一种用于并联式混合动力汽车的动力耦合器及其控制方法

摘要

本发明提供了一种用于并联式混合动力汽车的动力耦合器及其控制方法，包括发动机输出轴齿轮、发动机传动齿轮组、发动机连接轴齿轮、发动机传动离合器、涡卷弹簧储能机构、驱动电机连接轴、驱动电机传动离合器、驱动电机连接轴齿轮、驱动电机传动齿轮组和驱动电机输出轴齿轮、发动机连接轴。涡卷弹簧储能机构由可变向棘轮机构、行星架、太阳轮、齿圈、行星架制动器、储能机构输出盘、太阳轮制动器、涡卷弹簧、太阳轮离合器和行星架离合器组成。本发明利用涡卷弹簧储能机构实现发动机的行车启停功能，减少了能量消耗和污染排放，提高了车辆制动能量回收能力。

说明书

技术领域

本发明涉及并联式混合动力汽车领域，特指一种用于并联式混合动力汽车的动力耦合器 及其控制方法。

背景技术

国际石油价格的飙升和世界环境保护的压力使得电动汽车成为汽车工业新的发展方向。 世界各国政府对此也高度重视，不仅颁布了严格的法规限制汽车的排放对环境的污染，同时 也出台政策，用于鼓励和资助电动汽车发展，世界各大汽车企业都在不断深入研究用于电动 汽车的核心技术。由于当前动力电池的能量密度偏低、质量大、成本高、续驶里程短和充电 时间长等问题，纯电动汽车的市场化推广进程缓慢。而混合动力汽车因其具有的低能耗、低 排放和价格优势已成为全球新能源汽车开发的热点。混合动力汽车的燃油经济性较传统车辆 降低30％-40％，尾气排放指标降低了50％-60％，由于国内大城市交通拥挤，环境保护压力大， 混合动力汽车十分适合我国国情，其在中国市场的前景也被看好。

相比于串联式混合动力系统，并联混合动力系统具有一定的优势：(1)并联混合动力系 统在车辆起步时发动机怠速，电机独立驱动；充分利用了电机低速大转矩、响应快速的特点， 在避开发动机低效率区的同时提高混合动力系统的效率；(2)并联混合动力只有一套电驱动 系统，系统结构简单，成本降低。

同时并联混合动力系统也存在一些缺点：(1)并联式混合动力汽车主要使用发动机进行 驱动，车辆匹配的动力电池容量较小，使得车辆在进行制动能量回收时，受到动力电池SOC、 最大充放电电流和持续充电电流的限制，回收制动能量能力有限；(2)由于发动机的启动需 要使其在较低转速下运行一段时间，若在行车过程中使用起动电机启动发动机，将会造成起 动电机工作频繁，导致其过早达到疲劳寿命而失效，若通过驱动电机直接带动发动机实现行 车启停功能，将会造成车辆的动力中断；(3)若并联混合动力系统的发动机不具有行车启停 功能，则发动机在低速情况下需要保持怠速状态，这样增加的并联混合动力系统的能耗和对 环境的污染。

发明内容

为了解决并联式混合动力汽车制动能量回收能力受到限制且实现行车启停功能困难的问 题，本发明提供了一种用于并联式混合动力汽车的动力耦合器及其控制方法，该动力耦合器 能够提高车辆制动能量回收能力，减少了发动机的能量消耗和污染排放。

本发明的用于并联式混合动力汽车的动力耦合器采用的技术方案是：

一种用于并联式混合动力汽车的动力耦合器，其特征在于，包括发动机输出轴齿轮、发 动机传动齿轮组、发动机连接轴齿轮、发动机传动离合器、涡卷弹簧储能机构、驱动电机连 接轴、驱动电机传动离合器、驱动电机连接轴齿轮、驱动电机传动齿轮组和驱动电机输出轴 齿轮、发动机连接轴、整车控制器、动力耦合器控制器；

所述发动机传动齿轮组、驱动电机传动齿轮组均包括通过轴连接的大齿轮和小齿轮；

发动机输出轴齿轮与发动机的输出端连接，发动机传动齿轮组的大齿轮与发动机输出轴 齿轮啮合，发动机传动齿轮组的小齿轮与发动机连接轴齿轮啮合，发动机连接轴齿轮通过发 动机连接轴与发动机传动离合器同轴固定连接；

