一种采用行星齿轮两档变速器的增程式电动汽车动力系统

摘要

本发明涉及一种采用行星齿轮两档变速器的增程式电动汽车动力系统，其特征在于：内燃机的曲轴与双离合传动装置的壳体连接，双离合传动装置的第一离合器通过传动轴与行星齿轮机构连接，第二离合器与第一电动机转子连接，第二电动机转子可与行星齿轮机构的太阳轮、行星架和齿圈等三个元件的其中任意一个元件连接，并由其中设定的第二元件输出动力，通过控制其中第三元件的运动状态实现两个档位。低速行驶时主要由第二电动机驱动车辆，避免发动机低速、低负荷工作，改善了整车经济性和排放性；高速行驶时动力系统并联工作驱动车辆，能量传递效率高，在保证整车动力性的基础上，进一步延长了车辆的续驶里程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用行星齿轮两档变速器的增程式电动汽车动力系统，特别涉及具有内燃机和两个电动机，并能进行内燃机和电动机并联驱动的增程式电动汽车动力系统。

背景技术

在节能和环保成为汽车行业发展主题的今天，混合动力汽车已经成为各国汽车厂商重点研究的对象。混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV) 是指同时装备两种动力来源—热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（动力电池与电动机）的汽车。混合动力汽车不需要外接充电，是以发动机为主要动力源的电动汽车，通过发动机怠速停机、制动能量回收、低速纯电动行驶、行车发电、行车助力以及发动机单独驱动等混合动力功能，使得发动机可以按照整车的实际运行工况灵活调控，保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。

与混合动力汽车相比，纯电动汽车(Battery Electric vehicle,简称BEV)完全依靠电动机驱动车辆，其能量源来自电网，实现了零排放，能效高，噪音小。但是受目前动力电池技术水平限制，其能量密度还不能满足车用需求，整车续驶里程有限，不能满足用户日常使用要求。

为了延长纯电动汽车的续驶里程，人们在电动车动力系统中增加了一个高效率内燃机，当动力电池电压降低时，它可以驱动发电机提供动力，以此达到延长续驶里程的目的。这类电动车被称为增程式电动汽车 （Range-extended Electric Vehicle，简称REEV）。根据动力系统结构，目前存在的增程式电动汽车可以分为串联增程式电动汽车和混联增程式电动汽车。串联增程式电动汽车在成本增加（与传统车比较）方面优势较大，在电量保持阶段下动力性很难满足车辆性能要求，高速行驶燃油经济性也较差。混联增程式电动汽车在电量保持阶段下动力性和油耗均优于串联增程式电动汽车，但动力系统复杂、成本较高；

（1）由于传统车（或混合动力汽车）的内燃机需要工作在低速挡以满足加速需求，其负荷率低且负荷与转速变化快，影响整车经济性；

（2）在现有的混合动力构型中，电机主要用来调节内燃机的工作区域，从而使内燃机尽量在最优经济区间工作，驱动车辆需要的动力还是主要由内燃机提供，因此内燃机的功率很大，影响整车经济性和排放性；

（3）在现有的混合动力构型中，第一电动机形式一般有两种，BSG（Belt Starter Generator）和ISG(Integrated Starter Generator)，它们通常与内燃机直接相连，内燃机工作时会一直带动它们转动，这不仅会产生机械摩擦损失，还会产生电磁损失，影响整车经济性。

（4）虽然纯电动汽车能够实现零耗油量和零排放，但是由于动力电池的体积和能量密度的限制，其续驶里程非常有限；

（5）串联增程式电动汽车，在增程模式下，存在能量二次转换损失影响整车经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用行星齿轮两档变速器的增程式电动汽车动力系统，其采用一个小功率等级的内燃机和一个大功率等级的第二电动机；在内燃机驱动时防止带动第一电动机旋转，减少了第一电动机的摩擦与电磁损失，通过行星齿轮机构为第二电动机提供两个速比，整车动力性需求由第二电动机满足，降低了内燃机的功率，提高了内燃机的负荷率，改善了整车经济性和排放性；在动力电池电量不足时，低速时串联驱动车辆，由内燃机驱动第一电动机给动力电池充电，维持电量平衡；高速时并联驱动车辆，能量传递效率高，在保证整车动力性的基础上，进一步延长了车辆的续驶里程。

本发明的技术方案是这样实现的：一种采用行星齿轮两档变速器的增程式电动汽车动力系统，由内燃机、第一电动机、第二电动机、双离合传动装置、行星齿轮机构和换挡执行机构组成，其中换挡执行机构包括一个换挡离合器和一个换挡制动器；特征在于：内燃机的曲轴与双离合传动装置的壳体连接，双离合传动装置的第一离合器通过传动轴与行星齿轮机构连接，第二离合器与第一电动机转子连接，第二电动机转子可与行星齿轮机构的太阳轮、行星架和齿圈等三个元件的其中任意一个元件连接，并由其中设定的第二元件输出动力，通过控制其中第三元件的运动状态实现两个档位。

