無級變速混聯式混合動力驅動系統

《無級變速混聯式混合動力驅動系統》是上海交通大學於2006年8月10日申請的專利，該專利的申請號為2006100298783，公布號為CN1915702，授權公布日為2007年2月21日，發明人是楊林、冒曉建、卓斌、唐航波、陳自強、王俊席、肖文雍。

一種汽車技術領域的無級變速混聯式混合動力驅動系統。《無級變速混聯式混合動力驅動系統》包括發動機、發動機曲軸輸出端、第一電機、離合器輸入端、離合器、第二驅電機輸入端、第二電機、傳動軸、差速減速器、第一半軸、第二半軸、第一電機高壓電路、第一電機驅動控制裝置、第二電機高壓電路、第二電機驅動控制裝置、儲能裝置、儲能裝置高壓電路。第一電機轉子軸與發動機曲軸輸出端相連線，並通過離合器與第二電機轉子軸相連線，第二電機轉子軸通過傳動軸、差速減速器、半軸直接與車輪相連線，第一電機、第二電機均與儲能裝置電連線。該發明具有無級變速、低系統成本、低開發成本、低維修成本等特點，使整車油耗、排放、動力性、駕駛平順性等達到綜合最優。

2016年12月7日，《無級變速混聯式混合動力驅動系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《無級變速混聯式混合動力驅動系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：無級變速混聯式混合動力驅動系統
• 公布號：CN1915702
• 授權日：2007年2月21日
• 申請號：2006100298783
• 申請日：2006年8月10日
• 申請人：上海交通大學
• 地址：上海市閔行區東川路800號
• 發明人：楊林、冒曉建、卓斌、唐航波、陳自強、王俊席、肖文雍
• Int.Cl.：B60K6/02(2006.01)
• 代理機構：上海交達專利事務所
• 代理人：王錫麟、王桂忠
• 類別：發明專利

專利背景

截至2006年8月，混合動力汽車動力驅動系統的結構型式有串聯式、並聯式和串並聯混聯式，具體的結構型式有多種變型，但均存在一定的不足，不能充分發揮混合動力汽車節能、環保的優勢。根據三種系統結構形式的特點，串聯式混合動力系統汽車更適合車輛起停頻繁的城市區域；並聯式混合動力汽車更適合道路比較暢通的非城市區域；串並聯混聯式混合動力系統，目的是集成串聯混合動力系統和並聯混合動力系統優點、克服了各自的缺點，因此可適用於所有路況，並有極大的性能優勢。

2006年8月前的串並聯混聯式混合動力系統，如最具代表性的日本豐田汽車公司的THS（豐田混合動力系統）混合動力系統及其THS2（第二代豐田混合動力系統）混合動力系統、通用汽車公司的EP（電動並聯）混合動力系統及其AHS2（第二代先進混合動力系統）系統，發動機輸出動力中大都有一部分能量需經系統中的一個電機發電給蓄電池充電或供另一個電機使用，這部分能量經過多次能量轉換後造成了較大損失，同時動力合成機構結構複雜、製造成本高、體積大。

經對2006年8月前技術的文獻檢索發現，中國專利公開號CN1420034，公開日為2003.05.28，專利名稱為：雙電機混合動力汽車動力系統，該專利自述為：“雙電機混合動力汽車動力系統屬於以燃油和電力兩種能源為動力源的汽車混合動力裝置。它包括內燃機、電機、離合器、變速箱、動力電池、制動系統及整車自動控制系統，其特徵在於具有主、副兩個電機，其第二電機25的轉子軸與變速箱24的輸出軸相連線，副電機22的轉子軸與內燃機1的曲軸相連線；主、副電機25、22與電池28電聯接。”其不足之處是：由於變速箱的採用，系統成本也高，而且換檔過程中的動力中斷和衝擊等也難於完全避免，系統尺寸大也使整車布置困難。

