CN108016283B - 动力***和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力***，包括：发动机；电机；变速单元，所述变速单元与所述发动机可选择性地接合；行星齿轮机构，所述行星齿轮机构具有第一元件、第二元件和第三元件，所述第一元件与所述电机相连，所述第二元件与所述变速单元的输出端相连，所述第三元件与所述动力***的动力输出部相连；其中，所述第一元件选择性地制动，所述第一元件选择性地与所述第三元件固定。本发明的动力***，具有多种工作模式，且可以适应于更多的工况，降低了控制难度，电机在工作中不会出现过高或过低转速，降低了电机高速旋转产生的反电动势对高压***的伤害，降低了***的机械负荷，且发动机和电机一直处于高效区内工作，有助于提升动力***的节能减排效果。

Description

动力***和车辆
技术领域
本发明属于车辆制造技术领域，具体而言，涉及一种动力***和具有该动力***的车辆。
背景技术
随着能源的不断消耗，混合动力***可以改善传动效率和燃油经济性，受到大众的青睐。相关技术中，混合动力***的工作模式较少，驱动传动效率较低，部分动力***的二次能量转换导致整车***效率不高，且在车速较快时，电机高度旋转导致电机脱离电机高效区，大部分动力***均采用多电机结构，使得成本极高，且难以布置，存在改进空间。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种效率高的动力***。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种动力***，包括：发动机；电机；变速单元，所述变速单元与所述发动机可选择性地接合；行星齿轮机构，所述行星齿轮机构具有第一元件、第二元件和第三元件，所述第一元件与所述电机相连，所述第二元件与所述变速单元的输出端相连，所述第三元件与所述动力***的动力输出部相连；其中，所述第一元件选择性地制动，所述第一元件选择性地与所述第三元件固定。
进一步地，所述的动力***还包括：电机中间轴，所述电机中间轴与所述电机相连且与所述第一元件相连，所述电机中间轴上设有电机同步器，所述电机同步器选择性地制动，所述电机同步器选择性地与所述第三元件固定。
进一步地，所述电机同步器包括：滑毂，所述滑毂与所述电机中间轴固定连接；滑套，所述滑套通过花键结构套设在所述滑毂外，且所述滑套选择性地与所述变速单元的壳体连接，所述滑套选择性地与所述第三元件连接。
进一步地，所述变速单元的壳体上设有制动齿圈，所述滑套选择性地与所述制动齿圈连接。
进一步地，所述变速单元包括：至少一个输入轴，每个所述输入轴均与所述发动机可选择性地接合，每个所述输入轴上设有至少一个主动齿轮；至少一个输出轴，每个所述输出轴上设有至少一个从动齿轮，所述从动齿轮与对应的主动齿轮啮合，所述输出轴与所述第二元件连接；其中，所述主动齿轮空套设在对应的所述输入轴外且所述主动齿轮可选择地与对应的所述输入轴接合，或者所述从动齿轮空套设在对应的所述输出轴外且所述从动齿轮可选择地与对应的所述输出轴接合。
进一步地，所述第三元件为行星架，所述第一元件为太阳轮和齿圈中的一个，所述第二元件为太阳轮和齿圈中的另一个。
进一步地，所述动力***具有转速耦合工作模式，所述动力***处于转速耦合工作模式时，所述发动机输出动力，所述电机启动，所述第一元件不制动且不与所述第三元件固定。
进一步地，所述动力***具有扭矩耦合工作模式，所述发动机输出动力，所述电机启动，在所述电机的转速等于所述变速单元的输出端的转速时，控制所述第一元件与所述第三元件固定，所述动力***进入扭矩耦合工作模式。
进一步地，所述动力***具有发动机驱动工作模式，所述动力***处于发动机驱动工作模式时，所述发动机工作，所述电机不工作，所述第一元件制动。
