一种双电机机电耦合系统及车辆

技术领域

本发明涉及新能源机电耦合技术领域，特别是涉及一种双电机机电耦合系统及车辆。

背景技术

为了实现汽车节能减排的目的，从汽车动力源来看，主要技术方案包括三方面：一是探索可替代内燃机清洁燃料的技术，主要包括有醇类燃料内燃机技术、氢类燃料内燃机技术和二甲醚内燃机技术等；二是开发新型动力源，主要涉及以锂离子动力电池或燃料电池为唯一动力来源的纯电动汽车；三是研发混合动力汽车技术，目前主要是采用以内燃机和电动机作为两个动力源的混合动力汽车技术。就混合动力汽车技术而言，根据内燃机和电动机之间的功率比例关系，可以分为轻度、中度、重度以及插电式混合动力技术。相较于纯电动汽车技术而言，混合动力汽车能够对现有加油站等基础设施进行充分的利用，使得汽车的续航里程不受影响，且节能效果明显，因此，混合动力汽车技术是当前市场表现最活跃的车型。

机电耦合系统也称作专用混合动力变速系统，是混合动力汽车中的关键组成部分，是实现双动力源的动力传递、转化、输出的核心部件。根据结构形式的不同，有功率分流结构，如丰田THS系统；有串并联结构，如本田IMMD系统；有并联结构，如大众P2系统；另外各主机厂和研发单位都相继开发了各种机电耦合传动方案，且各种结构形式各有优劣。机电耦合系统关键在于提供一个可以在全工况下实现发动机和电机高效工作的可能性，其传动方式就是实现系统高效工作的基础。过于复杂的系统，将导致系统控制逻辑复杂，系统可靠性降低；较简单的系统则难以保证全工况下的系统高效运行，且往往使电机系统需求增大，增加了系统成本。

本田IMMD系统的发动机输入轴通过一对固定齿轮与发电机轴相连，驱动电机轴通过两级减速传动与主减输出轴相连，同时发动机轴还通过一个多片湿式离合器与主减输入轴相连，可以实现车辆的纯电驱动、串联驱动、单档并联驱动，结构相对简单。但是本田IMMD系统主要依靠驱动电机驱动，而在电池电量不足时，驱动电机的能量主要来自发动机所带动的发电机发电电能，这种传动方式容易直接导致驱动电机和发电机的需求均较大，即需要两个较大功率和扭矩的大电机实现车辆的驱动，同时要求发动机和发电机均具有非常高的工作效率，以弥补串联驱动的能量转化效率损失。上汽EDU系统的发动机输入轴直接与发电机轴同轴设计，驱动电机同样通过两级减速传动与主减输入轴相连，而在发动机输入轴与主减输入轴设计了两对传动齿轮和两个离合器，通过切换不同的传动齿轮，可以实现并联两档传动的切换。EDU系统虽然通过两档并联传动的方式，降低了双电机的功率需求，但是整体结构设计较复杂，且发动机与发电机直连，难以发挥高速永磁同步发电机的高效工作特性，且上汽EDU系统采用同步器换档，换档过程中将出现动力中断，无法实现动力换档。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双电机机电耦合系统及车辆，能够有效的降低系统对两个电机的功率需求，并保证发动机和发电机均能够在相对高效的区间工作，以提升整个系统的传递转化效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双电机机电耦合系统，其包括发动机、发电机、驱动电机、第一离合器和第二离合器；

所述发动机的输出轴与所述发电机传动连接，且所述发动机的输出轴通过第一连接轴与所述驱动电机相连接；

所述第一连接轴上设置有第一齿轮副和第二齿轮副，所述第一离合器设置于所述第一齿轮副和所述第二齿轮副之间，且所述第一齿轮副与差速器传动连接，所述驱动电机通过所述第二齿轮副与所述差速器传动连接；

所述第二离合器设置于所述第一齿轮副内；

所述第二离合器为可换向单向离合器。

可选的，所述第一离合器为多片式离合器。

可选的，所述第一齿轮副包括相互啮合的第一主动齿轮和第一从动齿轮，所述第一主动齿轮固定连接于所述第一连接轴上，所述第二离合器设置于所述第一从动齿轮内；

所述第二齿轮副包括相互啮合的第二主动齿轮和第二从动齿轮，所述第二主动齿轮固定连接于所述第一连接轴上；

所述第二从动齿轮、所述第一从动齿轮分别与所述差速器传动连接。

可选的，所述双电机机电耦合系统还包括第三齿轮副，所述第一从动齿轮和所述第二从动齿轮通过第二连接轴相连接；

所述第三齿轮副包括相互啮合的第三主动齿轮和第三从动齿轮，所述第三主动齿轮设置于所述第二连接轴上，并位于所述第一从动齿轮和所述第二从动齿轮之间，所述第三从动齿轮与所述差速器相连接。

