一种混合动力总成结构及其控制方法.pdf

本发明公开了一种混合动力总成结构及其控制方法，包括发动机、起动机、发动机离合器、变速器总成、变速器输出轴齿轮、差速器锥齿轮、差速器壳体、半轴、电机、电机控制器、高压电池、动力分配壳体、动力分配驱动轴齿轮、电机输入轴齿轮、动力分配驱动轴和动力分配离合器，变速器输出轴齿轮与差速器锥齿轮啮合，电机控制器分别通过高压线与电机、高压电池连接，动力分配壳体与差速器外壳体固定连接，动力分配驱动轴齿轮与电机输入轴齿轮啮合，动力分配驱动轴与差速器壳体花键连接。本发明置于整车上，结构紧凑、集成度和空间利用率高，无需对传统发动机传动机构太大改动，可以根据整车动力系统的要求设计动力分配装置，降低了开发周期和开发成本。

权利要求书
1.  一种混合动力总成结构，包括发动机（1）、起动机（2）、发动机离合器（3）、变速器总成（4）、变速器输出轴齿轮（5）、差速器锥齿轮（6）、差速器壳体（7）、半轴（10）、电机（14）、电机控制器（16）、高压电池（17），所述发动机离合器（3）使发动机（1）的动力输出轴与变速器总成（4）的动力输入轴接合或分离，所述变速器输出轴齿轮（5）与差速器锥齿轮（6）啮合，所述差速器锥齿轮（6）与差速器壳体（7）固定连接，变速器输出轴齿轮（5）、差速器锥齿轮（6）和差速器壳体（7）均位于差速器外壳体（18）中，所述半轴（10）上安装有半轴齿轮，所述电机（14）通过高压线（15）与电机控制器（16）连接，电机控制器（16）通过高压线与高压电池（17）连接，其特征在于，还包括动力分配壳体（8）、动力分配驱动轴齿轮（9）、电机输入轴齿轮（11）、动力分配驱动轴（12）和动力分配离合器（13），所述动力分配壳体（8）与差速器外壳体（18）固定连接在一起，所述动力分配驱动轴齿轮（9）安装在动力分配驱动轴（12）上并与电机输入轴齿轮（11）啮合，所述动力分配驱动轴（12）与差速器壳体（7）通过动力分配离合器（13）接合或分离，所述电机输入轴齿轮（11）与电机（14）通过驱动轴连接。

2.  根据权利要求1所述的混合动力总成结构，其特征在于，所述动力分配驱动轴（12）与半轴（10）同轴集成，动力分配驱动轴（12）的轴线与半轴（10）的轴线重合。