發明內容

專利目的

《無級變速混聯式混合動力驅動系統》目的在於提供一種無級變速混聯式混合動力驅動系統，使其克服2006年8月前混聯式混合動力系統結構複雜、製造成本高、體積大等不足，具有良好的與2006年8月前車輛的技術繼承性以及整車動力性、燃油經濟性和低排放的特點，實現了無級變速、混聯驅動和低開發成本、低系統成本的有機結合。

技術方案

《無級變速混聯式混合動力驅動系統》包括：發動機、發動機曲軸輸出端、第一電機、離合器輸入端、離合器、第二驅電機輸入端、第二電機、傳動軸、差速減速器、第一半軸、第二半軸、第一電機高壓電路、第一電機驅動控制裝置、第二電機高壓電路、第二電機驅動控制裝置、儲能裝置、儲能裝置高壓電路。連線關係為：發動機通過發動機曲軸輸出端與第一電機相連線，第一電機再通過離合器輸入端與離合器相連線，離合器再通過第二電機輸入端與第二電機相連線，第二電機的輸出軸再通過傳動軸與差速減速器相連線，差速減速器再分別通過第一半軸、第二半軸與第一車輪和第二車輪相連線；第一電機通過第一電機高壓電路與第一電機驅動控制裝置相連線，第二電機通過第二電機高壓電路與第二電機驅動控制裝置相連線；儲能裝置通過儲能裝置高壓電路分別與第一電機驅動控制裝置和第二電機驅動控制裝置相連線。

《無級變速混聯式混合動力驅動系統》的工作過程和工作原理為：第二電機通過傳動軸、差速減速器、第一半軸、第二半軸與第一車輪、第二車輪進行動力傳遞。發動機由第一電機通過發動機曲軸輸出端起動，發動機與第二電機之間通過發動機曲軸輸出端、第一電機、離合器輸入端、離合器、第二驅電機的輸入端進行動力傳遞。第一電機與與第二電機之間通過離合器輸入端、離合器、第二驅電機的輸入端進行動力傳遞，亦與發動機之間通過發動機曲軸輸出端進行動力傳遞。

第一電機通過第一電機高壓電路與第一電機驅動控制裝置、儲能裝置高壓電路與儲能裝置進行電能傳遞，第一電機按電動方式運行時需要的電能由儲能裝置提供，按發電方式運行時發出的電能由儲能裝置接收。第二電機通過第二電機高壓電路與第二電機驅動控制裝置、儲能裝置高壓電路亦與儲能裝置進行電能傳遞，第二電機按電動方式運行時需要的電能亦由儲能裝置提供，按發電方式運行時發出的電能亦由儲能裝置接收。第一電機和第二電機的其中之一按發電方式工作、另一電機按電動方式工作時，二電機之間還可通過各自的驅動控制裝置、高壓電路和儲能裝置進行電能傳遞。

在發動機、第一電機、第二電機等全部動力部件與車輪之間的動力傳遞鏈中，取消2006年8月前內燃機汽車的變速器和緩速器，實現無級變速混合驅動。發動機可按停機、運行等2種方式工作，第一電機可按停機/空轉、發電、電動等3種方式工作，第二電機也可按停機/空轉、發電、電動等3種方式工作，離合器可按結合、分離等2種方式工作，可實現發動機怠速停機/快速起動、無級變速純電動驅動、無級變速純發動機驅動、無級變速串聯驅動、無級變速並聯混合驅動、無級變速發電混合驅動、再生制動能量回饋、停車充電等全部混合動力系統的運行模式。

有益效果

1）無級變速。第二電機輸出端的動力直接通過傳動軸傳遞到差速減速器，然後通過第一半軸和第二半軸傳遞到第一車輪和第二車輪，實現了無級變速，提高了駕駛的舒適性和降低了駕駛員勞動強度。