驱动电机输出轴齿轮与驱动电机的输出端连接，驱动电机传动齿轮组的大齿轮与驱动电 机输出轴齿轮啮合，驱动电机传动齿轮组的小齿轮与驱动电机连接轴齿轮啮合，驱动电机连 接轴齿轮与驱动电机传动离合器同轴固定连接；驱动电机连接轴齿轮通过驱动电机连接轴与 车桥连接；

涡卷弹簧储能机构安装在发动机连接轴上，包括太阳轮、齿圈，以及均与太阳轮同轴安 装的可变向棘轮机构、行星架、行星架制动器、储能机构输出盘、太阳轮制动器、涡卷弹簧、 太阳轮离合器和行星架离合器，可变向棘轮机构固定安装在齿圈的右端，而涡卷弹簧安装在 齿圈上，太阳轮通过行星架与齿圈连接，行星架、太阳轮和齿圈组成行星齿轮机构，太阳轮 制动器安装在太阳轮的右侧，太阳轮离合器安装在太阳轮的左侧，行星架制动器和行星架离 合器均安装在行星架的左侧，太阳轮离合器和行星架离合器也与储能机构输出盘相对安装；

发动机传动离合器和驱动电机传动离合器均与储能机构输出盘同轴相对安装；

所述动力耦合器控制器通过信号线与涡卷弹簧储能机构连接，所述动力耦合器控制器用 于通过控制旋转电机、行星架制动器、太阳轮制动器、太阳轮离合器、行星架离合器、发动 机传动离合器、驱动电机传动离合器的工作状态；

整车控制器、动力耦合器控制器、驱动电机及发动机通过CAN总线连接，所述整车控制 器用于向动力耦合器控制器、驱动电机、发动机发出控制指令。

进一步地，所述可变向棘轮机构包括棘爪、旋转电机和棘轮，棘爪的一端伸入棘轮的轮 齿中，棘爪的另一端与旋转电机同轴固定连接。

用于并联式混合动力汽车的动力耦合器的控制方法，其特征在于，所述并联式混合动力 汽车有五种基本工作模式：待机模式、纯电驱动模式、混合驱动模式、制动模式、滑行模式，

当并联式混合动力汽车完成高压上电，并使用起动电机启动发动机后，车辆处于待机模 式，发动机传动离合器和驱动电机传动离合器处于分离状态，太阳轮离合器和行星架离合器 也处于分离状态，行星架制动器和太阳轮制动器处于制动释放状态；

当并联式混合动力汽车处于起步工况时，车辆进入纯电驱动模式，动力耦合器控制器控 制驱动电机传动离合器与储能机构输出盘结合，太阳轮离合器也与储能机构输出盘结合；动 力耦合器控制器控制行星架制动器工作使得行星架停止转动，旋转电机正向旋转使得棘爪离 开棘轮；此时太阳轮的旋转方向与齿圈的旋转方向相反，涡卷弹簧储能机构释放弹性能量并 转化为动能，整车控制器29控制驱动电机与涡卷弹簧储能机构共同驱动，实现并联式混合动 力汽车的平稳起步；当并联式混合动力汽车起步结束后，动力耦合器控制器控制驱动电机传 动离合器与储能机构输出盘分离，太阳轮离合器也与储能机构输出盘分离，行星架制动器停 止制动，旋转电机反向旋转使得棘爪卡住棘轮，车辆由驱动电机单独驱动；

当并联式混合动力汽车在行驶过程中，在出现驱动电机驱动力矩不足或动力电池电量不 足等情况时，启动发动机，并进入混合驱动模式；首先动力耦合器控制器控制发动机传动离 合器与储能机构输出盘结合，太阳轮离合器也与储能机构输出盘结合；动力耦合器控制器控 制行星架制动器工作使得行星架停止转动，旋转电机正向旋转使得棘爪离开棘轮，此时太阳 轮的旋转方向与齿圈的旋转方向相反，涡卷弹簧储能机构释放弹性能量并转化为动能，使发 动机在启动转速下运行一段时间，燃油电磁阀自动喷油以启动发动机，实现并联式混合动力 发动机行车启停；随后整车控制器对发动机进行调速，当驱动电机连接轴齿轮转速与发动机 连接轴齿轮的转速接近时，动力耦合器控制器控制驱动电机传动离合器与储能机构输出盘结 合，太阳轮离合器与储能机构输出盘分离，行星架制动器停止制动，旋转电机反向旋转使得 棘爪卡住棘轮，车辆由发动机和驱动电机共同驱动。