3.  根据权利要求1所述的混合动力总成结构，其特征在于，所述动力分配驱动轴齿轮（9）与电机输入轴齿轮（11）为锥齿轮啮合。

4.  根据权利要求1所述的混合动力总成结构，其特征在于，所述动力分配驱动轴齿轮（9）与动力分配驱动轴（12）通过花键连接。

5.  一种混合动力总成结构的控制方法，其特征在于，所述混合动力总成结构具有五种工作模式，包括发动机驱动模式、电机驱动模式、并联驱动模式、串联驱动模式和制动能量回收模式，其中：
当混合动力总成结构处于发动机驱动模式时，起动机（2）起动发动机（1），发动机离合器（3）闭合，同时动力分配离合器（13）打开，变速器总成（4）在TCU的控制下处于某合适档位，发动机（1）输出的动力经发动机离合器（3）、变速器总成（4）、变速器输出轴齿轮（5）、差速器锥齿轮（6）、半轴齿轮和半轴（10）传递到驱动轮（18）上，车辆在发动机驱动模式下运行；
当混合动力总成结构处于电机驱动模式时，发动机离合器（3）打开，变速器总成（4）处于空档，动力分配离合器（13）闭合，电机（14）在电机控制器（16）控制下运行于电动模式，电机（14）输出的动力经驱动轴、电机输入轴齿轮（11）、动力分配驱动轴齿轮（9）、动力分配驱动轴（12）、动力分配离合器（13）、差速器壳体（7）、半轴齿轮和半轴（10）传递到驱动轮（18）上，车辆在电机驱动模式下运行；
当混合动力总成结构处于并联驱动模式时，发动机离合器（3）和动力分配离合器（13）都闭合，变速器总成（4）在TCU的控制下处于某合适档位，发动机（1）输出的动力经发动机离合器（3）、变速器总成（4）、变速器输出轴齿轮（5）、差速器锥齿轮（6）、半轴齿轮和半轴（10）传递到驱动轮（18）上，同时电机（14）输出的动力经驱动轴、电机输入轴齿轮（11）、动力分配驱动轴齿轮（9）、动力分配驱动轴（12）、动力分配离合器（13）、差速器壳体（7）、半轴齿轮和半轴（10）传递到驱动轮（18）上，车辆在并联驱动模式下运行；
当混合动力总成结构处于串联驱动模式时，发动机离合器（3）和动力分配离合器（13）都闭合，变速器总成（4）在TCU的控制下处于某合适档位，电机（14）在电机控制器（16）的控制下运行于发电模式，发动机（1）输出的部分动力经发动机离合器（3）、变速器总成（4）、变速器输出轴齿轮（5）、差速器锥齿轮（6）、半轴齿轮和半轴（10）传递到驱动轮（18）上，发动机（1）输出的剩余动力经动力分配驱动轴（12）、动力分配驱动轴齿轮（9）、电机输入轴齿轮（11）、驱动轴带动电机（14）运转，电机控制器（16）输出电流为高压电池（17）充电；
当混合动力总成结构处于制动能量回收模式时，发动机离合器（3）打开，动力分配离合器（13）闭合，电机（14）运行于发电模式，制动能量通过半轴（10）、半轴齿轮、差速器壳体（7）、动力分配驱动轴（12）、动力分配驱动轴齿轮（9）、电机输入轴齿轮（11）、驱动轴带动电机（14）运转，电机控制器（16）输出电流为高压电池（17）充电。

6.  根据权利要求5所述的混合动力总成结构的控制方法，其特征在于，所述混合动力总成结构经过电机后加入或发动机后加入的瞬时工况进入并联驱动模式，其中：
如果发动机正常稳态运转，需要电机加入参与并联驱动，则动力分配离合器（13）打开，电机（14）起动并工作在转速控制模式下，当电机（14）达到某设定转速时，动 力分配离合器（13）闭合，同时电机（14）进入扭矩控制模式并工作在扭矩控制模式下，电机（14）和发动机（1）根据扭矩分配原则工作在某设定扭矩下；
如果电机正常运转，需要发动机加入参与并联驱动，则发动机离合器（3）打开，起动机（2）起动发动机（1），发动机（1）工作在转速控制模式下，当发动机（1）达到某设定转速时，发动机离合器（3）闭合，发动机（1）和电机（14）根据扭矩分配原则工作在设定扭矩下。

7.  根据权利要求6所述的混合动力总成结构的控制方法，其特征在于，所述扭矩分配原则包括：
1）混合动力整车控制器根据油门踏板开度信号得到驾驶员需求扭矩，根据车速得到发动机转速，然后根据驾驶员需求扭矩和发动机转速得到发动机需求扭矩，所述发动机需求扭矩与扭矩控制模式下发动机的设定扭矩相同；
2）HCU根据驾驶员需求扭矩和发动机需求扭矩，得到电机需求扭矩，所述电机需求扭矩与扭矩控制模式下电机的设定扭矩相同。

