混合动力驱动系统、控制方法及汽车与流程

本发明涉及汽车技术领域，特别是涉及一种混合动力驱动系统、控制方法及汽车。

背景技术：

当今世界面临能源匮乏和环境恶化两大挑战，传统燃油车正受到石油危机和环境恶化的严重困扰，节能减排逐渐成为汽车行业的焦点。混合动力汽车的产生为缓解能源匮乏和环境恶化带来新的希望。

其中，混合动力驱动系统是混合动力汽车的核心部件，是混合动力汽车的动力来源。在混合动力驱动系统当中，一般包括电机和发动机，电机采用纯电驱动，发动机采用燃油驱动，两者相互配合形成混合动力汽车的多样驱动方式。

然而，现有技术当中，目前大多数混合动力驱动系统都是在传统多档位变速器基础上变形或改进而来，普遍存在结构复杂，对车辆燃油经济性提高有限等问题。

技术实现要素：

为此，本发明的一个目的在于提出一种混合动力驱动系统，以解决现有技术结构复杂，对车辆燃油经济性提高有限的问题。

一种混合动力驱动系统，包括动力装置、机械控制装置、电机控制装置和动力传递装置；所述动力装置包括发动机、第一电机、第二电机，所述第二电机的主功能为驱动及制动能量回收；所述机械控制装置包括第一离合器、第二离合器；所述电机控制装置包括第一逆变器、第二逆变器；所述动力传递装置包括输入一档齿轮、输入二档齿轮、动力输出轴和驻车制动齿轮；

所述输入一档齿轮、所述第一离合器、所述输入二档齿轮、所述第二离合器、所述第一电机的从动齿轮、所述发动机依次连接；

所述第一电机的驱动轴连接所述第一电机的驱动齿轮，所述第一电机的驱动齿轮与所述第一电机的从动齿轮通过第一电机惰轮总成连接；

所述动力输出轴的输出轴一档齿轮与所述输入一档齿轮连接，所述动力输出轴的输出轴二档齿轮与所述输入二档齿轮连接，所述驻车制动齿轮连接在所述动力输出轴的末端；

所述第二电机的驱动轴连接所述第二电机的驱动齿轮，所述第二电机的驱动齿轮与所述输出轴一档齿轮连接；

所述第一电机、所述第一逆变器、电池、所述第二逆变器、所述第二电机依次连接。

根据本发明提供的混合动力驱动系统，相比基于传统多档位变速器进行改进的技术方案，结构更加简单，上述混合动力驱动系统，通过双电机、双离合器以及动力传递装置的配合，可以实现提高燃油经济性所需要的全部功能，例如低负载下的电机独立驱动、高负载下的内燃机单独驱动、混动驱动、制动能量回收、行进中启动发动机、行进中发电等功能，此外，该系统中第二电机既能用于驱动，又能用于制动能量回收(发电)，所有档位都有第二电机直连，能够使所有减速工况均实现制动能量回收，回收过程中无换挡动作，能量回收效率高，有助于提升燃油经济性。

另外，根据本发明上述的混合动力驱动系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述混合动力驱动系统还包括减震器，所述减震器连接在所述发动机和所述第一电机的从动齿轮之间。

进一步地，所述混合动力驱动系统还包括差速器总成，所述动力输出轴的主动齿轮与所述差速器总成连接。

进一步地，所述第一电机与所述第一逆变器通过第一电机高压线束连接，所述第一逆变器与所述电池通过第一逆变器电池线束连接，所述第二电机与所述第二逆变器通过第二电机高压线束连接，所述第二逆变器与所述电池通过第二逆变器电池线束连接，所述第一逆变器与所述第二逆变器通过逆变器间线束连接。

本发明的另一个目的在于提出上述混合动力驱动系统的控制方法，包括：

当车辆处于停车状态，且电池电量不足时，进入停车充电模式，所述第一离合器分离，所述第二离合器分离，通过所述发动机驱动，所述第一电机处于发电状态，所述第二电机处于自由状态，在发电时，所述第一电机产生的交流电经所述第一逆变器转为直流电，然后传递给所述电池存储；

当车辆处于停车状态，且需要启动所述发动机时，进入停车冷启动模式，所述第一电机处于驱动状态，所述第一离合器分离，所述第二离合器分离，启动所述发动机，所述第二电机处于自由状态。

