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CN101804811A - 车辆用混合动力控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车辆用混合动力控制系统，包括发动机、第一发电机/电动机、第二发电机/电动机、动力耦合与分配装置和控制器；动力耦合与分配装置是由壳体内的行星齿轮机构、制动器和离合器构成的组合机构；其中：行星齿轮机构包括太阳轮、行星架、齿圈和行星轮；制动器设置在行星架上用于行星架的制动；离合器用于控制太阳轮和行星架间的相对转动；发动机的输出轴与行星架相连，第一发电机/电动机的转子与太阳轮相连，第二发电机/电动机的转子直接与齿圈或通过减速机构与齿圈相连。本发明以一种混合动力控制系统实现车辆纯电动、混联驱动、纯发动机驱动和并联驱动四种驱动模式，提高了车辆的动力性和经济性。

Description

车辆用混合动力控制系统
技术领域
本发明涉及一种车辆用混合动力控制系统，尤其是一种车辆用混合动力控制系统。
背景技术
通常，把混合动力驱动装置分为串联、并联和混联三种结构类型。串联结构因传动效率过低逐渐被淘汰。并联结构的优点是传动效率高，缺点是自身不能调整发动机的工作转速。混联结构克服了并联的缺点，综合性能较好，但是在高速行驶时的总效率低于传统车辆的直接档驱动。
典型的混联结构由发动机、发电机、电动机、普通的行星齿轮机构构成，以行星齿轮机构作为动力耦合和分配装置，为车辆提供纯电动、混联驱动两种驱动模式，但这种系统存在以下两个方面的问题：一是，发电机通常除了启动发动机时用做电动机外只能做发电机，不能作为驱动电机直接驱动车辆使用，造成功能上的浪费，不能发挥两个电机同时驱动的优势。二是，虽然混合动力系统在车辆中、低速运行时通过优化发动机工作点能提高发动机效率，但在高速时由于发动机的一部分动力由发电机转换成电能，再由电动机转换成机械能，而不能实现纯发动机以机械方式对车辆的直接驱动，装换环节增多使得车辆在高速巡航时的总效率不高。
解决上述两个方面的问题，有助于进一步提高混合动力车辆的动力性和经济性，减少排放，节约能源。目前，利用电机和行星排组成的混合动力系统发明专利中，诸如：
美国公开的专利号为US 6527659B1，公开日2003年3月4日，名称为《TWO-MODEINPUT-COMPOUND SPLIT ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION FOR FRONT WHEEL DRIVEVEHICLES》(用于前轴驱动车辆的双模式输入分配的机电变速箱)；
美国公开的专利号为5935035，公开日为1999年8月10日，发明创造名称为《ELECTRO-MECHANICAL POWERTRAIN》(电子-机械动力总成)；
公开号为CN101480913A，其公开日为2009年7月15日，名称为《一种电子无极变速并联式混合动力驱动装置》的中国发明专利申请；
公开号CN101274589A，其公开日为2008年10月1日，名称为《车辆用混合动力系统》的中国发明专利申请。
以上这些专利文献中的技术方案基本上可以归类为电机和行星排组成的混合动力系统，但都没有解决双电机均以电动机方式同时驱动和纯发动机直接驱动这两个问题。
另外，即使现有技术中的综合性能相对较好的混联结构，也不能适合车辆的各种行驶工况。混联、并联、纯电动、甚至传统车辆结构都各有自身适应的工况。因此，需要针对不同的行驶工况，构思集多种驱动模式为一身的混合动力控制系统。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种车辆用混合动力控制系统，基本构思是将车辆的行驶过程划分成起步或倒车、低速或高速小负荷、高速中负荷、高速大负荷四种典型工况，采用一种由行星齿轮机构、制动器和离合器组成的组合机构作为动力耦合和分配装置，用制动器和离合器改变行星齿轮机构的传动方式，通过控制器控制来实现车辆纯电动、混联驱动、纯发动机驱动和并联驱动四种驱动模式。可以依据车辆运行工况灵活选择，从而提高了车辆的动力性、经济性和排放性。