相对于现有技术，本发明所述的动力***具有以下优势：
1)本发明实施例的动力***，具有多种工作模式，且可以适应于更多的工况，降低了控制难度，电机在工作中不会出现过高或过低转速，降低了电机高速旋转产生的反电动势对高压***的伤害，降低了***的机械负荷，且发动机和电机一直处于高效区内工作，有助于提升动力***的节能减排效果。
本发明的另一目的在于提出一种车辆，设置有上述任一种所述的动力***。
所述车辆与上述的动力***相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的动力***在转速耦合工作模式时的结构简图；
图2为本发明实施例所述的动力***在扭矩耦合工作模式时的结构简图；
图3为本发明实施例所述的动力***在发动机驱动工作模式时的结构简图；
图4为本发明实施例所述的动力***的结构示意图。
附图标记说明：
动力***100，发动机10，电机20，减速链21，第一齿轮Z1，第二齿轮Z2，变速单元30，第一输入轴L1，第二输入轴L2，动力输出轴L3，电机中间轴L4，一挡主动齿轮1a，二挡主动齿轮2a，三挡主动齿轮3a，四挡主动齿轮4a，一挡从动齿轮1b，二挡从动齿轮2b，三挡从动齿轮3b，四挡从动齿轮4b，一三挡同步器S13，二四挡同步器S24，电机同步器S0，滑毂G，滑套H，第一元件T，第三元件J，第二元件Q，离合装置C0，第一离合装置C1，第二离合装置C2，主减速器主动齿轮Z，主减速器从动齿轮Z’，制动齿圈K。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在混合动力车辆上，车辆可以布置多个驱动***，该动力***100可以用于驱动车辆的前轮或者后轮，下面以动力***100驱动车辆的前轮为例进行详细说明，即前置前驱形式。当然，在一些可选的实施例中，动力***100也可以为前置后驱形式，车辆还可以结合其他驱动***驱动车辆的后轮转动，从而使得车辆为四驱车辆。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参考图1-图4所示，动力***100包括发动机10、电机20、变速单元30和行星齿轮机构。
其中，变速单元30与发动机10可选择性地接合，比如变速单元30与发动机10之间可以设有离合装置C0，在离合装置C0接合时，变速单元30与发动机10之间动力耦合连接，发动机10输出的驱动力可以通过变速单元30输出。
电机20可以作为电动机使用以输出驱动力，电机20也可以作为发电机使用以为***补充电能，防止馈电。
行星齿轮机构可以为单排行星齿轮机构、或者多排行星齿轮机构、或者复合排行星齿轮机构，行星齿轮机构包括第一元件T、第三元件J和第二元件Q。第一元件T、第三元件J和第二元件Q分别为太阳轮、齿圈和行星架中的一个。
第一元件T与电机20相连，第二元件Q与变速单元30的输出端相连，第三元件J与动力***100的动力输出部相连，比如，动力输出部可以为主减速器主动齿轮Z，主减速器主动齿轮Z适于与主减速器从动齿轮Z’啮合。其中，第一元件T选择性地制动，第一元件T选择性地与第三元件J固定。
可以理解的是，通过调整发动机10的工作状态、电机20的工作状态、以及第一元件T的状态，可以使本发明实施例的动力***100切换入不同的工作模式。
优选地，第三元件J为行星架，第一元件T为太阳轮和齿圈中的一个，第二元件Q为太阳轮和齿圈中的另一个。为了方便说明，下面仅以第一元件T为太阳轮、第二元件Q为齿圈、第三元件J为行星架为例对本发明作进一步地说明。
比如，参考图1，动力***100具有转速耦合工作模式，动力***100处于转速耦合工作模式时，发动机10输出动力，电机20启动，第一元件T不制动且不与第三元件J固定。