进一步地，所述方法还包括：

当车速在预设的低速范围内时，进入纯电驱动模式，所述第二电机处于驱动状态，所述发动机关闭，所述第一离合器、所述第二离合器处于分离状态，所述第一电机处于自由状态；电量不足时，可以切换到增程模式；

当车辆处于纯电驱动，且需要启动所述发动机时，进入纯电驱动行进间启动发动机模式，保持所述第二电机的驱动状态不变，所述第一离合器、所述第二离合器处于分离状态，所述第一电机处于驱动状态，所述发动机被启动；

当车辆处于纯电驱动，且电量低于电量阈值时，进入增程模式，所述发动机驱动，所述第一电机发电，所述第一离合器、所述第二离合器处于分离状态，所述第二电机驱动；所述第一电机产生的交流电不经过所述第一逆变器和所述电池，直接传递给所述第二电机，使所述第二电机驱动车辆行驶；

当满足系统制动能量回收条件时，进入能量回收模式，所述发动机保持关闭状态，所述第一离合器、所述第二离合器处于分离状态，所述第一电机处于自由状态，所述第二电机为发电状态，在发电时，所述第二电机产生的交流电经所述第二逆变器转为直流电，然后传递给所述电池存储。

进一步地，所述方法还包括：

当车速在预设的中速范围内时，进入发动机一档独立驱动模式，所述发动机处于驱动状态，所述第一离合器接合，所述第二离合器分离，所述第一电机、所述第二电机处于自由状态；

当所述发动机一档驱动，且扭矩需求小于第一需求阈值时，进入发动机一档驱动补电模式，所述发动机驱动，所述第一离合器接合，所述第二离合器分离，所述第一电机处于发电状态，所述第二电机处于自由状态，所述第一电机产生的交流电经所述第一逆变器转为直流电，然后传递给所述电池存储；

当所述发动机一档独立驱动或者纯电驱动均无法满足整车驱动扭矩需求时，进入一档混合驱动模式，所述第一电机处于自由状态，所述发动机处于驱动状态，所述第一离合器接合，所述第二离合器分离，所述第二电机处于驱动状态，通过所述发动机和所述第二电机同时驱动，以满足整车驱动扭矩需求。

进一步地，所述方法还包括：

当车速在预设的第一高速范围内，且纯电驱动效率无法提供足够的功率时，进入发动机二档独立驱动模式，所述发动机驱动，所述第一离合器分离，所述第二离合器接合，所述第一电机处于自由状态，所述第二电机处于自由状态；

当所述发动机二档驱动，且扭矩需求小于第二需求阈值时，进入发动机二档驱动补电模式，所述发动机处于驱动状态，所述第一电机发电，所述第一离合器分离，所述第二离合器接合，所述第二电机处于自由状态，通过所述发动机驱动车辆行驶，同时将多余的能量通过所述第一电机发出的交流电经所述第一逆变器转为直流电，然后传递给所述电池存储；

当车速在预设的第二高速范围内，纯电驱动或者发动机二档独立驱动，且驾驶员请求更大扭矩时，进入二档混合驱动模式，所述发动机处于驱动状态，所述第一离合器分离，所述第二离合器接合，所述第一电机处于自由状态，所述第二电机驱动，所述第二电机产生扭矩用于补偿驾驶员扭矩需求。

进一步地，所述方法还包括：

当需要倒车时，进入纯电驱动倒车模式，所述发动机处于关闭状态，所述第一离合器、所述第二离合器处于分离状态，所述第一电机处于自由状态，所述第二电机反转驱动车辆倒车；

当车辆需要倒车的时间超过时间阈值，或者所述电池无法为倒车提供足够的电量时，进入串联驱动倒车模式，所述发动机由关闭切换到驱动状态，所述第一离合器和所述第二离合器保持原分离状态不变，所述第一电机由自由状态切换到发电状态，所述第二电机仍反转驱动，所述第一电机产生的交流电不传递给所述第一逆变器和所述电池，直接给所述第二电机使用；