可选的，所述双电机机电耦合系统还包括升速齿轮，所述升速齿轮与所述第一主动齿轮相互啮合形成第四齿轮副，所述发动机的输出轴通过所述第四齿轮副与所述发电机相连接。

可选的，所述双电机机电耦合系统还包括扭转减震器，所述扭转减震器的一端与所述发动机的输出端相连接，所述扭转减震器的另一端与所述第一主动齿轮相连接。

可选的，所述双电机机电耦合系统包括纯电动驱动模式、串联驱动模式、并联一档驱动模式、并联二档驱动模式、驻车发电模式以及制动能量回收模式；

在所述电机驱动模式下，所述发动机、所述发电机均不工作，所述第一离合器分离，所述第二离合器反向超越分离，所述驱动电机通过所述第二齿轮副将动力传递给所述差速器；

在所述串联驱动模式下，所述发动机带动所述发电机发电，并将电能提供至所述驱动电机或者动力电池，所述第一离合器分离，所述第二离合器正向超越分离，所述驱动电机通过所述第二齿轮副将动力传递给所述差速器；

在所述并联一档驱动模式下，所述第一离合器结合，所述第二离合器正向超越分离，所述发动机与所述发电机、所述驱动电机处于并联混动连接状态，将动力通过所述第二齿轮副传递给所述差速器；

在所述并联二档驱动模式下，所述第一离合器分离，所述第二离合器反向超越分离，所述发动机与所述发电机、所述驱动电机处于并联混动连接状态，所述发动机和所述发电机的动力通过所述第一齿轮副传递至所述差速器，所述驱动电机的动力通过所述第二齿轮副传递至所述差速器；

在所述驻车发电模式下，所述驱动电机不工作，所述第一离合器分离，所述第二离合器正向超越分离，所述发动机带动所述发电机发电，并将电能供给至动力电池；

在所述制动能量回收模式下，所述发动机和所述发电机均不工作，所述第一离合器分离，所述第二离合器反向超越分离，所述驱动电机发电，将车辆制动能量转化为电能储存至动力电池。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种车辆，其包括上述的双电机机电耦合系统。

本发明实施例一种双电机机电耦合系统及车辆与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例的双电机机电耦合系统具有一个可换向单向离合器和第一离合器，发动机、发电机、驱动电机以及关联的齿轮副和第一连接轴。发动机的输出轴与发电机轴传动连接，可以实现发动机的起动和发电机的发电功能；驱动电机轴通过第二齿轮副与差速器输出传动连接，可以实现车辆纯电驱动和制动能量回收功能；发动机的输出轴通过第一连接轴与驱动电机轴通过第一离合器相连接，同时发动机输出轴还通过可换向单向离合器与差速器传动连接，通过控制第一离合器的结合或分离、转换可换向单向离合器的结合方向，能够有效的实现发动机到汽车轮端输出的两档切换。由此，有效的增加发动机至汽车轮端的传递输出能力，使得从中低速开始，发动机就可以直接输出动力至轮端，避免IMMD类似的需要经发动机带动发电机发电，获得的电能再提供给驱动电机，从而降低对两个电机的功率需求。驱动电机保持与汽车轮端输出的直接连接，发动机和发电机的动力输出通过可换向的单向离合器和第一离合器进行切换调节，实现换档过程的无动力中断，且发动机和发电机能够直接根据二者的工作特性选择合适的传动比，以便于在串联工况下，发动机和发电机都能工作在相对高效区间，从而提升系统传递转化效率。由此，各驱动方式的切换采用可换向单向离合器和第一离合器实现，降低系统的结构复杂程度和控制复杂程度，并提高系统的可靠性，且同时采用发动机的两档驱动能够缩减电机系统的需求，降低整个机电耦合系统的成本，三动力源的协调配合使得各部件均能够工作在相对高效的区间，进而提高系统传递的转化效率。

