CN206528316U - 一种起动发电一体机的混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种起动发电一体机混合动力系统，包括发动机(1)、飞轮盘(2)、换挡变速机构(3)、起动发电一体机(5)和控制器(4)。起动发电一体机(5)由电机、一组行星齿轮(10)、位于太阳轮(54)与行星架(53)之间的超越离合器(56)、位于外齿圈(52)和起动发电一体机壳体(59)之间的单向离合器(55)，以及升速齿轮(51)组成。起动发电一体机(5)通过升速齿轮(51)与飞轮盘(2)啮合。飞轮盘(2)的一端和发动机(1)连接，另一端与换挡变速机构(3)连接。换挡变速机构内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构(3)通过输出轴(6)将动力传递到车轮。控制器(4)检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，并控制电机运行。

Description

一种起动发电一体机的混合动力系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于起动发电一体机的混合动力系统，特别涉及一种带传动和齿轮传动的起动发电一体机轻度混合动力系统。

背景技术

基于带传动起动发电一体机混合动力系统又称BSG(Belt Starter-Generator)，BSG技术取代了传统的起动机、发电机。BSG电机结构紧凑，它可以直接装在原来的发电机(或者起动机)的位置，对原车的改动非常小，易于实现，是现阶段产业化比较现实的技术。在BSG 驱动单元的控制下，起动发动机时作电动机用；发动机高于点火速后，发动机能自行工作，电机则由电动机状态转为发电状态，作发电机用，实现了内燃机启动及替代原发电机的功能； BSG系统融合了电机、现代电力电子、数字信号处理、现代控制等技术，集传统汽车的起动和发电功能于一体，具有突出的起/停控制快、能量再生利用好、动力辅助性强等优点，尤其在提高车辆机动性能、节约燃油、减少排放方面效果明显，是国际公认的传统汽车、混合动力汽车的发动机部件必然发展方向。而BSG存在的问题在于起动时为了得到低速大转矩，电机通过降速齿轮与飞轮盘相连，从而转矩增加，但在发动机高速运行时，电机速度将会非常高，因此BSG混合动力系统对电机的弱磁倍率要求很高，常常超过10，难以实现全范围的高效运行。为了解决这个问题，很多厂家采用混合励磁电机，通过调节励磁实现全速范围内的高效运行，但是大多混合励磁电机需要电刷提供励磁电流，电机的可靠性和维护性较差。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有起动发电一体机混合动力系统中电机调速范围宽，设计困难，成本高的问题，同时提高电机全速范围内的系统效率，提出一种新的起动发电一体机混合动力系统。

本实用新型起动发电一体机混合动力系统由发动机、飞轮盘、换挡变速机构、起动发电一体机和控制器构成。起动发电一体机由一个电机、一组行星齿轮、位于太阳轮与行星架之间的超越离合器、位于外齿圈和起动发电一体机壳体之间的单向离合器，以及位于飞轮盘和行星齿轮之间的升速齿轮组成。起动发电一体机的行星齿轮的行星架通过升速齿轮与飞轮盘啮合，飞轮盘的一端和发动机连接，飞轮盘的另一端与换挡变速机构连接，换挡变速机构内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构通过输出轴将动力传递到车轮。行星齿轮的外齿圈通过单向离合器与起动发电一体机壳体相连，使得外齿圈仅可单向旋转，即正向逆时针旋转。行星齿轮的太阳轮与起动发电一体机转子相连。行星齿轮的行星架与太阳轮之间安装有超越离合器，当太阳轮的转速低于行星架的转速时，超越离合器结合，使得太阳轮的转速不能低于行星轮的转速。行星架通过升速齿轮与飞轮盘啮合。飞轮盘的一端和发动机连接，飞轮盘的另一端与换挡变速机构连接。换挡变速机构内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构通过输出轴将动力传递到车轮。控制器通过电机控制线与电机的定子绕组相连，通过采样线与换挡变速机构相连，检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，并控制电机运行。

控制器向起动发电一体机提供交流电，驱动电机电动或发电，同时起动发电一体机的电流位置等信号通过线缆传递到起动发电一体机的控制器；另一方面，控制器通过采样线与换挡变速机构相连，检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，根据档位信号和离合器状态，确定起动发电一体机的工作状态，并控制电机的运行。