为了解决上述技术问题，本发明车辆用混合动力控制系统予以实现的一种技术方案是：该混合动力控制系统，包括发动机、第一发电机/电动机、第二发电机/电动机、动力耦合与分配装置、控制器；所述动力耦合与分配装置包括太阳轮、行星架、齿圈、行星轮、制动器和离合器；所述制动器包括固定部分和转动部分；其中：所述发动机的输出轴与所述行星架相连，所述第一发电机/电动机与所述太阳轮相连，所述第二发电机/电动机与所述齿圈相连，所述制动器用于所述行星架制动，所述离合器用于控制所述太阳轮和所述行星架间的相对转动；所述制动器的固定部分连接动力耦合与分配装置的壳体，所述制动器的转动部分连接所述行星架；所述离合器的一端连接所述行星架，所述离合器的另一端连接所述太阳轮，所述发动机的输出轴同所述行星架连接；所述控制器通过控制所述发动机、所述第一发电机/电动机、所述第二发电机/电动机、所述动力耦合与分配装置实现以下四种驱动工作模式：车辆在起步或倒车时以纯电动模式驱动，低速或高速小负荷时车辆以混联模式驱动，高速中负荷时车辆以纯发动机模式驱动，高速大负荷时车辆以并联驱动模式驱动。
本发明车辆用混合动力控制系统的另一种技术方案是：该混合动力控制系统，包括发动机、第一发电机/电动机、第二发电机/电动机、动力耦合与分配装置、控制器和减速机构；所述动力耦合与分配装置包括太阳轮、行星架、齿圈、行星轮、制动器和离合器；所述制动器包括固定部分和转动部分；其中：所述发动机的输出轴与所述行星架相连，所述第一发电机/电动机与所述太阳轮相连，所述第二发电机/电动机的转子通过所述减速机构与所述齿圈相连，所述制动器用于所述行星架制动，所述离合器用于控制所述太阳轮和所述行星架间的相对转动；所述制动器的固定部分连接动力耦合与分配装置的壳体，所述制动器45转动部分连接所述行星架；所述离合器的一端连接所述行星架，所述离合器的另一端连接所述太阳轮，所述发动机的输出轴同所述行星架连接；所述减速机构选择CVT变速器、AT变速器、AMT变速器或行星机构；所述控制器通过控制所述发动机、所述第一发电机/电动机、所述第二发电机/电动机、所述动力耦合与分配装置和所述减速机构实现以下四种工作模式：车辆在起步或倒车时以纯电动模式驱动，低速或高速小负荷时车辆以混联模式驱动，高速中负荷时车辆以纯发动机模式驱动，高速大负荷时车辆以并联驱动模式驱动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明车辆用混合动力控制系统，解决了采用双电机和行星排的混合动力车辆中，其中一个电机在发动机启动时短时间作为电动机启动发动机外，只能做发电机而不能作为驱动电机驱动车辆的问题。这样在原来双电机不变的情况下，本发明提高了车辆动力性；在原来车辆动力性不变的情况下，减少了电机体积，其电机控制器体积也相应减小，节约资源，降低成本。
另外，一般混合动力车辆虽然在车辆低速运行时可以提高发动机的效率，但是由于发动机的一部分动力由发电机转换成电能，再由电动机转换成机械能，使得车辆在高速巡航时的总效率并不高；采用本发明的混合动力系统，实现只依靠发动机输出动力的直接驱动，从而提高车辆动力性和能源利用效率。
本发明能够为车辆提供纯电动、混联驱动、纯机械传动、并联驱动四种驱动模式，可以依据车辆运行工况灵活选择，提高了车辆的动力性、经济性和排放性。具体效果如下：
车辆起步或倒车时，以混联驱动模式运行，发电机和电动机都能够以电动方式工作驱动车辆，提高了车辆的驱动力，这种双电机工作方式可以减小了电机体积，节约材料，提高了效率；
车辆低速或高速小负荷时，以混联驱动模式运行，提高了发动机的效率；
车辆高速中负荷时，以纯机械传动模式运行，提高了传动系的效率；
车辆高速大负荷时，以并联驱动模式运行，除发动机驱动车辆外，发电机和电动机都以电动方式参与驱动车辆，提高了车辆的动力性；
在混合动力系统中实现了自动变速系统中的驻车档和空挡功能。
附图说明
图1-1为本发明车辆用混合动力控制系统第一种技术方案的结构示意简图；
图1-2是图1-1中所示动力耦合与分配装置4的端向视图；
图2为本发明车辆用混合动力控制系统第二种技术方案的结构示意简图；
图中：1、发动机，2、第一发电机/电动机，3、第二发电机/电动机，4、动力耦合与分配装置，5、控制器，6、减速机构；4.1、太阳轮，42、行星架，43、齿圈，44、行星轮，45、制动器，46、离合器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
实施方式1：
