CN207241412U - 四驱混合动力汽车的动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四驱混合动力汽车的动力系统，其中，所述动力系统包括发动机、第一电机、第一逆变器、前桥行星齿轮减速器、第二电机、第二逆变器、后桥减速器和电池；本实用新型仅包含两个电机和一套简单的行星齿轮机构，成本较低，纯电动模式下，本实用新型可以实现前驱、后驱和四驱的自由选择，第一电机还有两个档位可选，增加了工作在最优效率的机会，改善了纯电动经济性。发动机模式下，通过电子无级变速功能实现车辆的起步以及低速行驶，改善了车辆在低速行驶的经济性。在中高速巡航时发动机有三个固定档位可选，用于直接驱动，利用发动机高负荷时的高效率特性，避免电子无级变速引起的电气路径损失，提高传动效率。

Description

四驱混合动力汽车的动力系统

技术领域

本实用新型涉及一种混合动力汽车动力系统，特别涉及到一种四驱混合动力汽车的动力系统，属于电动汽车技术领域。

背景技术

四驱车辆由于良好的路面附着利用率，在越野车和高性能车上有广泛的应用。传统的用分动器实现四驱功能的方案由于分动器的附加损耗导致车辆的经济性变差。为了提高经济性，四驱混合动力汽车用发动机和电机分别驱动前桥和后桥。

专利CN102381177B公开了一种混合动力四驱解决方案，在发动机驱动时必须通过前桥发电机进行发电，将一部分发动机功率用于充电或者为后轮电机供电，在中、高速巡航时发动机无法进行直接驱动，经济性差，同时当前轮打滑后，后轮的驱动能力完全受电池输出能力限制。

专利CN101898557B公开了一种混合动力四驱解决方案，可以实现任何工况的四驱功能，同时在中、高速巡航时可以采用发动机直接驱动，各种工况下起动发动机也比较容易，功能比较完备。但是这种方案除了需要两个电机外，还需要一个复杂的多档自动变速器，成本较高。

专利CN105059103A公开了一种混合动力四驱解决方案，在各种工况都可以实现四驱，同时起动发动机的控制也比较简单。该方案采用一个简单的混合动力专用变速器，变速器成本较低，但是相比专利CN102381177B所述的系统多了一个电机，且由于发动机低速无法直接驱动，在进行大功率加速时需要通过发电机将发动机功率输出，因此发电机功率较大，同时前桥驱动电机和后桥驱动电机的总功率要求也较大，电机数量多并且功率要求大，因此成本也比较高。

综上，目前混合动力前、后桥分别驱动的方案存在的主要问题是成本高，部分工况传动效率差和部分工况无法实现四驱功能。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种四驱混合动力汽车的动力系统，这种动力系统具备纯电动四轮驱动功能，发动机驱动时无需电池能量也可以实现四轮驱动功能。在发动机驱动模式下，该系统还具备中、高速驱动时发动机直接驱动功能，提高了行驶效率。整个混合动力系统系统除了发动机外只包含两个电机和简单的混合动力专用变速器，能够降低四驱混合动力系统的成本。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：一种四驱混合动力汽车的动力系统，其包括发动机、第一电机、第一逆变器、前桥行星齿轮减速器、第二电机、第二逆变器、后桥减速器和电池；

所述电池通过第一逆变器与所述第一电机电路连接，以及通过第二逆变器与所述第二电机电路连接；

所述第二电机与所述后桥减速器传动连接，所述后桥减速器与后轮传动连接，所述发动机和第一电机分别与所述前桥行星齿轮减速器传动连接，所述前桥行星齿轮减速器与前轮传动连接；

其中，所述前桥行星齿轮减速器具有至少四个旋转元件，当从所述四个旋转元件的共线图看去时，与第一电机连接的旋转元件和通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件位于通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件的两侧，通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件和与制动器B相连的旋转元件位于通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件的两侧；通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件和通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件之间通过离合器CL2连接；发动机和第一电机通过离合器CL3连接。

