CN103241123A - 城市公交车用混合动力传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆传动技术领域，具体涉及一种混合动力传动装置。一种城市公交车用混合动力传动装置，其技术方案是，它包括：发动机、联轴器、离合器、功率分流排、功率汇流排、第一制动器、第二制动器、双电子电机、第三制动器、输出轴、输入轴、储能装置和综合控制器；本发明采用行星轮系作为功率分流机构的实现装置，发动机动力输出至行星轮系的某一构件，行星轮系将扭矩按固定比例，一部分通过功率分流排直接输出，另一部分分配给双转子电机内电机，驱动内电机发电，外电机将输入的电能转变为机械能，利用功率汇流排与输出轴转矩叠加后输出，有利于减小电机的尺寸；利用综合控制器可以实现多种模式，可以充分利用电传动与机械传动的优点。

Description

城市公交车用混合动力传动装置

技术领域

本发明属于车辆传动技术领域，具体涉及一种混合动力传动装置。

背景技术

在传统的以内燃机为动力源的车辆设计中，主要是通过设置更多的档位数目来保证足够的动力性与良好的燃油经济性。而对于采用混合动力的车辆，同时采用电动机和发动机作为动力装置，通过储能装置（动力电池组等）和控制系统使两种动力装置协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗和低排放性能，特别是在交通拥挤的城市路段，节油率可以大大提高。

相比与小功率轿车混合动力传动装置，城市公交车辆通常需要采用更大功率的发电机和电动机，如何在保证城市公交车辆动力性和经济性的情况下，降低发电机和电动机的功率需求，减低成本，是混合动力公交车辆需要解决的技术问题。

双转子电机将传统混合动力汽车的电动机与发电机集成在一个电机，分为内电机和外电机，大大降低了空间需求，提高了功率密度。采用双转子电机的混合动力传动装置可实现无级调速，优化发动机工作状态，使车辆获得最佳的动力性能及燃油经济性能，在动力电池组配合下，可实现多运行模式，如电动模式、混合驱动模式、制动能量回收模式、对外供电模式、电池辅助加速模式等。相对于小轿车，城市公交车辆需要更宽的传动比范围，以满足低速大转矩启动和高速行驶模式。发动机加双转子电机直接输出的混合动力传动在一定电机功率的前提下，所能实现的传动比调节范围难以满足城市公交车的要求。传动的解决途径：一方面提高电机的功率等级，这会带来大体积重量及成本；另一方面，保持电机功率等级不变，通过串联变速箱增加挡位，扩大传动比范围，但双转子电机还需要传递发动机的全部功率和转矩，需要大功率双转子电机部件。

发明内容

本发明的目的是：提供一种适用于20吨级城市公交车辆用的多运行模式的混合动力传动装置，满足城市公交车对动力传动系统输出大转矩和宽变速范围的要求，改善公交车起步、牵引、加速性能，优化发动机工作状态，提高动力性和燃油经济性。

本发明的技术方案是：一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，它包括：发动机、联轴器、离合器、功率分流排、功率汇流排、第一制动器、第二制动器、双转子电机、第三制动器、输出轴、输入轴、储能装置和综合控制器；

发动机为柴油发动机，其通过联轴器，将动力传递至输入轴；

功率分流排包括：双级行星齿轮机构K1、单级行星齿轮机构K2、行星架A和齿圈、长行星轮和短行星轮；双级行星齿轮机构K1与单级行星齿轮机构K2共用行星架A和齿圈；短行星轮、长行星轮安装于行星架A，短行星轮与双级行星齿轮机构K1的太阳轮A啮合，长行星轮同时与短行星轮、齿圈、双级行星齿轮机构K1的太阳轮A以及单级行星齿轮机构K2的太阳轮B啮合；

功率汇流排K3包括：行星架C、齿圈C、行星轮和太阳轮C；行星轮安装于行星架C上，并与齿圈C、太阳轮C啮合；

双转子电机为永磁同步式，可作为电动机或发电机使用，它包括：内转子、外转子与定子；内转子与定子组成内电机，外转子与内转子组成外电机，内转子与双级行星齿轮机构K1的太阳轮A相连，外转子与功率汇流排K3的太阳轮C相连；内转子、定子通过导线与综合控制器相连，综合控制器通过导线与储能装置相连；

