集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统.pdf

本发明涉及集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统。该系统包括发动机、驱动电机、双离合两挡变速器、主减速机构和减速器，还包括制动器和动力耦合机构；所述动力耦合机构由所述驱动电机、离合器和行星齿轮机构组成。本发明集驱动电机、行星齿轮机构的动力耦合机构、双离合两挡变速器和差速器为一体，与动力部件分置的混合动力驱动系统相比，具集成度高、传动路线短；本发明能实现车辆的起动发动机模式、驻车充电模式、纯电动驱动模式、发动机单独驱动模式、发动机行车充电模式、混合驱动模式、再生制动模式和纯电动倒车模式，与传统的双电机行星齿轮机构的混合动力驱动系统相比，动力传递效率高、结构简单、成本低。

权利要求书
1.  集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统，包括发动机（1）、驱动电机、双离合两挡变速器、主减速机构和差速器，所述双离合两挡变速器包括双离合器（30）、两挡变速器；其特征在于：
还包括制动器（3）和动力耦合机构；所述动力耦合机构由所述驱动电机、离合器（6）和行星齿轮机构组成，所述离合器（6）为多片湿式摩擦离合器；
所述驱动电机的转子（31）为环状转子；所述离合器（6）位于转子（31）的轴向一侧面；所述行星齿轮机构由齿圈（8）、太阳轮（10）、两个以上的行星轮（9）和行星轮架（7）组成，且位于环状转子内；
动力耦合机构的动力耦合输入轴（5）位于离合器（6）一侧，动力耦合输出轴（11）位于另一侧；所述制动器（3）设于动力耦合输入轴（5）的输入端上，动力耦合输入轴（5）的输入端工作时连接着发动机的动力输出轴（2）；
发动机驱动模式时，所述制动器（3）为非制动状态，所述驱动电机的转子（31）处于自由状态，所述离合器（6）结合，所述行星齿轮机构的齿圈（8）、太阳轮（10）和行星轮架（7）被机械锁定，所述发动机（1）带动所述行星齿轮机构的齿圈（8）、太阳轮（10）和行星轮架（7）转动，动力经动力耦合输出轴（11）传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行；
电机驱动模式时，所述制动器（3）为锁定状态，所述行星齿轮机构的齿圈（8）和发动机（1）处于锁定状态，所述离合器（6）分离；所述行星齿轮机构的太阳轮（10）和行星轮架（7）分别以各自的速度转动，所述转子（31）带动所述太阳轮（10）和行星轮架（7）转动，动力经动力耦合输出轴（11）传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行；
混合驱动模式时，当车辆处于高负荷（加速、爬坡）工况行驶时，发动机（1）和驱动电机均参与工作；所述制动器（3）为非制动状态，所述离合器（6）分离；所述行星齿轮机构的齿圈（8）、太阳轮（10）和行星轮架（7）分别以各自的速度转动；发动机的动力输出轴（2）经所述动力耦合输入轴（5）与行星齿轮机构的齿圈（8）连接，所述驱动电机的转子（31）与行星齿轮机构的太阳轮（10）连接，行星轮架（7）与动力耦合输出轴（11）连接，发动机（1）带动齿圈（8）转动，驱动电机的转子（31）带动太阳轮（10）转动，通过行星轮架（7）经动力耦合输出轴（11）将动力传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行；
再生制动模式时，当车辆减速制动时，双离合两挡变速器处于低速挡工作状态，所述制动器（3）锁定，所述行星齿轮机构的齿圈（8）和发动机（1）处于锁定状态，所述离合器（6）分离；所述行星齿轮机构的太阳轮（10）和行星轮架（7）分别以各自的速度转动，通过所述差速器、双离合两挡变速器、行星齿轮机构的行星轮架（7）和太阳轮（10）带动驱动电机的转子（31）反转，驱动电机进入发电模式，回收制动能量，并经驱动电机控制器33给动力电池组（34）充电。

2.  根据权利要求1所述的集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统，其特征在于：
所述离合器（6）的主动片和动力耦合输入轴（5）固定连接上，离合器（6）的从动片和转子（31）的轴向一侧面固定连接；动力耦合输入轴（5）的输出端连接着行星齿轮机构的齿圈（8）；
