CN102815198A - 基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统，包括内燃机、双质量飞轮、行星齿轮机构、前进档离合器、倒档制动器、驱动电机、电机控制器、电池、无级变速机构、减速器机构和差速器总成。无级变速机构包括主动带轮、从动带轮、金属带、电动油泵，与驱动电机、行星齿轮机构、前进档离合器、倒档制动器、减速器机构和差速器总成集成为混合动力专用无级变速器。无级变速机构取消液力变矩器，内燃机动力通过双质量飞轮传递至无级变速机构；所述主动带轮轴上集成驱动电机，而且采用电动油泵提供液压系统压力。其低速纯电动、取消怠速、发动机排量减小、电机助力、发动机稳态运行、制动能量回收等混合动力汽车节能的关键技术均可较好地实现。

Description

基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统

技术领域

本发明属于混合动力汽车领域，涉及一种以燃油和电力能源为动力源的混合动力汽车驱动系统，尤其是具备纯电动起步和行驶功能的基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统。

背景技术

发展节能和新能源汽车已经成为我国能源战略的必然选择，当前重点是推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。

无级变速器的速比可以在一定范围内连续改变，若用于混合动力汽车传动，可以根据整车状态，灵活地调整发动机工作点，使发动机工作在燃油效率高的区域，从而提高整车的燃油经济性并降低排放。目前无级变速器已成为量产混合动力汽车车型用得最多的传动方案。从目前国外应用开发现状来看，混合动力汽车的自动变速器有动力传动一体化的特点，即将电机与变速箱集成在一起，系统的结构更紧凑、动力的传递更平稳、控制性能更好，在多数量产的混合动力车型上得到应用。

目前市场上最成功的混合动力汽车是丰田Prius，其THS混联系统采用双电机结构，同时发动机采用燃油效率高的阿特金森循环，通过对电机的控制实现发动机始终工作在高效率点，而且该混联系统还具有纯电动行驶功能。但是其动力总成结构复杂、体积大、成本高。市场上另一成功的混合动力车型是本田Insight/Civic，其IMA系统结构简单，发动机与电机同轴并联，加速时电机助力保证了动力性能；采用更小排量的发动机提高了负荷率和燃油效率；采用ISG电机实现了怠速停机功能，降低了油耗。但是由于电机转子与发动机曲轴固定联接在一起，纯电动行驶时发动机被拖着转动，产生不必要的损耗，不具备长时间、高效率纯电动行驶的功能。

例如，专利文献CN101152837A公开了一种混合动力驱动装置。

该混合动力驱动装置包括发动机、启动发电机、离合器、变速机构、电动发电机和储能系统。其中启动发电机的转子连接到发动机的输出轴，离合器连接在启动发电机的转子轴与变速机构的输入轴之间，电动发电机的转子轴连接到变速机构的输出轴，变速机构的输出轴通过传动机构传递到车轮。由于取消了结构复杂的动力分配机构，因此本发明的混合动力驱动装置结构简单紧凑，布置相对灵活。此外，由于不存在复杂的能量转换，所以能量使用效率高，并且有较好的综合性能，包括车辆动力性、燃油经济性和排放特性等方面均有改善。

该混合动力驱动装置在发动机单独驱动时，发动机的动力经过启动发电机、离合器、变速机构以及传动机构直接传递到车轮；在电动发电机单独驱动时，电动发电机的动力通过变速机构的输出轴以及传动机构传递到车轮；在发动机和电动发电机共同驱动时，二者的动力在变速机构的输出轴上组合并通过传动机构传递到车轮；在汽车减速或者制动时，电动发电机作为发电机进行再生回馈制动，将车辆的惯性能转换为电能。

该混合动力驱动装置可以实现混合动力汽车的诸多功能，尤其是高效率的纯电动行驶功能，但是纯电动行驶时电机的输出转矩未经过变速机构，输出转矩有限，用于纯电动起步转矩偏小。为了实现怠速停机、自动重新启动发动机的功能，该驱动装置在发动机与离合器之间增加了启动发电机，使结构复杂化。

总结该混合动力驱动装置的不足主要有以下两点：第一、电动发电机转矩未经过变速机构减速升扭，不适合进行纯电动起步；第二、采用了电动发电机和启动发电机两个电机，结构复杂。

市场急需一种结构简单，能够实现高效率纯电动起步和行驶功能的混合动力汽车的驱动系统。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术的不足，提供一种简单、高效的针对混合动力汽车的驱动系统，从而能够实现高效率纯电动起步和行驶功能。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：提供一种基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统，包括内燃机、驱动电机、电池、减速机构、差速器总成、无级变速传动机构和换向机构，其特征在于，