当并联式混合动力汽车在行驶过程中出现制动气室气压不足情况时，启动发动机：首先 动力耦合器控制器控制发动机传动离合器与储能机构输出盘结合，动力耦合器控制器控制太 阳轮离合器也与储能机构输出盘结合；行星架制动器工作使得行星架停止转动，旋转电机正 向旋转使得棘爪离开棘轮，此时太阳轮的旋转方向与齿圈的旋转方向相反，涡卷弹簧储能机 构释放弹性能量并转化为动能，使发动机在启动转速下运行一段时间，燃油电磁阀自动喷油 以启动发动机，整车控制器控制发动机工作在怠速下，并带动打气泵工作；当车辆储气室气 体压力达到上限值时，动力耦合器控制器控制发动机传动离合器与储能机构输出盘分离，太 阳轮离合器与储能机构输出盘分离，行星架制动器停止制动，旋转电机反向旋转使得棘爪卡 住棘轮，整车控制器关闭发动机。

当车辆处于制动模式时，若此时动力电池SOC、最大充放电电流和持续充电电流均满足 要求，整车控制器使用驱动电机回收制动能量，当车辆实际速度低于驱动电机的最低制动能 量回收速度时，整车控制器关闭驱动电机；动力耦合器控制器控制驱动电机传动离合器与储 能机构输出盘结合，行星架离合器也与储能机构输出盘结合；太阳轮制动器工作使得太阳轮 停止转动，旋转电机正向旋转使得棘爪离开棘轮，此时行星架的旋转方向与齿圈的旋转方向 相同，将车辆制动能量转化为弹簧的弹性能量储存在涡卷弹簧储能机构中。当涡卷弹簧储能 机构中储存的能量达到极限时，动力耦合器控制器控制驱动电机传动离合器与储能机构输出 盘分离，行星架离合器也与储能机构输出盘分离，太阳轮制动器停止制动，旋转电机反向旋 转使得棘爪卡住棘轮；

若制动初始时刻动力电池SOC、最大充放电电流和持续充电电流不满足要求，整车控制 器29不使用驱动电机进行制动能量回收，动力耦合器控制器控制驱动电机传动离合器与储能 机构输出盘结合，行星架离合器也与储能机构输出盘结合；太阳轮制动器工作使得太阳轮停 止转动，旋转电机正向旋转使得棘爪离开棘轮。此时行星架的旋转方向与齿圈的旋转方向相 同，将车辆制动能量转化为弹簧的弹性能量储存在涡卷弹簧储能机构中；当涡卷弹簧储能机 构中储存的能量达到极限时，动力耦合器控制器控制驱动电机传动离合器与储能机构输出盘 分离，行星架离合器也与储能机构输出盘分离，太阳轮制动器停止制动，旋转电机反向旋转 使得棘爪卡住棘轮。

本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比明显具有以下优点：

(1)利用涡卷弹簧储能机构实现发动机的行车启停功能，减少了并联式混合动力汽车在 运行过程中的能量消耗和污染排放。

(2)在驱动电机制动能量回收能力受动力电池SOC、最大充放电电流和持续充电电流 的限制情况下，利用涡卷弹簧回收一部分制动能量，提高了车辆制动能量回收能力。

附图说明

图1是用于并联式混合动力汽车的动力耦合器结构示意图。

图2是涡卷弹簧储能机构结构示意图。

图3是可变向棘轮机构结构示意图。

图中：

1-发动机，2-发动机输出轴齿轮，3-发动机传动齿轮组，4-发动机连接轴齿轮，5-发动机 传动离合器，6-涡卷弹簧储能机构，7-驱动电机连接轴，8-驱动电机传动离合器，9-驱动电机 连接轴齿轮，10-驱动电机传动齿轮组，11-驱动电机输出轴齿轮，12-驱动电机，13-车桥，14- 车轮，15-发动机连接轴，16-可变向棘轮机构，17-行星架，18-太阳轮，19-齿圈，20-齿圈制 动器，21-行星齿轮机构输出盘，22-太阳轮制动器，23-离合器连接轴，24-储能机构输出盘， 25-涡卷弹簧，26-棘爪，27-旋转电机，28-棘轮，29-整车控制器，30-动力耦合器控制器，31-CAN 总线，32-信号线。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于 此。

