CN113954621A - 一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱及其控制方法，包括发动机、ISG电机、PMSM电机、第一行星排、第二行星排、定轴轮系、离合器、换挡离合器、紧急离合器和动力电池组；通过控制离合器、换挡离合器和紧急离合器的结合状态与发动机、ISG电机和PMSM电机的工作状态实现四模式六挡位的驱动功能，此外还增加了再生制动驱动模式、行车充电驱动模式和跛行回家驱动模式；车辆可根据工作环境驱动需求，自主切换工作模式，适应更多复杂的工作环境。本发明变速箱采用行星齿排结构，结构紧凑，传动效率高，实用性与针对性强，还能够保证发动机工作在高效率区，有效降低尾气排放、提高燃油经济性。

Description

一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种变速箱，具体涉及一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱及其控制方法。
背景技术
重型矿车具有装载量大、运行工况复杂、运输成本低、生产效率高等优点，可以大幅提高矿山生产率和经济效益，是未来发展的必然趋势。露天矿的运输效率与重型矿车驱动技术的研究密切相关，而混合动力技术的发展为提升重型矿车的动力性提供了新的优化思路。
变速箱作为车辆的关键组成部分，目前针对重型混合动力矿车，在传动的变速箱基础上更改为混合动力路线是一种比较快速实现混合动力的一种方式，但该种方式无法充分发挥出混合动力的动力性与经济性优势，除此以外，目前还没有专门针对矿山运输环境的混合动力变速箱。因此，研发一款针对重型矿车的专门变速箱，具有重要的开发与应用价值。
现有已提出的混合动力变速箱***主要是针对乘用车和商用车，大都为行星齿轮排机构，很少有针对大功率重载且工作环境恶劣的重型车辆开发专用的变速箱，且单行星排结构无法满足重型混合动力矿车大功率输出、多动力耦合以及运输环境恶劣的特点。中国专利202011021106.1提出一种双变速箱混合动力矿车及控制方法，采用双变速箱和齿轮驱动箱实现电机与发动机的动力耦合，但是没有针对变速箱的机械结构进行分析。中国专利202010833885.9提出一种混合动力变速箱、驱动总成及控制方法与车辆，采用同步器的连接动作实现车轮与不同动力源之间的耦合，但该变速箱无法实现再生制动能量回收。中国专利202110939205.6提出一种多行星排混合动力变速箱构型，该变速箱设置五个行星排结构，设置两个离合器、五个制动器实现变速箱六个工作档和倒挡，但该结构过于复杂，且离合器和制动器数目过多会导致变速箱故障率增加。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱及其控制方法，结构简单，故障率低，传动性能好，易于控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱，包括发动机、ISG电机、PMSM电机、分动箱、第一行星排、第二行星排、离合器、换挡离合器、定轴轮系、紧急离合器和动力电池组，动力电池组与ISG电机、PMSM电机电连接；还包括变速箱控制器、离合器控制器、换挡离合器控制器和紧急离合器控制器，离合器与离合器控制器连接，换挡离合器与换挡离合器控制器连接，紧急离合器与紧急离合器控制器连接，离合器控制器、换挡离合器控制器、紧急离合器控制器均与变速箱控制器连接；第一行星排包括第一齿圈、第一行星架、第一太阳轮，第二行星排包括第二齿圈、第二行星架和第二太阳轮；第一太阳轮与ISG电机连接，第一行星架与发动机通过分动箱连接，第一齿圈通过离合器与第二齿圈连接；第二太阳轮与PMSM电机连接，第二齿圈与换挡离合器连接，第二行星架与定轴轮系连接；紧急离合器与分动箱连接。
进一步的，所述ISG电机为发电与电动一体化电机，PMSM电机为永磁同步电机。
一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱控制方法，变速箱控制器分别给离合器控制器、换挡离合器控制器和紧急离合器控制器发送指令；
当发送指令控制离合器、换挡离合器和紧急离合器全部断开时，此时为PMSM电机单独驱动模式；当发送指令控制离合器和换挡离合器闭合，控制紧急离合器断开时，此时为ISG电机和PMSM电机共同驱动模式；当发送指令控制离合器闭合，控制换挡离合器和控制紧急离合器断开时，此时为ISG电机和PMSM电机共同驱动模式；当发送指令控制离合器和控制换挡离合器闭合，控制紧急离合器断开时，此时为发动机、ISG电机和PMSM电机共同驱动模式；当发送指令控制离合器闭合，控制换挡离合器和控制紧急离合器断开时，此时为发动机、ISG电机和PMSM电机共同驱动模式；当发送指令控制离合器、控制换挡离合器和控制紧急离合器均断开时，此时PMSM电机反转单独驱动模式。