所述换向机构包括行星齿轮机构、前进档离合器、倒档制动器，该换向机构用于连接内燃机和驱动电机，并能够在纯电动行驶时起到断开内燃机和驱动电机的作用，从而达到高效行驶的功能；

所述内燃机与所述行星齿轮机构的行星架相连，且能够通过对所述前进档离合器与倒档制动器的断开、接合控制实现发动机模式下的前进与倒车的功能；

所述驱动电机一端与行星齿轮机构的太阳轮相连，另一端与所述无级变速传动机构的主动带轮相连，且通过一电机控制器与所述电池相连以提供动力，当整车行驶需求功率小的时候，采用电机驱动车辆进行纯电动行驶，低功率需求的倒车功能直接通过电机反转实现。

其特征还在于，所述无级变速传动机构采用电动油泵给电液伺服系统提供油压，使得低速纯电动行驶时，驱动电机转速从零逐渐上升的过程中，无需内燃机协助，电动油泵可以直接给液压系统提供压力，驱动转矩可以顺利从主动带轮传递至从动带轮，然后驱动车辆行驶。

为了实现纯电动的倒车功能，所述驱动电机为具有双向转动功能的盘式永磁电机，所述驱动电机的额定功率为10～15千瓦，所述电池采用容量为5～10千瓦时的锂离子电池。

为了起到减振作用，有利于发动机的工作，还包括一组双质量飞轮，所述内燃机通过所述双质量飞轮与行星齿轮机构中的行星架相连。

以下对本发明所采用的技术方案做进一步叙述：基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统，包括内燃机、双质量飞轮、行星齿轮机构、前进档离合器、倒档制动器、驱动电机、电机控制器、电池、无级变速机构、减速器机构和差速器总成。所述无级变速机构包括主动带轮、从动带轮、金属带、电动油泵，其与驱动电机、行星齿轮机构、前进档离合器、倒档制动器、减速器机构和差速器总成集成为混合动力专用无级变速器。

所述内燃机通过一组双质量飞轮与混合动力专用无级变速器内的行星齿轮机构的行星架相连，通过对制动器与离合器的控制实现发动机模式下的前进与倒车的功能。所述驱动电机采用盘式永磁电机，一端与行星齿轮机构的太阳轮相连，另一端与无级变速机构的主动带轮相连，当整车行驶需求功率小的时候，采用电机驱动车辆进行纯电动行驶。低功率需求的倒车功能直接通过电机反转实现。当整车需求功率适中的时候采用纯内燃机驱动，若电池电量较低，则可将电机工作在发电状态，给电池充电。若整车需求功率大则在内燃机工作的同时由电机提供辅助动力。

相对于传统的无级变速传动车辆，本系统只需要增加一个电机和一组电池，而且取消了传统无级变速器的液力变矩器后，动力总成的结构简单、紧凑，运行可靠性高。本系统运行模式多样，可实现纯电动驱动、发动机与电动机并联驱动、发动机充电模式、再生制动模式、发动机单独驱动模式等。

本系统吸收了单轴并联型混合动力系统结构简单的优点，可以方便地实现电机助力功能，即使采用小排量发动机，整车动力性能仍然可以得到提高；同时本系统又克服了单轴并联型混合动力的不足，尤其是将行星齿轮机构置于发动机与电机之间，通过控制离合器与制动器可实现发动机与电机的灵活连接，便于实现高效率的纯电动起步和行驶功能，对于混合动力汽车可以明显提高燃油经济性和整车的动力性能。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

在上述附图中：

1-内燃机；2-双质量飞轮；3-行星齿轮机构；4-前进档离合器；5-倒档制动器；6-驱动电机；7-电机控制器；8-电池；9-电动油泵；10-主动带轮；11-金属带；12-从动带轮；13-减速机构；14-差速器总成；15-混合动力专用无级变速器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

参照附图1所示，本发明所描述的一种基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统包括内燃机1、双质量飞轮2、行星齿轮机构3、前进档离合器4、倒档制动器5、驱动电机6、电机控制器7、电池8、电动油泵9、主动带轮10、金属带11、从动带轮12、减速机构13、差速器总成14。其中除内燃机1、双质量飞轮2、电机控制器7、电池8之外的零部件集成在一起构成混合动力专用无级变速器15。

所述内燃机1通过一组双质量飞轮2与混合动力专用无级变速器14内的行星齿轮机构3的行星架相连，所述驱动电机6一端与行星齿轮机构3的太阳轮相连，另一端与所述无级变速传动机构的主动带轮10相连，且通过一电机控制器7与所述电池8相连以提供动力，主动带轮10通过金属带11带动从动带轮12，经过减速机构13、差速器总成14输出动力到车轮以驱动汽车行驶。