8.  根据权利要求6所述的混合动力总成结构的控制方法，其特征在于，所述电机（14）在转速控制模式下的设定转速根据当前的车速得到。

9.  根据权利要求6所述的混合动力总成结构的控制方法，其特征在于，所述发动机（1）在转速控制模式下的设定转速根据当前的车速和档位信息得到。

说明书一种混合动力总成结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及动力传动领域的电力驱动系统，特别属于一种混合动力总成结构及其控制方法。
背景技术
混合动力汽车一般指同时装有动力热源（发动机）和电动能源（高压电池与和电机）的汽车，它可以通过优化油电互补策略，实现能量的合理分配，降低排放。
目前设计的新能源混合动力系统通常具有比较复杂的拓扑结构（如P2、eDCT、SP、eAD等），往往需要设计专门的动力分配装置（EDU：变速器和电机集成装置），因此大大提高了研发成本，延长了零部件研发周期，从一定程度上限制了新能源汽车的发展。
除了上述结构外，其它对混合动力传动系统的研究大都基于降低能源消耗传递路径，这些结构需要重新设计现有传统车动力总成部件的结构，因此集中度较差，在实施过程中相对受限。以发明专利ZL200610064955.9为例，这种机电动力耦合总成是针对发动机纵向布置的车辆提出的解决方案，用于发动机横向布置的前驱车辆上时，动力总成的布置会与发动机、变速器等动力总成部件产生干涉，因此无法布置，并且该总成结构需要重新设计主减速器的壳体，开发周期长，成本较高。
综上，为了提高新能源汽车动力系统开发和集成的灵活度，降低研发成本和研发周期，在技术比较成熟的传统车的基础上进行动力总成快速改造和优化，并提高动力系统集成的集中度是未来新能源发展的一个方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种混合动力总成结构及其控制方法，在保持传统混合动力结构功能基础上，可以快速集成优化动力分配装置，提高动力总成结构的集成度，减少传统发动机传动零部件的结构改变，降低开发周期和开发成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供的混合动力总成结构，包括发动机、起动机、发动机离合器、变速器总成、变速器输出轴齿轮、差速器锥齿轮、差速器壳体、半轴、电机、电机控制器、高压电池，所述发动机离合器使发动机的动力输出轴与变速器总成的动力输入轴接合或分离，所述变速器输出轴齿轮与差速器锥齿轮啮合，所述差速器锥 齿轮与差速器壳体固定连接，变速器输出轴齿轮、差速器锥齿轮和差速器壳体均位于差速器外壳体中，所述半轴上安装有半轴齿轮，所述电机通过高压线与电机控制器连接，电机控制器通过高压线与高压电池连接，还包括动力分配壳体、动力分配驱动轴齿轮、电机输入轴齿轮、动力分配驱动轴和动力分配离合器，所述动力分配壳体与差速器外壳体固定连接在一起，所述动力分配驱动轴齿轮安装在动力分配驱动轴上并与电机输入轴齿轮啮合，所述动力分配驱动轴与差速器壳体通过动力分配离合器接合或分离，所述电机输入轴齿轮与电机通过驱动轴连接。
其中，所述动力分配驱动轴与半轴同轴集成，即动力分配驱动轴的轴线与半轴的轴线重合，否则会发生运动干涉。
进一步的，所述动力分配驱动轴齿轮与电机输入轴齿轮为锥齿轮啮合。
优选的，所述动力分配驱动轴齿轮与动力分配驱动轴通过花键连接。
本发明还提供所述混合动力总成结构的控制方法，所述混合动力总成结构具有五种工作模式，包括发动机驱动模式、电机驱动模式、并联驱动模式、串联驱动模式和制动能量回收模式，其中：
当混合动力总成结构处于发动机驱动模式时，起动机起动发动机，发动机离合器闭合，同时动力分配离合器打开，变速器总成在TCU的控制下处于某合适档位，发动机输出的动力经发动机离合器、变速器总成、变速器输出轴齿轮、差速器锥齿轮、半轴齿轮和半轴传递到驱动轮上，车辆在发动机驱动模式下运行；