假定发动机的旋转方向为顺时针方向，则发动机只能顺时针方向旋转，转速为nice。则行星齿轮的行星架只能逆时针方向旋转，定义逆时针方向为正方向，转速nc>0。所安装的单向离合器保证外齿圈正方向旋转，即逆时针方向旋转，转速nr>0；太阳轮既可正向旋转，也可反向旋转，转速为ns，与电机的转速nm相等，行星架与太阳轮之间的超越离合器使得太阳轮的转速ns总是大于或者等于行星架转速nc。发动机的飞轮盘与升速齿轮之间的速比为N1，即nice/nc＝N1<1；行星齿轮的外齿圈固定时，太阳轮与行星架之间的速比为N2,即ns/nc＝ N2>1。

控制器每隔固定的时间，通常为10us，检测换挡变速机构的档位信息和离合器信息，存储每个采样周期的档位信息和离合器状态信息。汽车由停止起步时，首先离合器分离，起动发动机，再进行换挡，结合离合器。因此如果控制器检测到换挡变速机构由空档切换到非空档状态且离合器分离时发出起动信号，控制电机逆时针旋转，电动运行，由于此时发动机转速为零或者接近于零，必然小于点火转速，因此产生使外齿圈顺时针旋转的力，此时单向离合器结合，保证外齿圈转速nr＝0。此时电机转速为nm＝N2*nice/N1，发动机的飞轮盘得到的 Tice＝N2*Tm/N1，由于N1<1，因此发动机和电机间的传动比为N2/N1,比较大，发动机得到较大的起动转矩。汽车停止时，首先离合器分离，再换为空挡，离合器结合，因此如果控制器检测到换挡变速机构由非空档切换到空档状态，且离合器抬起时发出停止信号，起动发电一体机关闭，发动机在阻力作用下减速，直到停止。

如果控制器检测到的发动机转速nice大于发动机怠速，且档位为非空档，则说明发动机正常工作，起动发电一体机应工作在发电状态，控制电机转矩为顺时针方向，电机减速，nm＝ns 减小,电机处于发电状态，当nc＝ns时，此时超越离合器结合，保证nm＝ns＝nc＝nr，外齿圈、行星架与太阳轮同速旋转，此时发动机和电机间的传动比为1/N1,比较小。此时电机的转速 nm＝nice/N1,确保在发动机转速较高时，电机的转速不会过高。

所述实用新型还可以有方案二：起动发电一体机由一个电机、一组行星齿轮、位于太阳轮与行星架之间的超越离合器、位于行星架和起动发电一体机壳体之间的单向离合器，以及升速齿轮组成；行星齿轮的太阳轮与起动发电一体机转子相连；行星齿轮的行星架通过单向离合器与起动发电一体机壳体相连；行星齿轮的行星架与太阳轮之间安装有超越离合器；外齿圈通过升速齿轮与飞轮盘啮合；起动时单向离合器闭合，超越离合器打开；发电时单向离合器打开，超越离合器闭合。

所述实用新型还可以有方案三：起动发电一体机由一个电机、一组行星齿轮、位于太阳轮与行星架之间的超越离合器、位于行星架和起动发电一体机壳体之间的单向离合器，以及升速齿轮组成；行星齿轮的行星架通过单向离合器与起动发电一体机壳体相连；行星齿轮的外齿圈与起动发电一体机转子相连；行星齿轮的行星架与太阳轮之间安装有超越离合器；太阳轮通过升速齿轮与飞轮盘啮合；起动时单向离合器闭合，超越离合器打开；发电时单向离合器打开，超越离合器闭合。

所述起动发电一体机的超越离合器在外齿圈和行星架之间，或者在太阳轮和外齿圈之间。

通过上述分析可见，本实用新型的装置实现了起动时，电机以较大的传动比降速增矩起动发动机，确保发动机得到较大的起动转矩；发电时以较小的传动比进行发电，保证发动机高速运行时电机的转矩和转速较低，易于实现，可靠性高。