行星齿轮机构的各个部件的转速满足：n1+αn2＝(1+α)n3，其中n1为太阳轮的转速，n2为齿圈的转速，n3为行星架的转速，α为齿圈的齿数与太阳轮的齿数之比。
由上式可以得出：整车速度(即行星架的转速n3)由太阳轮转速n1和齿圈转速n2决定，也就是说整车速度是由变速单元30输出端的转速和电机20转速决定，电机20可以正反转。
由行星齿轮机构的扭矩特性可知：T1+T2＝T3，其中，T1为太阳轮的扭矩，T2为齿圈的扭矩，T3为行星架的扭矩，即行星齿轮机构在任何情况下都是一扭矩平衡体。也就是说，作用在太阳轮上的扭矩T1和齿圈上的扭矩T2之和等于行星架的扭矩T3。
在变速单元30处于某一挡位时，整车的阻力负荷、发动机10的输出扭矩、电机20的输出扭矩的比例关系是固定的。当发动机10经变速单元30输出的转速作用在齿圈上的转速一定的情况下，整车速度取决于电机20的输出转速，由电机20驱动行星齿轮的太阳轮可以正向(顺时针)转动，也可以反向(逆时针)转动，正向转动时电机20工作在电动模式，反向转动时电机20工作在发电模式。
在转速耦合工作模式下，电机20可以改变变速单元30在该挡位下的整车速度，但不改变动力输出部输出的扭矩，在该模式下要想改变动力输出部输出的扭矩需要通过变速单元30的换挡来实现。
在整车运行时，电机20可在变速单元30的每个挡位之间进行转速调节，使发动机10在最佳燃油区内工作，若电机20调节转速超过该范围区域，就需要对变速单元30进行挡位切换，切换挡位后电机20在新的发动机10负荷内进行调速，其目标依然是发动机10达到最佳燃油区。
特别是在车速较低时或变速单元30处在低速挡位时，将动力***100切入转速耦合工作模式可以使电机20迅速达到高效区转速，且发动机10保持在最佳燃油区内工作。
需要说明的是，此时电机20可以正转或反转，比如电机20正转为动力输出，则反转时，电机20作为发电机使用，发动机10输出的动力一部分通过齿圈驱动太阳轮转动，以使电机20发电，另一部分通过齿圈驱动行星架转动，并输出到动力输出部，以驱动车辆行驶，此时动力***100为行车发电工作模式。当然，也可以是发动机10输出的动力全部驱动电机20发电，此时动力***100为驻车发电工作模式。
参考图2，动力***100具有扭矩耦合工作模式，发动机10输出动力，电机20启动，在电机20的转速等于变速单元30的输出端的转速时，控制第一元件T与第三元件J固定，动力***100进入扭矩耦合工作模式。
启车后随着变速单元30挡位的提升、车速加快，变速单元30输出端的转速和电机20的转速加快(达到电机20高效区转速时)，控制电机20的输出转速与变速单元30输出端的转速相同时，即太阳轮与行星架转速相同时，控制太阳轮与行星架锁止，此时行星齿轮机构无相对转动，行星架的转速等于太阳轮的转速，以及等于行星架的转速。
在扭矩耦合工作模式中，即太阳轮与行星架的转速相同且扭矩叠加。电机20的转速与变速单元30输出端的转速相同，且不会超过6500rpm。通过调整电机20的输出扭矩来调整发动机10输出负荷，改变发动机10输出转速使发动机10一直工作在最佳的燃油区范围内。在扭矩耦合工作模式下，电机20可以改变动力输出部的输出扭矩，但无法改变动力输出部的输出速度。
进一步地，在转速耦合工作模式与扭矩耦合工作模式的切换中，换挡目标转速与电机20运行转速相一致，降低了换挡难度和对换挡时间的苛刻要求，提高了换挡成功率。
比如，参考图3，动力***100具有发动机驱动工作模式，动力***100处于发动机驱动工作模式时，发动机10工作，电机20不工作，第一元件T制动。
可以理解的是，当高压***或电机20及控制***故障时或高压电池包与动力***100不需要进行能量交换时，控制太阳轮制动，电机20被锁死。发动机10输出动力依次经过变速单元30、齿圈和行星架输出，此时行星齿轮机构为一级减速增扭变速机构，其速比为i＝(1+α)/α，该工况与电机20及高压***无关，为发动机10独立驱动，且解决了电机20随转的能量损失，提高了***效率。