综合控制器对发动机、第一制动器、第二制动器、第三制动器和离合器进行控制；

输入轴连接功率分流排的齿圈，齿圈通过离合器将动力传递至输出轴，输出轴与功率汇流排K3的行星架C相连；

第一制动器制动单级行星齿轮机构K2的太阳轮B，第二制动器制动双级行星齿轮机构K1的太阳轮A，第三制动器制动功率汇流排K3的齿圈。

本发明的有益效果是：本发明通过复合传动功率分流的原理，通过机械功率和电机功率共同传递发动机功率，从而减小电机的功率等级；

（1）采用行星轮系作为功率分流机构的实现装置，发动机动力输出值行星轮系的某一构件，行星轮系将扭矩按固定比例，一部分直接输出，另一部分分配给双转子电机内电机，内电机发电，外电机将输入的电能转变为机械能，利用功率汇流排与输出轴转矩叠加后输出。通过合理的匹配设计，可以减小双转子电机的内、外电机所承受的转矩，即有利于减小电机的尺寸；

（2）利用综合控制器对制动器、双转子电机、离合器、发动机的协调控制，可以实现多种模式，可以充分利用电传动与机械传动的优点；同时利用内电机反拖起动发动机，省略了发动机起动机；

（3）在起步、中低速工况下，采用了行星轮系和双转子电机分流传动，功率分成两路传递，降低了双转子电机的功率和转矩的需求，实现了无级传动的功能，提高了燃油经济性；相比与传统液力机械有级传动装置，降低了换挡次数，提高了乘车舒适性。另外通过分流传动，机械传递一部分功率，较液力机械传动提高了传动装置的低速时传动效率。频繁减速和制动时，可利用外电机起到缓速和制动能力回收的作用；

（4）高速行驶工况采用三个固定速比，满足高速工况高效传动的需求，并可实现并联式混合驱动，双转子电机只在换挡过程中发挥作用。倒车可以利用双转子电机外电机的反转来实现，这也简化了变速结构的结构；

（5）输入轴、输出轴、电机、离合器、制动器及行星排都可以同轴布置，节省空间，提高功率密度。

附图说明

图1是本发明的传动装置的示意图；

图2是第三制动器制动时，用于实现纯电驱动模式的示意图；

图3是第一制动器制动时，用于实现双转子电机的内电机反拖起动发动机功能的示意图；

图4是起步或中低速运行时，用于实现双转子电机的内电机发电、发动机与双转子电机的外电机混合驱动模式的示意图；

图5是第一制动器制动或第二制动器制动时，用于实现固定档1、固定档3的纯机械驱动模式的示意图；

图6是离合器接合时，用于实现固定档2的纯机械驱动模式的示意图；

图7是第一制动器制动时，用于实现驻车发电模式；

图8是第三制动器制动时，用于减速制动发电模式；

图9是第三制动器制动时，用于实现倒车模式；

其中，1-发动机、2-联轴器、3-离合器、5-第一制动器、6-第二制动器、7-双转子电机、8-齿圈C、9-行星轮、10-行星架C、11-输出轴、12-太阳轮C、13-第三制动器、14-内转子、15-外转子、16-定子、17-太阳轮B、18-长行星轮、19-齿圈、20-行星架A、21-短行星轮、22-太阳轮A、23-输入轴、24-储能装置、27-综合控制器。

具体实施方式

参见附图1、一种城市公交车用混合动力传动装置，它包括：发动机1、联轴器2、离合器3、功率分流排、功率汇流排、第一制动器5、第二制动器6、双转子电机7、第三制动器13、输出轴11、输入轴23、储能装置24和综合控制器27；

发动机1为柴油发动机，其通过联轴器2，将动力传递至输入轴23；

功率分流排包括：双级行星齿轮机构K1、单级行星齿轮机构K2、行星架A20和齿圈19、长行星轮18和短行星轮21；双级行星齿轮机构K1与单级行星齿轮机构K2共用行星架A20和齿圈19；短行星轮21、长行星轮18安装于行星架A20，短行星轮21与双级行星齿轮机构K1的太阳轮A22啮合，长行星轮18同时与短行星轮21、齿圈19、双级行星齿轮机构K1的太阳轮A22以及单级行星齿轮机构K2的太阳轮B17啮合；

功率汇流排K3包括：行星架C10、齿圈C8、行星轮9和太阳轮C12；行星轮9安装于行星架C10上，并与齿圈C8、太阳轮C12啮合；

双转子电机7为永磁同步式，可作为电动机或发电机使用，它包括：内转子14、外转子15与定子16；内转子14与外转子15组成内电机，外转子15与定子16组成外电机，内转子14与双级行星齿轮机构K1的太阳轮A22相连，外转子15与功率汇流排K3的太阳轮C12相连；内转子14、定子16通过导线与综合控制器27相连，综合控制器27通过导线与储能装置24相连；