可选的，所述离合器CL3为牙嵌式离合器。

本实用新型具有如下有益效果：相对其他前、后桥分别驱动的四驱方案，本实用新型仅包含两个电机和一套简单的行星齿轮机构，成本较低，纯电动模式下，本实用新型可以实现前驱、后驱和四驱的自由选择，第一电机还有两个档位可选，增加了工作在最优效率的机会，改善了纯电动经济性。发动机模式下，通过电子无级变速功能实现车辆的起步以及低速行驶，改善了车辆在低速行驶的经济性。在中高速巡航时有两个固定档位可选，用于直接驱动，利用发动机高负荷时的高效率特性，避免电子无级变速引起的电气路径损失，提高传动效率。在进行极速行驶时，由于发动机HEV二挡的速比为1，支持的最高车速较低，如果要实现较高的极速，需要用电子无级变速功能行驶。无论是发动机用固定档直接驱动还是电子无极变速驱动，都可以通过第一电机发电为第二电机提供驱动所需能量，实现四驱功能。制动模式下，第一电机和第二电机都可以回收制动能量。

附图说明

图1为本实用新型的四驱混合动力汽车的动力系统的结构示意图；

图2为图1中的前桥行星齿轮机构杠杆图；

图3为本实用新型各种工作模式对应的离合器和制动器控制方式，其中●表示结合，有扭矩传递；○表示分离，无扭矩传递；

图4为本实用新型的四驱混合动力汽车的动力系统的另一实施例的结构示意图；

图5为图4中的前桥行星齿轮机构杠杆图；

图6为本实用新型的四驱混合动力汽车的动力系统的另一实施例的结构示意图；

图7为图6中的前桥行星齿轮机构杠杆图；

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型的技术方案作进一步阐述。

实施例1

如图1、图4和图6所示，本实施例提供了一种四驱混合动力汽车的动力系统，其包括发动机、第一电机、第一逆变器、前桥行星齿轮减速器、第二电机、第二逆变器、后桥减速器和电池；

所述电池通过第一逆变器与所述第一电机电路连接，以使得所述电池提供的电能，在通过第一逆变器变换后，驱动所述第一电机转动；同时，所述电池还通过第二逆变器与所述第二电机电路连接，以使得所述电池提供的电能，在通过第二逆变器变换后，驱动所述第二电机转动。

所述第二电机与所述后桥减速器传动连接，以通过所述第二电机驱动所述后桥减速器，本实施例中，所述第二电机的输出轴与所述后桥减速器的输入轴连接；并且，所述后桥减速器与后桥差速器传动连接，后桥差速器与后轮传动连接。本实施例中，所述后桥减速器为齿轮减速器，所述后桥差速器可以采用现有技术中的后桥差速器实现，在此不在一一赘述。

所述发动机和第一电动机分别与所述前桥行星齿轮减速器传动连接，所述前桥减速器又与前轮传动连接；其中，所述前桥行星齿轮减速器具有至少四个旋转元件，当从所述四个旋转元件的共线图看去时，与第一电动机连接的旋转元件和通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件位于通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件的两侧，通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件和与制动器B相连的旋转元件位于通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件的两侧；通过离合器 CL1与发动机连接的旋转元件和通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件之间通过离合器CL2连接；发动机和第一电动机通过离合器CL3连接。

所述发动机与所述前桥行星齿轮减速器传动连接，以通过所述发动机驱动所述前桥行星齿轮减速器；而且，所述发动机还通过离合器CL3和传动轴与所述第一电机传动连接，本实施例中，所述离合器CL3为牙嵌式离合器；并且当所述离合器CL3结合时，所述发动机驱动所述第一电机转动，从而使得所述第一电机能够处于发电状态，当所述离合器CL3分离时，所述第一电机能够驱动所述前桥行星齿轮减速器。

