差动多模混合动力车辆驱动系统的制作方法

本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种差动多模混合动力车辆驱动系统。

背景技术：

随着汽车排放法规的日益严格和人们环保意识的逐步提高，新能源汽车的发展受到各大汽车企业和多国政府的关注，各汽车企业投入大量资金进行新能源汽车的研发。当前因受动力电池性能的限制，纯电动汽车的性能并不能完全满足人们的需求，特别是在重型载货汽车上。同时，根据我国现状，电能主要来源于火力发电，若从能源的源头来看，纯电动汽车的能源清洁度和能源利用效率将大打折扣。目前不插电的混合动力汽车虽然已不属于新能源汽车，但因其技术不仅能满足人们对汽车性能的需求而且能较大程度提高能量的利用效率减少汽车尾气的排放而成为现阶段较好的一种动力形式。

混合动力汽车按其动力传递形式可分为：串联式混合动力、并联式混合动力和混联式混合动力。串联式混合动力虽然可使发动机始终工作于最优工作曲线附近，但因其能量的传递过程存在由机械能到电能再到机械的二次转换，所以能量的传递效率较低。并联式混合动力汽车虽然不用进行能量的二次转换，但因其不能将发动机与车轮完全解耦，发动机无法始终工作于最优工作曲线附近，因此其燃油经济性受到限制。混联式混合动力汽车集成了串联式和并联式的优点，其中行星混联式混合动力也称evt(electricalvariabletransmission)混联式混合动力。其因可以将发动机与车轮进行转速和转矩的双解耦，使发动机始终工作于最优工作曲线附近而具有较好的应用前景。

当前丰田普锐斯行星混联式混合动力系统能实现输入式功率分流，但因行星排结构限制，行星排齿圈的最大输出扭矩受到发动机当前转速最大输出扭矩的限制，且行星排对发动机的减速增扭的速比也受到行星排结构限制，因此该动力系统不适合用于载型重货汽车上。同时，因其只有一种输入式功率分流，所以当汽车行驶于高速时动力系统会出现循环功率，致使系统的动力传递效率降低。通用公司的ahs系统多数采用三排行星齿轮机构进行功率分流，需要控制多个离合器、锁止器以进行模式切换，这导致其结构复杂、控制难度大。

本发明提出的差动多模混合动力车辆驱动系统可实现单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、发动机直驱模式、并联模式、输入式功率分流模式、再生制定模式、驻车发电模式。本发明的混合动力系统一方面可以实现输入式功率分流，将发动机与车轮完全解耦。同时，由于有大速比的发动机直驱模式和大速比的并联驱动两种模式的存在，所以可适当减少行星排的特征参数，这可使机械点对应的车速增大，减少出现循环功率的车速范围。另一方面，由于有大速比工作模式的存在，可使车轮输出更大的驱动扭矩，提升重型载货汽车的动力性。

技术实现要素：

本发明是为了克服行星混合动力最大输出扭矩有限的问题，以及可减少特征参数来增大车辆输入式功率分流模式的机械点对应的车速，进而来改善高速时传动效率低的问题，而提出一种差动多模混合动力车辆驱动系统。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图1：所述的差动多模混合动力车辆驱动系统，包括发动机1、差动轮系、一号电机12、二号电机11、离合器3、扭转减震器2等；所述差动轮系的行星架4与所述扭转减震器2的输出端通过动力输入轴14相连，所述差动轮系的太阳轮15与一号电机12的输出端通过传动轴13相连；所述差动轮系有两个行星轮，一号行星轮7与二号行星轮9为一体结构；所述两个行星轮空套在行星架4的光轴上；所述一号行星轮7与所述太阳轮15相啮合；所述差动轮系有两个齿圈，一号齿圈6与二号齿圈10；所述一号齿圈6与所述一号行星轮7相啮合；所述二号齿圈10的内侧与所述二号行星轮9相啮合，所述二号齿圈10与主动输出轮8固连在一起；所述主动输出轮8与被动输出轮16相啮合，所述被动输出轮16与主传动轴17相连；所述二号齿圈10与二号电机11的动力输出端相连。所述的一号电机12的壳体固定在车架或承载式车身上，所述二号电机11的壳体固定在车架或承载式车身，二号电机11的空心输出轴套装在太阳轮15和一号电机12之间的传动轴13的光轴部分。