所述的内燃机是用来满足车辆高速匀速行驶的驱动功率与电动附件消耗功率的需求。

所述的第一电动机的功率用来起动内燃机，并满足动力电池SOC平衡和电动附件电能需求。

所述的第二电动机功率由整车动力性决定，行星齿轮机构的一档满足最大爬坡度要求，二档满足最高车速要求。

所述的第二电动机转子与行星齿轮机构的行星架相连，通过齿圈输出动力，当锁止太阳轮时，行星齿轮机构的传动比大于0.5且小于1即二档；当使太阳轮和行星架锁成一体时，行星齿轮机构的传动比等于1即一档。

所述的第二电动机转子与行星齿轮机构的齿圈相连，通过行星架输出动力，当锁止太阳轮时，行星齿轮机构的传动比大于1小于2即一档；当使太阳轮和行星架锁成一体时，行星齿轮机构的传动比等于1即二档。

所述的第二电动机转子与行星齿轮机构的太阳轮相连，通过行星架输出动力，当锁止齿圈时，行星齿轮机构的传动比大于2即一档；当齿圈和行星架锁成一体时，行星齿轮机构的传动比等于1即二档。

所述的双离合传动装置第一离合器结合，内燃机与第二电动机之间进行动力传递，双离合传动装置第一离合器分离，内燃机与第二电动机之间动力传递断开；所述的双离合传动装置第二离合器结合，内燃机与第一电动机之间进行动力传递，双离合传动装置第二离合器分离，内燃机与第一电动机之间动力传递断开，也可取消第二离合器，第一电动机与双离合传动装置的壳体成刚性连接。

所述的动力系统包括以下工作模式：

a)       在起动内燃机时，第一离合器分离，第二离合器结合，由第一电动机起动内燃机；

b)       在车辆起步时，第一离合器分离，内燃机与第二电动机之间动力传递断开，第二电动机单独正向驱动，动力系统以纯电动模式工作；

c)        在车辆低速行驶或内燃机效率较低时，第一离合器分离，第二电动机单独驱动车辆。根据动力电池剩余电量，可结合第二离合器，由内燃机驱动第一电动机发电，动力系统以串联模式工作；

d)       在车辆急加速行驶时，第一离合器结合，第二离合器分离，内燃机和第二电动机同时驱动车辆，动力系统以并联模式工作；

e)       在车辆匀速行驶且内燃机效率较高时，第一离合器结合，由内燃机驱动车辆。据动力电池剩余电量：可结合第二离合器，由内燃机驱动第一电动机发电，实现动力电池能量平衡；也可分离第二离合器，第一电动机停止工作，减少第一电动机的摩擦损失与电磁损失；

f)          在车辆减速行驶或进行制动时，第一离合器分离，断开内燃机与第二电动机之间动力传递，第二电动机给动力电池充电；

g)       在车辆倒车行驶时，第一离合器分离，断开内燃机与第二电动机之间动力传递，第二电动机单独工作，反向旋转驱动车辆。

所述的内燃机、双离合传动装置和第一电动机可以取消，动力系统一直在纯电动模式下工作，为一种纯电动汽车动力系统。

本发明的积极效果是采用两档变速器，为第二电动机提供两个传动比，降低车辆对第二电动机扭矩需求，减小第二电动机体积；第一电动机、第二电动机、两档变速器集成化设计，使系统结构更加紧凑，实现动力系统的轻量化；相比同级别混合动力汽车，内燃机功率小，提高了车辆行驶时内燃机的负荷率；双离合传动装置的第二离合器分离时，防止内燃机驱动时带动第一电动机旋转，减少了第一电动机的摩擦损失和电磁损失，从而提高了整车的燃油经济性；取消双离合传动装置的第二离合器时，动力系统结构更加紧凑，可降低整车成本。车辆低速行驶时，动力系统可以是纯电动或串联模式工作；车辆高速行驶时，动力系统可以是纯电动模式工作，也可结合第一离合器，使发动机参与车辆驱动，此时动力系统能量传递效率高，在保证整车动力性的基础上，可进一步延长车辆的续驶里程。基于本发明的动力系统，可以取消内燃机、双离合传动装置和第一电动机，动力系统一直在纯电动模式下工作,本发明演变为一种纯电动汽车动力系统，可以实现增程式电动汽车和纯电动汽车的动力系统共平台。

附图说明

图1所示为第二电动机转子与行星齿轮机构的行星架相连，通过齿圈输出动力。

图2所示为第二电动机转子与行星齿轮机构的齿圈相连，通过行星架输出动力。

图3所示为第二电动机转子与行星齿轮机构的太阳轮相连，通过行星架输出动力。

图4所示为动力系统的两种工作阶段。其中SOC为动力电池的荷电状态。SOC高，说明动力电池电量充足；SOC低，说明动力电池电量不足。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：如图1所示，本增程式电动汽车动力系统具备：内燃机1，双离合传动装置壳体2，第一离合器3，第二离合器4，齿圈5，行星架6，太阳轮7，摩擦片8，换挡离合器9，换挡制动器10，第二电动机转子11，第二电动机定子12，传动机构壳体13，传动轴14，输出轴15，第一电动机定子16，第一电动机转子17。