如图1-1和图1-2所示，作为实现本发明车辆用混合动力控制系统基本构思的第一种技术方案是：包括发动机1、第一发电机/电动机2、第二发电机/电动机3、动力耦合与分配装置4、控制器5。所述动力耦合与分配装置4，包括太阳轮41、行星架42、齿圈43、行星轮44、制动器45、离合器46。其中，所述制动器45用于所述行星架42制动，所述制动器45包括固定部分和转动部分，所述制动器45的转动部分连接所述行星架42，所述发动机1的输出轴与所述行星架42相连；所述离合器46用于控制所述太阳轮41和所述行星架42之间的相对转动，所述离合器46的一端连接所述行星架42，所述离合器46的另一端连接所述太阳轮41，所述第一发电机/电动机2的转子与所述太阳轮41相连，所述第二发电机/电动机3的转子与所述齿圈43相连，由所述齿圈43输出动力。
上述车辆用混合动力控制系统可以实现的四种工作模式如下：
在起步或倒车时，车辆以纯电动模式运行，所述制动器45锁止，所述离合器46松开，所述发电机/电动机2和发电机/电动机3都以电动机方式工作，共同驱动车辆。
在低速或高速小负荷时，车辆以混联驱动模式运行，所述制动器45松开，所述离合器46松开，所述发电机/电动机2以发电方式工作，发电机/电动机3以电动方式工作，所述发动机1的输出轴的一部分动力以机械方式直接驱动车辆，另一部分动力由所述发电机/电动机2发电，再由发电机/电动机3驱动车辆，形成无极变速传动。
在高速中负荷时，车辆以纯机械传动模式运行，所述制动器45松开，所述离合器46锁止，所述太阳轮41、所述行星架42、所述齿圈43形成一体，所述发动机1的输出轴的动力以机械传动方式直接驱动车辆，形成直接档传动。
在高速大负荷时，车辆以并联驱动模式运行，所述制动器45松开，所述离合器46锁止，除所述发动机1的输出轴以直接档形式驱动车辆外，所述发电机/电动机2和发电机/电动机3都能够以电动机方式工作驱动车辆。
驻车档停车时，所述制动器45锁止，所述离合器46锁止，车辆处于驻车状态。
空档停车时，所述制动器45锁止，所述离合器46松开，车辆处于待起步状态。
上述实施方式1实现了双电机同时作为电动机驱动车辆和纯发动机以直接档驱动车辆，提高车辆动力性和排放性，并在混合动力系统中集成了车辆自动变速装置中的驻车档和空挡功能。
实施方式2：
如图2所示，图2中所示动力耦合与分配装置4的端向视图同图1-2所示，作为实现本发明车辆用混合动力控制系统基本构思的第二种技术方案是：包括发动机1的输出轴、第一发电机/电动机2、第二发电机/电动机3、动力耦合与分配装置4、控制器5、减速机构6。所述动力耦合与分配装置4，包括太阳轮41、行星架42、齿圈43、行星轮44、制动器45、离合器46。其中，所述制动器45用于所述行星架42制动，所述制动器45包括固定部分和转转部分，所述制动器45的转动部分连接所述行星架42，所述发动机1的输出轴与所述行星架42相连；所述离合器46用于控制所述太阳轮41和所述行星架42之间的相对转动，所述离合器46的一端连接所述行星架42，所述离合器46的另一端连接所述太阳轮41，所述第一发电机/电动机2的转子与所述太阳轮41相连，第二发电机/电动机3的转子通过减速机构6与所述齿圈43相连，由所述齿圈43输出动力。
上述车辆用混合动力控制系统可以实现的四种工作模式如下：
在起步或倒车时，车辆以纯电动模式运行，所述制动器45锁止，所述离合器46松开，所述发电机/电动机2和发电机/电动机3都以电动机方式工作，共同驱动车辆。
在低速或中速或高速小负荷时，车辆以混联驱动模式运行，所述制动器45松开，所述离合器46松开，第一发电机/电动机2以发电方式工作，第二发电机/电动机3以电动方式工作，所述发动机1的输出轴的一部分动力以机械方式输出动力，同另一部分动力驱动第一发电机/电动机2以发电机工作方式发电，再由第二发电机/电动机3以电动机方式工作通过减速机构6输出动力，这两部分动力合成来驱动车辆，形成无极变速传动。
在高速中负荷时，车辆以纯发动机驱动模式运行，所述制动器45松开，所述离合器46锁止，所述太阳轮41、所述行星架42、所述齿圈43形成一体，所述发动机1的输出轴的动力以纯机械传动方式传递来驱动车辆，形成直接档传动。
在高速大负荷时，车辆以并联驱动模式运行，所述制动器45松开，所述离合器46锁止，除所述发动机1的输出轴动力驱动车辆外，第一发电机/电动机2和第二发电机/电动机3都能够以电动机方式工作驱动车辆，增大了汽车的驱动力，提高了汽车的加速能力。