2）低系統成本。由於第二電機採用了大功率大扭矩電機，取消了變速器和緩速器，有效避免了混合動力系統開發中自動機械變速系統的技術難題，降低系統成本和系統開發成本。

3）低維修成本。採用可控自動離合器，減小了離合器結合與分離的頻次，並實現了離合器小滑差或無滑差結合，最大程度地避免了離合器的磨損損壞，降低維護成本。另外，由於第一電機可提供第二電機驅動所需的全部或部分電能，降低了對儲能裝置的要求，由於儲能裝置在混合動力系統中是故障率和成本比例都較高的部件，因此進一步降低了系統成本和維護成本。

4）與國際上著名同類產品相比有比較高的性能價格比，具有較強的市場競爭力。既可方便地自動切換到典型的串聯繫統結構，也可方便地自動切換到典型的並聯繫統結構，還可方便地切換到典型的雙電機混聯繫統結構，使《無級變速混聯式混合動力驅動系統》可適用於各種路況，實現了混合動力系統的全部運行模式，而且模式控制比2006年8月前的技術更加靈活，可以很方便地實現儲能裝置電量平衡控制，延長其壽命，使套用《無級變速混聯式混合動力驅動系統》的混合動力汽車的動力性、燃油經濟性和有害排放達到了綜合最佳，顯著優於串聯繫統、並聯繫統和2006年8月前的混聯繫統。經統計分析，套用《無級變速混聯式混合動力驅動系統》的混合動力客車，節油可達到30％以上、尾氣排放可滿足國4以上法規限制、動力性不低於2006年8月前車輛、駕駛平順性明顯優於2006年8月前車輛、駕駛員勞動強度顯著降低，整車成本增加小於同類車輛的10％。

附圖說明

圖1是《無級變速混聯式混合動力驅動系統》結構示意圖。

圖1

技術領域

《無級變速混聯式混合動力驅動系統》涉及的是一種汽車技術領域的系統，具體地說，是一種無級變速混聯式混合動力驅動系統。

權利要求

1、一種無級變速混聯式混合動力驅動系統，包括：發動機（1）、發動機曲軸輸出端（2）、第一電機（3）、離合器輸入端（4）、離合器（5）、第二驅電機輸入端（6）、第二電機（7）、傳動軸（8）、差速減速器（9）、第一半軸（10）、第二半軸（11）、第一電機高壓電路（14）、第一電機驅動控制裝置（15）、第二電機高壓電路（16）、第二電機驅動控制裝置（17）、儲能裝置（18）、儲能裝置高壓電路（19），其特徵在於：發動機（1）通過發動機曲軸輸出端（2）與第一電機（3）相連線，第一電機（3）再通過離合器輸入端（4）與離合器（5）相連線，離合器（5）再通過第二電機輸入端（6）與第二電機（7）相連線，第二電機（7）再通過傳動軸（8）與差速減速器（9）相連線，差速減速器（9）再分別通過第一半軸（10）、第二半軸（11）與第一車輪（12）和第二車輪（13）相連線，第一電機（3）通過第一電機高壓電路（14）與第一電機驅動控制裝置（15）相連線，第二電機（7）通過第二電機高壓電路（16）與第二電機驅動控制裝置（17）相連線；儲能裝置（18）通過儲能裝置高壓電路（19）分別與第一電機驅動控制裝置（15）和第二電機驅動控制裝置（17）相連線。

2、根據權利要求1所述的無級變速混聯式混合動力驅動系統，其特徵是，所述離合器（5），為自動可控離合器，用於接通或切斷髮動機（1）和第一電機（3）端動力到第二電機（7）端的機械連線和動力傳遞。

3、根據權利要求1所述的無級變速混聯式混合動力驅動系統，其特徵是，所述第二電機（7），為一大功率大扭矩電機。

4、根據權利要求1所述的無級變速混聯式混合動力驅動系統，其特徵是，所述第一電機驅動控制器（15）和第二電機驅動控制器（17），均為一種實現將直流變為交流、或將交流變為直流的電源變換器和電機運行控制器。

5、根據權利要求1所述的無級變速混聯式混合動力驅動系統，其特徵是，所述傳動軸（8），將第二電機（7）輸出端動力通過差速減速器（9）、第一半軸（10）和第二半軸（11）直接傳遞到第一車輪（12）、第二車輪（13）。