由此可见，本实用新型提出的集成起动发电一体机混合动力系统具有如下明显的技术优势：

1.系统结构简单，在原有的起动发电一体机上增加一套行星齿轮系统和一个单向离合器，一个超越离合器；

2.行星齿轮系统根据不同的状态自动切换齿比，无需人为控制，降低了控制难度；

3.电机所需的转速降低，弱磁倍率降低，设计难度减小，成本降低。

上述起动发电一体机混合动力系统的超越离合器在太阳轮和行星架之间，根据行星齿轮的运行规律可知，任何两个部件转速相同，那么三个部件的转速一定相同，即行星齿轮的任何两个部件被机械锁死，三个部件就被锁死，同速旋转。因此上述起动发电一体机的超越离合器也可以在太阳轮和外齿圈之间、或者外齿圈和行星架之间。上述起动发电一体机混合动力系统采用了单向离合器和超越离合器，同样可以使用电磁离合器、液力耦合器、齿套、同步器或者其他具有结合功能的装置。同样的，行星齿轮和电机、发动机的连接方式也可以有多种，这里不再一一列举。变速装置也可以由一个行星齿轮组和两个离合装置组成，通过固定行星排中的一个部件实现一个传动比，通过行星排中三个部件同时运动形成另一个传动比。

附图说明

图1是本实用新型起动发电一体机混合动力系统实施例1，图中：1发动机，2飞轮盘， 3换挡变速机构，4起动发电一体机控制器，5起动发电一体机，6输出轴，7电机控制线，8采样线，9电机，10行星齿轮，51升速齿轮，52外齿圈，53行星架，54太阳轮，55单向离合器，56超越离合器，57电机转子，58电机定子，59起动发电一体机壳体；

图2是本实用新型起动发电一体机实施例1起动发电一体机的放大图；图中：5起动发电一体机，9电机，10行星齿轮，51升速齿轮，52外齿圈，53行星架，54太阳轮，55单向离合器，56超越离合器，57电机转子，58电机定子，59起动发电一体机壳体；

图3是本实用新型起动发电一体机起动工况连接关系；

图4是本实用新型起动发电一体机发电工况连接关系；

图5是本实用新型实施例1超越离合器位置方案二；

图6是本实用新型实施例1超越离合器位置方案三；

图7是本实用新型起动发电一体机的实施例2；

图8是本实用新型起动发电一体机实施例3。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型起动发电一体机混合动力系统由发动机1、飞轮盘2、换挡变速机构3、起动发电一体机5和控制器4构成。起动发电一体机5由一个电机9、一组行星齿轮10、位于太阳轮54与行星架53之间的超越离合器56、位于外齿圈52和起动发电一体机壳体 59之间的单向离合器55，以及位于飞轮盘2和行星齿轮10之间的升速齿轮51组成。起动发电一体机5的行星齿轮10的行星架53通过升速齿轮51与飞轮盘2啮合，飞轮盘2的一端和发动机1 连接，飞轮盘2的另一端与换挡变速机构3连接，换挡变速机构3内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构3通过输出轴6将动力传递到车轮。行星齿轮10的外齿圈52通过单向离合器55与起动发电一体机壳体59相连，使得外齿圈52仅可单向旋转；行星齿轮10的太阳轮54与电机9 的电机转子57相连，行星架53与太阳轮54之间安装有超越离合器56，当太阳轮54的转速低于行星架53的转速时，超越离合器56结合，使得太阳轮54的转速不能低于行星架53的转速。控制器4通过电机控制线7与电机9的定子绕组相连，向电机9提供交流电，驱动电机9电动或发电，同时起动发电一体机5的电流和位置信号通过电机控制线7传递到起动发电一体机5的控制器4。另一方面，控制器4通过采样线8与换挡变速机构3相连，检测换挡变速机构3的档位和离合器状态信息，根据档位信号和离合器状态，确定起动发电一体机5的工作状态，并控制电机9的运行。