如图1所示，本发明所述的用于并联式混合动力汽车的动力耦合器，包括发动机输出轴 齿轮2、发动机传动齿轮组3、发动机连接轴齿轮4、发动机传动离合器5、涡卷弹簧储能机 构6、驱动电机连接轴7、驱动电机传动离合器8、驱动电机连接轴齿轮9、驱动电机传动齿 轮组10和驱动电机输出轴齿轮11、发动机连接轴15、整车控制器29、动力耦合器控制器30。

所述发动机传动齿轮组3、驱动电机传动齿轮组10均包括通过轴连接的大齿轮和小齿轮；

发动机输出轴齿轮2与发动机1的输出端连接，发动机传动齿轮组3的大齿轮与发动机 输出轴齿轮2啮合，发动机传动齿轮组3的小齿轮与发动机连接轴齿轮4啮合，发动机连接 轴齿轮4通过发动机连接轴15与发动机传动离合器5同轴固定连接。

驱动电机输出轴齿轮11与驱动电机12的输出端连接，驱动电机传动齿轮组10的大齿轮 与驱动电机输出轴齿轮11啮合，驱动电机传动齿轮组10的小齿轮与驱动电机连接轴齿轮9 啮合，驱动电机连接轴齿轮9与驱动电机传动离合器8同轴固定连接；驱动电机连接轴齿轮 9通过驱动电机连接轴7与车桥13连接。

如图2所示，涡卷弹簧储能机构6安装在发动机连接轴15上，包括太阳轮18、齿圈19， 以及均与太阳轮18同轴安装的可变向棘轮机构16、行星架17、行星架制动器20、储能机构 输出盘21、太阳轮制动器22、涡卷弹簧23、太阳轮离合器24和行星架离合器25，可变向棘 轮机构16固定安装在齿圈19的右端，而涡卷弹簧23安装在齿圈19上，太阳轮18通过行星 架17与齿圈19连接，行星架17、太阳轮18和齿圈19组成行星齿轮机构，太阳轮制动器22 安装在太阳轮18的右侧，太阳轮离合器24安装在太阳轮18的左侧，行星架制动器20和行 星架离合器25均安装在行星架17的左侧，太阳轮离合器24和行星架离合器25也与储能机 构输出盘21相对安装。发动机传动离合器5和驱动电机传动离合器8均与储能机构输出盘 21同轴相对安装。如图3所示，所述可变向棘轮机构16包括棘爪26、旋转电机27和棘轮 28，棘爪26的一端伸入棘轮28的轮齿中，棘爪26的另一端与旋转电机27同轴固定连接。

所述动力耦合器控制器30通过信号线32与涡卷弹簧储能机构6连接，所述动力耦合器 控制器30用于通过控制旋转电机27、行星架制动器20、太阳轮制动器22、太阳轮离合器24、 行星架离合器25、发动机传动离合器5、驱动电机传动离合器8的工作状态。整车控制器29、 动力耦合器控制器30、驱动电机12及发动机1通过CAN总线31连接，所述整车控制器29 用于向动力耦合器控制器30、驱动电机12、发动机1发出控制指令。

本发明涉及的用于并联式混合动力汽车的动力耦合器的控制方法，控制所述并联式混合 动力汽车有五种基本工作模式：待机模式、纯电驱动模式、混合驱动模式、制动模式、滑行 模式。

当并联式混合动力汽车完成高压上电，并使用起动电机启动发动机1后，车辆处于待机 模式，发动机传动离合器5和驱动电机传动离合器8处于分离状态，太阳轮离合器24和行星 架离合器25也处于分离状态，行星架制动器20和太阳轮制动器22处于制动释放状态；

当并联式混合动力汽车处于起步工况时，车辆进入纯电驱动模式，动力耦合器控制器30 控制驱动电机传动离合器8与储能机构输出盘21结合，太阳轮离合器24也与储能机构输出 盘21结合；动力耦合器控制器30控制行星架制动器20工作使得行星架17停止转动，旋转 电机27正向旋转使得棘爪26离开棘轮28。此时太阳轮18的旋转方向与齿圈19的旋转方向 相反，涡卷弹簧储能机构6释放弹性能量并转化为动能，整车控制器29控制驱动电机12与 涡卷弹簧储能机构6共同作用，实现并联式混合动力汽车的平稳起步。当并联式混合动力汽 车起步结束后，动力耦合器控制器30控制驱动电机传动离合器8与储能机构输出盘21分离， 太阳轮离合器24也与储能机构输出盘21分离，行星架制动器20停止制动，旋转电机27反 向旋转使得棘爪26卡住棘轮28，车辆由驱动电机12单独驱动。

