一种混合动力总成及其换挡方法与流程

本发明涉及混合动力车辆技术领域，尤其涉及一种混合动力总成及其换挡方法。

背景技术：

目前市场上公交车用混合动力系统技术路线主要有并联系统和混联系统两种。

混联系统包含串联、并联和混联三种模式，可优化发动机工作区间，节油率相对较高，但其控制较为复杂。市场上大部分混联系统采用电机直接驱动车辆，动力性能一般，且采用大扭矩驱动电机，成本较高；部分混联系统，在发电机和驱动电机之间增加四挡变速箱，改善发动机工况，动力性能有所提升，但系统结构复杂，系统重量和体积相对较大，成本较高。因为电机直驱，能量回收时电机不能保证始终处于高效区间。现有混联系统选用大主减，车桥效率低。

并联系统根据电机在动力系统中的布置位置主要分为两种：一种是电机布置在变速箱之前，发动机和电机并联后通过变速箱驱动车辆，动力性较好，但换挡过程中会出现动力中断；一种是电机布置在变速箱之后，发动机通过变速箱变速变扭后与电机并联，换挡时动力不中断，但动力性较差，且采用大扭矩驱动电机，系统质量和体积较大，成本较高，电机工作转速范围大，经济性差。电机经过齿轮减速后与变速箱输出端耦合的改进方案，虽然可以降低电机的扭矩需求，但使电机的工作转速范围更大，经济性更差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合动力总成及其换挡方法，相对于目前发动机与电机动力耦合后经变速箱驱动车辆的技术方案，本方案可以解决前者换挡动力中断的问题；相对于目前电机布置在变速箱输出端的技术方案，本方案可以解决前者需要电机扭矩大、工作转速范围宽，从而导致电机和电池系统成本高的问题，并提高电机功率的利用率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种混合动力总成，包括发动机、电机、变速箱和换挡执行机构，其中，

所述发动机通过离合器连接于所述变速箱的第一输入轴，所述第一输入轴固连有输入齿轮和直接挡结合齿，所述输入齿轮与中间轴的第一齿轮常啮合；

所述变速箱的输出轴上空套有至少一个挡位齿轮，所述挡位齿轮固连有挡位齿轮结合齿，所述挡位齿轮与所述中间轴上对应的第二齿轮常啮合，所述直接挡结合齿可通过同步器与所述输出轴连接，所述挡位齿轮结合齿可通过对应的挡位同步器与所述输出轴连接；

电机转子轴和所述变速箱的第二输入轴均空套在所述输出轴外侧，并且所述电机转子轴与所述第二输入轴固连；

所述输出轴固连有电机直驱结合齿，所述第二输入轴上空套有耦合齿轮，所述耦合齿轮固连有耦合齿轮结合齿，所述耦合齿轮与所述中间轴的第三齿轮常啮合，所述第二输入轴常连有滑套并且可通过所述滑套实现与所述电机直驱结合齿和所述耦合齿轮结合齿的接合与分离；

所述耦合齿轮与所述第三齿轮的传动比大于所述输入齿轮与所述第一齿轮的传动比；

所述换挡执行机构用于控制所述同步器和所述滑套分别动作。

优选地，在上述混合动力总成中，所述挡位齿轮包括一个一挡齿轮，所述一挡齿轮固连有一挡齿轮结合齿，所述一挡齿轮与所述第二齿轮常啮合，所述一挡齿轮结合齿可通过所述同步器与所述输出轴连接。

优选地，在上述混合动力总成中，所述输出轴前端通过轴承支撑在所述输入齿轮的轴承孔中。

优选地，在上述混合动力总成中，所述变速箱包括两个所述中间轴。

优选地，在上述混合动力总成中，所述换挡执行机构为电控换挡执行机构，或液压换挡执行机构，或气动换挡执行机构。

本发明提供的混合动力总成，包括发动机、电机、变速箱和换挡执行机构，变速箱包括第一输入轴、第二输入轴、输出轴和中间轴，发动机通过离合器连接于第一输入轴，第一输入轴固连有输入齿轮和直接挡结合齿，输出轴上固连有电机直驱结合齿并空套有至少一个挡位齿轮，直接挡结合齿和各挡位齿轮结合齿均可通过其对应的同步器与输出轴连接；电机转子轴和第二输入轴固连且均空套在输出轴外侧；第二输入轴上空套有耦合齿轮，第二输入轴可通过与其常连的滑套实现与电机直驱结合齿和耦合齿轮结合齿的接合与分离；耦合齿轮与中间轴的第三齿轮的传动比大于输入齿轮与中间轴的第一齿轮的传动比。