行星齿轮机构的太阳轮（10）和转子（31）的轴向另一侧面通过连接板固定连接；太阳轮（10）的轮轴为空心轴，且为转子轴；所述转子（31）通过轴向另一侧面的连接件固定连接着转子轴；太阳轮（10）的轮轴内插设有动力耦合输出轴（11）；所述动力耦合输出轴（11）的一端为输出端，且连接着双离合器（30）的壳体，动力耦合输出轴（11）的另一端连接着行星轮架（7）。

3.  根据权利要求1所述的集成式单驱动电机的插电式混合动力车的两挡变速驱动系统，其特征在于：所述驱动电机为永磁无刷电机或ISG电机。

说明书集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统
技术领域
本发明属于混合动力汽车技术领域，具体涉及插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统。
背景技术
目前，能源问题和环境污染已成为传统燃油汽车所面临的两大突出问题，结合纯电动汽车和传统燃油汽车优势的混合动力汽车成为世界汽车行业研究的热点。插电式混合动力汽车是一种可外接充电的新型混合动力汽车，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结合，里程短时采用纯电动模式，里程长是时采用以内燃机为主的混合动力模式，且可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行均衡充电， 可改善发电厂发电机组效率、消峰填谷缓解供电压力。插电式混合动力汽车驱动系统包含多个动力源，其关键技术在于混合驱动系统能够在多种驱动模式下运行，以满足车辆在多变运行工况下的动力需求。
现有的混合动力驱动系统大多采用行星轮系方案，如日本丰田公司推出的“Prius”、美国福特公司推出的“Escape”以及美国通用公司推出的“Allison”均采用了基于行星齿轮机构的混合动力系统。但以上汽车公司所推出的这些混合动力系统均采用双电机形式，有的甚至采用双行星齿轮机构形式，这导致了系统的成本高、结构复杂。
目前电动汽车或者采用燃油汽车多挡自动变速器，使得传动系统结构复杂，整车质量增加，降低了能量利用效率，或者采用单一固定速比的减速器，使得发动机和驱动电机常常工作在低效率区，很难兼顾整车动力性和经济性的要求，而采用两挡变速系统能够保持发动机和驱动电机处于高效率的工作区，从而充分发挥混合动力汽车的能量利用率高的优势。
双离合变速器结合了手动变速器和传统的液力机械式自动变速器的优点，使得车辆拥有了与液力机械式变速器车辆一样的驾驶方便性与舒适性，并且具有比液力机械式变速器更好的燃油经济性，与其它类型的自动变速器相比，传动效率高，制造成本低。
鉴于混合动力汽车驱动系统主要部件（发动机、驱动电机、动力耦合装置、变速机构和差速器）在研发过程中缺乏统一的设计布置，致使混合驱动系统结构复杂、体积庞大、重量增加、系统分散、成本较高，不利于其研制和产业化，将驱动电机、动力耦合装置、变速机构、差速器集成化是混合动力汽车发展的必然选择。
发明内容
为解决上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明提供一种将驱动电机与动力耦合机构、双离合两挡变速器与差速器集为一体的集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统。
具体的技术解决方案如下：
集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统包括发动机1、驱动电机、双离合两挡变速器、主减速机构和差速器，所述双离合两挡变速器包括双离合器30、两挡变速器；
还包括制动器3和动力耦合机构；所述动力耦合机构由所述驱动电机、离合器6和行星齿轮机构组成，所述离合器6为多片湿式摩擦离合器；
所述驱动电机的转子31为环状转子；所述离合器6位于转子31的轴向一侧面；所述行星齿轮机构由齿圈8、太阳轮10、两个以上的行星轮9和行星轮架7组成，且位于环状转子内；
动力耦合机构的动力耦合输入轴5位于离合器6一侧，动力耦合输出轴11位于另一侧；所述制动器3设于动力耦合输入轴5的输入端上，动力耦合输入轴5的输入端工作时连接着发动机的动力输出轴2；