根据本发明实施例的动力***100，具有多种工作模式，且可以适应于更多的工况，降低了控制难度，在工作中不会出现过高或过低转速，降低了电机20高速旋转产生的反电动势对高压***的伤害，降低了***的机械负荷，且发动机10和电机20一直处于高效区内工作，有助于提升动力***100的节能减排效果。
优选地，本发明实施例的动力***100可以为单电机20***，由此，可以降低***成本和整车布置难度。
在本发明的一些优选的实施例中，参考图1-图4，动力***100还可以包括：电机中间轴L4，电机中间轴L4与电机20相连，比如电机20可以通过减速链21与电机中间轴L4相连，减速链21可以包括相互啮合的第一齿轮Z1和第二齿轮Z2，第一齿轮Z1可以与电机20的输出轴固定连接，第二齿轮Z2可以与电机中间轴L4固定连接。电机中间轴L4与第一元件T相连，电机中间轴L4上可以设有电机同步器S0，电机同步器S0选择性地制动，电机同步器S0选择性地与第三元件J固定。
具体地，参考图1-图4，电机同步器S0可以包括滑毂G和滑套H，其中，滑毂G与电机中间轴L4固定连接，滑套H通过花键结构套设在滑毂G外，且滑套H选择性地与第三元件J连接，滑套H选择性地与变速单元30的壳体连接，变速单元30的壳体上设有制动齿圈K，滑套H选择性地与制动齿圈K连接，滑套H可以设在第三元件J与制动齿圈K之间，通过滑动滑套H即可实现切换。
变速单元30具有多种布置形式，比如变速单元30可以为变速器，也可以是其他一些实现变速功能的齿轮减速机，下面以变速单元30为变速器为例作进一步地说明，其中输入轴、输出轴、挡位的变化均可以形成新的变速单元30。
变速单元30仅需要对发动机10动力实现变速变矩，可以完全借用普通燃油车的变速，不需要额外的设计变更，有利于动力***100的小型化，以及可以减少整车开发成本，缩短开发周期。
变速单元30可以包括至少一个输入轴和至少一个输出轴，每个输入轴均与发动机10可选择性地接合，可选地，每个输入轴与发动机10之间均设有离合装置C0。每个输入轴上设有至少一个主动齿轮，每个输出轴上设有至少一个从动齿轮，从动齿轮与对应的主动齿轮啮合，输出轴与第二元件Q连接。
其中，参考图4，主动齿轮可以空套设在对应的输入轴外，且主动齿轮可选择地与对应的输入轴接合，优选地，每个输入轴上均设有挡位同步器，挡位同步器可选择地同步主动齿轮与对应的输入轴。在另一些可选的实施例中，从动齿轮可以空套设在对应的输出轴外，且从动齿轮可选择地与对应的输出轴接合。
在一些具体的实施例中，如图4所示，变速单元30可以为四挡双离合自动变速器，变速单元30包括第一输入轴L1、第二输入轴L1和动力输出轴L3。
第一输入轴L1上空套有一挡主动齿轮1a和三挡主动齿轮3a，第二输入轴L2上空套有二挡主动齿轮2a和四挡主动齿轮4a，动力输出轴L3上固定设置有一挡从动齿轮1b、二挡从动齿轮2b、三挡从动齿轮3b和四挡从动齿轮4b。
其中，按照与发动机100距离近远的方式，多个挡位从动齿轮的排布顺序为一挡从动齿轮1b、二挡从动齿轮2b、三挡从动齿轮3b和四挡从动齿轮4b。通过合理布置多个挡位从动齿轮的位置，可以使得多个挡位主动齿轮和多个输入轴的位置布置合理，从而可以使得动力***100结构简单，体积小。
一挡主动齿轮1a与一挡从动齿轮1b啮合，二挡主动齿轮2a与二挡从动齿轮2b啮合，三挡主动齿轮3a与三挡从动齿轮3b啮合，四挡主动齿轮4a与四挡从动齿轮4b啮合。
一挡主动齿轮1a与三挡主动齿轮3a之间设置有一三挡同步器S13，一三挡同步器S13，一三挡同步器S13可以用于同步一挡主动齿轮1a和第一输入轴L1，以及可以用于同步三挡主动齿轮3a和第一输入轴L1。比如，一三挡同步器S13可以包括滑毂G13和滑套H13，滑套H13可选择性地与一挡主动齿轮1a接合，滑套H13可选择性地与三挡主动齿轮3a。这样可以节省第一输入轴L1上布置的同步器的数量，从而可以缩短第一输入轴L1的轴向长度，以及可以降低动力***100的成本。
