并联式混合动力传动单元 【技术领域】
本发明属于内燃电动装置，特别是一种并联式混合动力传动单元。
背景技术
一般来说，所谓混合动力传动单元系指内燃机等以燃油为动力来源的动力系统与电动机/发电机等以电力驱动的动力传动单元装置于同一动力传动单元中，藉以视单元需求而决定使用燃油或电力系统的时机，使系统达到最佳的状态。混合动力传动单元可分为串联混合动力传动单元及并联混合动力传动单元两种。
串联式混合动力传动单元主要系以内燃机直接驱动发电机，使其产生电力供给一个或多个电动机产生动力，并以一个或多个蓄电池储存多余的电能，此动力传动单元的动力流是符合理想的，但是内燃机无法同时与电动机带动输出轴，系统输出的扭力与转速皆由电动机来决定，若电动机不胜负荷时，内燃机亦无法提供任何帮助。
并联式混合动力传动单元则没有上述串联式混合动力传动单元的缺点，其系以内燃机、电动机及发电机组成，其与串联式混合动力传动单元主要不同的差异点在于此单元能够独立使用电动机输出动力，亦可合并内燃机及电动机一起输出动力，而且内燃机可将输出的部分动力驱动发电机发电，其余直接输出克服外界负载，而发电机发电供给电动机动作或输入蓄电池储存电能，因此，并联式混合动力传动单元整体表现比串联式混合动力传动单元更佳。
如图1所示，习知的具有双行星齿轮的并联式混合动力传动单元1包括蓄电池2、电子控制模组3、内燃机4、装设制器51的飞轮5、发电机6、电动机7、双行星齿轮机构8、输出轴9及两皮带组10、11。
双行星齿轮机构8包括两行星齿轮组81、82、两行星齿轮基座83、84、两太阳齿轮85、86及设有两内齿圈871、872的共用内齿圈87。
习知并联式混合动力传动单元1主要系藉由双行星齿轮机构8连接内燃机4、发电机6、电动机7及输出轴9。当内燃机4输出的动能不足推动负载时，则启动电动机7与内燃机4合并输出。反之，当内燃机4输出的动能高于负载时，则可藉由发电机6对蓄电池2充电储存多余的能量。另外，这种并联式混合动力传动单元1亦可在不启动内燃机4的情况下，仅由电动机7独立输出。习知的并联式混合动力传动单元1的结构设计虽然具有能量管理的功能，但是其整体系统架构必须仰赖使用两个行星齿轮组81、82及两个内齿圈871、872的设计。这种结构设计方式会增加相当多地内部摩擦力造成内部损耗，同时在制造上也会增加相当的困难度，诚有改善的必要。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种减少内部摩擦损耗、结构简单、体积小的并联式混合动力传动单元。
本发明包括蓄电池、电子控制模组、具输出轴的内燃机、具转子的发电机、装设于发电机转子内的行星齿轮差速机构、传动轴、电动机、输出轴；输出轴上装设飞轮；行星齿轮差速机构至少设置一组行星齿轮组、第一太阳齿轮及第二太阳齿轮；行星齿轮组包括两端固定设于转子上的行星轮轴、固设于行星轮轴上的轴承及经轴承同轴转动安装于行星轮轴上的第一、二行星齿轮；第一太阳齿轮与内燃机输出轴固接并与第一行星齿轮啮合；第二太阳齿轮与传动轴固接并与第二行星齿轮啮合；传动轴以第一、二旋转传动机构分别与电动机的输出轴及输出轴相连，并藉由电子控制模组选择适当的操作模式，控制内燃机、发电机、电动机及蓄电池四者间动作时机，以达到能量管理。
其中：
装设于内燃机输出轴上的飞轮装设有制动器。
行星齿轮差速机构外侧与第一旋转传动机构间的传动轴上装设将传动轴区分为左、右段的离合器。
行星齿轮差速机构系直接设置于发电机转子内。
行星齿轮差速机构与发电机分离，并以旋转传动机构与行星齿轮差速机构的外壳连接。
电子控制模组控制电动机作动力源以输出与外界负载平衡动能的纯电子操作模式。
电子控制模组控制电动机与发电机启动内燃机的启动内燃机操作模式。
