一种基于复合传动的混合动力汽车动力系统及运行模式切换方法

1.本发明涉及用于混合动力汽车的动力系统，具体涉及一种基于复合传动的混合动力汽车动力系统及运行模式切换方法。


背景技术：

2.目前，混合动力汽车兼具纯电动汽车与传统燃油车的优点，已成为汽车产业发展的一个重要方向。混合动力汽车能够以不同的模式运行应对复杂的工况，从而使得车辆能量流动的控制和能量消耗的优化具有更大的灵活性，更容易实现低油耗和低排放的双重目标。混合动力系统作为典型的多动力源输入与多目标控制系统，其在优化能量分配、制动能量回收、合理匹配动力系统参数以及协同控制等方面过程十分复杂。其控制策略在研发过程中不但要考虑不同工况下车辆的燃油经济性和动力性，还要兼顾各零部件可靠性、寿命及整车成本等多方面因素，技术难度大，是混合动力技术研究的核心内容及难点所在。因此，设计一种结构简单，控制精准，维护方便，可靠性高的多种传动方式复合的混合动力汽车动力系统方案就显得很有必要。


技术实现要素：

3.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于复合传动的混合动力汽车动力系统，包括发动机、扭矩减震器、行星齿轮机构、驱动电机、永磁耦合器、第一传动轴、第二传动轴、动力输出轴和模式离合器；
4.所述行星齿轮机构包括齿圈、行星架和太阳轮，所述行星架固定为与所述第一传动轴一起旋转，所述太阳轮与所述驱动电机刚性连接；
5.所述发动机、扭矩减震器、齿圈和永磁耦合器依次同轴设置进行刚性连接；
6.所述第一传动轴可选择性与所述动力输出轴相连；
7.所述第二传动轴以可旋转的方式支撑在所述第一传动轴上，可选择性与所述动力输出轴相连；
8.进一步，所述模式离合器用于将所述第一传动轴或所述第二传动轴独立地连接于所述动力输出轴；
9.进一步，所述永磁耦合器包括输入轴、输出轴、第一支架、第二支架、导电金属盘、导磁主动盘、定位柱、固定柱、法兰盘和气隙调节机构，输入轴与输出轴同轴设置，输入轴穿过法兰盘与第一支架可拆卸连接，输出轴的一端与导电金属盘的中部连接，输出轴的另一端穿过第二支架连接负载，定位柱与固定柱相对安装，定位柱依次穿装在第一支架、导磁主动盘和第二支架上，定位柱的两端分别与第一支架和第二支架的上端固定连接，固定柱的两端分别与第一支架和第二支架的下端固定连接，气隙调节机构固定安装在固定柱上；
10.更进一步的是，所述永磁耦合器通过气隙调节机构改变导磁主动盘与导电金属盘之间的间隙实现变速功能；
11.更进一步的是，所述多个永磁体装配在导磁主动盘上；
12.更进一步的是，所述导电金属盘为铜盘；
13.更进一步的是，所述气隙调节机构带动导磁主动盘沿定位柱轴向滑动；
14.更进一步的是，所述气隙调节机构为直线电机；
15.一种基于复合传动的混合动力汽车运行模式切换方法，可用于上述基于复合传动的混合动力汽车动力系统的控制，通过控制发动机、行星齿轮机构、驱动电机、永磁耦合器和模式离合器，能够使所述基于复合传动的混合动力汽车运行在纯电动、发动机单独驱动、混合驱动、行车充电及再生制动五种运行模式，具体过程为：
16.a、纯电动模式
17.行星齿轮机构中的齿圈处于锁止状态，发动机关闭，模式离合器处于第一结合状态下使第一传动轴与动力输出轴连接，驱动电机输出的动力经过太阳轮、行星架传递至第一传动轴，通过模式离合器后动力传递至动力输出轴；
18.b、发动机单独驱动模式
19.行星齿轮机构中的太阳轮处于锁止状态，驱动电机关闭，模式离合器处于第一结合状态下使第一传动轴与动力输出轴连接，发动机输出的动力经过扭矩减震器、齿圈及行星架传递至第一传动轴，通过模式离合器后动力传递至动力输出轴；
20.c、混合驱动模式
21.行星齿轮机构中的行星架处于锁止状态，模式离合器处于第二结合状态下使第二传动轴与动力输出轴连接，驱动电机输出的动力经过太阳轮、齿圈传递至永磁耦合器的输入轴，发动机输出的动力经过扭矩减震器传递至永磁耦合器的输入轴，永磁耦合器的输出轴将动力传递至第二传动轴，通过模式离合器后动力传递至动力输出轴；
22.d、行车充电模式
23.行星齿轮机构中的行星架处于锁止状态，模式离合器处于第二结合状态下使第二传动轴与动力输出轴连接，发动机输出的动力经过扭矩减震器后，一部分动力通过齿圈，太阳轮传递给驱动电机，驱动电机工作在发电状态，而另一部分动力则传递至永磁耦合器的输入轴，永磁耦合器的输出轴将动力传递至第二传动轴，通过模式离合器后动力传递至动力输出轴；
24.e、再生制动模式
