CN110303871A - 一种多档混合动力耦合机构、运行模式及其控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多档混合动力耦合机构、运行模式及其控制策略，包括发动机、电动机、行星排、轴齿体系、多个单离合器以及一个双离合器，所述行星排包括太阳轮、行星架以及内齿圈，多个单离合器分别为第一离合器、第二离合器、第三离合器，所述耦合机构通过轴承体系将动力传递给轮端，本发明可设置三种纯电动模式、三种混动模式、三个内燃机直驱模式以及一个功率分流模式，通过判断电池剩余电量以及所需扭矩值来利用离合器之间的开合工作进行对应模式的切换，从而满足车辆始终处于最佳状态，不受或者少受路况的影响，提高整车运行效率。

Description

一种多档混合动力耦合机构、运行模式及其控制策略
技术领域
本发明涉及混合动力汽车技术领域，具体为一种多档混合动力耦合机构、运行模式及其控制策略。
背景技术
近些年来，随着石油资源的缺乏和人们环保意识的提高，以及越来越严格的环境保护法规的要求，迫切需要可节省能源和低排放甚至是零排放的绿色环保汽车产品。为此，世界各国政府以及各大汽车制造商都在加大力度开发各种不同类型的新能源汽车，而新能源包括纯电动车、混合动力车、燃料电池汽车等，其中燃料电池因其存储和制备问题一直难以商用，另外纯电动车也因目前电池的能量密度一直没有长足的提高而受限制。所以目前混合动力车是各大车企发展的方向。
根据车辆的运行特征可知，在运行过程中车辆形式所需的动力以及扭矩是不同，混合动力车如果仅有简单的油电混合的一个或者两个档位显然无法满足其经济性的要求。所以如果提供一种机构能够使内燃机和电动机进行动力耦合并且可以提供多种档位，可以根据需求工况来进行模式的切换，从而满足动力源输出时的良好动力性和经济性，将会对目前的混合动力汽车领域具有推动作用。
为此，提出一种多档混合动力耦合机构、运行模式及其控制策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多档混合动力耦合机构、运行模式及其控制策略，通过设置多个离合器并进行工作组合，从而实现车辆的多种工况运行，提高能源利用率以及燃油经济型。
以解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供如下技术方案：
一种多档混合动力耦合机构，所述耦合机构包括发动机、电动机、行星排、轴齿体系、多个单离合器以及一个双离合器，所述行星排包括太阳轮、行星架以及内齿圈，所述多个单离合器分别为第一离合器、第二离合器、第三离合器，所述电动机与太阳轮连接，所述耦合机构通过轴承体系将动力传递给轮端。
优选的，所述轴齿体系包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮以及输入轴、输出轴、中间轴。
优选的，所述第一离合器的两端分别连接发动机和输入轴；
所述第二离合器的两端分别连接内齿圈和太阳轮；
所述第三离合器的两端分别连接内齿圈和第二齿轮；
所述双离合器的主动端与输入轴连接，所述双离合器的第一端头与输出轴连接，所述双离合器的第二端头与第三齿轮连接；
所述第三齿轮与第六齿轮啮合，所述行星架与输入轴连接；
所述输出轴上套接有第四齿轮，所述第四齿轮与第七齿轮啮合，所述第二齿轮与第五齿轮啮合；
所述第六齿轮、第五齿轮、第七齿轮均套接在中间轴上，所述第五齿轮通过第一齿轮将动力输出给轮端。
优选的，所述第一齿轮与轮端之间设有差速器。
一种应用于多档混合动力耦合机构的运行模式，包括以下几种模式：
纯电动模式A，发动机不启动，电动机启动提供动力，第二离合器与双离合器工作，且使第一端头与输出轴结合；