综合控制器27对发动机1、第一制动器5、第二制动器6、第三制动器13和离合器3进行控制；第一制动器5、第二制动器6、第三制动器13为湿式多片制动器，所述的离合器3为湿式多片离合器。

输入轴23连接功率分流排的齿圈19，齿圈19通过离合器3将动力传递至输出轴11，输出轴11与功率汇流排K3的行星架C10相连；

第一制动器5制动单级行星齿轮机构K2的太阳轮B17，第二制动器6制动双级行星齿轮机构K1的太阳轮A22，第三制动器13制动功率汇流排K3的齿圈8。

图2至图9为功率汇流排K3通过不同的控制与操作来实现不同的工作模式和功能，以及每种工作模式下功率流的示意图。

图2所示为纯电动模式，当用于起步或30km/h以下的低速行使工况时，主要考虑到在低速时发动机负荷较低，燃油经济性较低，利用外电机吸收储能装置24的电功率单独驱动；所述综合控制器27启动纯电动模式，即第三制动器13制动，外电机处于电动机状态，储能装置24中的能量由外电机转化为机械功率，经过功率汇流机构K3后由输出轴11输出。

图3所示为内电机起动机模式，需要起动发动机1时，所述综合控制器27启动内电机起动机模式，即第一制动器5制动，通过控制内电机的内转子14反转来拖动发动机1起动，内电机作为电动机吸收储能装置24中的能量。

图4所示为混合驱动模式，用于起步或0-40km/h以下的中低速行使工况时，所述综合控制器27启动混合驱动模式，即第一制动器5与第三制动器13联合制动，发动机1发出的机械功率通过分流机构分流，一部分通过分流机构齿圈19、长行星轮18、行星架20传递到输出轴11；另一部分通过分流机构齿圈19、长行星轮18、短行星轮21、双级行星齿轮机构K1的太阳轮A22传递到双转子电机内转子14，驱动内电机发电，内电机工作于发电机状态，发出的电功率由储能装置24吸收；外电机工作于电动机状态吸收储能装置24的能量，外转子15输出的机械功率通过功率汇流排K3的太阳轮C12、行星轮9、行星架10与发动机的机械功率汇流由输出轴11共同输出。该模式可满足起步、低中速行驶工况，实现无级传动功能，该工况车速可达40km/h，不需要换挡，可提高城市公交车的舒适性，特别是站立乘客的舒适性。同时在该工况下，双转子电机7将发动机1与轮边负载进行了隔离，通过控制内、外电机的转速和转矩来优化发动机工作状态，使发动机始终工作于最优工作燃油消耗曲线上，以提高燃油经济性。减速或制动时，可利用外电机起到缓速和制动能量回收的作用。

图5、图6所示为纯机械模式，当用于大于40km/h的高速工况时，所述综合控制器27启动纯机械模式，即第一制动器5制动实现机械档A，其传动比为1.5；离合器3接合时，实现机械档B，其传动比为1；第二制动器6制动时，实现机械档C，其传动比为0.75。

图7是驻车发电模式，驻车时，所述综合控制器27启动发电模式，即第一制动器5制动，发动机1发出的功率分流排的齿圈19、长行星轮18、短行星轮21、双级行星齿轮机构K1的太阳轮A22传递到双转子电机7的内转子14，驱动内电机发电，内电机工作于发电机状态，发出的电功率由储能装置24吸收。

图8是减速制动发电模式，当公交车减速时，考虑到公交车辆需要频繁的减速制动，因此在公交车减速时，本传动装置全程可利用外电机在发电机模式下进行发电，起到缓速器的功能，回收制动能量。所述综合控制器27启动减速制动发电模式，即第三制动器13制动，双转子电机7的外转子16驱动外电机发电，外电机工作于发电机状态，发出的电能储存于储能装置24。

图9是纯电动倒车模式，当公交车倒车时，所述综合控制器27启动倒车模式，即将双转子电机7的外转子16反转。

Claims (9)

1.一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，它包括：发动机（1）、联轴器（2）、离合器（3）、功率分流排、功率汇流排、第一制动器（5）、第二制动器（6）、双转子电机（7）、第三制动器（13）、输出轴（11）、输入轴（23）、储能装置（24）和综合控制器（27）；