6、根據權利要求1所述的無級變速混聯式混合動力驅動系統，其特徵是，所述儲能裝置（18），為動力蓄電池或超級電容。

7、根據權利要求1所述的無級變速混聯式混合動力驅動系統，其特徵是，其運行模式包括發動機怠速停機/快速起動模式、無級變速純電驅動模式、無級變速純發動機驅動模式、無級變速串聯驅動模式、無級變速直接並聯混合驅動模式、無級變速發電混合驅動模式、再生制動能量回饋模式、停車充電模式。

實施方式

如圖1所示，《無級變速混聯式混合動力驅動系統》包括：發動機1、發動機曲軸輸出端2、第一電機3、離合器輸入端4、離合器5、第二驅電機輸入端6、第二電機7、傳動軸8、差速減速器9、第一半軸10、第二半軸11、第一電機高壓電路14、第一電機驅動控制裝置15、第二電機高壓電路16、第二電機驅動控制裝置17、儲能裝置18、儲能裝置高壓電路19。其連線關係為：發動機1通過發動機曲軸輸出端2與第一電機3相連線，第一電機3再通過離合器輸入端4與離合器5相連線，離合器5再通過第二電機輸入端6與第二電機7相連線，第二電機7的的輸出軸再通過傳動軸8與差速減速器9相連線，差速減速器9再分別通過第一半軸10、第二半軸11與第一車輪12和第二車輪13相連線；第一電機3通過第一電機高壓電路14與第一電機驅動控制裝置15相連線，第二電機7通過第二電機高壓電路16與第二電機驅動控制裝置17相連線；儲能裝置18通過儲能裝置高壓電路19分別與第一電機驅動控制裝置15和第二電機驅動控制裝置17相連線。

其中：所述發動機1提供車輛行駛的大部分動力。

所述第一電機3用於起動發動機，也用於提供車輛行駛過程中的部分動力，還可按發電機運行提供第二電機7驅動車輛需要的電能或輔助回收再生制動能量或向儲能裝置18充電。

所述離合器5為自動可控離合器，用於接通或切斷髮動機1和第一電機3端動力到第二電機7端的機械連線和動力傳遞。

所述第二電機7為一大功率大扭矩電機，用於提供車輛行駛過程中的全部或部分動力，還可回收再生制動能量或向儲能裝置18充電。

所述第一電機驅動控制器15和第二電機驅動控制器17，均為一種實現將直流變為交流、或將交流變為直流的電源變換器和電機運行控制器。

所述傳動軸8將第二電機7輸出端動力通過差速減速器9、第一半軸10和第二半軸11直接傳遞到第一車輪12、第二車輪13，取消了變速器和緩速器等部件。

所述儲能裝置18為動力蓄電池或超級電容，儲能裝置18用於向第一電機3、第二電機4提供電能，也可用於接收第一電機3、第二電機4發電發出的電能。

《無級變速混聯式混合動力驅動系統》可實現全部混合動力系統的運行模式：發動機怠速停機/快速起動模式、無級變速純電驅動模式、無級變速純發動機驅動模式、無級變速串聯驅動模式、無級變速直接並聯混合驅動模式、無級變速發電混合驅動模式、再生制動能量回饋模式、停車充電模式。

（1）發動機怠速停機/快速起動模式

在車輛減速過程中、或遇紅燈或堵車或其它情況而停車時，通過使發動機1斷油、停機，避免了2006年8月前內燃機汽車此時減速、怠速運行的油耗和尾氣排放，是提高整車燃油經濟性和降低尾氣有害排放的重要策略之一。根據整車控制策略，在需起動發動機時，離合器5處於分離狀態，可隨時通過第一電機快速拖動發動機1到某一較高轉速後，發動機1才開始噴油，避免了2006年8月前車輛發動機起動過程造成的燃油消耗與尾氣有害排放，提高整車燃油經濟性和降低尾氣有害排放。