发动机驱动模式时，所述制动器3为非制动状态，所述驱动电机的转子31处于自由状态，所述离合器6结合，所述行星齿轮机构的齿圈8、太阳轮10和行星轮架7被机械锁定，所述发动机1带动所述行星齿轮机构的齿圈8、太阳轮10和行星轮架7转动，动力经动力耦合输出轴11传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行；
电机驱动模式时，所述制动器3为锁定状态，所述行星齿轮机构的齿圈8和发动机1处于锁定状态，所述离合器6分离；所述行星齿轮机构的太阳轮10和行星轮架7分别以各自的速度转动，所述转子31带动所述太阳轮10和行星轮架7转动，动力经动力耦合输出轴11传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行；
混合驱动模式时，当车辆处于高负荷加速、爬坡工况行驶时，发动机1和驱动电机均参与工作；所述制动器3为非制动状态，所述离合器6分离；所述行星齿轮机构的齿圈8、太阳轮10和行星轮架7分别以各自的速度转动；发动机的动力输出轴2经所述动力耦合输入轴5与行星齿轮机构的齿圈8连接，所述驱动电机的转子31与行星齿轮机构的太阳轮10连接，行星轮架7与动力耦合输出轴11连接，发动机1带动齿圈8转动，驱动电机的转子31带动太阳轮10转动，通过行星轮架7经动力耦合输出轴11将动力传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行。
再生制动模式时，当车辆减速制动时，双离合两挡变速器处于低速挡工作状态，所述制动器3锁定，所述行星齿轮机构的齿圈8和发动机1处于锁定状态，所述离合器6分离；所述行星齿轮机构的太阳轮10和行星轮架7分别以各自的速度转动，车轮19的制动力通过所述差速器、双离合两挡变速器、行星齿轮机构的行星轮架7和太阳轮10带动驱动电机的转子31反转，驱动电机进入发电模式，回收制动能量，并经驱动电机控制器33给动力电池组34充电。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明的一种集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统，分别集驱动电机与行星齿轮机构的动力耦合机构、双离合两挡变速器与差速器为一体，与动力部件分置的混合动力汽车的驱动系统相比，具有集成度高，传动路线短的优点，且有利于整车的设计布置；
2.本发明的一种集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统，采用单驱动电机，并通过控制离合器和行星齿轮机构的动力耦合机构，分别实现车辆的起动发动机模式、驻车充电模式、纯电动驱动模式、发动机单独驱动模式、发动机行车充电模式、混合驱动模式、再生制动模式和纯电动倒车模式，与传统的双电机行星齿轮机构的混合动力汽车的驱动系统相比，具有动力传递效率高，结构简单，成本低的优点；
3.本发明的一种集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统，采用双离合两挡变速机构，与一档固定速比的变速机构相比，能够改善整车动力性、经济性、排放性和舒适性，提高了发动机工作效率、驱动电机效率，延长了动力电池寿命和整车续驶里程。
附图说明
图1 是本发明的驱动示意图。
图2 是本发明的结构示意图。
上图中序号：1.发动机，2.动力输出轴，3.制动器，4.左半轴，5.动力耦合输入轴， 6.离合器，7.行星架，8.齿圈，9.行星轮，10.太阳轮，11.动力耦合输出轴，12.差速器壳体，13. 左半轴齿轮，14. 差速器的行星轮，15. 差速器的行星轮轴，16. 右半轴齿轮，17. 右半轴，18. 从动减速齿轮，19. 车轮，20. 第一挡从动齿轮，21. 中间轴，22. 第二挡从动齿轮，23. 主动减速齿轮，24. 第一挡主动齿轮，25.第一离合器的输出轴，26. 第二挡主动齿轮，27. 第二离合器的输出轴，28.第二离合器，29.第一离合器，30.双离合器，31.转子，32.定子，33. 驱动电机控制器，34. 动力电池组，35. 车载充电器，36.充电插头。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步描述。
实施例