所述前桥行星齿轮减速器与所述前桥差速器传动连接，所述前桥差速器与前轮传动连接，本实施例中，所述前桥差速器可以采用现有技术中的前桥差速器实现，在此不在一一赘述。

而且，上述驱动前轮和后轮的组件可以对调，即原驱动前轮的组件(发动机、第一电机、具有四个旋转元件的行星齿轮机构、前桥行星齿轮减速器和前桥差速器)改为驱动后轮，原驱动后轮的组件(第二电机、后桥减速器和后桥差速器)改为驱动前轮。

而且，所述前桥行星齿轮减速器包括行星齿轮机构、主动齿轮、从动齿轮、离合器CL1、离合器CL2和制动器B，当所述离合器CL1结合时，发动机和/或电动机通过离合器CL1向行星齿轮机构传递动力；当离合器CL2结合时，所述行星齿轮机构向主动齿轮传递动力；所述制动器B用于锁死和打开所述第二太阳轮S2，以在所述制动器B锁死时，第二太阳轮S2不转动，并且在制动器B 打开时，所述第二太阳轮S2转动；

所述主动齿轮与所述从动齿轮传动连接，所述从动齿轮与前桥差速器传动连接。

并且，所述第一逆变器和第二逆变器均为充电逆变一体机，以在所述第一电机或第二电机处于发电状态时，能将其产生的电能充电于电池或者向另一个电动机提供能量。

实施例2

本实施例提供了一种四驱混合动力汽车的动力系统的控制方法，其中，所述四驱混合动力汽车的动力系统可以如上述实施例1所述，在所述控制方法中，所述四驱混合动力汽车的动力系统分为稳态工作模式和瞬态工作模式；稳态工作模式包括停车发电阶段、纯电动行驶阶段、发动机电子无级变速驱动阶段、发动机固定档直接驱动阶段、发动机串联驱动阶段、倒车阶段和发电阶段以及制动能量回收阶段；也就是说，在稳态工作模式下，均可以实现四驱功能。瞬态工作模式包含停车起动发动机阶段和纯电动起动发动机阶段。

在所述停车发电阶段，发动机通过离合器CL3直接和第一电机相连，并带动第一电机转动，从而使得第一电机发电。或者行星齿轮机构的制动器B分离，离合器CL1结合，离合器CL2分离，离合器CL3分离，行星齿轮机构的第一排行星齿轮的齿圈(输出旋转元件)通过驻车机构机械锁止，发动机驱动第一电机发电。在停车发电模式，第二电机不工作。

也就是说，在停车发电阶段，第一种方式：行星齿轮机构的制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2分离，牙嵌离合器CL3结合，第一电机进行发电，发动机和第一电机的转速和扭矩相等。

第二种方式行星齿轮机构的制动器B分离，离合器CL1结合，离合器CL2 分离，离合器CL3分离，输出旋转元件通过混合动力专用变速器的驻车机构进行锁止，发动机和第一电机的转速和扭矩关系为：

式中，T_EM1为第一电机的发电扭矩绝对值，T_ICE为发动机扭矩，N_ICE为发动机转速，N_EM1为第一电机的转速，Z_S1为第一排行星齿轮的太阳轮齿数，Z_R1为第一排行星齿轮的齿圈齿数。

在所述纯电动行驶阶段，发动机处于停机状态；在两驱模式下，行星齿轮机构的制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2分离，离合器CL3分离，第一电机处于静止状态，不消耗电能，第二电机驱动后轮，从而实现车辆的前进或后退。在四驱模式下，第一电机有两个档位可选，分别称为EV一挡和EV 二挡：在EV一挡时，行星齿轮机构的制动器B结合，离合器CL1分离，离合器CL2分离，离合器CL3分离；在EV2档时，行星齿轮机构的制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2结合，离合器CL3分离。所述第一电机通过前桥行星齿轮减速器和前桥差速器驱动前轮；所述第二电机通过后桥减速器和后桥差速器驱动后轮；所述第一电机和第二电机的电能均来自电池，并通过混合动力控制器控制第一电机和第二电机的功率分配。