假定发动机1的旋转方向为顺时针方向，则发动机1只能顺时针方向旋转，转速为nice。则行星齿轮10的行星架53只能逆时针方向旋转，定义逆时针方向为正方向，转速nc>0。所安装的单向离合器55保证外齿圈52正方向旋转，即逆时针方向旋转，外齿圈52的转速nr>0；太阳轮54可正向旋转，也可反向旋转，转速为ns，与电机9的转速nm相等，行星架53与太阳轮 54之间的超越离合器56使得太阳轮54的转速ns总是大于或者等于行星架53的转速nc。发动机 1的飞轮盘2与升速齿轮51之间的速比为N1，即nice/nc＝N1<1；行星齿轮10的外齿圈52固定时，太阳轮54与行星架53之间的速比为N2,即ns/nc＝N2>1。

控制器4每隔固定的时间，通常为10us，检测换挡变速机构3的档位信息和离合器信息，存储每个采样周期的档位信息和离合器状态信息。汽车由停止起步时，首先离合器分离，起动发动机，再进行换挡，结合离合器。因此如果控制器4检测到换挡变速机构3由空档切换到非空档状态且离合器分离时发出起动信号，控制电机9正向旋转，电动运行，由于此时发动机1转速为零或者接近于零，必然小于点火转速，因此将产生使外齿圈52顺时针旋转的力，单向离合器55结合，保证nr＝0。此时简化的电机9和发动机1的连接关系为图3所示。此时电机9转速为nm＝N2*nice/N1，发动机1的飞轮盘2得到的Tice＝N2*Tm/N1，由于N1<1，因此发动机得到较大的起动转矩。汽车停止时，首先离合器分离，再换为空挡，离合器结合，因此如果控制器4检测到换挡变速机构3由非空档切换到空档状态且离合器抬起时发出停止信号，起动发电一体机5关闭，发动机1在阻力作用下自然减速，直到停止。

如果控制器4检测到的发动机1转速nice大于发动机怠速，且档位为非空档，则说明发动机1正常工作，起动发电一体机5应工作在发电状态，控制电机9转矩为顺时针方向，电机9转速nm＝nc减小,电机9处于发电状态，当nc＝ns时，此时超越离合器56结合，保证nm＝ns＝nc，行星架53与太阳轮54同速旋转，根据行星齿轮的理论可知，外齿圈52转速nr＝nc＝ns。此时简化的电机9和发动机1的连接关系为图4所示。此时发动机和电机间的传动比为1/N1,比较小。此时电机的转速nm＝nice/N1,确保在发动机转速较高时，电机的转速不会过高。

通过上述分析可见，本实用新型起动时，电机9以较大的传动比降速增矩起动发动机1，确保发动机1得到较大的起动转矩；发电时以较小的传动比进行发电，保证发动机1高速运行时电机9的转矩和转速较低，易于实现，可靠性高。

上述起动发电一体机混合动力系统的超越离合器56在太阳轮54和行星架53之间，根据行星齿轮的运行规律可知，任何两个部件转速相同，那么三个部件的转速一定相同，即行星齿轮的任何两个部件被机械锁死，三个部件就被锁死，同速旋转。因此上述起动发电一体机5的超越离合器56也可以如图5所示在外齿圈52和行星架53之间、或者如图6所示太阳轮54和外齿圈52之间。

上述实用新型采用了单向离合器55和超越离合器56，同样可以使用电磁离合器、液力耦合器、齿套、同步器或者其他具有结合功能的装置。

同样的，行星齿轮10和电机9、发动机1的连接方式也可以有多种。如图7所示第二种实施方案，所述的起动发电一体机5由一个电机、一组行星齿轮10、位于太阳轮54与行星架53之间的离合器56，位于行星架53和起动发电一体机壳体59之间的离合器55，以及升速齿轮51组成；行星齿轮10的行星架53通过离合器55与起动发电一体机壳体59相连；行星齿轮10的太阳轮54与起动发电一体机转子57相连；行星齿轮10的行星架53与太阳轮54之间安装有离合器56；外齿圈52通过升速齿轮51与飞轮盘2啮合；起动时离合器55 闭合，离合器56打开；发电时离合器55打开，离合器56闭合。