本方案中的复合式变速箱为发动机和电机两个动力源提供了两套变速箱系数，扩大了电机和发动机的选型匹配范围，优化了电机和发动机工况，提高了电机速比，使得动力系统的匹配和优化均可最大化；本方案将动力耦合机构与变速箱集成在一起，提高了结构紧凑度；实现舒适性、动力性和经济性兼顾。

本发明还提供了一种用于上述混合动力总成的换挡方法，其具体的换挡方法如下：

当车速达到换挡车速，所述电机清扭，所述换挡执行机构操纵所述滑套摘挡至空挡位置，所述电机调速使所述第二输入轴转速与所述输出轴转速绝对值差小于标定值，所述换挡执行机构操纵所述滑套挂挡至所述电机直驱结合齿，所述电机开始增加输出扭矩，同时所述发动机清扭，然后分离所述离合器，所述换挡执行机构操纵所述同步器摘挡并挂入目标挡位的所述挡位齿轮结合齿，再接合所述离合器；

所述发动机开始增加扭矩，同时所述电机开始降低扭矩，当电机扭矩降低至标定值以下后，所述换挡执行机构操纵所述滑套摘挡至空挡位置，所述电机调速使所述第二输入轴转速与所述输出轴转速与电机目标挡位速比之乘积的绝对值差小于标定值，所述换挡执行机构操纵所述滑套向后挂挡至电机目标挡位驱动位置，所述电机根据整车策略要求增加扭矩或空转。

本方案在换挡过程中，通过换挡执行机构操纵滑套使电机直接驱动车辆，避免动力中断；同时，电机需求扭矩因多挡变速增扭而降低要求，从而有助于实现轻量化和减少体积，提高功率利用率；优化了电机的工况点和经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中的混合动力总成的原理示意图；

图2为本发明具体实施例中的电机单独驱动模式i的功率流示意图；

图3为本发明具体实施例中的电机单独驱动模式ii一挡时的功率流示意图；

图4为本发明具体实施例中的电机单独驱动模式ii二挡时的功率流示意图；

图5为本发明具体实施例中的发动机单独驱动模式一挡时的功率流示意图；

图6为本发明具体实施例中的发动机单独驱动模式二挡时的功率流示意图；

图7为本发明具体实施例中的共同驱动模式的第一种功率流示意图；

图8为本发明具体实施例中的共同驱动模式的第二种功率流示意图；

图9为本发明具体实施例中的共同驱动模式的第三种功率流示意图；

图10为本发明具体实施例中的共同驱动模式的第四种功率流示意图；

图11为本发明具体实施例中的升挡时的混合动力总成输出扭矩及发动机和电机输出扭矩变化示意图。

图1至图10中：

1-第一输入轴、2-离合器、3-输入齿轮、4-第一齿轮、5-中间轴、6-一挡齿轮、7-第二齿轮、8-电机直驱结合齿、9-滑套、10-耦合齿轮结合齿、11-第三齿轮、12-耦合齿轮、13-电机转子轴、14-电机、15-输出轴、16-第二输入轴、17-换挡执行机构、18-一挡齿轮结合齿、19-同步器、20-直接挡结合齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明具体实施例中的混合动力总成的原理示意图；

本发明提供了一种混合动力总成，包括发动机、电机14、变速箱和换挡执行机构17。变速箱包括第一输入轴1、第二输入轴16、输出轴15和中间轴5。本方案提供的混合动力总成还包括诸如轴承、密封、回油等结构或零部件，相关技术为行业一般技术，在此不作赘述。

其中，发动机通过离合器2连接于变速箱的第一输入轴1，第一输入轴1固连有输入齿轮3和直接挡结合齿20，输入齿轮3与中间轴5的第一齿轮4常啮合；

变速箱的输出轴15上空套有至少一个挡位齿轮，挡位齿轮固连有挡位齿轮结合齿，挡位齿轮与中间轴5上对应的第二齿轮7常啮合，直接挡结合齿20可通过同步器19与输出轴15连接，挡位齿轮结合齿可通过对应的挡位同步器与输出轴15连接；

电机转子轴13和变速箱的第二输入轴16均为空套在输出轴15外侧的空心轴，并且电机转子轴13与第二输入轴16固连；

输出轴15固连有电机直驱结合齿8，第二输入轴16上空套有耦合齿轮12，耦合齿轮12固连有耦合齿轮结合齿10，耦合齿轮12与中间轴5的第三齿轮11常啮合，第二输入轴16常连有滑套9并且可通过滑套9实现与电机直驱结合齿8和耦合齿轮结合齿10的接合与分离；