驻车档停车时，所述制动器45锁止，所述离合器46锁止，车辆处于驻车状态。
空档停车时，所述制动器45锁止，所述离合器46松开，车辆处于待起步状态。
上述实施方式2实现了双电机同时作为电动机驱动车辆和纯发动机直接档驱动车辆，提高车辆动力性和排放性，在混合动力系统中集成了自动变速装置中的驻车档和空挡功能，第二发电机/电动机3采用高速电机增大了电机转速范围。
以上示意性地对本发明的内容及工作原理进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之例，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式，设计出的与本发明类似的结构及实施例，也属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种车辆用混合动力控制系统，包括发动机(1)、第一发电机/电动机(2)、第二发电机/电动机(3)、动力耦合与分配装置(4)、控制器(5)；其特征在于：
所述动力耦合与分配装置(4)包括太阳轮(41)、行星架(42)、齿圈(43)、行星轮(44)、制动器(45)和离合器(46)；所述制动器(45)包括固定部分和转动部分；其中：
所述发动机(1)的输出轴与所述行星架(42)相连，所述第一发电机/电动机(2)与所述太阳轮(41)相连，所述第二发电机/电动机(3)与所述齿圈43相连，所述制动器(45)用于所述行星架(42)制动，所述离合器(46)用于控制所述太阳轮(41)和所述行星架(42)间的相对转动；
所述制动器(45)的固定部分连接动力耦合与分配装置(4)的壳体，所述制动器(45)的转动部分连接所述行星架(42)；所述离合器(46)的一端连接所述行星架(43)，所述离合器(46)的另一端连接所述太阳轮(41)，所述发动机(1)的输出轴同所述行星架(42)连接；
所述控制器(5)通过控制所述发动机(1)、所述第一发电机/电动机(2)、所述第二发电机/电动机(3)、所述动力耦合与分配装置(4)实现以下四种驱动工作模式：车辆在起步或倒车时以纯电动模式驱动，低速或高速小负荷时车辆以混联模式驱动，高速中负荷时车辆以纯发动机模式驱动，高速大负荷时车辆以并联驱动模式驱动。
2.根据权利要求1所述车辆用混合动力控制系统，其特征在于：所述控制器5通过控制所述发动机1、所述第一发电机/电动机2、所述第二发电机/电动机3和所述动力耦合与分配装置4所实现的四种驱动工作模式，其实现过程具体如下：
在车辆或倒车起步时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)对所述发动机(1)进行制动，所述离合器(46)松开，所述第一发电机/电动机(2)和第二所述发电机/电动机(3)都以电动机方式工作，所述第一发电机/电动机(2)输出的驱动力和所述第二发电机/电动机(3)输出的驱动力，经所述动力耦合与分配装置(4)耦合后输出，实现车辆的纯电动驱动工作方式；
低速或高速小负荷时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)解除对所述发动机(1)的制动，所述离合器(46)松开，所述发动机(1)输出的动力在所述动力耦合与分配装置(4)中，首先经所述行星架(42)将其中的一部分动力传给所述太阳轮(41)，使所述第一发电机/电动机(2)以发电机方式工作，将另一部分动力传给所述齿圈(43)，从而实现了所述发动机(1)的动力分配；同时，所述第二发电机/电动机(3)以电动机方式工作驱动所述齿圈(43)，所述发动机(1)传递给所述齿圈(43)和来自所述第二发电机/电动机(3)的驱动力在所述齿圈(43)处实现了动力耦合，车辆以混联模式驱动；
在车辆高速中负荷时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)松开，所述离合器(46)结合，所述第一发电机/电动机(2)和所述第二发电机/电动机(3)都不工作，所述发动机(1)的动力直接经所述动力耦合与分配装置(4)输出，车辆以纯发动机驱动；