如图8所示的实施例3，所述的起动发电一体机5由一个电机、一组行星齿轮10、位于太阳轮54与行星架53之间的离合器56，位于行星架53和起动发电一体机壳体59之间的离合器 55，以及升速齿轮51组成；行星齿轮10的行星架53通过离合器55与起动发电一体机壳体59相连；行星齿轮10的外齿圈52与起动发电一体机转子57相连；行星齿轮10的行星架53与太阳轮 54之间安装有离合器56；太阳轮54通过升速齿轮51与飞轮盘2啮合；起动时离合器55闭合，离合器56打开；发电时离合器55打开，离合器56闭合；

也可以采用两个不同传动比的变速装置，如由一个行星齿轮组和两个离合装置组成，通过固定行星排中的一个部件实现一个传动比，通过行星排中三个部件同时运动形成另一个传动比。

Claims (4)

1.一种起动发电一体机混合动力系统，其特征在于：所述的混合动力系统由发动机(1)、飞轮盘(2)、换挡变速机构(3)、起动发电一体机(5)和控制器(4)构成；起动发电一体机(5)由一个电机、一组行星齿轮(10)、位于太阳轮(54)与行星架(53)之间的超越离合器(56)，位于外齿圈(52)和起动发电一体机壳体(59)之间的单向离合器(55)，以及升速齿轮(51)组成；行星齿轮(10)的外齿圈(52)通过单向离合器(55)与起动发电一体机壳体(59)相连，使得外齿圈(52)仅能够单向旋转，即正向逆时针旋转；行星齿轮(10)的太阳轮(54)与起动发电一体机转子(57)相连；行星齿轮(10)的行星架(53)与太阳轮(54)之间安装有超越离合器(56)，当太阳轮(54)的转速低于行星轮(53)的转速时，超越离合器(56)结合，使得太阳轮(54)的转速不低于行星轮(53)的转速；行星架(53)通过升速齿轮(51)与飞轮盘(2)啮合；飞轮盘(2)的一端和发动机(1)连接，飞轮盘(2)的另一端与换挡变速机构(3)连接，换挡变速机构(3)内装有变速齿轮和离合器，换挡变速机构(3)通过输出轴(6)将动力传递到车轮；控制器(4)通过电机控制线(7)与电机的定子绕组相连，通过采样线(8)与换挡变速机构(3)相连，检测换挡变速机构的档位和离合器状态信息，并控制电机运行。

2.按照权利要求1所述的起动发电一体机混合动力系统，其特征在于：所述的起动发电一体机(5)由一个电机、一组行星齿轮(10)、位于太阳轮(54)与行星架(53)之间的超越离合器(56)、位于行星架(53)和起动发电一体机壳体(59)之间的单向离合器(55)，以及升速齿轮(51)组成；行星齿轮(10)的行星架(53)通过单向离合器(55)与起动发电一体机壳体(59)相连；行星齿轮(10)的太阳轮(54)与起动发电一体机转子(57)相连；行星齿轮(10)的行星架(53)与太阳轮(54)之间安装有超越离合器(56)；外齿圈(52)通过升速齿轮(51)与飞轮盘(2)啮合；起动时单向离合器(55)闭合，超越离合器(56)打开；发电时单向离合器(55)打开，超越离合器(56)闭合。

3.按照权利要求1所述的起动发电一体机混合动力系统，其特征在于：所述的起动发电一体机(5)由一个电机、一组行星齿轮(10)、位于太阳轮(54)与行星架(53)之间的超越离合器(56)、位于行星架(53)和起动发电一体机壳体(59)之间的单向离合器(55)，以及升速齿轮(51)组成；行星齿轮(10)的行星架(53)通过单向离合器(55)与起动发电一体机壳体相连(59)；行星齿轮(10)的外齿圈(52)与起动发电一体机转子(57)相连；行星齿轮(10)的行星架(53)与太阳轮(54)之间安装有超越离合器(56)；太阳轮(54)通过升速齿轮(51)与飞轮盘(2)啮合；起动时单向离合器(55)闭合，超越离合器(56)打开；发电时单向离合器(55)打开，超越离合器(56)闭合。

4.按照权利要求1或2或3所述的起动发电一体机混合动力系统，其特征在于：所述起动发电一体机(5)的超越离合器(56)，在外齿圈(52)和行星架(53)之间，或者在太阳轮(54)和外齿圈(52)之间。