25.行星齿轮机构中的齿圈处于锁止状态，发动机关闭，模式离合器处于第一结合状态下使第一传动轴与动力输出轴连接，车辆的动能可经过动力输出轴、模式离合器、第一传动轴、行星架、太阳轮传递至驱动电机，此时驱动电机工作在发电状态。
26.进一步，永磁耦合器所传递转矩与其磁力间隙大小直接相关，当导磁主动盘在气隙调节机构带动下沿定位柱轴向滑动时，若磁力间隙增大则导磁主动盘与导电金属盘之间的传递扭矩减小，反之，则电磁传动的扭矩变大，根据车辆行驶的工况状况，通过精确地控制直线电机进行磁力间隙的调整，从而可实现变矩的功能。
27.本发明的有益效果是：(1)本发明公开一种基于复合传动的混合动力汽车动力系统，通过将行星齿轮机构与永磁耦合器等部件引入动力传动系统，实现了机械传动与电磁传动相结合的复合传动方式，使该动力系统具备更强的工况适应性，提高了整车的燃油经济性，降低了尾气污染物的排放量；(2)采用永磁耦合器取代传统变速装置，通过精确地调
整磁力间隙可实现无级变矩功能，具有结构紧凑、运行可靠、维护成本低、防过载性能佳等优势，极大地拓展了混合动力汽车的应用领域；(3)本发明中双传动轴式的设计方案提高了系统的安全系数及车辆运行的可靠性，若任一动力部件出现故障，车辆仍能够运行，实现“跛行”功能。
附图说明
28.图1是根据本发明公开的基于复合传动的混合动力汽车动力系统的结构示意图；
29.图2是本发明所述的永磁耦合器的结构示意图；
30.图3是本发明中永磁耦合器的磁路示意图；
31.图4是本发明中模式离合器处于第一结合状态下混合动力汽车动力系统示意图；
32.图5是本发明中模式离合器处于第二结合状态下混合动力汽车动力系统示意图；
33.图1中：发动机-1、扭矩减震器-2、行星齿轮机构-3、驱动电机-4、永磁耦合器-5、第一传动轴-6、第二传动轴-7、动力输出轴-8和模式离合器-9，齿圈-301、行星架-302和太阳轮-303；
34.图2中：输入轴-508、输出轴-509、第一支架-501、第二支架-502、导电金属盘-503、导磁主动盘-504、定位柱-506、固定柱-500、气隙调节机构-507、永磁体-505、法兰盘-510；
具体实施方式
35.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。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.图1为根据本发明公开的一种基于复合传动的混合动力汽车动力系统的结构示意图，仅以示意方式显示与本发明有关的构成。如图1所示的一种基于复合传动的混合动力汽车动力系统，其包括发动机1、扭矩减震器2、行星齿轮机构3、驱动电机4、永磁耦合器5、第一传动轴6、第二传动轴7、动力输出轴8和模式离合器9；行星齿轮机构3包括齿圈301、行星架302和太阳轮303，其中行星架302固定为与第一传动轴6一起旋转，太阳轮303与驱动电机4是刚性连接；发动机1、扭矩减震器2、齿圈301和永磁耦合器5依次同轴设置并进行刚性连接；第一传动轴6可选择性与动力输出轴8相连；第二传动轴7以可旋转的方式支撑在第一传动轴6上，可选择性与动力输出轴8相连。这里优选的方案是采用模式离合器9将第一传动轴6或第二传动轴7独立地连接于动力输出轴8。
37.现在参照图2，示意性地对永磁耦合器5结构及其工作过程进行说明。永磁耦合器5包括输入轴508、输出轴509、第一支架501、第二支架502、导电金属盘503、导磁主动盘504、定位柱506、固定柱500、法兰盘510和气隙调节机构507；其中，输入轴508与输出轴509同轴设置，输入轴508穿过法兰盘510与第一支架501可拆卸连接，输出轴509的一端与导电金属盘503的中部连接，输出轴509的另一端穿过第二支架502连接负载，定位柱506与固定柱500相对安装，定位柱506依次穿装在第一支架501、导磁主动盘504和第二支架502上，定位柱506的两端分别与第一支架501和第二支架502的上端固定连接，固定柱500的两端分别与第一支架501和第二支架502的下端固定连接，气隙调节机构507固定安装在固定柱500上；多
个永磁体505装配在导磁主动盘504上；这里优选的气隙调节机构实现方案为直线电机，直线电机主要由初级与次级两部分构成，其中次级与导磁主动盘504相连接，能够带动导磁主动盘504沿定位柱506轴向滑动，从而改变导磁主动盘504与导电金属盘503之间的间隙。