纯电动模式B，发动机不启动，电动机启动提供动力，第二离合器与双离合器工作，且使第二端头与第三齿轮连接；
纯电动模式C，发动机不启动，电动机启动提供动力，第二离合器与第三离合器工作；
混动模式A，发动机启动提供动力，电动机启动，第一离合器、第二离合器以及双离合器工作，且使第一端头与输出轴结合；
混动模式B，发动机启动提供动力，电动机启动，第一离合器、第二离合器以及双离合器工作，且使第二端头与第三齿轮连接；
混动模式C，发动机启动提供动力，电动机启动，第一离合器、第二离合器与第三离合器工作；
内燃机直驱模式A，发动机启动提供动力，第一离合器、双离合器工作，且使第一端头与输出轴结合；
内燃机直驱模式B，发动机启动提供动力，第一离合器、双离合器工作，且使第二端头与第三齿轮连接；
内燃机直驱模式C，发动机启动提供动力，第一离合器、第二离合器与第三离合器工作；
功率分流模式，发动机启动提供动力，电动机启动，第一离合器与第三离合器工作。
优选的，所述内燃机直驱模式A、内燃机直驱模式B、内燃机直驱模式C下，电动机作为启动发动机的启动源，当发动机正常工作后，电动机即关闭。
优选的，所述混动模式A、混动模式B、混动模式C、功率分流模式中的电动机可转化为发电机进行储电、动力回收。
一种应用于多档混合动力耦合机构的控制策略，判断电池的SOC指与电量阈值的大小，以及需求扭矩与扭矩阈值的大小，根据判断结果切换运行模式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请包含发动机、电动机以及设置了三个离合器，并配合设置了双向离合器和轴齿***，且电动机与行星排的太阳轮连接，发动机通过输入轴与行星排的行星架连接，该耦合机构可实现三个纯电动挡、三个混合动力挡、三个内燃机直驱挡以及一个电动无级变速挡的模式切换，通过判断电池剩余电量以及所需扭矩值来进行对应模式的切换，从而达到用电池有效的补充轮端所需驱动力合理调配发动机的动力，从而满足车辆始终处于最佳状态，不受或者少受路况的影响，提高整车运行效率，另外本申请还可以进行制动能量回收，从而补充电动机的电池电量。
附图说明
图1为本发明的结构示意框图；
图2为本发明纯电动模式A下的动力传输路线图；
图3为本发明纯电动模式B下的动力传输路线图；
图4为本发明纯电动模式C下的动力传输路线图；
图5为本发明混动模式A下的动力传输路线图；
图6为本发明混动模式B下的动力传输路线图；
图7为本发明混动模式C下的动力传输路线图；
图8为本发明功率分流模式下的动力传输路线图；
图9为本发明内燃机直驱模式A下的动力传输路线图；
图10为本发明内燃机直驱模式B下的动力传输路线图；
图11为本发明内燃机直驱模式C下的动力传输路线图。
图中：1、发动机，2、第一离合器，3、输入轴，4、电动机，5、太阳轮，6、行星架，7、内齿圈，8、第二离合器，9、第三离合器，10、第二齿轮，11、双离合器，11a、第一端头，11b、第二端头，12、第三齿轮，13、第四齿轮，14、输出轴，15、中间轴，16、第五齿轮，17、第六齿轮，18、第七齿轮，19、第一齿轮，20、差速器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-11，本发明提供一种技术方案：一种多档混合动力耦合机构，所述耦合机构包括发动机1、电动机4、行星排、轴齿体系、多个单离合器以及一个双离合器11，所述行星排包括太阳轮5、行星架6以及内齿圈7，所述多个单离合器分别为第一离合器2、第二离合器8、第三离合器9，所述电动机4与太阳轮5连接,并且发动机1通过输入轴3与行星架6连接，发动机1或者电动机4的动力通过轴承体系将动力传递给轮端，具体而言，所述轴齿体系包括第一齿轮19、第二齿轮10、第三齿轮12、第四齿轮13、第五齿轮16、第六齿轮17、第七齿轮18以及输入轴3、输出轴14、中间轴15，多个齿轮以及轴之间啮合将动力传递，具体的，所述第一离合器2的两端分别连接发动机1和输入轴3，所述第二离合器9的两端分别连接内齿圈7和太阳轮5；所述第三离合器9的两端分别连接内齿圈7和第二齿轮10，离合器工作结合时将两端部件连接。