耦合齿轮12与第三齿轮11的传动比大于输入齿轮3与第一齿轮4的传动比；

换挡执行机构17用于控制同步器19和滑套9分别动作。需要说明的是，换挡执行机构17可以为电控换挡执行机构，或液压换挡执行机构，或气动换挡执行机构。本方案中优选使用电控换挡执行机构。

由图1可以看到，发动机与电机14共用各挡位的齿轮，电机连接的第二输入轴16上的耦合齿轮12与中间轴5的第三齿轮11的传动比大于发动机连接的第一输入轴1上的输入齿轮3与中间轴5的第一齿轮4的传动比，进而实现了电机14虽然与发动机共用各挡位的啮合传动齿轮，但是发动机与电机14的转速可以不同。如此设置，可以使混合动力总成的变速箱结构更加简化，如果发动机和电机的挡位数越多，那么，结构简化的程度则越大。

如图1所示，优选地，在上述混合动力总成中，变速箱包括两个中间轴5。当然，本方案中的混合动力总成也可以采用单个中间轴5的方案。

优选地，在上述混合动力总成中，输出轴15前端通过轴承支撑在输入齿轮3的轴承孔中。

优选地，在上述混合动力总成中，挡位齿轮包括一个一挡齿轮6，一挡齿轮6固连有一挡齿轮结合齿18，一挡齿轮6与第二齿轮7常啮合，一挡齿轮结合齿18可通过同步器19与输出轴15连接。一挡齿轮结合齿18与直接挡结合齿20共用一个同步器19，可以进一步缩短变速箱的轴向长度，使结构更加紧凑。本实施例中的挡位齿轮仅包括一个一挡齿轮6，从而使得发动机动力源具有两个挡位，电机14具有三个挡位，选用电控换挡执行机构时，只需两个执行电机。

本具体实施例方案中的变速箱可以就功能分为两部分：第一部分为一个具有两个前进挡的变速器；第二部分为一个具有两个挡位的动力耦合器，上述换挡执行机构17用于上述两部分的换挡操作。

上述第一部分的变速器通过换挡执行机构17操纵同步器19向前或向后分别与前面直接挡结合齿20或后面的一挡齿轮结合齿18接合以实现第一输入动力源(发动机)的两个挡位的切换。

上述第二部分的动力耦合器通过换挡执行机构17操纵滑套9向前或向后分别与前面电机直驱结合齿8或后面的耦合齿轮结合齿10接合以实现第二输入动力源(电机14)的两个挡位的切换。该操作可以实现两种电机驱动模式：(1)电机直驱模式；(2)电机通过前面所述的第一部分变速器的两个挡位实现降速增扭驱动。

本方案所提出的复合式变速箱及其动力总成具有以下几种工作模式。

(1)电机单独驱动模式i：通过换挡执行机构17操纵滑套9向前与固定在输出轴15上的电机直驱结合齿8接合，电机转子输出扭矩直接传递至变速箱的输出轴15。在该模式下，发动机(或第一动力)从传动系统中断开(离合器2分离或同步器19挂入空挡)。如图2所示为其功率流示意图。

(2)电机单独驱动模式ii：通过换挡执行机构17操纵滑套9向后与耦合齿轮结合齿10接合；通过换挡执行机构17操纵同步器19，根据整车需求挂入合适挡位。在该模式下发动机(或第一动力)从传动系统中断开(离合器2分离)。如图3所示为同步器19向后挂入一挡齿轮结合齿18的功率流示意图；图4所示为同步器19向前挂入直接挡结合齿20(即二挡)的功率流示意图。

(3)发动机单独驱动模式：通过换挡执行机构17操纵滑套9至中间位置，电机14(第二动力)从传动系统中断开。根据整车需求，通过换挡执行机构17操纵同步器19换至合适挡位。发动机通过变速箱降速增扭后驱动车辆。图5所示为发动机挂入一挡时的功率流示意图。图6所示为发动机挂入二挡(直接挡)时的功率流示意图。

(4)共同驱动模式：根据整车需求，通过换挡执行机构17操纵同步器19和滑套9与不同结合齿接合，实现不同的驱动组合模式。请参照图7至图10所示的功率流。

(5)能量回收模式：根据整车需求，车辆通过传动系倒拖动发电，将车辆动能转换为电能存储在电能蓄能部件中。

本技术方案中所述的混合动力总成不仅限于上述实施例中的双中间轴结构，还包括单中间轴的结构形式。详细内容可参见现有汽车技术以便理解。

本方案中的复合式变速箱为发动机和电机两个动力源提供了两套变速箱系数，扩大了电机和发动机的选型匹配范围，优化了电机和发动机工况，提高了电机速比，使得动力系统的匹配和优化均可最大化；本方案将动力耦合机构与变速箱集成在一起，提高了结构紧凑度；实现舒适性、动力性和经济性兼顾。