也就是说，在纯电动行驶阶段(纯电动模式下)，车辆默认按照两驱模式行驶，用第二电机驱动后轮，前桥部分的制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2分离，第一电机处于自由状态。当整车控制器要求车辆进入纯电动四驱模式时，第一电机驱动前轮，在EV一挡时，制动器B结合，离合器CL1分离，离合器CL2分离，第一电机输出扭矩经过行星齿轮机构的速比为：

式中，Z_R1为第一排行星齿轮的齿圈齿数，Z_S1为第一排行星齿轮的太阳轮齿数，Z_R2为第二排行星齿轮的齿圈齿数，Z_S2为第二排行星齿轮的太阳轮齿数。

其中，EV一挡主要用于低速纯电动行驶。

在EV二挡时，制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2结合，第一电机输出扭矩经过行星齿轮机构的速比为1，主要用于高速纯电动行驶。

在所述发动机电子无级变速驱动阶段中，行星齿轮机构的制动器B分离，离合器CL1结合，离合器CL2分离，离合器CL3分离，发动机输出功率一部分经过前桥行星齿轮减速器驱动前轮，一部分经过第一电机发电转化成电能，混合动力控制器控制第一电机发电得到的电能用于充电于电池或用于第二电机驱动后轮，整车处于四轮驱动状态。

其中，当制动器B分离，离合器CL1结合，离合器CL2分离，第一电机处于发电状态。发动机、第一电机和输出旋转元件的转速关系如下：

式中，N_OUT为行星齿轮机构输出旋转元件的转速，N_OUT与车速有对应关系，通过调整第一电机的转速N_EM1即可调整发动机的转速N_ICE，从而实现电子无级变速。

电子无级变速的扭矩关系如下：

第一电机发电所得电能用于第二电机驱动后轮，实现无需电池能量的四轮驱动，而且该电能也可以用于给电池充电。

发动机驱动中低速行驶时，电子无级变速模式可以保证发动机工作在效率较高的工作点附近，提高了车辆低速行驶的效率。

在所述发动机固定档直接驱动阶段，发动机有两个固定档位可用，即HEV 一挡和HEV二挡：用HEV一挡驱动时，制动器B结合，离合器CL1结合，离合器CL2分离，离合器CL3分离；用HEV二挡驱动时，制动器B分离，离合器CL1结合，离合器CL2结合，离合器CL3分离。在各个固定档位下，第一电机既可以驱动也可以发电，第二电机驱动后轮，第二电机所需电能可以来自电池也可以来自第一电机的发电。

也就是说，在中高速行驶时，发动机有两个固定档可用，HEV一挡的制动器B结合，离合器CL1结合，离合器CL2分离，离合器CL3分离。发动机驱动时行星齿轮机构的速比HEV一挡第一电机可以驱动或者发电。第一电机发电所得电能可以用于第二电机驱动后轮，实现无需电池能量的四轮驱动，也可以给电池充电。

HEV二挡的制动器B分离，离合器CL1结合，离合器CL2结合，离合器 CL3分离。发动机驱动时行星齿轮机构的速比为1。HEV二挡第一电机可以驱动或发电。第一电机发电所得电能可以用于第二电机驱动后轮，实现无需电池能量的四轮驱动，也可以给电池充电。

在发动机串联驱动阶段，制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2 分离，离合器CL3结合，发动机和第一电机相连，第一电机发电，所得电能用于第二电机驱动后轮。

在所述制动能量回收阶段，行星齿轮机构有两种工作模式：即EV一挡和 EV二挡；在EV一挡时，制动器B结合，离合器CL1分离，离合器CL2分离，离合器CL3分离；在EV二挡时，制动器B分离，离合器CL1分离，离合器 CL2结合，离合器CL3分离。第一电机通过发电对前轮施加制动力，第二电机通过发电对后轮施加制动力，第一电机和第二电机发电所得电能用于给电池充电。