另外所述双离合器11的主动端与输入轴3连接，所述双离合器11的第一端头11a与输出轴14连接，所述双离合器11的第二端头11b与第三齿轮12连接，从而根据实际情况进行切换。
所述第三齿轮12与第六齿轮17啮合，所述行星架6与输入轴3连接；
所述输出轴14上套接有第四齿轮13，所述第四齿轮13与第七齿轮18啮合，所述第二齿轮10与第五齿轮16啮合；
所述第六齿轮17、第五齿轮16、第七齿轮18均套接在中间轴15上从能够传递动力，所述第五齿轮16通过第一齿轮19将动力输出给轮端。
具体而言，所述第一齿轮19与轮端之间设有差速器20，从而满足双轮驱动。
本申请的各部件连接示意如图1所示，根据不同的路况需求，通过多个单离合器以及双离合器11在轴齿***的配合下，实现不同的模式如下：
当电池的电量充足的时候，整车可以以纯电动模式进行运行，纯电动条件下根据传动比不同分为三个档位，具体为：
纯电动模式A，发动机1不启动，电动机4启动提供动力，第二离合器8与双离合器11工作，且使第一端头11a与输出轴14结合，其动力传输路线如图2所示(图中粗线部分为动力传递路线)，由于第二离合器8工作使内齿圈7和太阳轮5实现连接固定，所以动力传输给行星架6进而传递给输入轴3并传递给双离合器11，因为第一端头11a与输出轴14结合，所以依次传递给输出轴14、第四齿轮13、第七齿轮18、中间轴15、第五齿轮16、第一齿轮19并通过差速器20传递到轮端实现运行。
纯电动模式B，发动机1不启动，电动机4启动提供动力，第二离合器8与双离合器11工作，且使第二端头11b与第三齿轮12连接，其动力传输路线如图3所示，由于第二离合器8工作使内齿圈7和太阳轮5实现连接固定，所以动力传输给行星架6进而传递给输入轴3并传递给双离合器11，因为第二端头11b与第三齿轮12连接，所以依次传递给第三齿轮12、第六齿轮17、中间轴15、第五齿轮16、第一齿轮19并通过差速器20传递到轮端实现运行。
纯电动模式C，发动机1不启动，电动机4启动提供动力，第二离合器8与第三离合器9工作，其动力传输路线如图4所示，由于第二离合器8工作使内齿圈7和太阳轮5实现连接固定，第三离合器9工作使内齿圈7和第二齿轮10，所以动力传输给内齿圈7进而传递给第二齿轮10，由于第二齿轮10与第五齿轮16啮合，所以最终通过第一齿轮19、差速器20传递到轮端实现运行。
根据整车的工况，车速要求较高时，耦合机构可以切换到混合驱动模式，根据传递比不同分为三个档位，具体如下，
混动模式A，发动机1启动提供动力，电动机4启动，第一离合器2、第二离合器8以及双离合器11工作，且使第一端头11a与输出轴14结合，其动力传输路线如图5所示，第二离合器8啮合是行星排整体转动，所以动力传输给行星架6进而传递给输入轴3，同时由于第一离合器2闭合所以发动机1动力也传输给输入轴3，剩余动力传递过程与纯电动模式A相同依次传递到第一齿轮19并通过差速器20传递到轮端实现运行。
混动模式B，发动机1启动提供动力，电动机4启动，第一离合器2、第二离合器8以及双离合器11工作，且使第二端头11b与第三齿轮12连接，其动力传输路线如图6所示，此模式下电动机4和发动机1的动力在输入轴3处实现重叠，然后依次传递给第三齿轮12、第六齿轮17、中间轴15、第五齿轮16、第一齿轮19并通过差速器20传递到轮端实现运行。