本发明还提供了一种用于上述混合动力总成的换挡方法，其具体的换挡方法如下：

当车速达到换挡车速，电机14清扭，换挡执行机构17操纵滑套9摘挡至空挡位置，电机14调速使第二输入轴16转速与输出轴15转速绝对值差小于标定值，换挡执行机构17操纵滑套9挂挡至电机直驱结合齿8，电机14开始增加输出扭矩，同时发动机清扭，然后分离离合器2，换挡执行机构17操纵同步器19摘挡并挂入目标挡位的挡位齿轮结合齿，再接合离合器2；

发动机开始增加扭矩，同时电机14开始降低扭矩，当电机扭矩降低至标定值以下后，换挡执行机构17操纵滑套9摘挡至空挡位置，电机14调速使第二输入轴16转速与输出轴15转速与电机目标挡位速比之乘积的绝对值差小于标定值，换挡执行机构17操纵滑套9向后挂挡至电机目标挡位驱动位置，电机14根据整车策略要求增加扭矩或空转。

本方案在换挡过程中，通过换挡执行机构17操纵滑套9使电机14直接驱动车辆，避免动力中断；同时，电机需求扭矩因多挡变速增扭而降低要求，从而有助于实现轻量化和减少体积，提高功率利用率；优化了电机14的工况点和经济性。

下面，通过详细的换挡过程来介绍本发明提供的换挡方法：

a)纯电动起步后，当车速达到混合驱动车速，离合器2接合，发动机倒拖启动，发动机和电机14混动驱动。

b)当车速达到升挡车速，电机14开始清除扭矩，电机扭矩降低至标定值以下后，换挡执行机构17操纵滑套9摘挡至空挡位置，电机14调速使第二输入轴16转速与输出轴15转速绝对值差小于标定值，换挡执行机构17操纵滑套9向前挂挡至电机直驱位置，电机14开始增加输出扭矩，同时发动机开始清除扭矩，当发动机输出扭矩降低至标定值以下后，分离离合器2。换挡执行机构17操纵同步器19摘挡并挂入二挡，接合离合器2。

c)发动机开始增加扭矩，同时电机14开始降低扭矩，当电机扭矩降低至标定值以下后，换挡执行机构17操纵滑套9摘挡至空挡位置，电机14调速使第二输入轴16转速与输出轴15转速与电机二挡速比之乘积的绝对值差小于标定值，换挡执行机构17操纵滑套9向后挂挡至电机二挡驱动位置，电机14根据整车策略要求增加扭矩或空转。

上面介绍的是升挡的控制方法，请参照图11，图11所示为升挡时的混合动力总成输出扭矩及发动机和电机输出扭矩变化示意图。

下面介绍降挡的控制方法：

a)当车速降低至降挡车速时。电机14开始清除扭矩，电机扭矩降低至标定值以下后，换挡执行机构17操纵滑套9摘挡至空挡位置，电机14调速使第二输入轴16转速与输出轴15转速绝对值差小于标定值，换挡执行机构17操纵滑套9向前挂挡至电机直驱位置，电机14开始增加输出扭矩，同时发动机开始清除扭矩，当发动机输出扭矩降低至标定值以下后，分离离合器2。换挡执行机构17操纵同步器19摘挡并挂入一挡，接合离合器2。

b)发动机开始增加扭矩，同时电机14开始降低扭矩，当电机扭矩降低至标定值以下后，换挡执行机构17操纵滑套9摘挡至空挡位置，电机14调速使第二输入轴16转速与输出轴15转速与电机一挡速比之乘积的绝对值差小于标定值，换挡执行机构17操纵滑套9向后挂挡至电机一挡驱动位置，电机14根据整车策略要求增加扭矩或空转。

本发明具有以下有益效果：

1)变速箱给两个动力源提供了两套变速箱系数，使得动力系统的匹配和优化均可最大化。

2)在换挡过程中，通过换挡执行机构17操纵滑套9使电机14直接驱动车辆，避免动力中断。

3)电机需求扭矩因多挡变速增扭而降低要求，所以，可以有助于实现轻量化和减少体积，提高功率利用率。

4)本发明方案将动力耦合机构与变速箱集成在一起，提高了结构紧凑度。

5)适宜于混动系统发动机和电机工况的2+1挡变速箱的高集成度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。