电子控制模组控制内燃机输出的动能克服外界负载与供给发电机转换成电能储存及控制电动机成为储能装置的双充电操作模式。
电子控制模组控制内燃机输出动能供给发电机转换成电能储存及与作为另一动力源的电动机一起克服外界负载的单充电操作模式。
电子控制模组控制内燃机输出动力部分供发电机转换的电能直接供给予电动机以使电动机作动力源与内燃机输出动力部分克服负载。
电子控制模组控输出轴转速为零且内燃机输出的动能完全供给发电机转换成电能储存于蓄电池的静止充电操作模式。
电子控制模组控制电动机当作制动器以将多余的动能回收转为电能储存在蓄电池内的刹车减速充电操作模式。
第一、二旋转传动机构为齿轮旋转传动机构。
第一、二旋转传动机构为皮带旋转传动机构。
第一、二旋转传动机构为链条旋转传动机构。
由于本发明包括蓄电池、电子控制模组、具输出轴的内燃机、具转子的发电机、装设于转子内的行星齿轮差速机构、传动轴、电动机、装设飞轮的输出轴；行星齿轮差速机构设置至少一组行星齿轮组、与内燃机输出轴固接的第一太阳齿轮及与传动轴固接的第二太阳齿轮；行星齿轮组包括两端固定设于转子上的行星轮轴及经轴承同轴转动安装于行星轮轴上分别与第一、二太阳齿轮啮合的第一、二行星齿轮；传动轴以第一、二旋转传动机构分别与电动机的输出轴及输出轴相连，并藉由电子控制模组选择适当的操作模式，控制内燃机、发电机、电动机及蓄电池四者间动作时机。若内燃机输出轴转动而发电机转子固定不动时，内燃机输出轴依序经行星齿轮差速器带动与第二太阳齿轮固接的传动轴转动。此时，若内燃机输出轴转速固定，则经行星齿轮差速机构驱动的传动轴的转速亦固定；若内燃机输出轴及发电机转子皆转动时，内燃机输出轴仍经行星齿轮差速器带动与第二太阳齿轮固接的传动轴转动；与此同时，以两端固设于发电机转子上的行星轮轴随之转动，且因第一、二行星齿轮经轴承转动安装于行星轮轴上，所以传动轴的转速会因发电机转子的转动而跟着变化；即若内燃机输出轴转速固定，且发电机转子转动方向与内燃机输出轴相同，则此时当发电机转子的转速增加时，则传动轴的转速会增加；当发电机转子转速降低时，则传动轴的转速亦降低，且传动轴的轴体又分别经第一、二旋转传动机构与位于上方的电动机及位于下方的输出轴相连，因此，很明显，因传动轴与第一、二旋转传动机构相连，其转速必然受到影响；更进一步来说，本发明可固定内燃机的转速，而藉由调整发电机与电动机的转速控制输出轴的转速，以达到控制转速的目的；且在控制发电机与电动机转速的同时，尚可以电子控制模组选择适当的操作模式，使发电机或电动机当作动力输出源，将电能转变为动能；亦可将发电机或电动机当作储能装置，将动能转变为电能储存；因此，本发明可视外界负载的需求，控制发电机与电动机运作的方式，并与内燃机运作时机配合，达到能量管理；不仅减少内部摩擦损耗，而且结构简单、体积小，从而达到本发明的目的。
【附图说明】
图1、为习知具有双行星齿轮的并联式混合动力传动单元结构示意剖视图。
图2、为本发明结构示意剖视图。
图3、为本发明发电机结构示意剖视图。
图4、为本发明行星齿轮差速机构结构示意剖视图。
图5、为本发明动力流传递方向示意图。
图6、为本发明结构示意剖视图(飞轮上装设制动器)。
图7、为本发明在纯电力操作模式下动力流传递方向示意图(飞轮上装设制动器)。
图8、为本发明结构示意剖视图(传动轴上装设离合器)。
图9、为本发明在纯电力操作模式下动力流传递方向示意图(传动轴上装设离合器)。
图10、为本发明启动内燃机操作模式下动力流传递方向示意图。
图11、为本发明在双充电操作模式下动力流传递方向示意图。
图12、为本发明在单充电操作模式下动力流传递方向示意图。
图13、为本发明在无蓄电操作模式下动力流传递方向示意图。
图14、为本发明在静止充电操作模式下动力流传递方向示意图。