纯电动模式C，发动机1启动提供动力，电动机4启动，第一离合器2、第二离合器8与第三离合器9工作，其动力传输路线如图7所示，此模式下电动机4和发动机1的动力在行星排处耦合，进而传递给第二齿轮10，由于第二齿轮10与第五齿轮16啮合，所以最终通过第一齿轮19、差速器20传递到轮端实现运行。
另外本机构也具有一个ECVT的模式即功率分流模式，具体为发动机1启动提供动力，电动机4启动，第一离合器2与第三离合器9工作，其动力传输路线如图8所示，从图8中可以看出，电动机4的动力传输给太阳轮5，发动机1的动力传输给行星架6，在太阳轮5和行星架6的共同作用下，内齿圈7作为输出传递处动力给第二齿轮10，并最终传递给轮端实现运行，在此模式下通过电动机4的转速调节可以实现内齿圈7的变速过程，即实现ECVT的无级变速情况。
另外在混动模式A、混动模式B、混动模式C、功率分流模式中的电动机4可转化为发电机形式，当车辆制动时，发电机内部产生制动力矩，从而使内部的绕组产生感应电流对车载的电池进行充电，从而进行能量回收。
根据实际情况的需求，本机构也可采用内燃机(即发动机1)直驱模式，根据传动比不同也分为三个档位，具体如下：
内燃机直驱模式A，发动机1启动提供动力，第一离合器2、双离合器11工作，且使第一端头11a与输出轴14结合，其动力传输路线如图9所示，发动机1的动力通过双离合器11的第一端头11a传递给输出轴14并依次传到轮端上。
内燃机直驱模式B，发动机1启动提供动力，第一离合器2、双离合器11工作，且使第二端头11b与第三齿轮12连接，其动力传输路线如图10所示，动机1的动力通过双离合器11的第二端头11b传递给第三齿轮12并依次传到轮端上，所以依次传递给第三齿轮12、第六齿轮17、中间轴15、第五齿轮16、第一齿轮19并通过差速器20传递到轮端实现运行。
内燃机直驱模式C，发动机1启动提供动力，第一离合器2、第二离合器8与第三离合器9工作，其动力传输路线如图11所示，第二离合器8使内齿圈7和太阳轮5实现连接固定，行星排整体转动通过行星架6动力输入，然后依次进而传递给第二齿轮10，由于第二齿轮10与第五齿轮16啮合，所以最终通过第一齿轮19、差速器20传递到轮端实现运行。
对于内燃机直驱模式下，可利用发电机4作为发动机1启动的启动源，待发动机1转速正常后发电机4关闭。
对于本机构在不同运行模式下的切换策略，主要由几个阈值来控制，不同的阈值对应不同的运行模式，如使用电动机4或发动机1时要判断，当前的电池SOC值与不同运行模式下需要的电量阈值关系，以及当前速度情况下的所需扭矩与不同模型下的扭矩阈值的关系。不同的运行模式都会有一个电量阈值(内燃机直驱除外)和扭矩阈值的上下限以及能效比，其策略判断过程如下：
第一步，车辆的车载ECU获取到当前车速S1以及所需扭矩值D1；
第二步，比较所需扭矩值D1与各个模式下的扭矩阈值上下限，获取N个所需扭矩值D1在扭矩阈值上下限内的模式，备选；
第三步，比较N个模式中的电量阈值与当前电池SOC值，获取M个当前电池SOC值在电量阈值上下限内的模式，备选；
第四步，在车速S1状态下的M个模式中的能效比；
第五步，选取能效比最高的模式进行切换。
本发明中几种模式下的传动比不同，其扭矩输送情况也不同，可以根据车况来进行选择进入何种模式，具体离合器、发动机1、电动机4的开启、关闭情况如表1所示：
表1不同模式下各部件的工作状态情况
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多档混合动力耦合机构，其特征在于：所述耦合机构包括发动机(1)、电动机(4)、行星排、轴齿体系、多个单离合器以及一个双离合器(11)，所述行星排包括太阳轮(5)、行星架(6)以及内齿圈(7)，所述多个单离合器分别为第一离合器(2)、第二离合器(8)、第三离合器(9)，所述电动机(4)与太阳轮(5)连接，所述耦合机构通过轴承体系将动力传递给轮端。