当混合动力总成结构处于电机驱动模式时，发动机离合器打开，变速器总成处于空档，动力分配离合器闭合，电机在电机控制器控制下运行于电动模式，电机输出的动力经驱动轴、电机输入轴齿轮、动力分配驱动轴齿轮、动力分配驱动轴、动力分配离合器、差速器壳体、半轴齿轮和半轴传递到驱动轮上，车辆在电机驱动模式下运行；
当混合动力总成结构处于并联驱动模式时，发动机离合器和动力分配离合器都闭合，变速器总成在TCU（变速器控制器）的控制下处于某合适档位，发动机输出的动力经发动机离合器、变速器总成、变速器输出轴齿轮、差速器锥齿轮、半轴齿轮和半轴传递到驱动轮上，同时电机输出的动力经驱动轴、电机输入轴齿轮、动力分配驱动轴齿轮、动力分配驱动轴、动力分配离合器、差速器壳体、半轴齿轮和半轴传递到驱动轮上，车辆在并联驱动模式下运行；
当混合动力总成结构处于串联驱动模式时，发动机离合器和动力分配离合器都闭合，变速器总成在TCU的控制下处于某合适档位，电机在电机控制器的控制下运行于发电模式，发动机输出的部分动力经发动机离合器、变速器总成、变速器输出轴齿轮、差速器锥齿轮、半轴齿轮和半轴传递到驱动轮上，发动机输出的剩余动力经动力分配驱动轴、动力分配驱动轴齿轮、电机输入轴齿轮、驱动轴带动电机运转，电机控制器输出电流为高压电池充电；
当混合动力总成结构处于制动能量回收模式时，发动机离合器打开，动力分配离合器闭合，电机运行于发电模式，制动能量通过半轴、半轴齿轮、差速器壳体、动力分配驱动轴、动力分配驱动轴齿轮、电机输入轴齿轮、驱动轴带动电机运转，电机控制器输出电流为高压电池充电。
其中，所述混合动力总成结构经过电机后加入或发动机后加入的瞬时工况进入并联驱动模式，其中：
如果发动机正常稳态运转，需要电机加入参与并联驱动，则动力分配离合器打开，电机起动并工作在转速控制模式下，当电机达到某设定转速时，动力分配离合器闭合，同时电机进入扭矩控制模式并工作在扭矩控制模式下，电机和发动机根据扭矩分配原则工作在某设定扭矩下；
如果电机正常运转，需要发动机加入参与并联驱动，则发动机离合器打开，起动机起动发动机，发动机工作在转速控制模式下，当发动机达到某设定转速时，发动机离合器闭合，发动机和电机根据扭矩分配原则工作在设定扭矩下。
进一步的，所述扭矩分配原则包括：
1）HCU（混合动力整车控制器）根据油门踏板开度信号得到驾驶员需求扭矩，根据车速得到发动机转速，然后根据驾驶员需求扭矩和发动机转速得到发动机需求扭矩，所述发动机需求扭矩与扭矩控制模式下发动机的设定扭矩相同；
2）HCU根据驾驶员需求扭矩和发动机需求扭矩，得到电机需求扭矩，所述电机需求扭矩与扭矩控制模式下电机的设定扭矩相同。
其中，所述电机在转速控制模式下的设定转速根据当前的车速得到。所述发动机在转速控制模式下的设定转速根据当前的车速和档位信息得到。
本发明的动力分配装置总成放置于整车上，在保持传统混合动力结构功能的基础 上，具有结构紧凑、集成度高和空间利用率高的特点，并且传统发动机传动零部件基本无需有大的变化，该结构灵活性强，可以根据整车动力系统的要求单独设计动力分配装置，并可实现快速集成，大大降低了开发周期和开发成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中混合动力总成结构处于发动机驱动模式时的能量传递路径示意图；
图3是本发明中混合动力总成结构处于电机驱动模式时的能量传递路径示意图；
图4是本发明中混合动力总成结构处于并联驱动模式时的能量传递路径示意图；
图5是本发明中混合动力总成结构处于串联驱动模式时的能量传递路径示意图；
图6是本发明中混合动力总成结构处于制动能量回收模式时的能量传递路径示意图；
图7是本发明的扭矩分配原则示意图。
其中附图标记说明如下：