根据本发明提供的差动多模混合动力车辆驱动系统，其中扭转减震器2、动力输入轴14、太阳轮15、行星架4、一号齿圈6、二号齿圈10、一号电机12、二号电机11的回转轴线共线。

根据本发明提供的差动多模混合动力车辆驱动系统，其中制动器5包括主动部分和从动部分，主动部分与差动轮系的一号齿圈6相连，从动部分固定在车架或承载式车身上；通过接合制动器5的主动部分与从动部分可实现单电机纯电动到双电机纯电动模式的转换，还可实现输入式功率分流模式到发动机直驱模式或并联模式的转换。当制动时可实现单电机再生制动到双电机再生制动的转换

根据本发明提供的差动模混合动力车辆驱动系统，其中所述的一号电机12用于在不同工况下解耦发动机1和车轮之间的转速，使发动机1的转速独立于车轮的转速，配合二号电机11对发动机1和车轮之间的转矩解耦可使在输入式功率分流模式时发动机1始终工作于最优工作曲线附近。

所述的差动多模混合动力车辆驱动系统分为单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、发动机直驱模式、并联驱动模式、输入式功率分流模式和再生制动模式。

本发明与现有技术相比，有益效果如下：

1.本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统通过制动器5的分离与结合可实现单电机纯电动和双电机纯电动两种工作模式的切换。因为有双电机纯电动的存在，可适当减少二号电机的输出转矩的能力，可选用相对较小的二号电机，降低成本和车重，且两个电机纯电动起步的动力性更强。

2.本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统通过制动器5的分离与结合可实现输入式功率分流和发动机直驱两种模式间的切换且发动机直驱模式时有较大的速比。同时发动机直驱模式的存在可增加系统的容错能力。例如当动力电池系统出现故障时，传统的丰田普锐斯系统的车辆将无法行驶，而本发明的动力系统因具有发动机直驱模式，仍可继续行驶(需要加装单独的小型启动电机和传统的低压蓄电池)。

3.本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统当制动器5结合时，可将三个动力源输出的动力进行叠加。已有的丰田普锐斯的行星混动系统因其有一个转矩自由度，所以在不考虑驱动电机的转矩补充时，当发动机输出转矩确定后，其齿圈的输出转矩也就确定了，此时即使与其太阳轮相连的电机输出动力，其齿圈的输出扭矩也不会再增大。而本发明所述的动力系统的一个显著优点是在一号电机输出动力时，二号齿圈的输出扭矩会得到补充，同样二号电机也可对二号齿圈的输出扭矩进行补充，这一优势有利于提升汽车的动力性，特别适合于重型载货汽车。

4.本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统当制动器5结合时，可实现较大的传动比，其传动比公式为(这里假设所用的齿轮的模数都相等)

其中ωe为行星架4的转速，ωo为二号齿圈10的转速，z2是一号行星轮7的齿数，z3是二号行星轮9的齿数，z4是一号齿圈6的齿数，z5是二号齿圈10的齿数。一号行星轮的齿数与二号行星轮的齿数越相近且一号齿圈的齿数与二号齿圈的齿数越相近系统的传动比越大。理论上当z2＝z3且z4＝z5时，二号齿圈会静止，此时相当于传动比无限大。实际中为使二号齿圈有动力输出，一号行星轮与二号行星轮和一号齿圈与二号齿圈的齿数不可能相同。此时齿数差越小，可实现的传动比越大。较大的传动比可提升车轮的输出扭矩，增大汽车的动力性。

5.汽车低速时可以锁止制动器5实现动力输出，所以在选择系统在输入式分流时的特征参数时可适当减少特征参数，更多的考虑减少出现循环功率的车速范围，使汽车机械点对应的车速较高，系统运行在出现循环功率的时间将减少，系统的动力传递效率将提高。

6.汽车低速时当扭矩需求不是特别大时可用纯电动行驶，减少发动机工作于高燃油消耗率区域的时间，且可通过一号电机拖动发动机使发动机的转速提高到怠速转速之后再喷油点火，这可进一步降低汽车的油耗，提升汽车的经济性同时减少尾气排放。