在车辆高速大负荷时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)松开，所述离合器(46)结合，所述第一发电机/电动机(2)都不工作，所述第二发电机/电动机(3)以电动机方式工作，所述发动机(1)输出的动力和所述第二发电机/电动机(3)输出的驱动力经所述动力耦合与分配装置(4)耦合后输出，车辆以并联驱动模式驱动；
3.一种车辆用混合动力控制系统，包括发动机(1)、第一发电机/电动机(2)、第二发电机/电动机(3)、动力耦合与分配装置(4)、控制器(5)和减速机构(6)；其特征在于：所述动力耦合与分配装置(4)包括太阳轮(41)、行星架(42)、齿圈(43)、行星轮(44)、制动器(45)和离合器(46)；所述制动器(45)包括固定部分和转动部分；其中：
所述发动机(1)的输出轴与所述行星架(42)相连，所述第一发电机/电动机(2)与所述太阳轮(41)相连，所述第二发电机/电动机(3)的转子通过所述减速机构(6)与所述齿圈(43)相连，所述制动器(45)用于所述行星架(42)制动，所述离合器(46)用于控制所述太阳轮(41)和所述行星架(42)间的相对转动；
所述制动器(45)的固定部分连接动力耦合与分配装置(4)的壳体，所述制动器45转动部分连接所述行星架(42)；所述离合器(46)的一端连接所述行星架(43)，所述离合器(46)的另一端连接所述太阳轮(41)，所述发动机(1)的输出轴同所述行星架(42)连接；
所述减速机构(6)选择CVT变速器、AT变速器、AMT变速器或行星机构；
所述控制器(5)通过控制所述发动机(1)、所述第一发电机/电动机(2)、所述第二发电机/电动机(3)、所述动力耦合与分配装置(4)和所述减速机构(6)实现以下四种工作模式：车辆在起步或倒车时以纯电动模式驱动，低速或高速小负荷时车辆以混联模式驱动，高速中负荷时车辆以纯发动机模式驱动，高速大负荷时车辆以并联驱动模式驱动。
4.根据权利要求3所述车辆用混合动力控制系统，其特征在于：所述控制器(5)通过控制所述发动机(1)、所述第一发电机/电动机(2)、所述第二发电机/电动机(3)、所述动力耦合与分配装置(4)和所述减速机构(6)所实现的四种工作模式，其实现过程具体如下：
在车辆或倒车起步时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)对所述发动机(1)进行制动，所述离合器(46)松开，所述第一发电机/电动机(2)和所述第二发电机/电动机(3)都以电动机方式工作，所述第一发电机/电动机(2)输出的驱动力和所述第二发电机/电动机(3)输出的驱动力经所述减速机构(6)减速后，再经所述动力耦合与分配装置(4)耦合后输出，实现车辆的纯电动驱动工作方式；
低速或高速小负荷时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)解除对所述发动机(1)的制动，所述离合器(46)松开，所述发动机(1)输出的动力在所述动力耦合与分配装置(4)中首先经所述行星架(42)将一部分动力传给所述太阳轮41，使所述第一发电机/电动机(2)以发电机方式工作，将另一部分动力传给所述齿圈(43)，从而实现了所述发动机(1)的动力分配；同时，所述第二发电机/电动机(3)以电动机方式工作，经所述减速机构(6)减速后驱动所述齿圈(43)，所述发动机(1)传递给所述齿圈(43)和来自所述第二发电机/电动机(3)的驱动力，在所述齿圈(43)处实现了动力耦合后输出，车辆以混联模式驱动；
在车辆高速中负荷时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)松开，所述离合器(46)结合，所述第一发电机/电动机(2)和所述第二发电机/电动机(3)都不工作，所述发动机(1)的动力直接经所述动力耦合与分配装置(4)输出，车辆以纯发动机驱动；
在车辆高速大负荷时，所述控制器(5)发出指令：控制所述制动器(45)松开，所述离合器(46)结合，所述第一发电机/电动机(2)都不工作，所述第二发电机/电动机(3)以电动机方式工作，所述发动机(1)输出的动力和所述第二发电机/电动机(3)输出的驱动力经所述减速机构(6)减速在所述动力耦合与分配装置(4)耦合后输出，车辆以并联驱动模式驱动。
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