2.根据权利要求1所述的一种多档混合动力耦合机构，其特征在于：所述轴齿体系包括第一齿轮(19)、第二齿轮(10)、第三齿轮(12)、第四齿轮(13)、第五齿轮(16)、第六齿轮(17)、第七齿轮(18)以及输入轴(3)、输出轴(14)、中间轴(15)。
3.根据权利要求1所述的一种多档混合动力耦合机构，其特征在于：
所述第一离合器(2)的两端分别连接发动机(1)和输入轴(3)；
所述第二离合器(8)的两端分别连接内齿圈(7)和太阳轮(5)；
所述第三离合器(9)的两端分别连接内齿圈(7)和第二齿轮(10)；
所述双离合器(11)的主动端与输入轴(3)连接，所述双离合器(11)的第一端头(11a)与输出轴(14)连接，所述双离合器(11)的第二端头(11b)与第三齿轮(12)连接；
所述第三齿轮(12)与第六齿轮(17)啮合，所述行星架(6)与输入轴(3)连接；
所述输出轴(14)上套接有第四齿轮(13)，所述第四齿轮(13)与第七齿轮(18)啮合，所述第二齿轮(10)与第五齿轮(16)啮合；
所述第六齿轮(17)、第五齿轮(16)、第七齿轮(18)均套接在中间轴(15)上，所述第五齿轮(16)通过第一齿轮(19)将动力输出给轮端。
4.根据权利要求1所述的一种多档混合动力耦合机构，其特征在于：所述第一齿轮(19)与轮端之间设有差速器(20)。
5.一种应用于多档混合动力耦合机构的运行模式，其特征在于：包括以下几种模式：
纯电动模式A，发动机(1)不启动，电动机(4)启动提供动力，第二离合器(8)与双离合器(11)工作，且使第一端头(11a)与输出轴(14)结合；
纯电动模式B，发动机(1)不启动，电动机(4)启动提供动力，第二离合器(8)与双离合器(11)工作，且使第二端头(11b)与第三齿轮(12)连接；
纯电动模式C，发动机(1)不启动，电动机(4)启动提供动力，第二离合器(8)与第三离合器(9)工作；
混动模式A，发动机(1)启动提供动力，电动机(4)启动，第一离合器(2)、第二离合器(8)以及双离合器(11)工作，且使第一端头(11a)与输出轴(14)结合；
混动模式B，发动机(1)启动提供动力，电动机(4)启动，第一离合器(2)、第二离合器(8)以及双离合器(11)工作，且使第二端头(11b)与第三齿轮(12)连接；
混动模式C，发动机(1)启动提供动力，电动机(4)启动，第一离合器(2)、第二离合器(8)与第三离合器(9)工作；
内燃机直驱模式A，发动机(1)启动提供动力，第一离合器(2)、双离合器(11)工作，且使第一端头(11a)与输出轴(14)结合；
内燃机直驱模式B，发动机(1)启动提供动力，第一离合器(2)、双离合器(11)工作，且使第二端头(11b)与第三齿轮(12)连接；
内燃机直驱模式C，发动机(1)启动提供动力，第一离合器(2)、第二离合器(8)与第三离合器(9)工作；
功率分流模式，发动机(1)启动提供动力，电动机(4)启动，第一离合器(2)与第三离合器(9)工作。
6.根据权利要求5所述的一种应用于多档混合动力耦合机构的运行模式，其特征在于：所述内燃机直驱模式A、内燃机直驱模式B、内燃机直驱模式C下，电动机(4)作为启动发动机(1)的启动源，当发动机(1)正常工作后，电动机(4)即关闭。
7.根据权利要求5所述的一种应用于多档混合动力耦合机构的运行模式，其特征在于：所述混动模式A、混动模式B、混动模式C、功率分流模式中的电动机(4)可转化为发电机进行储电、动力回收。
8.一种应用于多档混合动力耦合机构的控制策略，其特征在于：判断电池的SOC指与电量阈值的大小，以及需求扭矩与扭矩阈值的大小，根据判断结果切换运行模式。
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