二挡主动齿轮2a与四挡主动齿轮4a之间设置有一三挡同步器S13，一三挡同步器S13，二四挡同步器S24可以用于同步二挡主动齿轮2a和第二输入轴L2，以及可以用于同步四挡主动齿轮4a和第二输入轴L2。比如，二四挡同步器S24可以包括滑毂G24和滑套H24，滑套H24可选择性地与二挡主动齿轮2a接合，滑套H13可选择性地与四挡主动齿轮4a。这样可以节省第二输入轴L2上布置的同步器的数量，从而可以缩短第二输入轴L2的轴向长度，以及可以降低动力***100的成本。
下面描述根据本发明实施例的动力***100的一些具体地工作模式。
1)静态点火：整车在静态P挡情况下，挂上任意一挡(比如一档或二挡)结合相对应的离合装置C0启动电机20，使发动机10顺时针转动，调整电机20输出扭矩使发动机10启动转速在800转/分钟左右。
2)动态点火：整车在纯电动运行时，选择恰当挡位后结合相应的离合装置C0，适当调整电机20输出扭矩。
3)转速耦合混合驱动：参考图4，滑套H处于中间位，行星齿轮机构处于自由状态，变速单元30在某挡位下，发动机10动力经过变速单元30输出给齿圈，电机20的动力通过减速链21作用在太阳轮上，由电机20对发动机10的动力(转速)进行调整分配，控制行星架的输出转速，从而调整整车运行速度，因而变相地调整了整车阻力负荷，控制电机20输出转速的目标是该工况时发动机10转速在发动机10的高效区目标转速。
4)转矩耦合混合驱动：将图4中变速单元30挂入三挡(以三挡为例)，调整电机20输出转速使太阳轮的转速与行星架的转速相同或接近时，将滑套H向右滑使太阳轮与滑套H锁止。此时完成了转速耦合到扭矩耦合的过度。这样行星齿轮机构就变成一体旋转，电机20根据控制指令进入电动或发电模式，调整整车负荷使发动机10在高效区内工作。
当然在某个挡位下无论是扭矩耦合工作模式还是在转速耦合工作模式，电机20的调整是有限度的，当电机20转速达到一定值时变速单元30要进行挡位切换，电机20在新的挡位下再进行调整，使得电机20始终不在过高或过低转速下工作，确保电机20和发动机10一直在高效区内工作。
5)发动机10单独驱动：在整车运行过程中电机20处于发电或制动状态时使电机20转速趋近于0或者在规定转速范围内将滑套H向左滑动并与制动齿圈K接合，电机20锁止。发动机10经变速单元30传递过来的动力经齿圈传递到行星架输出，实现了发动机10单独驱动。
6)低速纯电驱动：将变速单元30同时挂入两个挡位，使变速单元30的动力输出轴L3锁死，比如变速单元30同时挂入一档和四挡，分别结合第一离合装置C1和第二离合装置C2，此时齿圈被制动锁止，控制滑套H处于中间位置，控制电机20旋转使车辆运行。
7)高速纯电驱动：滑套H滑动至与行星架接合，变速单元30挂空挡，控制电机20旋转使车辆运行。
8)驻车发电：整车处于P挡工况下，将行星架制动，变速单元30挂入某个挡位，发动机10驱动电机20被动旋转，电机20可以为永磁同步电机20，在电机控制器控制下进行发电。
9)行车发电：在转速耦合工作模式或扭矩耦合工作模式下，发动机10输出的动力传递到齿圈后，一部分经过行星架输出给主减速器主动齿轮Z，另一部分经过太阳轮驱动电机20发电。
10)倒挡功能：在纯电驱动工作模式下控制电机20反向旋转即可实现倒挡(电机20转向与纯电前行方向相反即可)。
11)空挡功能：当滑套H处于中间位置时，整车无论是在纯电运行还是在混合驱动运行，变速单元30挂入空挡即可。空挡功能较为重要，当整车故障需要拖车时，挂入空挡不仅可以减小阻力，且电机20不被动旋转可以对整车高压***起到保护作用。另外，无阻力滑行也是行车时节省能量的一种方法。