当需要停车时，进入驻车p档模式，所述发动机关闭，所述第一离合器、所述第二离合器分离，所述第一电机、所述第二电机处于自由状态。

本发明的另一个目的在于提出一种采用上述混合动力驱动系统的汽车。

附图说明

本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一实施例的混合动力驱动系统的结构示意图；

图2是停车充电模式下的系统能量传递示意图；

图3是停车冷启动模式下的系统能量传递示意图；

图4是纯电驱动模式下的系统能量传递示意图；

图5是增程模式下的系统能量传递示意图；

图6是能量回收模式下的系统能量传递示意图；图6

图7是发动机一档独立驱动模式下的系统能量传递示意图；

图8是发动机一档驱动补电模式下的系统能量传递示意图；

图9是一档混合驱动模式下的系统能量传递示意图；

图10是发动机二档独立驱动模式下的系统能量传递示意图；

图11是发动机二档驱动补电模式下的系统能量传递示意图；

图12是二档混合驱动模式下的系统能量传递示意图；

图13是纯电驱动倒车模式下的系统能量传递示意图；

图14是驻车p档模式下的系统能量传递示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参阅图1，本发明一实施例提出的混合动力驱动系统，包括动力装置、机械控制装置、电机控制装置和动力传递装置。

所述动力装置包括发动机100、第一电机110、第二电机120，形成双电机，其中，所述第一电机110的主功能为发电，所述第二电机120的主功能为驱动及制动能量回收。具体在本实施例中，发动机100采用内燃机。

所述机械控制装置包括第一离合器210、第二离合器220，形成双离合器。

所述电机控制装置包括第一逆变器310、第二逆变器320。

所述动力传递装置包括输入一档齿轮410、输入二档齿轮420、动力输出轴430和驻车制动齿轮440；

所述输入一档齿轮410、所述第一离合器210、所述输入二档齿轮420、所述第二离合器220、所述第一电机110的从动齿轮113、所述发动机110依次连接。

所述第一电机110的驱动轴111连接所述第一电机110的驱动齿轮112，所述第一电机110的驱动齿轮112与所述第一电机110的从动齿轮113通过第一电机惰轮总成114连接。

所述动力输出轴430的输出轴一档齿轮431与所述输入一档齿轮410连接，所述动力输出轴430的输出轴二档齿轮432与所述输入二档齿轮420连接，所述驻车制动齿轮440连接在所述动力输出轴430的末端。

所述第二电机120的驱动轴121连接所述第二电机120的驱动齿轮122，所述第二电机120的驱动齿轮122与所述输出轴一档齿轮431连接。

所述第一电机110、所述第一逆变器310、电池500、所述第二逆变器320、所述第二电机120依次连接。

具体的，所述第一电机110与所述第一逆变器310通过第一电机高压线束610连接，所述第一逆变器310与所述电池500通过第一逆变器电池线束620连接，所述第二电机120与所述第二逆变器320通过第二电机高压线束630连接，所述第二逆变器320与所述电池500通过第二逆变器电池线束640连接，所述第一逆变器310与所述第二逆变器320通过逆变器间线束650连接。

本实施例中，为了降低动力装置内的振动，所述混合动力驱动系统还包括减震器700，所述减震器700连接在所述发动机100和所述第一电机110的从动齿轮113之间。

所述混合动力驱动系统还包括差速器总成800，所述动力输出轴430的主动齿轮433与所述差速器总成800连接，通过差速器总成800连接车轮的前轮和/或后轮(图未示出)。

此外，该混合动力驱动系统还应当包括对电机、轴承、齿轮进行主动润滑、冷却的液压系统，控制电机、冷却系统的计算机控制单元，以及壳体等其他构成完整变速器所需的零部件，这些零部件、液压系统、计算机控制单元等可以采用传统技术，在此不与赘述。

基于上述的混合动力驱动系统，能够从以下几方面提高车辆的燃油经济性：

(1)车辆在频繁启停、车速较低的工况下，采用纯电驱动，避免内燃机在高油耗区工作；当纯电驱动无法满需求足扭矩时，使用内燃机一档电驱并联驱动或者内燃机二档电驱并联驱动，能满足大扭矩需求；

(2)在中速工况下，存在三种情况：①当电机驱动时系统效率高于内燃机一档驱动的系统效率时，通过纯电驱动，使系统综合效率最高；②当电机驱动效率低于内燃机一档或者内燃机二档效率时，通过内燃机一档或者二档独立驱动，使系统综合效率最高；③当需要更强的动力输出时，可选择内燃机一档电驱并联驱动或者内燃机二档电驱并联驱动。