也就是说，制动能量回收通过第一电机和第二电机发电的方式实现。

第一电机进行制动能量回收有两个档位可用：分别称为EV一挡和EV二档。EV一挡的制动器B结合，离合器CL1分离，离合器CL2分离，第一电机输出扭矩经过行星齿轮机构的速比为主要用于低速制动能量回收。式中，Z_R1为第一排行星齿轮的齿圈齿数，Z_S1为第一排行星齿轮的太阳轮齿数，Z_R2为第二排行星齿轮的齿圈齿数，Z_S2为第二排行星齿轮的太阳轮齿数。

EV二挡的制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2结合，第一电机输出扭矩经过行星齿轮机构的速比为1，主要用于高速制动能量回收。

在停车起动发动机阶段，离合器CL3结合，发动机通过离合器CL3与第一电机相连，制动器B分离，离合器CL2分离，离合器CL1分离，用第一电机直接拖动发动机起动。

在纯电动起动发动机阶段，如果是两驱模式，则控制离合器CL3结合，发动机通过离合器CL3与第一电机相连，制动器B分离，离合器CL2分离，离合器CL1分离，用第一电机直接拖动发动机起动。四驱模式下无论第一电机是用EV一挡驱动还是EV二挡驱动，都通过使离合器CL1滑磨的方式，第一电机一部分扭矩用于驱动前轮，一部分扭矩经过离合器CL1作用在发动机曲轴，拖动发动机起动。

并且基于上述稳态工作模式和瞬态工作模式，所述控制方法主要包括：

S1、起步控制：所述起步控制包括纯电动两驱起步模式、纯电动四驱起步模式和发动机电子无级变速模式起步模式；其中，当起步扭矩小于等于T1时，使用纯电动两驱起步模式，即仅用第二电机驱动后轮实现车辆起步。当起步扭矩大于T1且小于等于T2时用纯电动四驱起步，此时除了第二电机驱动后轮外，第一电机用EV一挡驱动前轮。当起步扭矩大于T2用发动机电子无级变速模式起步。其中，T1<T2。

S2、纯电动扭矩分配：纯电动行驶状态默认为两驱行驶，用第二电机驱动后轮。当驾驶员需求扭矩大于T1、车速大于V1、后轮发生打滑或者需要起动发动机时，第一电机用EV一挡(低速用)或者EV二挡(高速用)驱动前轮，车辆按照纯电动四驱模式行驶。在纯电动四驱模式下，第一电机和第二电机按照由车速和车轮驱动扭矩离线设定的最优效率组合Map进行扭矩分配。当车辆前轮或后轮发生打滑时，减少打滑车轮的电机扭矩，增加未打滑一侧的电机扭矩，直到达到电机的最大扭矩。

S3、发动机起动控制：发动机起动分为停车时的发动机起动和纯电动行驶时的发动机起动。停车时，制动器B分离，离合器CL1结合，离合器CL2分离，离合器CL3结合，第一电机直接拖动发动机起动。纯电动时，无论第一电机是用EV一挡驱动还是EV二挡驱动，都通过使离合器CL1滑磨的方式，第一电机一部分扭矩用于驱动前轮，一部分扭矩用于起动发动机。

S4、第一电机档位选择：第一电机驱动前轮有两个档位可选，EV一挡的制动器B结合，离合器CL1分离，离合器CL2分离。EV二挡的制动器B分离，离合器CL1分离，离合器CL2结合；EV一挡和EV二挡通过一个纯电动车速门限值进行切换，当车速大于该纯电动车速门限值时用EV二挡驱动，否则用 EV一挡驱动。

S5、发动机档位选择：发动机有三种档位可选：电子无级变速模式、HEV 一挡和HEV二挡。当车速小于第一发动机驱动车速门限V1或车速大于第二发动机驱动车速门限V2时用电子无级变速模式行驶。当车速大于等于第一发动机驱动车速门限V1且小于等于第二发动机驱动车速门限V2时用HEV一挡或 HEV二挡驱动。HEV一挡和HEV二挡之间的切换通过预设设定的加速踏板和车速两参数换挡规律进行换挡，其中，所述第一发动机驱动车速门限>第二发动机驱动车速门限。