7.输入式功率分流可实现发动机与车轮的完全解耦，该差动轮系等效的行星齿轮机构的特征参数为z1是太阳轮15的齿数，z2是一号行星轮7的齿数，z3是二号行星轮9的齿数，z5是二号齿圈10的齿数。一号电机可使发动机与车轮转速解耦，二号电机可使发动机与车轮转矩解耦。因此在输入式功率分流模式，也就是制动器5打开时，发动机可始终工作于最优工作曲线附近，这可提高整车的燃油经济性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统的结构原理图；

图2为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统工作于单电机纯电动模式时的能量流动图；

图3为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统工作于双电机纯电动模式时的能量流动图；

图4为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统工作于发动机直驱模式时的能量流动图；

图5为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统的结构工作于发动机与一号电机并联模式时的能量流动图；

图6为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统工作于发动机与二号电机并联时的能量流动图

图7为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统工作于发动机与双电机并联时的能量流动图；

图8为本发明所述的差动多模混合动力车辆驱动系统工作于输入式功率分流时的能量流动图；

图中：1.发动机，2.扭转减振器，3.离合器，4.行星架，5.制动器，6.一号齿圈，7.一号行星轮，8.主动输出齿轮，9.二号行星轮，10.二号齿圈，11.二号电机，12.一号电机，13.传动轴，14.动力输入轴，15.太阳轮，16.被动输出齿轮，17.主传动轴，18.主减速器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明提供了一种差动多模混合动力车辆驱动系统，所述的差动多模混合动力车辆驱动系统主要包括发动机1、带扭转减震器2的离合器3，差动轮系，一号电机12，二号电机11，制动器5。

参阅图1，所述的差动轮系包括动力输入轴14、行星架4、一号行星轮7、二号行星轮9、一号齿圈6,、二号齿圈10，太阳轮15。其中一号行星轮7与二号行星轮9为联体齿轮结构，致使其两者的公转转速和自转转速始终相等。所述一号行星轮的节圆半径大于二号行星轮的节圆半径，所述一号齿圈的节圆半径大于二号齿圈的节圆半径。所述一号齿圈6可通过制动器5将其与车架或承载式车身相连。所述差动轮系的太阳轮15与一号电机12的输出端通过传动轴13相连，所述差动轮系的太阳轮15与一号行星轮7相啮合，所述差动轮系的二号齿圈10与二号电机11的输出端相连，所述二号齿圈10外侧固连有主动输出轮8，所述的二号电机11的输出轴为空心，其空套在传动轴13的光轴部分。

参阅图1，所述的带扭转减震器的离合器包括扭转减震器2和离合器3，离合器3可切断或结合发动机1与扭转减震器2之间的动力传递。所述的制动器5可以是多摩擦片制动器，其主动部分与一号齿圈6相连，被动部分与车间或承载式车身相连。

参阅图1，所述的动力输入轴14为阶梯轴结构，左端开有外花键用于传递来自发动机1经过扭转减振器2的动力，右端通过花键或其他形式将动力传递给行星架4。所述联体结构的一号行星轮7与二号行星轮9空套在行星架4的光轴上，其空套处可以有轴承隔开以减少摩擦损失。所述传动轴13左端为阶梯状并开有键槽或花键槽，使其可以与太阳轮相连接。传动轴右侧成套管状可与开有键槽或花键槽的一号电机输出端相连接。二号电机的动力输出轴为空心轴，可通过轴承套装在传动轴13的光轴部分。

参阅图1，所述一号电机12为永磁同步电机，一号电机的转子与太阳轮15通过传动轴13相连。传动轴13通过轴承支撑在车架或承载式车身上，同时其也可支撑在二号电机的空心轴中。二号电机也为永磁同步电机，二号电机11的输出轴为空心轴，其输出端接有法兰盘，通过法兰盘将其空心输出轴与二号齿圈10相连，其空心轴部分通过轴承套装在传动轴13的光轴部分。在输入式功率分流模式时，一号电机12可对发动机与车轮之间进行转速解耦，二号电机11可对发动机与车轮之间进行转矩解耦，二号电机11应有较好的转矩响应特性，二号电机的存在可解除车轮需求转矩对发动机输出转矩的限制。在输入式功率分流模式下，一号和二号电机共同工作可使发动机始终工作在最优工作曲线附近。