进一步的，当车辆制动时，变速箱控制器分别给离合器控制器、换挡离合器控制器和紧急离合器控制器发送指令，控制离合器闭合，控制换挡离合器和紧急离合器断开；此时发动机和PMSM电机不参与工作，ISG电机作为发电机对动力电池组进行充电，实现能量回收。
进一步的，当动力电池组的电量低于设定的SOC值时，变速箱控制器分别给离合器控制器、换挡离合器控制器和紧急离合器控制器发送指令，控制离合器闭合，控制换挡离合器和紧急离合器断开；此时为发动机和PMSM电机共同驱动模式，ISG电机作为发电机参与工作，发动机工作带动ISG电机对动力电池组充电。
进一步的，当变速箱出现故障时，变速箱控制器分别给离合器控制器、换挡离合器控制器和紧急离合器控制器发送指令，控制离合器和换挡离合器断开，控制紧急离合器闭合；此时为发动机和PMSM电机共同驱动模式，实现跛行。
与现有技术相比，本发明采用双行星排结构，通过控制离合器的开断与动力源的输入可实现多种模式与挡位的切换，结构简单，装配难度低，传动性能好，实用性与针对性强，便于控制，还能够保证发动机长久的工作在高效率区，燃油经济性好，有效降低尾气排放。
附图说明
图1为本发明传动结构示意图；
图2为本发明控制***原理图；
图中：1、发动机，2、ISG电机，3、PMSM电机，4、分动箱，5、第一齿圈，6、第一行星架，7、第一太阳轮，8、离合器，9、换挡离合器，10、第二齿圈，11、第二行星架，12、第二太阳轮，13、定轴轮系，14、离合器控制器，15、换挡离合器控制器，16、变速箱控制器，17、紧急离合器，18、紧急离合器控制器，19、动力电池组，20、第一行星排，21、第二行星排。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
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。
如图1所示，本发明提供一种技术方案：包括发动机1、ISG电机2、PMSM电机3、分动箱4、第一行星排20、第二行星排21、离合器8、换挡离合器9、定轴轮系13和紧急离合器17；还包括变速箱控制器16、离合器控制器14、换挡离合器控制器15、紧急离合器控制器18和动力电池组19，动力电池组19与ISG电机2、PMSM电机3电连接。
离合器8与离合器控制器14连接受其控制，换挡离合器9与换挡离合器控制器15连接受其控制，紧急离合器17与紧急离合器控制器18连接受其控制，离合器控制器14、换挡离合器控制器15、紧急离合器控制器18均与变速箱控制器16连接受其控制。
第一行星排20包括第一齿圈5、第一行星架6、第一太阳轮7，第一齿圈5与第一行星架6啮合，第一行星架6与第一太阳轮7啮合；第二行星排21包括第二齿圈10、第二行星架11和第二太阳轮12，第二齿圈10与第二行星架11啮合，第二行星架11与第二太阳轮12啮合。
第一太阳轮7与ISG电机2连接，第一行星架6与发动机1通过分动箱4连接，第一齿圈5通过离合器8与第二齿圈10连接；其中第一太阳轮7和第一行星架6为动力输入轴，第一齿圈5为动力输出轴；第二太阳轮12与PMSM电机3连接，第二齿圈10与换挡离合器9连接，第二行星架11与定轴轮系13连接；其中第二齿圈10和第二太阳轮12为动力输入轴，第二行星架11为动力输出轴；定轴轮系13为多行星排式混合动力变速箱的输出轴；紧急离合器17与分动箱4连接。
发动机1、ISG电机2和PMSM电机3三个驱动单元的动力通过第一行星排20和第二行星排21传输至定轴轮系13最终输出；发动机1动力通过分动箱4可分别将动力输出至第一行星架6、紧急离合器17所在轴；多行星排式混合动力变速箱可通过控制离合器8、换挡离合器9和紧急离合器17的开断实现工作模式的切换和传动比的变化。
离合器8位于第一行星排20与第二行星排21之间，其结合状态决定发动机1与ISG电机2是否参与驱动；换挡离合器9位于第二齿圈10上，其结合状态决定第二齿圈10与第二行星架11是否处于同步的状态；紧急离合器17可通过分动箱4将发动机1的动力输出至前驱动桥，紧急离合器17处于常开状态。
如图2所示，变速箱控制器16根据当前车辆状态自主决断离合器8、换挡离合器9和紧急离合器17的开断来实现不同驱动模式的切换，包括单电机驱动模式（一档）、双电机驱动模式（二档）、双电机驱动模式（三档）、油-电混合驱动模式（四档）、油-电混合驱动模式（五档）、倒车驱动模式（六档）、再生制动驱动模式、行车充电驱动模式和跛行回家驱动模式。
单电机驱动模式（一档）