当并联式混合动力汽车在行驶过程中，在出现电机驱动力矩不足或动力电池电量不足等 情况时，需要启动发动机，并进入混合驱动模式。首先动力耦合器控制器30控制发动机传动 离合器5与储能机构输出盘21结合，太阳轮离合器24也与储能机构输出盘21结合；动力耦 合器控制器30控制行星架制动器20工作使得行星架停止转动，旋转电机27正向旋转使得棘 爪26离开棘轮28。此时太阳轮18的旋转方向与齿圈19的旋转方向相反，涡卷弹簧储能机 构6释放弹性能量并转化为动能，使发动机1在启动转速下运行一段时间，燃油电磁阀自动 喷油以启动发动机1，实现并联式混合动力发动机行车启停。随后整车控制器29对发动机1 进行调速，当驱动电机连接轴齿轮9转速与发动机连接轴齿轮4的转速接近时，动力耦合器 控制器30控制驱动电机传动离合器8与储能机构输出盘21结合，太阳轮离合器24与储能机 构输出盘21分离，行星架制动器20停止制动，旋转电机27反向旋转使得棘爪26卡住棘轮 28，车辆由发动机1和驱动电机12共同驱动。

而并联式混合动力汽车在行驶过程中出现制动气室气压不足情况时，需要启动发动机。 首先动力耦合器控制器30控制发动机传动离合器5与储能机构输出盘21结合，动力耦合器 控制器30控制太阳轮离合器24也与储能机构输出盘21结合；行星架制动器20工作使得行 星架停止转动，旋转电机27正向旋转使得棘爪26离开棘轮28。此时太阳轮18的旋转方向 与齿圈19的旋转方向相反，涡卷弹簧储能机构6释放弹性能量并转化为动能，使发动机1在 启动转速下运行一段时间，燃油电磁阀自动喷油以启动发动机1，整车控制器29控制发动机 1工作在怠速下，并带动打气泵工作。当车辆储气室气体压力达到上限值时，动力耦合器控 制器30控制发动机传动离合器5与储能机构输出盘21分离，太阳轮离合器24与储能机构输 出盘21分离，行星架制动器20停止制动，旋转电机27反向旋转使得棘爪26卡住棘轮28， 整车控制器29关闭发动机1。

当车辆处于制动模式时，若此时动力电池SOC、最大充放电电流和持续充电电流均满足 要求，整车控制器29使用驱动电机12回收制动能量，当车辆实际速度低于驱动电机12的最 低制动能量回收速度时，整车控制器29关闭驱动电机12。动力耦合器控制器30控制驱动电 机传动离合器8与储能机构输出盘21结合，行星架离合器25也与储能机构输出盘21结合； 太阳轮制动器22工作使得太阳轮18停止转动，旋转电机27正向旋转使得棘爪26离开棘轮 28。此时行星架17的旋转方向与齿圈19的旋转方向相同，将车辆制动能量转化为弹簧的弹 性能量储存在涡卷弹簧储能机构6中。当涡卷弹簧储能机构6中储存的能量达到极限时，动 力耦合器控制器30控制驱动电机传动离合器8与储能机构输出盘21分离，行星架离合器25 也与储能机构输出盘21分离，太阳轮制动器22停止制动，旋转电机27反向旋转使得棘爪 26卡住棘轮28。

若制动初始时刻动力电池SOC、最大充放电电流和持续充电电流不满足要求，整车控制 器29不使用驱动电机12进行制动能量回收。动力耦合器控制器30控制驱动电机传动离合器 8与储能机构输出盘21结合，行星架离合器25也与储能机构输出盘21结合；太阳轮制动器 22工作使得太阳轮18停止转动，旋转电机27正向旋转使得棘爪26离开棘轮28。此时行星 架17的旋转方向与齿圈19的旋转方向相同，将车辆制动能量转化为弹簧的弹性能量储存在 涡卷弹簧储能机构6中。当涡卷弹簧储能机构6中储存的能量达到极限时，动力耦合器控制 器30控制驱动电机传动离合器8与储能机构输出盘21分离，行星架离合器25也与储能机构 输出盘21分离，太阳轮制动器22停止制动，旋转电机27反向旋转使得棘爪26卡住棘轮28。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本 发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均 属于本发明的保护范围。