工作原理与工作模式划分

参阅图1，所述的差动多模混合动力车辆驱动系统有三个动力源，分别是发动机1、一号电机12和二号电机11。

1、单电机纯电动模式

参阅图2，当发动机不工作，发动机1与动力输入轴14之间的离合器3断开，制动器5可以结合也可以断开，二号电机可单独工作驱动汽车行驶。

2、双电机纯电动模式

参阅图3，当发动机不工作，发动机1与动力输入轴14之间的离合器3断开，制动器5结合，将一号齿圈6固定到车架或承载式车身上。此时二号电机可以单独工作驱动汽车行驶。同时，由于一号齿圈被固定，当整车需求转矩大于二号电机单独工作所能提供的转矩或二号电机单独工作对应的工作点的效率较低时，一号电机12可处于耗电输出转矩的工作状态，由一号电机12输出的转矩补充二号电机11输出的转矩来满足车轮转矩的需求或使整体的效率更高。

3、发动机直驱模式

参阅图4，当两个电机都不工作，同时离合器3锁止，制动器5也锁止。发动机输出的动力经离合器3、扭转减震器2、动力输入轴14、行星架4、一号行星轮7、二号行星轮9、二号齿圈10传递到主动输出齿轮8，最终传递到车轮，输出动力。此时只有发动机单独工作。与丰田普锐斯系统相比，发动机直驱模式的存在提高了系统的容错能力，因为通常混动车上有两个电源，一个是动力电池，另一个是给发动机和照明系统供电的电源。所以即使动力电池的供电系统出现问题，仅凭发动机单独工作仍可使车辆继续行驶。当然此时需要额外加装发动机的启动电机。此外，此差动轮系可以实现较大的传动速比，这一优点比较适合用于重载车辆上。

4、并联模式

参阅图5、图6和图7，在发动机直驱模式时可以使两个电机中的任何一个或两个工作，来对发动机输出的转矩进行补充或减少。此时根据车速需求可求得发动机的转速，根据发动机的最优工作曲线可求得发动机输出的扭矩，当发动机传递到车轮上的扭矩大于需求时，可以使两个电机中的一个或两个处于发电状态，这有利于提升汽车的经济性。当发动机传递到车轮上的扭矩小于需求时，可使两个电机中的一个或两个处于耗电状态，这一特点也比较适合于重载车辆上来增大车轮的输出扭矩，提升汽车的爬坡性能。

5、输入式功率分流模式

参阅图8，当离合器3处于结合状态，制动器5处于断开状态。此时其整体工作模式相当于单行星排的输入式功率分流模式，一号电机12可以对发动机与车轮之间进行转速解耦，二号电机11可以对发动机与车轮间进行转矩解耦。因为有上述两个解耦的存在，发动机可始终工作于最优工作曲线附近。

6、再生制动模式

当汽车减速制动时，可以通过拖动二号电机11旋转来实现再生制动，回收一部分动能，提升整车的经济性。由于汽车制动时所需的制动功率较大，此时可锁止制动器5，使一号电机12也参与再生制动，提高汽车再生制动的能力，进一步提高汽车的经济性。同时，在太阳轮15和二号齿圈10之间有较大的速比，当车速较低，二号电机的再生制动无法满足要求时，由于有较大速比的存在，此时一号电机的转速仍较高，一号电机输出的再生制动扭矩通过大速比的减速增扭，仍可提供较大的再生制动转矩。所以一号电机参与再生制动可适当的降低再生制动的最低车速，提高汽车再生制动回收能量的能力。

7、驻车发电模式

当本发明所述的差动多模混合动力系统应用于重型货车上时，由于重型货车的驻车制动是通过机械制动实现，当汽车行驶时通过气压将驻车制动解除。所以当该套动力系统应用于重型货车上时，当要驻车发电时可切断控制驻车制动器的气压回路，则即使发动机启动也不会将驻车制动解除，所以此时相当于二号齿圈10被锁止，因此当发动机启动后可带动一号电机12发电来对动力电池进行充电。