图15、为本发明在内燃机不启动以刹车充电操作模式下动力流传递方向示意图。
图16、为本发明在启动内燃机时以刹车充电操作模式下动力流传递方向示意图。
图17、为本发明结构示意剖视图(设有一般电动机)。
图18、为本发明结构示意剖视图(飞轮装设制动器)。
图19、为本发明结构示意剖视图(传动轴上装设离合器)。
【具体实施方式】
如图2所示，本发明并联式混合动力传动单元12包括蓄电池22、电子控制模组21、具输出轴131的内燃机13、装设于输出轴131上的飞轮14、具转子152的发电机15、装设于转子152内行星齿轮差速机构23、传动轴16、电动机19、输出轴20及装设于输出轴20上的制动器24。
传动轴16以一组诸如齿轮、皮带或链条等结构的第一旋转传动机构17与电动机19的输出轴191相连，并于传动轴16设有另一组诸如齿轮、皮带或链条等结构并与装设制动器24的输出轴20相连接的第二旋转传动机构18，并藉由电子控制模组21选择适当的操作模式，控制内燃机13、发电机15、电动机19及蓄电池22四者间动作时机，以达到能量管理的目的。
如图3所示，发电机15包括定子151、设置于定子151内的转子152及设置于转子152内以转子152为外壳的行星齿轮差速机构23。
如图3、图4所示，行星齿轮差速机构23至少设置一组行星齿轮组232、第一太阳齿轮233及第二太阳齿轮235。
行星齿轮组232包括两端固定设于为转子152的外壳上的行星轮轴2323、固设于行星轮轴2323上的轴承2324及经轴承2324同轴转动安装于行星轮轴2323上的第一、二行星齿轮2321、2322。
如图2所示，第一太阳齿轮233与内燃机13输出轴131固接并与第一行星齿轮2321啮合。
如图2所示，第二太阳齿轮235与传动轴16固接并与第二行星齿轮2322啮合。
如图1、图4所示，若内燃机13输出轴131转动而发电机15转子152固定不动时，内燃机13输出轴131必然依序带动第一太阳齿轮233、与第一太阳齿轮233啮合的第一行星齿轮2321及与第一行星齿轮2321同轴的第二行星齿轮2322、与第二行星齿轮2322啮合的第二太阳齿轮235及与第二太阳齿轮235固接的传动轴16转动。此时，若内燃机13输出轴131转速固定，则经行星齿轮差速机构23驱动的传动轴16的转速亦固定。
当然，若内燃机13输出轴131及发电机15转子152皆转动时，内燃机13输出轴131仍依序带动第一太阳齿轮233、与第一太阳齿轮233啮合的第一行星齿轮2321及与第一行星齿轮2321同轴的第二行星齿轮2322、与第二行星齿轮2322啮合的第二太阳齿轮235及与第二太阳齿轮235固接的传动轴16转动；与此同时，以两端固设于发电机15转子152上的行星轮轴2323随之转动，且因第一、二行星齿轮2321、2322以经轴承2324转动安装于行星轮轴2323上，所以传动轴16的转速会因发电机15转子152的转动而跟着变化。
例如，若内燃机13输出轴131转速固定，且发电机15转子152转动方向与内燃机13输出轴131相同，则此时当发电机15转子152的转速增加时，则传动轴16的转速会增加；当发电机15转子152转速降低时，则传动轴16的转速亦降低。
因此，如图2所示，本发明并联式混合动力传动单元12内燃机13启动后，内燃机13输出轴131依序带动第一太阳齿轮233、与第一太阳齿轮233啮合的第一行星齿轮2321及与第一行星齿轮2321同轴的第二行星齿轮2322、与第二行星齿轮啮合2322的第二太阳齿轮235及与第二太阳齿轮235固接的传动轴16转动。
亦即若单单只有内燃机13启动，则传动轴16的转速与内燃机13输出轴131的转速相同。