(3)当路面阻力较小，内燃机在低扭状态工作时，内燃机效率较低，可通过增加内燃机扭矩，将内燃机调整到高效区间，一部分扭矩分配给电机，对电机进行充电，另一部分扭矩维持整车运行，提高整车的综合效率。

(4)在高速工况下，内燃机效率较高，通过内燃机二档独立驱动车辆，减少对电机使用，避免了“机械能-电能-机械能”转化过程的效率损失，进而提高综合效率。

(5)制动能量回收，由于该系统有双电机，所有档位都有第二电机直连，第二电机既能驱动，又能发电，所有减速工况均可实现制动能量回收，回收过程中无换挡动作，能量回收效率高。

上述混合动力驱动系统，相比基于传统多档位变速器进行改进的技术方案，结构更加简单，通过双电机、双离合器以及动力传递装置的配合，可以实现提高燃油经济性所需要的全部功能，例如低负载下的电机独立驱动、高负载下的内燃机单独驱动、混动驱动、制动能量回收、行进中启动发动机、行进中发电等功能，此外，该系统中第二电机既能用于驱动，又能用于制动能量回收(发电)，所有档位都有第二电机直连，能够使所有减速工况均实现制动能量回收，回收过程中无换挡动作，能量回收效率高，有助于提升燃油经济性。

本发明的另一实施例还提出一种汽车，该汽车包括上述的混合动力驱动系统。

需要指出的是，采用上述混合动力驱动系统的汽车，可以省略内燃机后端的起动机，它的功能可以上述系统中的第一电机110完成，进一步简化结构。

通过发动机100、第一电机110、第二电机120、第一离合器210、第二离合器220的状态切换和组合能够形成不同的工作模式，各主要模式以及相应的传动元件的工作状态如表1所示。

表1

下面结合表1对上述混合动力驱动系统的具体控制方法进行说明，该控制方法包括：

1、请参阅图2，当车辆处于停车状态，且电池电量不足时，进入停车充电模式，所述第一离合器210分离，所述第二离合器220分离，通过所述发动机100驱动，所述第一电机110处于发电状态，所述第二电机120处于自由状态，在发电时，所述第一电机110产生的交流电经所述第一逆变器310转为直流电，然后传递给所述电池500存储。发动机100(即内燃机)处在经济转速区间，兼顾燃油经济性和噪声，当充电量达到一定比率时，可以根据需要切换其它模式。

2、请参阅图3，当车辆处于停车状态，且需要启动所述发动机100时，进入停车冷启动模式，所述第一电机110处于驱动状态，所述第一离合器210分离，所述第二离合器220分离，启动所述发动机100，所述第二电机120处于自由状态。停车时第一电机110冷启动发动机100不会产生舒适性问题；因为减少了原有内燃机起动机，减少了车辆的组成元件。

3、请参阅图4，当车速在预设的低速范围内时，进入纯电驱动模式，所述第二电机120处于驱动状态，所述发动机100关闭，所述第一离合器210、所述第二离合器220处于分离状态，所述第一电机110处于自由状态；电量不足时，可以切换到增程模式。当车速较低时，如果使用发动机100驱动，内燃机的燃油经济性较差，而使用纯电驱动覆盖低车速工况，可以使系统效率保持较高水平。

4、当车辆处于纯电驱动，且需要启动所述发动机100时，进入纯电驱动行进间启动发动机模式，保持所述第二电机120的驱动状态不变(可以为驱动或自由)，所述第一离合器210、所述第二离合器220处于分离状态，所述第一电机110处于驱动状态，所述发动机100被启动。行进间启动发动机100不需改变第一离合器210和第二离合器220的状态，不会产生抖动问题，使模式间切换不需停车即可完成，也不会有动力中断。

5、请参阅图5，当车辆处于纯电驱动，且电量低于电量阈值时，进入增程(串联)模式，所述发动机100驱动，所述第一电机110发电，所述第一离合器210、所述第二离合器220处于分离状态，所述第二电机120驱动；所述第一电机110产生的交流电不经过所述第一逆变器310和所述电池500，直接传递给所述第二电机120，使所述第二电机120驱动车辆行驶，减少了能量转化传递过程中的损失；增程模式能长时间工作，发动机100能长时间处于高效率区间。