附图说明

图1是本发明实施例所述的双电机机电耦合系统的结构示意图；

图2是本发明实施例所述的双电机机电耦合系统在并联一档驱动模式下的结构示意图；

图3是本发明实施例所述的双电机机电耦合系统在并联二档驱动模式下的结构示意图；

图4是本发明实施例所述的双电机机电耦合系统在纯电动驱动模式或串联驱动模式或驻车发电模式下的结构示意图。

图中，1、发动机；2、发电机；3、驱动电机；4、第一离合器；5、第二离合器；6、第一连接轴；7、第一齿轮副；8、第二齿轮副；9、差速器；10、第三齿轮副；12、升速齿轮；13、扭转减震器；14、第四齿轮副。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种双电机机电耦合系统，其特征在于，包括发动机1、发电机2、驱动电机3、第一离合器4和第二离合器5；所述发动机1的输出轴与所述发电机2传动连接，且所述发动机1的输出轴通过第一连接轴6与所述驱动电机3相连接；所述第一连接轴6上设置有第一齿轮副7和第二齿轮副8，所述第一离合器4设置于所述第一齿轮副7和所述第二齿轮副8之间，且所述第一齿轮副7与差速器9传动连接，所述驱动电机3通过所述第二齿轮副8与所述差速器9传动连接；所述第二离合器5设置于所述第一齿轮副7内；所述第二离合器5为可换向单向离合器。

基于以上结构，本发明的双电机机电耦合系统采用可换向单向离合器和第一离合器4实现发动机1到轮端的两个档位的切换，以增加发动机1至轮端的传递输出能力，使得从中低速开始，发动机1就可以直接输出动力至轮端，避免IMMD类似的需要经过发动机1带动发电机2发电，获得的电能再提供给驱动电机3，从而降低对两个电机的功率需求。驱动电机3保持与轮端输出的直接连接，发动机1和发电机2的动力输出通过可换向单向离合器和第一离合器4进行切换调节，实现换档过程的无动力中断，且发动机1和发电机2直接根据二者的工作特性，能够在构造最初选择合适的传动比以便在串联工况下，发动机1和发电机2都能工作在相对高效区间，以提升系统传递转化效率。发动机1对于该系统而言，属于外部构件，是动力输入源之一，可换向单向离合器是实现发动机1二档传递的管件元件，以切换不同的传递方向，改变发动机1驱动第一齿轮副7的扭矩传递路径，当可换向单向离合器正向超越分离时，发动机1输出轴的转速高于差速器9输入轴的转速时，可换向单向离合器自动分离；当可换向单向离合器反向超越分离时，差速器9输入轴的转速高于发动机1输出轴的转速，可换向单向离合器自动分离。发动机1与发电机2传动连接，能够实现发动机1带动发电机2发电或者发电机2的对外输出；发动机1通过第一连接轴6上的第一齿轮副7和差速器9传动连接，将发动机1的动力传递到输出半轴驱动车辆；在第一齿轮副7中设置的可换向单向离合器用于改变该齿轮副的扭矩传递路径。第一连接轴6上设置的第一离合器4与驱动电机3相连，且驱动电机3通过第二齿轮副8与差速器9传动连接，以将驱动电机3的动力传递到输出半轴驱动车辆运动。

进一步的，结合上述的结构，该系统通过发动机1、发电机2、驱动电机3、差速器9、可换向单向离合器、第一离合器4以及第一齿轮副7和第二齿轮副8的配合工作，能够实现整车状态下的纯电动驱动模式、串联驱动模式、并联一档驱动模式、并联二档驱动模式、驻车发电模式以及制动能量回收模式。在纯电动驱动模式下，发动机1停止工作，发电机2工作在零扭矩状态，第一离合器4处于分离状态，可换向单向离合器处于反向超越分离状态，此时，驱动电机3单独输出动力，经过与发动机1的输出轴相连接的第一连接轴6上的第二齿轮副8和差速器9相连接，以将动力输出至半轴驱动汽车纯电动行驶。在串联驱动模式下，发动机1按需求正常工作，发电机2按需求保持与发动机1相匹配的工况运行，发动机1和发电机2相互配合，协调控制均工作在相对高效的区间内，发电机2发出的电能提供给动力电池或者驱动电机3储存，第一离合器4处于分离状态，可换向单向离合器处于正向超越分离状态，驱动电机3输出的动力能够经过第二齿轮副8和差速器9输出至半轴驱动汽车行驶。在并联一档驱动模式下，发动机1、发电机2和驱动电机3处于并联混动连接状态，第一离合器4处于分离状态，可换向单向离合器处于正向超越分离状态，此时，三个动力源根据一定的功率分配逻辑进行功率分配，发动机1的动力、发电机2、驱动电机3的动力均能够经过第二齿轮副8和差速器9输出至半轴驱动汽车行驶。在并联二档驱动模式下，发动机1、发电机2和驱动电机3处于并联混动连接状态，第一离合器4处于分离状态，可换向单向离合器处于反向超越分离状态，三个动力源根据一定的功率分配逻辑进行功率分配，最终，发动机1和发电机2的动力能够经过第一齿轮副7和差速器9输出至半轴，而驱动电机3的动力则能够经过第二齿轮副8和差速器9输出至半轴，最终三个动力源的动力能够进行相应的耦合后驱动汽车行驶。在驻车发电模式下，发动机1按需工作，发电机2按需求保持与发动机1相匹配的工况运行，发动机1和发电机2进行协调控制，均工作在相对高效的区间，第一离合器4处于分离状态，可换向单向离合器处于正向超越分离状态，此时，发电机2发出的电能全部提供给动力电池进行充电。在制动能量回收模式下，驱动电机3工作在发电状态，发动机1和发电机2均不工作，第一离合器4处于分离状态，可换向单向离合器处于反向超越分离状态，驱动电机3的发电能够将车辆的制动能量转化为电能全部储存到动力电池当中。