但是，当发电机15及电动机19启动时，传动轴16的转速即产生变化。如图2所示，发电机15转子152为行星齿轮差速机构23的外壳，且行星轮轴2323两端系固设于转子152上，所以发电机15转子152一旦转动必然影响传动轴16的转速；其次，传动轴16的轴体又分别经第一、二旋转传动机构17、18与位于上方的电动机19及位于下方的输出轴20相连，因此，很明显，因传动轴16与第一、二旋转传动机构17、18相连，其转速必然受到影响；更进一步来说，本发明可固定内燃机13的转速，而藉由调整发电机15与电动机19的转速控制输出轴20的转速，以达到控制转速的目的。
另一方面，在控制发电机15与电动机19转速的同时，尚可以电子控制模组21选择适当的操作模式，使发电机15或电动机19当作动力输出源，将电能转变为动能；亦可将发电机15或电动机19当作储能装置，将动能转变为电能储存。因此，本发明可视外界负载的需求，控制发电机15与电动机19运作的方式，并与内燃机13运作时机配合，达到能量管理的目的。
如上所述，本发明并联式混合动力传动单元12可藉由电子控制模组21控制发电机15、电动机19与内燃机13之间动作方式及时机，以此即可衍生出如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示的纯电力操作模式、启动内燃机操作模式、双充电操作模式、单充电操作模式、无蓄电操作模式、静止充电操作模式、刹车减速充电操作模式等七种不同操作模式。箭头1A代表电能传递方向；箭头1B代表动能传递方向；箭头1C代表损失的动能。
一、纯电力操作模式
如图5所示，纯电力操作模式适用于本发明并联式混合动力传动单元12由静止启动或蓄电池22充足的情况下。此时，内燃机13不启动及发电机15不加载的情况下，以电动机19作为动力源输出动能经第一旋转传动机构17带动传动轴16转动，并经第二旋转传动机构18带动输出轴20转动，以平衡外界负载。由于传动轴16与行星齿轮差速机构23的第二太阳齿轮235固接，此时，传动轴16亦会带动行星齿轮差速机构23，所以，会再带动与行星齿轮差速机构23连接的内燃机13输出轴131与发电机15转子152空转，造成些微能量损失。
如图6、图7所示，若要阻止内燃机13输出轴131在此操作模式下的空转而磨耗，可在内燃机13输出轴131上装飞轮14，并藉由装设于飞轮14上的制动器241可形成第一种衍生型并联式混合动力传动单元121。此种衍生型并联混合动力传动单元121的功能其及操作模式与如图2所示的并联式混合动力传动单元12相同。其不同点在于在纯电力操作模式时，此第一种衍生型并联式混合动力传动单元121可藉由电子控制模组21控制制动器241阻止飞轮14转动，以进一步制止内燃机13空转磨耗。然此制动器241只针对内燃机13的飞轮14制动，并不能制止发电机15空转，因此，发电机15还是会造成些微能量损失。此状态时动力流传递如图7所示。
如图8、图9所示，为了进一步同时阻止发电机15与内燃机13在此操作模式下空转，可于行星齿轮差速机构23外侧与第一旋转传动机构17间的传动轴16上装设离合器25，以将传动轴16区分为左、右段161、162，以形成第二种衍生型并联式混合动力传动单元122。若离合器25结合传动轴16左、右段161、162时，此第二种衍生型并联式混合动力传动单元122功能及操作模式与如图2所示的并联式混合动力传动单元12相同。其不同点在于在纯电子操作模式时，此第二种衍生型并联式混合动力传动单元122可藉由控制离合器25分开传动轴16的左、右段161、162，使电动机19输出的动能经第一旋转传动机构17、传动轴16右段162及第二旋转传动机构18完全传递到输出轴20，而不会经传动轴16左段161带动发电机15转子152及内燃机13空转，避免造成能量损耗。
二、启动内燃机操作模式