本发明还公开了一种车辆，本发明实施例的车辆设置有上述任一种实施例的动力***100。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动力***(100)，其特征在于，包括：
电机(20)；
发动机(10)；
变速单元(30)，所述变速单元(30)与所述发动机(10)可选择性地接合；
行星齿轮机构，所述行星齿轮机构具有第一元件(T)、第二元件(Q)和第三元件(J)，所述第一元件(T)与所述电机(20)相连，所述第二元件(Q)与所述变速单元(30)的输出端相连，所述第三元件(J)与所述动力***(100)的动力输出部相连；
电机中间轴(L4)，所述电机中间轴(L4)与所述电机(20)相连且与所述第一元件(T)相连，所述电机中间轴(L4)上设有电机同步器(S0)，所述电机同步器(S0)选择性地制动，所述电机同步器(S0)选择性地与所述第三元件(J)固定；
所述电机同步器(S0)包括滑毂(G)、滑套(H)，所述滑毂(G)与所述电机中间轴(L4)固定连接，所述滑套(H)通过花键结构套设在所述滑毂(G)外，且所述滑套(H)选择性地与所述变速单元(30)的壳体连接；
减速链(21)，所述减速链(21)包括相互啮合的第一齿轮(Z1)和第二齿轮(Z2)，所述第一齿轮(Z1)与电机20的输出轴固定连接，所述第二齿轮(Z2)与所述电机中间轴(L4)固定连接；
所述变速单元包括输出轴和两个输入轴，每个所述输入轴均与所述发动机(10)可选择性地接合，两个所述输入轴均与所述输出轴可选择性地动力耦合相连，所述输出轴与所述第二元件(Q)连接，两个所述输入轴分别位于所述电机中间轴(L4)的两侧，所述输出轴与所述电机中间轴(L4)分别位于所述行星齿轮机构的轴向两端，且所述发动机(10)与所述电机中间轴(L4)位于所述行星齿轮机构沿轴向的同一端。
2.根据权利要求1所述的动力***(100)，其特征在于，所述变速单元(30)的壳体上设有制动齿圈(K)，所述滑套(H)选择性地与所述制动齿圈(K)连接。
3.根据权利要求1所述的动力***(100)，其特征在于，每个所述输入轴上设有至少一个主动齿轮，所述输出轴上设有至少一个从动齿轮，所述从动齿轮与对应的主动齿轮啮合；
其中，所述主动齿轮空套设在对应的所述输入轴外且所述主动齿轮可选择地与对应的所述输入轴接合，或者所述从动齿轮空套设在对应的所述输出轴外且所述从动齿轮可选择地与对应的所述输出轴接合。
4.根据权利要求1所述的动力***(100)，其特征在于，所述第三元件(J)为行星架，所述第一元件(T)为太阳轮和齿圈中的一个，所述第二元件(Q)为太阳轮和齿圈中的另一个。
5.根据权利要求1中所述的动力***(100)，其特征在于，所述动力***(100)具有转速耦合工作模式，所述动力***(100)处于转速耦合工作模式时，所述发动机(10)输出动力，所述电机(20)启动，所述第一元件(T)不制动且不与所述第三元件(J)固定。
6.根据权利要求1所述的动力***(100)，其特征在于，所述动力***(100)具有扭矩耦合工作模式，所述发动机(10)输出动力，所述电机(20)启动，在所述电机(20)的转速等于所述变速单元(30)的输出端的转速时，控制所述第一元件(T)与所述第三元件(J)固定，所述动力***(100)进入扭矩耦合工作模式。
7.根据权利要求1所述的动力***(100)，其特征在于，所述动力***(100)具有发动机驱动工作模式，所述动力***(100)处于发动机驱动工作模式时，所述发动机(10)工作，所述电机(20)不工作，所述第一元件(T)制动。
8.一种车辆，其特征在于，设置有如权利要求1-7中任一项所述的动力***(100)。
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