内燃机1可为汽油机或柴油机，若选用汽油机则建议采用工作循环为阿特金森循环的汽油发动机或者涡轮增压的汽油发动机。

行星齿轮机构3与前进档离合器4、倒档制动器5共同构成换向机构。纯电动行驶时，前进档离合器4、倒档制动器5均处于断开状态，行星架处于自由状态，发动机不会被拖着转动，从而实现了高效率的纯电动行驶。

无级变速机构采用电动油泵9给电液伺服系统提供油压。因此，低速纯电动行驶时，电机控制器7控制驱动电机6转速从零逐渐上升的过程中，由于电动油泵9可以给液压系统提供压力，驱动转矩可以顺利从主动带轮10传递至从动带轮12，然后驱动车辆行驶。

驱动电机6采用盘式永磁电机（无刷直流电机或永磁同步电机），具有双向转动的功能，纯电动行驶时的倒车功能直接通过电动机反转即可实现。整车行驶需求功率低时将采用纯电动行驶。与纯电动汽车相比，本发明混合动力汽车的电机功率和电池容量都可以相应减小，针对该混合动力汽车的特点，电机的额定功率一般选在10-15千瓦，为此配套的电池用5-10kw.h的锂离子电池。

内燃机1通过双质量飞轮2与行星齿轮机构3相连。双质量飞轮可以起到减振的作用，有利于发动机的工作。当整车行驶需求功率适中，将采用内燃机工作方式，此时控制前进挡离合器4接合，内燃机动力经过双质量飞轮至行星齿轮机构再到主动带轮10，经无级变速机构变矩后驱动车辆行驶。内燃机工作模式下，若需要实施倒车，则控制前进挡离合器4断开，倒车制动器5接合，大齿圈固定，转矩从行星架传递至太阳轮，同时转向改变，从而实现倒车功能。

本发明混合动力汽车驱动系统当整车行驶需求功率大时，在发动机驱动车辆的同时，电机控制器7控制驱动电机6工作在电动状态，两者共同驱动车辆行驶。

内燃机工作模式下，当电池8电量低于某下限值时，电机控制器7控制驱动电机6将工作在发电状态，内燃机1提供功率的一部分将用来给电池8充电。

当车辆减速或制动时，电机控制器7控制驱动电机6工作在发电状态，给电池8充电，将机械能转化为电能，实现制动能量回收。

本发明混合动力汽车驱动系统通过驱动电机6的高效率纯电动行驶改善了低速（低功率需求）行驶时的燃油经济性。中等功率需求时采用内燃机工作模式，同时将无级变速器速比按照最佳经济性规律进行匹配，使内燃机1工作时燃油效率始终比较高。内燃机1工作时，若电池8电量低于某下限则考虑让电机6工作在发电状态，提高内燃机负荷率的同时保持了电池电量的相对平衡，使整车动力系统的总效率达到最优。大功率需求时，内燃机1工作的同时由电机6提供辅助的动力，较好的满足整车行驶的动力性能要求。

总的来说，本发明混合动力汽车驱动系统结构简单，可实现混合动力汽车的各种功能，并且能够较好的满足混合动力汽车对燃油经济性和动力性的要求，尤其适合用于插电式混合动力汽车。

Claims (4)

1.一种基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统，包括内燃机（1）、驱动电机（6）、电池（8）、减速机构（13）、差速器总成（14）、无级变速传动机构和换向机构，其特征在于，

所述换向机构包括行星齿轮机构（3）、前进档离合器（4）、倒档制动器（5）；

所述内燃机（1）与所述行星齿轮机构（3）的行星架相连，且能够通过对所述前进档离合器（4）与倒档制动器（5）的断开、接合控制实现发动机模式下的前进与倒车的功能；

所述驱动电机（6）一端与行星齿轮机构（3）的太阳轮相连，另一端与所述无级变速传动机构的主动带轮（10）相连，且通过一电机控制器（7）与所述电池（8）相连以提供动力，当整车行驶需求功率小的时候，采用电机驱动车辆进行纯电动行驶，低功率需求的倒车功能直接通过电机反转实现。

所述换向机构、驱动电机（6）、无级变速传动机构、减速机构（13）、差速器总成（14）集成在一起构成混合动力专用无级自动变速器（15）。

2.根据权利要求1所述的基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统，其特征在于，所述无级变速传动机构采用电动油泵（9）给电液伺服系统提供油压。

3.根据权利要求1所述的基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统，其特征在于，所述驱动电机（6）为具有双向转动功能的盘式永磁电机，所述驱动电机（6）的额定功率为10～15千瓦，所述电池（8）采用容量为5～10千瓦时的锂离子电池。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于无级变速传动的混合动力汽车驱动系统，其特征在于，还包括一组双质量飞轮（2），所述内燃机（1）通过所述双质量飞轮（2）与行星齿轮机构（3）中的行星架相连。

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