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CN114801686A - 一种混合动力系统和混合动力系统的控制方法 - Google Patents

一种混合动力系统和混合动力系统的控制方法 Download PDF

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CN114801686A
CN114801686A CN202210454874.9A CN202210454874A CN114801686A CN 114801686 A CN114801686 A CN 114801686A CN 202210454874 A CN202210454874 A CN 202210454874A CN 114801686 A CN114801686 A CN 114801686A
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CN
China
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shaft
brake
motor
planetary
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CN202210454874.9A
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李宁
姜晓琴
冯美丽
戈吉兵
刘蓉
徐文娟
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Weichai Power Co Ltd
Weichai New Energy Technology Co Ltd
Original Assignee
Weichai Power Co Ltd
Weichai New Energy Technology Co Ltd
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Abstract

本申请公开一种混合动力系统和混合动力系统的控制方法，包括发动机、电机、变速箱，以及行星轮系，所述发动机具有发动机轴，所述电机具有电机轴，所述变速箱具有变速箱轴，所述行星轮系包括行星轮以及下述行星单元：行星架、太阳轮、行星齿圈；所述发动机轴连接三个所述行星单元中的第一者、所述电机轴连接三个所述行星单元中的第二者、所述变速箱轴连接三个所述行星单元中的第三者；还包括用于制动所述行星架、所述行星齿圈的制动器；所述发动机轴与所述行星轮系之间设有离合器。本方案通过离合器、制动器的控制，可以在较为简单的结构基础上，实现多种动力模式，此混合动力系统易于集成，便于模块一体化。

Description

一种混合动力系统和混合动力系统的控制方法
技术领域
本发明涉及传动技术领域，具体涉及一种混合动力系统和混合动力系统的控制方法。
背景技术
现有传统动力总成包括发动机和变速箱，发动机动力输出经过变速箱进行传动比调节，然后输出至车轮。但现有的传统动力总成的驱动模式单一，整车性能较差。
发明内容
本申请提供一种混合动力系统，包括发动机、电机、变速箱，以及行星轮系，所述发动机具有发动机轴，所述电机具有电机轴，所述变速箱具有变速箱轴，所述行星轮系包括行星轮以及下述行星单元：行星架、太阳轮、行星齿圈；所述发动机轴、所述电机轴以及所述变速箱轴三者分别连接三个所述行星单元；还包括用于制动所述行星架、所述行星齿圈的制动器；所述发动机轴与所述行星轮系之间设有离合器。
在一种具体实施方式中，所述发动机轴连接所述太阳轮，所述变速箱轴连接所述行星架，所述电机轴连接所述行星齿圈。
在一种具体实施方式中，所述太阳轮具有同轴设置并同步转动的太阳轮轴；所述发动机轴通过离合器与所述太阳轮轴连接。
在一种具体实施方式中，所述电机轴设有电机齿轮，与所述行星齿圈啮合。
在一种具体实施方式中，所述行星齿圈具有外齿，所述电机齿轮与所述行星齿圈的所述外齿形成外啮合。