内燃机1的曲轴与双离合传动装置的壳体2连接。双离合传动装置的第一离合器3通过传动轴14与行星齿轮机构连接，第二离合器4与第一电动机转子17连接。第二电动机转子11可与齿圈5、行星架6和太阳轮7等其中的任意一个元件连接，并由其中设定的第二元件输出动力，通过控制其中第三元件的运动状态实现两个档位。

如图1所示，第二电动机转子11与行星齿轮机构的行星架6相连，通过齿圈5输出动力。当锁止太阳轮7时，行星齿轮机构的传动比大于0.5且小于1即二档；当使太阳轮（7）和行星架6锁成一体时，行星齿轮结构的传动比等于1即一档。在此，行星架6即为第一元件，齿圈5即为设定的第二元件，太阳轮7即为第三元件。

如图2所示，第二电动机转子11与行星齿轮机构的齿圈5相连，通过行星架6输出动力。当锁止太阳轮7时，行星齿轮机构的传动比大于1小于2即一档；当使太阳轮7和行星架6锁成一体时，行星齿轮机构的传动比等于1即二档。在此，齿圈5即为第一元件，行星架6即为设定的第二元件，太阳轮7即为第三元件。

如图3所示，第二电动机转子11与行星齿轮机构的太阳轮7相连，通过行星架6输出动力。当锁止齿圈5时，行星齿轮机构的传动比大于2即一档；当齿圈5和行星架6锁成一体时，行星齿轮机构的传动比等于1即二档。在此，太阳轮7即为第一元件，行星架6即为设定的第二元件，齿圈5即为第三元件。

第二离合器4结合，内燃机1与第一电动机转子17之间进行动力传递。第二离合器4分离，内燃机1与第一电动机转子17之间动力传递断开。

第一离合器3结合，内燃机1与第二电动机转子11之间进行动力传递。第一离合器3分离，内燃机1与第二电动机转子11之间动力传递断开。

如图4所示，根据动力电池荷电状态（SOC），动力系统有两个工作阶段：电量消耗（CD）阶段和电量维持（CS）阶段。

动力系统在电量消耗（CD）阶段和电量保持（CS）阶段下，动力系统的工作模式如下表1：

                                                 

不同工作模式下系统各部件的工作状态如表2：

 

       当动力电池电量充足时，系统工作在CD阶段，当动力电池电量降低到一定程度时，系统进入到CS阶段。

在CD阶段下动力系统有以下几种工作模式：低速纯电动模式、高速纯电动模式、高速内燃机单独驱动模式和高速联合驱动模式。在CS阶段下动力系统有以下几种工作模式：低速串联模式、高速行车发电模式、高速内燃机单独驱动模式和高速联合驱动模式。

纯电动模式下，内燃机1停止工作，第一离合器3分离，第一电动机停止工作， 第二电动机单独驱动车辆行驶。

串联模式下，内燃机1工作，第一离合器3分离，第二离合器4结合，第一电动机发电，第二电动机单独驱动车辆行驶。

行车发电模式下，内燃机1工作，第一离合器3结合，第二离合器4结合，第一电动机发电，第二电动机随转，内燃机1驱动车辆行驶。内燃机单独驱动模式下，内燃机1工作，第一离合器3结合，第二离合器4分离，第一电动机停止工作，第二电动机随转，内燃机1驱动车辆行驶。

联合驱动模式下，内燃机1工作，第一离合器3结合，第二离合器4分离，第一电动机停止工作，第二电动机和内燃机1联合驱动车辆行驶。

在车辆的具体行驶过程中，本动力系统的工作模式具体如下：

a)        在起动内燃机1时，第一离合器3分离，第二离合器4结合，由第一电动机起动内燃机1；

b)          在车辆起步时，第一离合器3分离，内燃机1与第二电动机之间动力传递断开，第二电动机单独正向驱动，动力系统以纯电动模式工作；

c)          在车辆低速行驶或内燃机1效率较低时，第一离合器3分离，第二电动机单独驱动车辆。根据动力电池剩余电量，可结合第二离合器4，由内燃机驱动第一电动机发电，动力系统以串联模式工作；

d)        在车辆急加速行驶时，第一离合器3结合，第二离合器4分离，内燃机1和第二电动机同时驱动车辆，动力系统以并联模式工作；

e)          在车辆匀速行驶且内燃机1效率较高时，第一离合器3结合，由内燃机1驱动车辆。据动力电池剩余电量：可结合第二离合器4，由内燃机1驱动第一电动机发电，实现动力电池能量平衡；也可分离第二离合器4，第一电动机停止工作，减少第一电动机的摩擦损失与电磁损失；

f)     在车辆减速行驶或进行制动时，第一离合器3分离，断开内燃机1与第二电动机之间动力传递，第二电动机给动力电池充电；

g)        在车辆倒车行驶时，第一离合器3分离，断开内燃机1与第二电动机之间动力传递，第二电动机单独工作，反向旋转驱动车辆。