离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8断开，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9断开，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时由PMSM电机3单独驱动车辆。
双电机驱动模式（二档）
离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8闭合，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9闭合，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时由ISG电机2和PMSM电机3共同驱动车辆。
双电机驱动模式（三档）
离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8闭合，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9断开，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时由ISG电机2和PMSM电机3共同驱动车辆。
二档和三档均为双电机驱动模式，换挡离合器9控制着变速箱的传动比，当其闭合时传动比小，速度慢；反之，传动比大，速度快。
油-电混合驱动模式（四档）
离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8闭合，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9闭合，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时由发动机1、ISG电机2和PMSM电机3共同驱动车辆。
油-电混合驱动模式（五档）
离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8闭合，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9断开，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时由发动机1、ISG电机2和PMSM电机3共同驱动车辆。
四档和五档均为油-电混合驱动模式，换挡离合器9控制着变速箱的传动比，当其闭合时传动比小，速度慢；反之，传动比大，速度快。
倒车驱动模式（六档）
离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8断开，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9断开，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时由PMSM电机3反转单独驱动车辆。
再生制动驱动模式
当车辆制动时，ISG电机2作为发电机对动力电池组进行充电，实现能量回收，此时，变速箱控制器16分别给离合器控制器14、换挡离合器控制器15和紧急离合器控制器18发送指令，离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8闭合，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9断开，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时发动机1和PMSM电机3不参与工作。
行车充电驱动模式
当动力电池组19的电量低于设定的SOC值时，变速箱控制器16分别给离合器控制器14、换挡离合器控制器15和紧急离合器控制器18发送指令，ISG电机2作为发电机参与工作，发动机1工作带动ISG电机2对动力电池组19充电，此时离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8闭合，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9断开，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17断开；此时由发动机1和PMSM电机3共同驱动车辆。
跛行回家驱动模式