1为发动机；2为起动机；3为发动机离合器；4为变速器总成；5为变速器输出轴齿轮；6为差速器锥齿轮；7为差速器壳体；8为动力分配壳体；9为动力分配驱动轴齿轮；10为半轴；11为电机输入轴齿轮；12为动力分配驱动轴；13为动力分配离合器；14为电机；15为高压线；16为电机控制器；17为高压电池；18为驱动轮。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明混合动力总成结构，如图1所示，包括发动机1、起动机2、发动机离合器3、变速器总成4、变速器输出轴齿轮5、差速器锥齿轮6、差速器壳体7、半轴10、电机14、电机控制器16、高压电池17，所述发动机离合器3使发动机1的动力输出轴与变速器总成4的动力输入轴接合或分离，所述变速器输出轴齿轮5与差速器锥齿轮6啮合，差速器锥齿轮6与差速器壳体7固定连接，变速器输出轴齿轮5、差速器锥齿轮6和差速器壳体7位于差速器外壳体18中，所述半轴10上安装有半轴齿轮，所述电机14通过高压线15与电机控制器16连接，电机控制器16通过高压线与高压电池17连接，其中发动机1、起动机2、发动机离合器3、变速器总成4、变速器输出轴齿轮5、差速器锥齿轮6、差速器壳体7和半轴10等部件为传统的动力总成机构，图中箭头所示方向为 车辆前进方向。
在前述传统动力总成结构的基础上，本发明的混合动力总成结构还包括动力分配壳体8、动力分配驱动轴齿轮9、电机输入轴齿轮11、动力分配驱动轴12和动力分配离合器13，所述动力分配壳体8与差速器壳体7固定连接在一起，所述动力分配驱动轴齿轮9安装在动力分配驱动轴12上并与电机输入轴齿轮11啮合，所述动力分配驱动轴12与差速器壳体7通过动力分配离合器13连接，所述电机输入轴齿轮11与电机14通过驱动轴连接。
在上述结构中，为了避免发生运动干涉，动力分配驱动轴12与半轴10同轴集成，也就是说二者的中心轴线重合，提高了集成度。
此外，动力分配驱动轴齿轮9与电机输入轴齿轮11为锥齿轮啮合。动力分配驱动轴齿轮9与动力分配驱动轴12通过花键连接。
上述动力分配壳体8、动力分配驱动轴齿轮9、电机输入轴齿轮11、动力分配驱动轴12和动力分配离合器13可以概括为一动力分配总成，其设置于整车上，结构紧凑，集成度高，空间利用率高。其中的电驱动系统传动比（即动力分配驱动轴齿轮9与电机输入轴齿轮11的齿数比）可以根据实际的电机转速、电机扭矩并结合整车的动力性和经济型自由单独优化，必要时该动力分配总成可以单独设计为两级减速。
本发明的混合动力总成结构可以实现整车的传统发动机驱动、纯电机驱动、混动（串联发电，并联驱动），制动能量回收等功能，并能够根据整车的扭矩分配原则优化动力传递扭矩和工作点，如图7所示。
当混合动力总成结构处于发动机驱动模式时，如图2所示，起动机2起动发动机1，发动机离合器3闭合，同时动力分配离合器13打开，变速器总成4在TCU的控制下处于某合适档位，发动机1输出的动力经发动机离合器3、变速器总成4、变速器输出轴齿轮5、差速器锥齿轮6、半轴齿轮和半轴10传递到驱动轮18上，车辆在发动机驱动模式下运行。
当混合动力总成结构处于电机驱动模式（高压电池的高压电池点亮状态SOC较高，即高压电池电量充足）时，如图3所示，发动机离合器3打开，变速器总成4处于空档，动力分配离合器13闭合，电机14在电机控制器16控制下运行于电动模式，电机14输出的动力经驱动轴、电机输入轴齿轮11、动力分配驱动轴齿轮9、动力分配驱动轴12、 动力分配离合器13、差速器壳体7、半轴齿轮和半轴10传递到驱动轮18上，车辆在电机驱动模式下运行。
当混合动力总成结构处于并联驱动模式（车辆需要大动力输出）时，如图4所示，发动机离合器3和动力分配离合器13都闭合，变速器总成4在TCU的控制下处于某合适档位，此时电机14和发动机1均输出动力，发动机1输出的动力经发动机离合器3、变速器总成4、变速器输出轴齿轮5、差速器锥齿轮6、半轴齿轮和半轴10传递到驱动轮18上，同时电机14输出的动力经驱动轴、电机输入轴齿轮11、动力分配驱动轴齿轮9、动力分配驱动轴12、动力分配离合器13、差速器壳体7、半轴齿轮和半轴10传递到驱动轮18上，车辆在并联驱动模式下运行。