如图10所示，启动内燃机操作模式适用于本发明并联式混合动力传动单元12的蓄电池22需再重新充电或电动机19输出动能不足时，允许藉由电动机19与发电机15启动内燃机13。此时电动机19当作动力源，电动机19输出动能经第一旋转传动机构17带动传动轴16，并由传动轴16分别带动行星齿轮差速机构23及经第二旋转传动机构18带动输出轴20。此时，经由电子控制模组21控制连接行星齿轮差速机构23上发电机15加载，产生反作用力以启动内燃机13。
三、双充电操作模式
如图11所示，双充电操作模式适用于本发明并联式混合动力传动单元12的蓄电池22充电时，内燃机13输出的动能在克服外界负载与供给发电机15转换成电能储存后仍有剩余。此时，电子控制模组21控制电动机19成为储能装置，将剩余的动能经由电动机19转为电能储存。
四、单充电操作模式
如图12所示，单充电操作模式适用于本发明并联式混合动力传动单元12的蓄电池22还储存有部分电能，内燃机13输出动能在供给发电机15转换成电能储存后不足以克服外界负载，因此，藉由电子控制模组21控制蓄电池22电动机19供给电能，将电动机19作为另一动力源，把电能转换成动能以平衡不足部分。
五、无蓄电操作模式
如图13所示，无蓄电操作模式适用于本发明并联式混合动力传动单元12极限输出时，且蓄电池22内的电能耗尽或不能充电，此时将发电机13转换的电能不经由蓄电池22，而直接供给予电动机19，使电动机19作动力源。
六、静止充电操作模式
如图14所示，静止充电操作模式适用于本发明并联式混合动力传动单元12静止时，藉由内燃机13对蓄电池22充电。此时，藉由控制输出轴20上制动器24制止输出轴20转动，因此，输出轴20转速为零，内燃机13输出的动能可完全供给发电机13转换成电能储存。
七、刹车减速充电操作模式
如图15、图16所示，刹车减速充电操作模式适用于本发明并联式混合动力传动单元12输出轴20需要减速时，可不使用制动器24使输出轴20减速，而藉由电子控制模组21控制电动机19当作制动器，将多余的动能回收转为电能储存在蓄电池22内。此时，如图15所示，本发明系在内燃机13不启动且输出轴20需要刹车减速时，电动机19当作储能装置，将动能转为电能储存。虽此时内燃机13与发电机15会因空转造成些微能量损耗，但如图6所示，可在飞轮14上装设制动器241，阻止内燃机13空转磨耗，此即为第一种衍生型并联式混合动力传动单元121。此外，亦可如图8所示，于行星齿轮差速机构23外侧与第一旋转传动机构17间的传动轴16装设离合器25，以将传动轴16区分为左、右段161、162，使动能不会经由传动轴16左段161传递给内燃机13与发电机15，阻止内燃机13与发电机15空转损耗。如图16所示，内燃机13启动后，输出轴20需要减速时，要不使用制动器24使输出轴20减速，而可藉由电动机19与发电机15当作储存装置，将电能储存在蓄电池22中。
如图17所示，为了制造方便，本发明亦可将发电机15转子152中的行星齿轮差速机构23与发电机15分离，并用齿轮、皮带或链条等旋转传动机构27与行星齿轮差速机构23的外壳231连接，因此，本发明可采用一般发电机26，形成第三种衍生型并联式混合动力传动单元123，此时其功能及操作方式皆与如图2所示的相同。
同样地，第三种衍生型并联式混合动力传动单元123，为了阻止内燃机13与发电机15在纯电力操作模式及刹车减速充电操作模式下空转，亦可在飞轮14上装设制动器241，形成如图18所示的第四种衍生型并联式混合动力传动单元124。亦可在行星齿轮差速机构23外侧与第一旋转传动机构17间增加离合器25，形成如图19所示的第五种衍生型并联式混合动力传动单元125。
如上所述，本发明确可改善传统并联式混合动力传动单元存在的内部磨耗及制造不便等缺失。