在一种具体实施方式中，所述行星齿圈的外周壁形成台阶结构，所述台阶结构的小径部分设置所述外齿，所述台阶结构的大径部分用于和所述制动器制动配合。
在一种具体实施方式中，所述变速箱轴设有变速箱轴架，所述变速箱轴架与对应的所述制动器制动配合，以间接制动所述行星架。
在一种具体实施方式中，所述变速箱轴设有变速箱齿轮，所述行星架设有与所述变速箱齿轮啮合的行星架齿轮。
在一种具体实施方式中，还包括能够容纳所述行星轮系的壳体，所述制动器均设于所述壳体。
本申请还提供一种混合动力系统的控制方法，基于上述任一项所述的混合动力系统，定义能够切断所述电机和所述行星轮系的制动器为第一制动器，能够切断所述变速箱和所述行星轮系的制动器为第二制动器，所述控制方法包括下述模式：
纯发动机驱动模式：所述发动机处于驱动状态，控制所述离合器接合，并只控制所述第一制动器制动；
发电驱动模式：所述发动机处于驱动状态，所述电机处于发电模式，控制所述离合器接合，并且只控制所述第二制动器制动；
启动发动机模式：所述电机处于驱动状态，控制所述离合器接合，并只控制所述第二制动器制动，以启动所述发动机；
混合动力驱动模式：所述电机和所述发动机均处于驱动状态，只控制所述离合器接合；
混合发电驱动模式：所述发动机处于驱动状态，所述电机处于发电模式，只控制所述离合器接合；
驻车模式：所述发动机未启动，或所述发动机启动且所述离合器分离，所述电机未启动，所述第一制动器和所述第二制动器均制动。
本申请方案中，混合动力系统在变速箱和发动机之间增加行星轮系，同时增设电机作为动力单元，并且，发动机的输出和输入由离合器控制，还设置制动器以控制行星轮系和电机、发动机、变速箱的动力传递路径，这样通过离合器、制动器的控制，可以在较为简单的结构基础上，实现多种动力模式，此混合动力系统易于集成，便于模块一体化。
附图说明
图1为本申请实施例所提供的混合动力系统的示意图；
图2为图1中行星齿圈的示意图；
图3为图1中混合动力系统处于纯发动机驱动模式的示意图；
图4为图1中混合动力系统处于驻车发电模式的示意图；
图5为图1中混合动力系统处于启动发动机模式的示意图；
图6为图1中混合动力系统处于混合动力驱动模式的示意图；
图7为图1中混合动力系统处于混合发电驱动模式的示意图。
图8为本申请另一实施例中混合动力系统的示意图。
图1-8中附图标记说明如下:
1-发动机；
2-电机；
3-变速箱；
41-第一制动器；42-第二制动器；
51-行星架；52-行星轮；53-太阳轮；54-行星齿圈；541-大径部分；541a-内齿；542-小径部分；542a-外齿；55-太阳轮轴；
6-发动机轴；
7-离合器；
8-变速箱轴；
9-变速箱轴架；
10-电机轴；10a-电机齿轮；
11-壳体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1、2，图1为本申请实施例所提供的混合动力系统的示意图；
图2为图1中行星齿圈的示意图。
本实施例中的混合动力系统包括发动机1、变速箱3、电机2，以及行星轮系。行星轮系包括行星轮52以及以下三个行星单元，分别是：太阳轮53、行星架51、行星齿圈54。多个行星轮52安装在行星架51上，行星轮52与太阳轮53外啮合，行星齿圈54具有内齿，行星轮52同时与行星齿圈54内啮合。
具体在图1中，发动机1包括用于传递动力的发动机轴6，电机2具有用于传递动力的电机轴10，变速箱3的动力输入口具有用于传递动力的变速箱轴8，这些动力轴既可以作为动力的输入轴，也可以作为动力输出的输出轴，这在下面多个工作模式中会详细介绍。
本实施例中的太阳轮53设有太阳轮轴55，太阳轮轴55即与太阳轮53同轴并一体设置，或者同轴固定，或者与太阳轮53同轴并转动限位连接的轴结构，这样，太阳轮轴55和太阳轮53保持同轴转动。太阳轮轴55与发动机轴6之间设有离合器7，离合器7接合时，发动机1和太阳轮53能够保持动力传递，离合器7分离时，发动机1和太阳轮53之间的动力传输路径切断。