6、请参阅图6，当满足系统制动能量回收条件时，进入能量回收模式，所述发动机100保持关闭状态，所述第一离合器210、所述第二离合器220处于分离状态，所述第一电机110处于自由状态，所述第二电机120为发电状态，在发电时，所述第二电机120产生的交流电经所述第二逆变器320转为直流电，然后传递给所述电池500存储。车辆进入制动能量回收模式，不需要额外的换挡过程。具体的，若电池500电量未处于饱和状态且电池500温度低于温度阈值时，可判定系统满足制动能量回收条件。

7、请参阅图7，当车速在预设的中速范围内时，进入发动机一档独立驱动模式，所述发动机100处于驱动状态，所述第一离合器210接合，所述第二离合器220分离，所述第一电机110、所述第二电机120处于自由状态。中速时发动机100处于油耗效率较高区间，此时相比纯电驱动档位，发动机一档独立驱动可以使系统效率保持较高水平。

8、请参阅图8，当所述发动机100一档驱动，且扭矩需求小于第一需求阈值时，进入发动机一档驱动补电模式，所述发动机100驱动，所述第一离合器210接合，所述第二离合器220分离，所述第一电机110处于发电状态，所述第二电机120处于自由状态，所述第一电机110产生的交流电经所述第一逆变器310转为直流电，然后传递给所述电池500存储。发动机一档速比较大，能提供较大输出扭矩。

9、请参阅图9，当所述发动机一档独立驱动或者纯电驱动均无法满足整车驱动扭矩需求时，进入一档混合驱动模式，所述第一电机110处于自由状态，所述发动机100处于驱动状态，所述第一离合器210接合，所述第二离合器220分离，所述第二电机120处于驱动状态，通过所述发动机100和所述第二电机120同时驱动，增大了总输出扭矩，能更好的满足爬坡、动力性等要求。

10、请参阅图10，当车速在预设的第一高速范围内，且纯电驱动效率无法提供足够的功率时，进入发动机二档独立驱动模式，所述发动机100驱动，所述第一离合器210分离，所述第二离合器220接合，所述第一电机110处于自由状态，所述第二电机120处于自由状态。该模式适用于车辆长时间高速运行，并省略了能量“机械能—电能—机械能”转化的环节，也消除了能量转化环节的能量消耗，减少了电气元件的发热温升；内燃机二档速比小于内燃机一档，高速行驶时，内燃机效率处于相对高效区间，从而使系统效率保持较高水平。

11、请参阅图11，当所述发动机二档驱动，且扭矩需求小于第二需求阈值时，进入发动机二档驱动补电模式，所述发动机100处于驱动状态，所述第一电机110发电，所述第一离合器210分离，所述第二离合器220接合，所述第二电机120处于自由状态，通过所述发动机100驱动车辆行驶，同时将多余的能量通过所述第一电机110发出的交流电经所述第一逆变器310转为直流电，然后传递给所述电池500存储，可以有效的避免能量的浪费，将能量合理的利用。

12、请参阅图12，当车速在预设的第二高速范围内，纯电驱动或者发动机二档独立驱动，且驾驶员请求更大扭矩时，进入二档混合驱动模式，所述发动机100处于驱动状态，所述第一离合器210分离，所述第二离合器220接合，所述第一电机110处于自由状态，所述第二电机120驱动，所述第二电机120产生扭矩用于补偿驾驶员扭矩需求。

13、请参阅图13，当需要倒车时，进入纯电驱动倒车模式，所述发动机100处于关闭状态，所述第一离合器210、所述第二离合器220处于分离状态，所述第一电机110处于自由状态，所述第二电机120反转驱动车辆倒车，实现电驱r档，可去除机械倒档，使机构更简单、紧凑。

需要说明的是，当车辆需要倒车的时间超过时间阈值，或者所述电池500无法为倒车提供足够的电量时，进入串联驱动倒车模式，所述发动机100由关闭切换到驱动状态，所述第一离合器210和所述第二离合器220保持原分离状态不变，所述第一电机110由自由状态切换到发电状态，所述第二电机120仍反转驱动，所述第一电机110产生的交流电不传递给所述第一逆变器310和所述电池500，直接给所述第二电机120使用，避免能量的浪费。

14、请参阅图14，当需要停车时，进入驻车p档模式，所述发动机100关闭，所述第一离合器210、所述第二离合器220分离，所述第一电机110、所述第二电机120处于自由状态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。