高效区输出功率peng以及发动机1是否工作在高效率区域来判断车辆是否进入发动机和电机联合驱动模式1。当整车需求功率pned大于等于发动机高效区输出功率peng且发动机不处于高效率区域时，车辆进入发动机和电机联合驱动模式1，否则进入第六步。

第六步，根据第二电机5是否存在弱磁损失来判断是否进入发动机直驱工作模式。当第二电机5存在弱磁损失时，车辆进入发动机直驱工作模式，否则进入发动机和电机联合驱动模式2。

因此，该行星排混合动力驱动系统具有以下效果：

(1)通过第一、第二和第三锁止离合器的配合工作，使得发动机快速启停机时启机和拖停扭矩仅在前行星排传递，从而有效避免了现有构型扭矩在前后行星排均传递的情况，有效降低了扭矩传递齿轮链数，有效降低了动力传递的齿轮间隙，从而有效降低了发动机启停机的振动噪声。

(2)两个电机及行星排输出轴并列布置，避免了轴套轴的空心轴动力输出，输出轴密封形式可以和传统变速箱输出轴密封形式相同，从而避免了现有构型中存在的输出轴漏油或输出轴密封圈寿命短问题。

(3)纯电动行驶时，通过第一锁止离合器、第二锁止离合器和第四锁止离合器的相互配合实现了前后行星排的机械连接分离，从而有效避免了现有构型在纯电动行驶时，前后行星排机械连接电机及前行星排齿轮系跟随空转的机械损失，降低了能量消耗，提升了纯电续驶里程。

(4)通过四个锁止离合器的配合工作，可以使得发动机输出扭矩和第二电机输出扭矩均经过后行星排的减速增扭，从而提升输出轴输出扭矩，提升车辆最大爬坡能力；或者在保持动力性不变的前提下，减小电机型号，降低系统成本。另外，通过变速箱作用可降低电机扭矩需求，保证车辆爬坡能力的前提下降低电机扭矩，降低电机成本。

(5)具备破行回家功能，当车辆的电机或电机控制器发生故障时，通过四个锁止离合器的配合工作，可以使得发动机输出动力经过后行星排减速增扭，从而实现发动机单独驱动车辆，使得车辆能够以5-20km/h车速破行回家进行故障修理。

行星排混合动力驱动系统实施例

本实施例提供一种行星排混合动力驱动系统，由于该驱动系统在上述车辆实施例中已有详细说明，本实施例就不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。