38.在本实施例中，永磁耦合器5工作过程可概括为：在输入轴508的带动下，导磁主动盘504进行同步旋转，故导磁主动盘504产生旋转磁场使导电金属盘503上感应产生出涡流，由涡流产生的电磁场正好与永磁体的磁场相互耦合并在切向方向产生合力，进而拖动导电金属盘503随导磁主动盘504旋转，从而在输出轴509上产生电磁转矩输出。永磁耦合器的工作原理与感应电机相类似，其磁路示意图如图3所示。考虑到铜的导电性能较为优异且成本也相对合适，这里导电金属盘的优选方案为铜盘。
39.永磁耦合器5所传递转矩与其磁力间隙大小直接相关，当导磁主动盘504在气隙调节机构507带动下沿定位柱506轴向滑动时，若磁力间隙增大则导磁主动盘504与导电金属盘503之间的传递扭矩减小，反之，则电磁传动的扭矩变大。根据车辆行驶的工况状况，通过精确地控制直线电机进行磁力间隙的调整，从而可实现变矩的功能。
40.一种基于复合传动的混合动力汽车运行模式切换方法，可用于上述基于复合传动的混合动力汽车动力系统，通过控制发动机1、行星齿轮机构3、驱动电机4、永磁耦合器5和模式离合器9，实现纯电动、发动机单独驱动、混合驱动、行车充电及再生制动五种运行模式。其中，发动机1具有开启/关闭两种状态；驱动电机4具有驱动/发电/关闭三种状态；行星齿轮机构3在工作过程中需要锁止齿圈301、行星架302或太阳轮303中的任意一个部件；永磁耦合器5可通过控制气隙调节机构507改变磁力间隙从而实现变矩的功能；模式离合器9具有第一结合状态、第二结合状态和分离状态三种状态。这里需要说明的是当车辆处于停车状态时，模式离合器9处于分离状态，可将车辆的传动系统与车轮部分进行分离，避免由于外部冲击对传动系统造成机械损伤。
41.上述各种运行模式的具体过程为：
42.(1)纯电动模式
43.行星齿轮机构3中的齿圈301处于锁止状态，发动机1关闭，模式离合器9处于第一结合状态下使第一传动轴6与动力输出轴8连接(如图4所示)，驱动电机4输出的动力经过太阳轮303、行星架302传递至第一传动轴6，通过模式离合器9后动力传递至动力输出轴8，最终可传递到车轮，实现车辆的纯电动运行；
44.(2)发动机单独驱动模式
45.行星齿轮机构3中的太阳轮303处于锁止状态，驱动电机4关闭，模式离合器9处于第一结合状态下使第一传动轴6与动力输出轴8连接(如图4所示)，发动机1输出的动力经过扭矩减震器2、齿圈301及行星架302传递至第一传动轴6，通过模式离合器9后动力传递至动力输出轴8；在该模式下，行星齿轮机构3等效于一个固定传动比的减速器，达到减速同时提高扭矩输出的效果；
46.(3)混合驱动模式
47.行星齿轮机构3中的行星架302处于锁止状态，模式离合器9处于第二结合状态下使第二传动轴7与动力输出轴8连接(如图5所示)，驱动电机4输出的动力经过太阳轮303、齿圈301传递至永磁耦合器5的输入轴508，发动机1输出的动力经过扭矩减震器2传递至永磁耦合器5的输入轴508，永磁耦合器5的输出轴509将动力传递至第二传动轴7，通过模式离合
器9后动力传递至动力输出轴8；这里需要说明的是，永磁耦合器5与变速器的功能相类似，可实现变矩功能，使得动力源输出的扭矩能够更好地满足车辆行驶的需求；
48.(4)行车充电模式
49.行星齿轮机构3中的行星架302处于锁止状态，模式离合器9处于第二结合状态下使第二传动轴7与动力输出轴8连接(如图5所示)，发动机1输出的动力经过扭矩减震器2后，一部分动力通过齿圈301，太阳轮303传递给驱动电机4，驱动电机4工作在发电状态，而另一部分动力则传递至永磁耦合器5的输入轴508，永磁耦合器5的输出轴509将动力传递至第二传动轴7，通过模式离合器9后动力传递至动力输出轴8；在该模式下，发动机的一部分机械能由驱动电机转化为电能，并存储在动力电池(附图1中未画出)内，避免了动力电池由于“亏电”造成永久性损伤问题，提高了车辆应对不同工况的灵活性；
50.(5)再生制动模式
51.行星齿轮机构3中的齿圈301处于锁止状态，发动机1关闭，模式离合器9处于第一结合状态下使第一传动轴6与动力输出轴8连接(如图4所示)，车辆的动能可经过动力输出轴8、模式离合器9、第一传动轴6、行星架302、太阳轮303传递至驱动电机4，此时驱动电机4工作在发电状态；在该模式下，将车辆多余的动能转化为电能并存储在动力电池内，有利于提高整车的燃油经济性。
52.本发明所提出的基于复合传动的混合动力汽车动力系统具有结构紧凑、运行可靠、维护成本低等优点，其五种运行模式使得该系统具有更强的工况适应性，能够获得更佳的燃油经济性，减少尾气污染物的排放量。
53.以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。