实施例3

如图1所示，本实施例提供了一种四驱混合动力汽车的动力系统，所述的四驱混合动力汽车的动力系统的所述行星齿轮机构包括行星齿轮机构输入轴、第一排行星齿轮和第二排行星齿轮；

所述发动机与所述行星齿轮机构输入轴传动连接，同时，所述第一排行星齿轮的齿圈和第二排行星齿轮的行星架相连，所述第一排行星齿轮的行星架和第二排行星齿轮的齿圈相连。所述传动轴上同轴固定设置有所述第一排行星齿轮的太阳轮；所述第一排行星齿轮的太阳轮通过第一行星轮与第一排行星齿轮的齿圈传动连接。

所述第一排行星齿轮的齿圈与所述主动齿轮传动连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮传动连接，而且，所述从动齿轮与所述前桥差速器传动连接。

所述行星齿轮机构输入轴通过离合器CL1与第一排行星齿轮的行星架传动连接，从而在所述离合器CL1结合时，所述行星齿轮机构输入轴带动所述第一排行星齿轮的行星架转动。

所述传动轴上还可转动地设置有第二太阳轮S2，第二排行星齿轮的太阳轮和制动器B相连，从而可以通过制动器B实现锁死和打开；所述第二太阳轮S2 通过第二行星轮与第二排行星齿轮的齿圈传动连接。

所述第一排行星齿轮的齿圈和第一排行星齿轮的行星架之间通过离合器 CL2传动连接，以在所述离合器CL2啮合时，实现所述第一排行星齿轮的行星架和第一排行星齿轮的齿圈之间的同步转动，并且在所述离合器CL2分离时，使得第一排行星齿轮的行星架和第一排行星齿轮的齿圈分别独立地转动。

实施例4

本实施例提供了一种四驱混合动力汽车的动力系统，所述的混合动力系统如图4所示，其与实施例3不同之处在于，第一排行星齿轮的行星架和第二排行星齿轮的齿圈相连，第一排行星齿轮和第二排行星齿轮共用太阳轮。

实施例4中的行星齿轮的杠杆图和各部件连接方式见图5。

实施例5

本实施例提供了一种四驱混合动力汽车的动力系统，所述的混合动力系统如图6所示，其与实施例3不同之处在于，第一排行星齿轮采用双行星轮的复合行星齿轮，第二排行星齿轮和第一排行星齿轮共用齿圈和行星架，其中第二排行星齿轮机构的行星轮为第一排行星齿轮机构中与齿圈啮合的长行星轮。

实施例5中的行星齿轮的杠杆图和各部件连接方式见图7。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种四驱混合动力汽车的动力系统，其特征在于，包括发动机、第一电机、第一逆变器、前桥行星齿轮减速器、第二电机、第二逆变器、后桥减速器和电池；

所述电池通过第一逆变器与所述第一电机电路连接，以及通过第二逆变器与所述第二电机电路连接；

所述第二电机与所述后桥减速器传动连接，所述后桥减速器与后轮传动连接，所述发动机和第一电机分别与所述前桥行星齿轮减速器传动连接，所述前桥行星齿轮减速器与前轮传动连接；

其中，所述前桥行星齿轮减速器具有至少四个旋转元件，当从所述四个旋转元件的共线图看去时，与第一电机连接的旋转元件和通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件位于通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件的两侧，通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件和与制动器B相连的旋转元件位于通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件的两侧；通过离合器CL1与发动机连接的旋转元件和通过输出齿轮与前轮连接的旋转元件之间通过离合器CL2连接；发动机和第一电机通过离合器CL3连接。

2.根据权利要求1所述的四驱混合动力汽车的动力系统，其特征在于，所述离合器CL3为牙嵌式离合器。