（2）無級變速純電驅動模式

在車輛起步階段或低負荷或車輛低速運行時，發動機1處於低負荷工況，其熱效率低且尾氣排放不佳。此時，可通過第二電機7提供整車驅動的全部扭矩，實現零排放，離合器5處於分離狀態，避免了倒拖發動機1的能量消耗。該模式對於城市客車降低排放、避免離合器頻繁結合而引起的磨損等，具有重要貢獻。

利用《無級變速混聯式混合動力驅動系統》，還具有純電驅動的冗餘設計，即可以實現由第一電機3、第二電機7中任意電機單獨或聯合驅動的3種無級變速純電驅動模式。

（3）無級變速純發動機驅動模式

在車輛的驅動扭矩達到設定範圍或車速高於設定值後，發動機工作在高效率區，可通過使第一電機3和第二電機7空轉而實現無級變速純發動機驅動，確保將通過制動回饋能量和行車發電最佳化發動機1效率而對儲能裝置18的充電電能充分高效地利用於助力混合驅動等工況，提高整車效率，且可避免儲能裝置18的電量快速損失，延長其使用壽命。在所述儲能裝置18電量太低或電驅動系統不能完成車輛驅動時，也將起動發動機進入純發動機驅動模式。

（4）無級變速串聯驅動模式

在任何車速和車輛驅動的動力需求下，當第二電機7驅動能力滿足車輛驅動要求，且車輛運行環境要求（如穿越鬧市區）時，通過使發動機1工作在高效率點或一個極高效率區間，使離合器5被切換到或保持在分離狀態，第一電機3按發電機運行提供第二電機7驅動車輛所需要的主要能量，系統被方便地切換到無級變速串聯驅動模式，可使發動機尾氣排放量達到最低。還可方便地實現儲能裝置18的電量平衡控制和降低對儲能裝置18的容量要求，降低零部件成本和維護成本。

在基於第二電機7的純電驅動模式下，如果儲能裝置電量低，也可使系統按無級變速串聯驅動模式工作。

（5）無級變速直接並聯混合驅動模式

在當車輛急加速或爬坡等需要較大車輛驅動扭矩或所需車輛驅動扭矩快速增大時，如果儲能裝置18的電量適合提供所需電驅動能量，車速高於設定值後，則可在發動機輸出動力的同時，使第一電機3、第二電機7中任意一個電機或2個電機按電動模式運行，實現與發動機輸出動力的直接耦合，具有3種形式的無級變速直接並聯混合驅動模式，可在獲得良好整車動力性的同時，提高能量效率最佳化。

（6）無級變速發電混合驅動模式

在儲能裝置剩餘電量較小，發動機在滿足整車驅動扭矩需求後還有剩餘的情況下，可通過使第一電機3或第二電機7中的一個按發電機模式運行，補充儲能裝置電能，或向另一個按電動機模式運行的電機提供部分或全部電能，使發動機運行效率提高，並同時用於實現儲能裝置18的電量平衡和滿足整車動力性要求。

（7）再生制動能量回饋模式

在車輛制動或減速過程中，所述發動機1停油且所述第二電機7按發電機工作，進入再生制動能量回饋模式。由於所述離合器5被切換到或保持分離狀態，可避免對所述發動機1的倒拖引起的能量回饋效率損失。由於第二電機7為一大功率大扭矩電機，且與車輪為機械連線，因此可根據需要隨時進行再生制動而回饋能量，且回饋功率較一般並聯繫統和混聯繫統大。

（8）停車充電模式

在停車狀態，如所述儲能裝置18的電量太低，可以進行停車充電模式。在停車充電模式，離合器5處於分離狀態，由與發動機1的曲軸輸出端2連為一體的第一電機3按發電方式工作，給儲能裝置18充電。當儲能裝置18的電量超過一個設定值後，停車充電模式結束。

榮譽表彰

2016年12月7日，《無級變速混聯式混合動力驅動系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。