电机2具有电机轴10，电机轴10设有电机齿轮10a，电机齿轮10a与行星轮系的行星齿圈54啮合，这样电机2和行星齿圈54可以进行动力传递。变速箱3的变速箱轴8和行星轮系的行星架51连接，变速箱轴8设有变速箱齿轮8a，为外齿，行星架51也设有行星架齿轮，为内齿，变速箱齿轮8a用于和行星架51的行星架齿轮啮合，可知变速箱齿轮8a为内齿，行星架51的行星架齿轮为外齿也可以。这样变速箱3与行星架51可以进行动力传递，当然变速箱轴8与行星架51直接连接固定或者其他方式的转动限位连接等都是可以的，只要可以一起转动即可，这里设置齿轮啮合利于和行星架51的结构装配。
此外，本实施例中的混合动力系统还包括第一制动器41以及第二制动器42，第一制动器41用于制动与发动机轴6连接的行星单元，本实施例中即用于制动太阳轮53；第一制动器41用于制动与电机轴10连接的行星单元，本实施例中即用于制动行星齿圈54；变速箱轴8与行星架51连接，则第二制动器42用于制动变速箱轴8，以间接制动行星架51，制动器制动变速箱轴8更易于布置制动器，可知，第二制动器42直接制动行星架51也可以。图1中，第一制动器41直接制动行星齿圈54，显然，第一制动器41可以制动电机轴10以间接制动电机齿圈54。
如图1所示，第一制动器41用于制动行星齿圈54，制动器可以是现有任意一种结构的制动器，例如鼓式制动器、盘式制动器等。电机轴10还需要与行星齿圈54啮合，行星齿圈54的外周可以加工出外齿542a，这样形成内侧与行星轮52啮合、外侧沿轴向的一部分与电机齿轮10a啮合，还有一部分与第二制动器42制动配合，可见，区别于现有的行星齿圈，本申请实施例具体提供了一种异形的行星齿圈54结构。
可参考图2理解，行星齿圈54的外周可设置为台阶结构，继而形成沿轴向分布的大径部分541和小径部分542，大径部分541的内壁设置内齿541a，以与行星轮52啮合，小径部分542的外壁设置外齿542a，以与电机齿轮10a啮合，这样设置，台阶结构的台阶侧壁541b可以形成限位，利于电机齿轮10a与外齿542a的可靠配合，避免脱齿，并且大径部分541和小径部分542的高度差，使得大径部分541便于和第一制动器41配合，例如第一制动器41可以沿轴向夹紧行星齿圈54大径部分541沿轴向的两侧，大径部分541的壁厚可以适当加厚，以提供和第二制动器42配合的制动接合面，在图2基础上，大径部分541的左侧还可以设置径向向内延伸的凸缘，和台阶侧壁541b相对，以和第一制动器41夹紧配合，提供较大的制动接合面。另外，如图2所示，外齿542a和台阶侧壁541b之间具有间距，以避免和第二制动器42干涉。
本实施例中的变速箱轴8设有变速箱轴架9，第二制动器42用于制动变速箱轴架9，设置变速箱轴架9便于和第二制动器42连接，变速箱轴架9与变速箱轴8一体设置或同轴固定或者同轴并转动限位连接。变速箱轴架9可以是盘状结构，这样便于和对应的第二制动器42制动配合。
如图1所示，本实施例中的混合动力系统可以包括容纳行星轮系的壳体11，第一制动器41、第一制动器41以及第二制动器42均固定于壳体11，这样便于安装上述的制动器。
下面将对控制上述混合动力系统的方法进行论述，通过控制上述离合器7以及各制动器的控制，实现多种工作模式，图3-7中虚线和箭头示意出对应模式下的动力传递路径。
请参考图3，图3为图1中混合动力系统处于纯发动机驱动模式的示意图。
在该模式下，控制离合器7接合，并且两个制动器中只接合第一制动器41，则行星齿圈54保持不动，太阳轮架55和变速箱轴架9都是自由转动状态，此时的行星轮系可视为单级减速器。发动机1输出动力通过离合器7传递到太阳轮53，经行星轮52及行星架51传递给变速箱轴8，实现纯发动机1驱动。
该模式下的动力传递路径为：发动机1-发动机轴6-太阳轮轴55-太阳轮53-行星轮52-行星架51-变速箱轴8-变速箱3。在该模式下，发动机轴6为输出轴，变速箱轴8为输入轴。
请参考图4，图4为图1中混合动力系统处于驻车发电模式的示意图。
在该模式下，离合器7接合，两个制动器只接合第二制动器42，则变速箱轴8保持不动，行星轮系视为单级减速器。当电机2处于发电模式，而发动机1处于驱动状态时，发动机1输出动力在变速箱轴8处中断，发动机1只驱动电机2，实现发动机1机械能与电机2电能的转化，为驻车发电模式。
该模式下的动力传递路径为：发动机1-发动机轴6-太阳轮轴55-太阳轮53-行星轮52-行星齿圈54-电机齿轮10a-电机轴10-电机2。在该模式下，发动机轴6为输出轴，电机轴10为输入轴。