发动机（1）为柴油发动机，其通过联轴器（2），将动力传递至输入轴（23）；

功率分流排包括：双级行星齿轮机构K1、单级行星齿轮机构K2、行星架A（20）和齿圈（19）、长行星轮（18）和短行星轮（21）；双级行星齿轮机构K1与单级行星齿轮机构K2共用行星架A（20）和齿圈（19）；短行星轮（21）、长行星轮（18）安装于行星架A（20），短行星轮（21）与双级行星齿轮机构K1的太阳轮A（22）啮合，长行星轮（18）同时与短行星轮（21）、齿圈（19）、双级行星齿轮机构K1的太阳轮A（22）以及单级行星齿轮机构K2的太阳轮B（17）啮合；

功率汇流排K3包括：行星架C（10）、齿圈C（8）、行星轮（9）和太阳轮C（12）；行星轮（9）安装于行星架C（10）上，并与齿圈C（8）、太阳轮C（12）啮合；

双转子电机（7）为永磁同步式，可作为电动机或发电机使用，它包括：内转子（14）、外转子（15）与定子（16）；内转子（14）与外转子（15）组成内电机，外转子（15）与定子（16）组成外电机，内转子（14）与双级行星齿轮机构K1的太阳轮A（22）相连，外转子（15）与功率汇流排K3的太阳轮C（12）相连；内转子（14）、定子（16）通过导线与综合控制器（27）相连，综合控制器（27）通过导线与储能装置（24）相连；

综合控制器（27）对发动机（1）、第一制动器（5）、第二制动器（6）、第三制动器（13）和离合器（3）进行控制；

输入轴（23）连接功率分流排的齿圈（19），齿圈（19）通过离合器（3）将动力传递至输出轴（11），输出轴（11）与功率汇流排K3的行星架C（10）相连；

第一制动器（5）制动单级行星齿轮机构K2的太阳轮B（17），第二制动器（6）制动双级行星齿轮机构K1的太阳轮A（22），第三制动器（13）制动功率汇流排K3的齿圈（8）。

2.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，当用于起步或30km/h以下的低速行使工况时，所述综合控制器（27）启动纯电动模式，即第三制动器（13）制动，外电机处于电动机状态，储能装置（24）中的能量由外电机转化为机械功率，经过功率汇流机构K3后由输出轴（11）输出。

3.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，需要起动发动机（1）时，所述综合控制器（27）启动内电机起动机模式，即第一制动器（5）制动，通过控制内电机的内转子（14）反转来拖动发动机（1）起动，内电机作为电动机吸收储能装置（24）中的能量。

4.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，当用于起步或0-40km/h以下的中低速行使工况时，所述综合控制器（27）启动混合驱动模式，即第一制动器（5）与第三制动器（13）联合制动，发动机（1）发出的机械功率通过分流机构分流，一部分通过分流机构齿圈（19）、长行星轮（18）、行星架（20）传递到输出轴（11）；另一部分通过分流机构齿圈（19）、长行星轮（18）、短行星轮（21）、双级行星齿轮机构K1的太阳轮A（22）传递到双转子电机内转子（14），驱动内电机发电，内电机工作于发电机状态，发出的电功率由储能装置（24）吸收；外电机工作于电动机状态吸收储能装置（24）的能量，外转子（15）输出的机械功率通过功率汇流排K3的太阳轮C（12）、行星轮（9）、行星架（10）与发动机的机械功率汇流由输出轴（11）共同输出。

5.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，当用于大于40km/h的高速工况时，所述综合控制器（27）启动纯机械模式，实现三个机械档位，三个机械档位的传动比分别为：1.5、1和0.75；分别通过第一制动器（5）制动、离合器（3）接合、第二制动器（6）制动实现。

6.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，当驻车时，所述综合控制器（27）启动发电模式，即第一制动器（5）制动，发动机（1）发出的功率经过功率分流排的齿圈（19）、长行星轮（18）、短行星轮（21）、双级行星齿轮机构K1的太阳轮A（22）传递到双转子电机（7）的内转子（14），驱动内电机发电，内电机工作于发电机状态，发出的电功率由储能装置（24）吸收。

7.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，当公交车减速时，所述综合控制器（27）启动减速制动发电模式，即第三制动器（13）制动，双转子电机（7）的外转子（16）驱动外电机发电，外电机工作于发电机状态，发出的电能储存于储能装置（24）。

8.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，当公交车倒车时，所述综合控制器（27）启动倒车模式，即将转子电机（7）的外转子（16）反转，第三制动器（13）制动。

9.如权利要求1所述的一种城市公交车用混合动力传动装置，其特征是，第一制动器（5）、第二制动器（6）、第三制动器（13）为湿式多片制动器，所述的离合器（3）为湿式多片离合器。

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