参见图1和图2，集成式单驱动电机的插电式混合动力汽车的两挡变速驱动系统包括发动机1、驱动电机、双离合两挡变速器、主减速机构和减速器。双离合两挡变速器包括双离合器30、两挡变速器；还包括制动器3和动力耦合机构；动力耦合机构由所述驱动电机、离合器6和行星齿轮机构组成。
驱动电机为永磁无刷电机，包括定子32和转子31；转子31为环状转子；离合器6位于转子31的轴向一侧面；行星齿轮机构由齿圈8、太阳轮10、两个以上的行星轮9和行星轮架7组成，且位于环状转子内；
动力耦合机构的动力耦合输入轴5位于离合器6一侧，动力耦合输出轴11位于另一侧；所述制动器3设于动力耦合输入轴5的输入端上，动力耦合输入轴5的输入端工作时连接着发动机的动力输出轴2。
离合器6为多片湿式摩擦离合器，离合器6的主动片和动力耦合输入轴5固定连接上，离合器6的从动片和转子31的轴向一侧面固定连接；动力耦合输入轴5的输出端连接着行星齿轮机构的齿圈8；
行星齿轮机构的太阳轮10和转子31的轴向另一侧面通过连接板固定连接；太阳轮10的轮轴为空心轴，且为转子轴；转子31通过轴向另一侧面的连接件固定连接着转子轴；太阳轮10的轮轴内插装有动力耦合输出轴11；动力耦合输出轴11的一端为输出端，且连接着双离合器30的壳体，动力耦合输出轴11的另一端连接着行星轮架7。
参见图1和图2，发动机1的动力输出轴2与动力耦合输入轴5连接。双离合两挡变速器的第一离合器29通过第一离合器的输出轴25与两挡变速器的第一挡主动齿轮24连接，并与第一挡从动齿轮20常啮合，双离合两挡变速器的第二离合器28通过第二离合器的输出轴27与第二挡主动齿轮26连接，且空套在第一离合器的输出轴25上，并与第二挡从动齿轮22常啮合，第一挡从动齿轮20和第二挡从动齿轮22分别套设在两挡变速机构的中间轴21上；主减速机构的主动减速齿轮23套设在两挡变速机构的中间轴21上，并与主减速机构的从动减速齿轮18常啮合，主减速机构的从动减速齿轮18与差速器壳体12固套为一体，并通过差速器的行星轮14、左半轴齿轮13、右半轴齿轮16和左半轴4、右半轴17驱动车轮19；制动器3设于动力耦合输入轴5的输入端上，动力耦合输入轴5的输入端工作时连接着发动机的动力输出轴2，通过控制制动器3的制动或松开，实现发动机的动力输出轴2锁定与松开，确保车辆在纯电动驱动模式和再生制动模式下发动机1关闭、动力输出轴2不转动。通过控制离合器6的主动片、从动片的结合和分离，实现行星齿轮机构的太阳轮10、齿圈8的结合和分离，同时配合控制发动机1、驱动电机转子31和制动器3分别实现车辆的起动发动机模式、驻车充电模式、纯电动驱动模式、发动机单独驱动模式、发动机行车充电模式、混合驱动模式、再生制动模式和纯电动倒车模式，并通过分别控制所述双离合两挡变速器的第一离合器29和第二离合器28的结合和分离，实现低速挡、高速挡的平顺切换，提高车辆的换挡动力性和驾驶舒适性。
本发明的工作原理说明如下：
（1）发动机驱动模式
制动器3为非制动状态，驱动电机的转子31处于自由状态，离合器6结合，行星齿轮机构的齿圈8、太阳轮10和行星轮架7被机械锁定；发动机1带动所述行星齿轮机构的齿圈8、太阳轮10和行星轮架7转动，动力经动力耦合输出轴11传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行。所述发动机驱动模式包括发动机单独驱动模式、发动机行车充电模式和驻车充电模式。
（1.1）发动机单独驱动模式
 车辆匀速行驶且发动机工作在高效率区时，车辆进入发动机单独驱动模式，此时，制动器3为非制动状态，驱动电机的转子31处于自由状态，离合器6结合，发动机1输出的动力经动力耦合机构传递至所述双离合两挡变速器，并通过控制双离合器30驱动车辆分别在低速挡、高速挡工作状态下运行。
车辆处于低速挡工作状态运行时，双离合器的第二离合器28分离，双离合器的第一离合器29结合，动力经第一离合器的输出轴25带动第一挡主动齿轮24转动，第一挡主动齿轮24驱动第一挡从动齿轮20转动、主动减速齿轮23驱动从动减速齿轮18转动，并通过差速器实现车辆低速挡的发动机单独驱动运行模式。
车辆处于高速挡工作状态运行时，双离合器的第一离合器29分离，双离合器的第二离合器28结合，动力经第二离合器的输出轴27带动第二挡主动齿轮26转动，第二挡主动齿轮26驱动第二挡从动齿轮21转动、主动减速齿轮23驱动从动减速齿轮18转动，并通过差速器实现车辆高速挡的发动机单独驱动运行模式。
（1.2）发动机行车充电模式