请参考图5，图5为图1中混合动力系统处于启动发动机模式的示意图。
与图3基本相同，只是发动机1未启动，电机2处于驱动模式，则电机2可输出反向驱动力，倒拖发动机1启动，实现启发电机2一体化。该模式下的动力传递路径与图4恰好相反，此时发动机轴6为输入轴，电机轴10为输出轴。
请参考图6，图6为图1中混合动力系统处于混合动力驱动模式的示意图。
在该模式下，只接合离合器7，制动器均不接合，则太阳轮53、行星齿圈54、变速箱轴8均为自由转动状态，行星轮系视为动力耦合装置。发动机1输出动力通过离合器7传递给太阳轮53，当电机2为驱动状态时，电机2输出动力通过电机齿轮10a传递给行星齿圈54，行星齿圈54与太阳轮53经行星轮52及行星架51实现动力耦合并传递到变速箱轴8，实现发动机1和电机2联合驱动，为混合动力驱动模式。
该模式下的动力传递路径包括：
第一路径：发动机1-发动机轴6-太阳轮轴55-太阳轮53-行星轮52-行星架51-变速箱轴8-变速箱3；
第二路径：电机2-电机轴10-电机齿轮10a-行星齿圈54-行星轮52-行星架51-变速箱轴8-变速箱3。
在该模式下，发动机轴6和电机轴10均为输出轴。
请参考图7，图7为图1中混合动力系统处于混合发电驱动模式的示意图。
与图6基本相同，区别在于电机2处于发电模式，则太阳轮53动力按速比传递给行星齿圈54和行星轮52，行星齿圈54扭矩用于驱动电机2发电，行星轮52扭矩经行星架51传递到该模式下的动力传递路径包括：
第一路径：发动机1-发动机轴6-太阳轮轴55-太阳轮53-行星轮52-行星架51-变速箱轴8-变速箱3；
第二路径：发动机1-发动机轴6-太阳轮轴55-太阳轮53-行星轮52-行星齿圈54-电机齿轮10a-电机轴10-电机2。
在该模式下，发动机轴6为输出轴，电机轴10为输入轴。
请继续参考图1，该实施例中的混合动力系统处于驻车模式，在该模式下，两个制动器均接合，行星齿圈54和变速箱轴8均无法转动，发动机1处于启动状态时，则离合器7必须分离，电机2也不输出动力，处于驻车状态，若变速箱3为在挡状态，则实现辅助驻车制动，若变速箱为空挡，则需手刹驻车制动，从而实现驻车模式。
上述实施例中，在变速箱和发动机之间增加行星轮系，同时增设电机作为动力单元，并且，发动机的输出和输入由离合器控制，还设置制动器以控制行星轮系和电机、变速箱的动力传递路径，这样通过离合器、制动器的控制，可以在较为简单的结构基础上，实现多种动力模式，此混合动力系统易于集成，便于模块一体化。
上述实施例中，在变速箱3和发动机1之间增加行星轮系，同时增设电机2作为动力单元，并且，发动机1的输出和输入由离合器7控制，还设置制动器以控制行星轮系和电机2、变速箱3的动力传递路径，这样通过离合器7、制动器的控制，可以在较为简单的结构基础上，实现多种动力模式，此混合动力系统易于集成，便于模块一体化。
另外，上述实施例中以发动机1连接太阳轮53，电机2连接行星齿圈54，变速箱3连接行星架51为例说明，可知，行星轮系中的太阳轮53、行星齿圈54和行星架51都可以作为动力输入或动力输出的元件，可以根据具体的传动比需求、空间布置等因素进行选择。
比如，如图8所示，图8为本申请另一实施例中混合动力系统的示意图，与上述图1实施例不同，变速箱3与太阳轮53连接，发动机1与行星架51连接，这样也可以实现多种动力模式。此时，第一制动器41制动，则可以实现纯发动机驱动模式，第二制动器42制动，可以实现驻车发电模式和启动发动机模式，制动器均不制动，可以实现混合动力驱动模式、混合发电驱动模式。
或者，还可以是发动机1与行星齿圈54连接，变速箱3与行星架51连接，电机2与太阳轮53连接；或，发动机1与行星齿圈54连接，变速箱3与太阳轮53连接，电机2与行星齿圈54连接；或，发动机1与太阳轮53连接，电机2与行星架51连接，变速箱3与行星齿圈54连接；或，发动机1与行星架51连接，变速箱3与行星齿圈54连接，电机2与太阳轮53连接。即，发动机轴6连接三个行星单元中的第一者、电机轴10连接三个行星单元中的第二者、变速箱轴8连接三个行星单元中的第三者即可，这里的“第一”、“第二”、“第三”并不对具体的行星单元进行限制，旨在说明发动机轴6、电机轴10以及变速箱轴8各自需要连接一个行星单元，且需要连接到三个行星单元中不同的行星单元，以通过行星轮系实现动力的传递。