当多行星排式混合动力变速箱出现故障时，变速箱控制器16分别给离合器控制器14、换挡离合器控制器15和紧急离合器控制器18发送指令，离合器控制器14接收变速箱控制器16指令，控制离合器8断开，换挡离合器控制器15接收变速箱控制器16指令，控制换挡离合器9断开，紧急离合器控制器18接收变速箱控制器16指令，控制紧急离合器17闭合；此时由发动机1和PMSM电机3共同驱动车辆，实现跛行回家。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱，包括发动机（1）、ISG电机（2）、PMSM电机（3）、分动箱（4）、第一行星排（20）、第二行星排（21）、离合器（8）、换挡离合器（9）、定轴轮系（13）、紧急离合器（17）和动力电池组（19），动力电池组（19）与ISG电机（2）、PMSM电机（3）电连接；其特征在于，
还包括变速箱控制器（16）、离合器控制器（14）、换挡离合器控制器（15）和紧急离合器控制器（18），离合器（8）与离合器控制器（14）连接，换挡离合器（9）与换挡离合器控制器（15）连接，紧急离合器（17）与紧急离合器控制器（18）连接，离合器控制器（14）、换挡离合器控制器（15）、紧急离合器控制器（18）均与变速箱控制器（16）连接；
第一行星排（20）包括第一齿圈（5）、第一行星架（6）、第一太阳轮（7），第二行星排（21）包括第二齿圈（10）、第二行星架（11）和第二太阳轮（12）；
第一太阳轮（7）与ISG电机（2）连接，第一行星架（6）与发动机（1）通过分动箱（4）连接，第一齿圈（5）通过离合器（8）与第二齿圈（10）连接；第二太阳轮（12）与PMSM电机（3）连接，第二齿圈（10）与换挡离合器（9）连接，第二行星架（11）与定轴轮系（13）连接；紧急离合器（17）与分动箱（4）连接。
2.根据权利要求1所述的一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱，其特征在于，所述ISG电机（2）为发电与电动一体化电机，PMSM电机（3）为永磁同步电机。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱控制方法，其特征在于：
变速箱控制器（16）分别给离合器控制器（14）、换挡离合器控制器（15）和紧急离合器控制器（18）发送指令；
当发送指令控制离合器（8）、换挡离合器（9）和紧急离合器（17）全部断开时，此时为PMSM电机（3）单独驱动模式；
当发送指令控制离合器（8）和换挡离合器（9）闭合，控制紧急离合器（17）断开时，此时为ISG电机（2）和PMSM电机（3）共同驱动模式；
当发送指令控制离合器（8）闭合，控制换挡离合器（9）和控制紧急离合器（17）断开时，此时为ISG电机（2）和PMSM电机（3）共同驱动模式；
当发送指令控制离合器（8）和控制换挡离合器（9）闭合，控制紧急离合器（17）断开时，此时为发动机（1）、ISG电机（2）和PMSM电机（3）共同驱动模式；
当发送指令控制离合器（8）闭合，控制换挡离合器（9）和控制紧急离合器（17）断开时，此时为发动机（1）、ISG电机（2）和PMSM电机（3）共同驱动模式；
当发送指令控制离合器（8）、控制换挡离合器（9）和控制紧急离合器（17）均断开时，此时PMSM电机（3）反转单独驱动模式。
4.根据权利要求3所述的一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱控制方法，其特征在于：
当车辆制动时，变速箱控制器（16）分别给离合器控制器（14）、换挡离合器控制器（15）和紧急离合器控制器（18）发送指令，控制离合器（8）闭合，控制换挡离合器（9）和紧急离合器（17）断开；此时发动机（1）和PMSM电机（3）不参与工作，ISG电机（2）作为发电机对动力电池组（19）进行充电，实现能量回收。
5.根据权利要求3所述的一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱控制方法，其特征在于：
当动力电池组（19）的电量低于设定的SOC值时，变速箱控制器（16）分别给离合器控制器（14）、换挡离合器控制器（15）和紧急离合器控制器（18）发送指令，控制离合器（8）闭合，控制换挡离合器（9）和紧急离合器（17）断开；
此时为发动机（1）和PMSM电机（3）共同驱动模式，ISG电机（2）作为发电机参与工作，发动机（1）工作带动ISG电机（2）对动力电池组（19）充电。
6.根据权利要求3所述的一种重型矿车多行星排式混合动力变速箱控制方法，其特征在于：
当变速箱出现故障时，变速箱控制器（16）分别给离合器控制器（14）、换挡离合器控制器（15）和紧急离合器控制器（18）发送指令，控制离合器（8）和换挡离合器（9）断开，控制紧急离合器（17）闭合；此时为发动机（1）和PMSM电机（3）共同驱动模式，实现跛行。
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