当动力电池组34电量不足或车辆负荷较低的工况下行驶时，在保证汽车正常行驶性能前提下，车辆进入发动机行车充电模式，以提高发动机负荷率，并使之工作在高效率区。此时，制动器3为非制动状态，离合器6结合，驱动电机处于发电状态，发动机1输出动力经动力耦合机构传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行；同时行星齿轮机构的太阳轮10带动驱动电机的转子31转动，并通过驱动电机控制器33给动力电池组34充电，以维持电池电量水平。
（1.3）驻车充电模式
在动力电池组34电量不足，需要发动机1进行充电时，车辆进入停车发电模式，此时，制动器3为非制动状态，离合器6结合，驱动电机处于发电状态，所述双离合器的第一离合器29和第二离合器28均处于分离状态，发动机1带动所述的行星齿轮机构的齿圈8和太阳轮10转动，并带动驱动电机转子31转动，通过驱动电机控制器33给动力电池组34充电。
（2）电机驱动模式
制动器3为锁定状态，行星齿轮机构的齿圈8和发动机1处于锁定状态，离合器6分离；行星齿轮机构的太阳轮10和行星轮架7分别以各自的速度转动，转子31带动所述太阳轮10和行星轮架7转动，动力经动力耦合输出轴11传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行。所述电机驱动模式包括纯电动驱动模式、起动发动机模式、纯电动倒车模式和电网充电模式。
（2.1）纯电动驱动模式
车辆低速行驶或发动机工作效率低时，车辆进入纯电动驱动模式。此时制动器3为锁定状态，发动机1处于锁定状态，行星齿轮机构的齿圈8连同发动机处于锁定状态，离合器6分离，驱动电机处于驱动状态，驱动电机转子31带动行星齿轮机构的太阳轮10、行星轮架7转动，经动力耦合机构的输出轴11将动力传递至双离合两挡变速器，并通过控制双离合器30驱动车辆分别在低速挡、高速挡工作状态下运行。
车辆处于低速挡工作状态运行时，双离合器的第二离合器28分离，双离合器的第一离合器29结合，实现车辆低速挡的纯电动驱动运行模式。
车辆处于高速挡工作状态运行时，双离合器的第一离合器29分离，双离合器的第二离合器28结合，实现车辆高速挡的纯电动驱动运行模式。
（2.2）起动发动机模式
在起动发动机时，所述制动器3为非制动状态，发动机1处于非锁定状态，离合器6结合，所述行星齿轮机构的齿圈8、太阳轮10和行星轮架7被机械锁定，双离合器的第一离合器29和第二离合器28均处于分离状态，驱动电机处于驱动状态，驱动电机转子31带动行星齿轮机构的太阳轮10和齿圈8转动，并经动力耦合机构的输入轴5带动发动机的动力输出轴2转动，起动发动机1。
（2.3）纯电动倒车模式
在车辆倒车时，制动器3为锁定状态，发动机1处于锁定状态，离合器6分离，行星齿轮机构的齿圈8连同发动机1处于锁定状态，驱动电机转子31反转，并通过行星齿轮机构的太阳轮10和行星轮架7将动力传递至所述双离合两挡变速器，双离合器的第二离合器28分离，双离合器的第一离合器29结合，实现在低速档下车辆倒车行驶。
（2.4）电网充电模式
在夜间或必要时，车辆停靠在充电桩处，制动器3为锁定状态，发动机1处于关闭状态，离合器6分离，驱动电机处于断电锁定状态，车载充电器35通过充电插头36与充电桩的电网连接，并按设定的充电策略给动力电池组34安全充电。
（3）混合驱动模式
当车辆处于高负荷（加速、爬坡）工况行驶时，发动机1和驱动电机均参与工作；所述制动器3为非制动状态，所述离合器6分离；所述行星齿轮机构的齿圈8、太阳轮10和行星轮架7分别以各自的速度转动；发动机的动力输出轴2经所述动力耦合输入轴5与行星齿轮机构的齿圈8连接，所述驱动电机的转子31与行星齿轮机构的太阳轮10连接，行星轮架7与动力耦合输出轴11连接，发动机1带动齿圈8转动，驱动电机的转子31带动太阳轮10转动，通过行星轮架7经动力耦合输出轴11将动力传递至所述双离合两挡变速器，驱动车辆运行。
（4）再生制动模式，
当车辆减速制动时，双离合两挡变速器处于低速挡工作状态，所述制动器3锁定，所述行星齿轮机构的齿圈8和发动机1处于锁定状态，所述离合器6分离；所述行星齿轮机构的太阳轮10和行星轮架7分别以各自的速度转动，车轮19的制动力通过所述差速器、双离合两挡变速器、行星齿轮机构的行星轮架7和太阳轮10带动驱动电机的转子31反转，驱动电机进入发电模式，回收制动能量，并经驱动电机控制器33给动力电池组34充电。