当混合动力总成结构处于串联驱动模式（高压电池SOC较低，即高压电池的电量不充足需要充电）时，如图5所示，发动机离合器3和动力分配离合器13均闭合，变速器总成4在TCU的控制下处于某合适档位，电机14在电机控制器16的控制下运行于发电模式，发动机1输出的部分动力经发动机离合器3、变速器总成4、变速器输出轴齿轮5、差速器锥齿轮6、半轴齿轮和半轴10传递到驱动轮18上，发动机1输出的剩余动力经动力分配驱动轴12、动力分配驱动轴齿轮9、电机输入轴齿轮11、驱动轴带动电机14运转，电机控制器16输出电流为高压电池17充电。
当混合动力总成结构处于制动能量回收模式时，如图6所示，发动机离合器3打开，动力分配离合器13闭合，电机14运行于发电模式，制动能量通过半轴10、半轴齿轮、差速器壳体7、动力分配驱动轴12、动力分配驱动轴齿轮9、电机输入轴齿轮11、驱动轴带动电机14运转，电机控制器16输出电流为高压电池17充电。
在混合动力总成结构从发动机单独驱动模式进入并联驱动模式时，需要经过电机后加入的瞬时工况，此时发动机正常稳态运转，这时动力分配离合器13打开，电机14起动并工作在转速控制模式下，当电机14达到某设定转速（根据当前的车速得到）时，动力分配离合器13闭合，电机14进入扭矩控制模式，此时电机14和发动机1根据扭矩分配原则工作在某设定扭矩下。
在混合动力总成结构从电机单独驱动模式进入并联驱动模式时，需要经过发动机后加入的瞬时工况，此时电机正常运转，这时发动机离合器3打开，起动机2起动发动机1，发动机1工作在转速控制模式下，当发动机1达到某设定转速（根据当前的车速和 档位信息得到）时，发动机离合器3闭合，发动机1进入扭矩控制模式，此时发动机1和电机14根据扭矩分配原则工作在设定扭矩下。
在高压电池SOC较低需要对高压电池充电时（即上述的串联驱动模式），或车辆需要较大的驱动力运行时（即上述的并联驱动模式），若此时低压电池（整车中的普通电池）在可工作范围内（低压电池SOC大于一定值，低压电池温度在一定范围内），TCU控制发动机离合器3打开，ECU控制起动机2起动发动机1，并实现发动机顺利喷油点火。
在上述控制过程中，如图7所示，扭矩分配原则包括：
1）HCU根据油门踏板开度信号Wpd得到驾驶员需求扭矩T_Des，根据车速Vout得到发动机转速N_ICE，然后根据驾驶员需求扭矩T_Des和发动机转速N_ICE得到发动机需求扭矩T_ICE_Des，用于发动机的控制，其中，发动机需求扭矩的分配是通过查表得到的，该表格可以通过Power－train台架标定实现，标定的目标是当前的工作点使得发动机和电机消耗的能量总和最低，其中发动机需求扭矩与扭矩控制模式下发动机的设定扭矩相同；
2）HCU确定发动机需求扭矩T_ICE_Des后，根据驾驶员需求扭矩T_Des和发动机需求扭矩T_ICE_Des，得到电机需求扭矩T_Em_Des，用于电机控制，所述电机需求扭矩与扭矩控制模式下电机的设定扭矩相同。
本发明的动力分配装置总成放置于整车上，在保持传统混合动力结构功能的基础上，具有结构紧凑、集成度高和空间利用率高的特点，并且传统发动机传动零部件基本无需有大的变化，该结构灵活性强，可以根据整车动力系统的要求单独设计动力分配装置，并可实现快速集成，大大降低了开发周期和开发成本。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对混合动力总成结构中各零件的配合方式、连接方式等方面通过任何修改、等同替换、改进等方式所获得的所有其它实施例，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。