可知，无论如何选择连接，只要通过制动器和离合器7的控制，即可实现上述多种动力模式。具体原理即是，通过制动器切断发动机1与行星轮系的动力传递路径，可以实现纯电驱动模式和制动能量回收模式；通过制动器切断电机2与行星轮系的动力传递路径，则可以实现纯发动机驱动模式；通过制动器切断变速箱3与行星轮系的动力传递路径，则可能实现启动发动机和驻车发电模式；制动器均不制动，则可以实现混合动力驱动和混合发电驱动模式；制动器均制动，离合器分离，则可以实现驻车模式。
当行星轮系中的太阳轮53或行星齿圈54或行星架51制动后，则行星轮系成为单级减速器，如果都未制动，则都处于自由转动状态，可以作为动力耦合装置，耦合发动机1和电机2的动力。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合动力系统，其特征在于，包括发动机、电机、变速箱，以及行星轮系，所述发动机具有发动机轴，所述电机具有电机轴，所述变速箱具有变速箱轴，所述行星轮系包括行星轮以及下述行星单元：行星架、太阳轮、行星齿圈；所述发动机轴连接三个所述行星单元中的第一者、所述电机轴连接三个所述行星单元中的第二者、所述变速箱轴连接三个所述行星单元中的第三者；还包括用于制动所述行星架、所述行星齿圈的制动器；所述发动机轴与所述行星轮系之间设有离合器。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述发动机轴连接所述太阳轮，所述变速箱轴连接所述行星架，所述电机轴连接所述行星齿圈。
3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述太阳轮具有同轴设置并同步转动的太阳轮轴；所述发动机轴通过离合器与所述太阳轮轴连接。
4.根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述电机轴设有电机齿轮，与所述行星齿圈啮合。
5.根据权利要求4所述的混合动力系统，其特征在于，所述行星齿圈具有外齿，所述电机齿轮与所述行星齿圈的所述外齿形成外啮合。
6.根据权利要求5所述的混合动力系统，其特征在于，所述行星齿圈的外周壁形成台阶结构，所述台阶结构的小径部分设置所述外齿，所述台阶结构的大径部分用于和所述制动器制动配合。
7.根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述变速箱轴设有变速箱轴架，所述变速箱轴架与对应的所述制动器制动配合，以间接制动所述行星架。
8.根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述变速箱轴设有变速箱齿轮，所述行星架设有与所述变速箱齿轮啮合的行星架齿轮。
9.根据权利要求1-8任一项所述的混合动力系统，其特征在于，还包括能够容纳所述行星轮系的壳体，所述制动器均设于所述壳体。
10.一种混合动力系统的控制方法，基于权利要求1-9任一项所述的混合动力系统，其特征在于，定义能够切断所述电机和所述行星轮系的制动器为第一制动器，能够切断所述变速箱和所述行星轮系的制动器为第二制动器，所述控制方法包括下述模式：
纯发动机驱动模式：所述发动机处于驱动状态，控制所述离合器接合，并只控制所述第一制动器制动；
驻车发电模式：所述发动机处于驱动状态，所述电机处于发电模式，控制所述离合器接合，并且只控制所述第二制动器制动；
启动发动机模式：所述电机处于驱动状态，控制所述离合器接合，并只控制所述第二制动器制动，以启动所述发动机；
混合动力驱动模式：所述电机和所述发动机均处于驱动状态，只控制所述离合器接合；
混合发电驱动模式：所述发动机处于驱动状态，所述电机处于发电模式，只控制所述离合器接合；
驻车模式：所述发动机未启动，或所述发动机启动且所述离合器分离，所述电机未启动，所述第一制动器和所述第二制动器均制动。
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