其中，在本实施例中，第一离合器4采用的是多片式离合器，该多片式离合器可以是干式，也可以是湿式，该离合器的摩擦片磨损小，使用寿命长，径向尺寸小、力矩大，可起到离合，换向、变速等作用，并广泛应用于传动系统中，其结构简单，且整体尺寸较小，但是，第一离合器4的类型并不受本实施例的限制，当可按照实际的需要选择合适的类型。

可选的，第一齿轮副7包括相互啮合的第一主动齿轮和第一从动齿轮，第一主动齿轮固定连接于第一连接轴6上，第二离合器5设置于第一从动齿轮内，通过第二离合器5的分离和结合来实现第一齿轮副7的分离和正常工作，进而改变第一齿轮副7的扭矩传递路径。第二齿轮副8包括相互啮合的第二主动齿轮和第二从动齿轮，第二主动齿轮固定连接于第一连接轴6上，第二从动齿轮、第一从动齿轮分别与差速器9传动连接，第一从动齿轮能够用于将发动机1和电动机的动力向差速器9进行传递，第二从动齿轮则能够用于将发动机1、发电机2以及驱动电机3的动力向差速器9进行传递，其具体的传递路径则通过第一离合器4和第二离合器5的配合工作进行选择。

可选的，该双电机机电耦合系统还包括第三齿轮副10，第一从动齿轮和第二从动齿轮通过第二连接轴相连接，第三齿轮副10包括相互啮合的第三主动齿轮和第三从动齿轮，第三主动齿轮设置于第二连接轴上，并位于第一从动齿轮和第二从动齿轮之间，第三从动齿轮与差速器9相连接，发动机1、发电机2以及驱动电机3的动力通过第一齿轮副7或者第二齿轮副8向差速进行传递时，还需要通过第三齿轮副10的传递，以便于三个动力源的动力能够在第三齿轮副10上进行耦合，以便于驱动车辆的正常行驶。

作为优选的方案，该双电机机电耦合系统还包括升速齿轮12，升速齿轮12与第一主动齿轮相互啮合形成第四齿轮副14，发动机1的输出轴通过第四齿轮副14与发电机2相连接升速齿轮12座位优选的方案，能够优化匹配发动机1和发电机2的工作特性，使得二者均能够工作在相对较优的工况中，尤其是在串联驱动模式下。其还包括扭转减震器13，扭转减震器13的一端与发动机1的输出端相连接，扭转减震器13的另一端与第一主动齿轮相连接，扭转减震器13能够作为传动系统中的减震装置，能够缓和非稳定工况下扭转冲击载荷，改善传动的平顺性，提高整个系统工作的平稳性。

本发明的工作过程为：在电机驱动模式下，发动机1、发电机2均不工作，第一离合器4分离，第二离合器5反向超越分离，驱动电机3通过第二齿轮副8将动力传递给差速器9；

在串联驱动模式下，发动机1带动发电机2发电，并将电能提供至驱动电机3或者动力电池，第一离合器4分离，第二离合器5正向超越分离，驱动电机3通过第二齿轮副8将动力传递给差速器9；

在并联一档驱动模式下，第一离合器4结合，第二离合器5正向超越分离，发动机1与发电机2、驱动电机3处于并联混动连接状态，将动力通过第二齿轮副8传递给差速器9；

在并联二档驱动模式下，第一离合器4分离，第二离合器5反向超越分离，发动机1与发电机2、驱动电机3处于并联混动连接状态，发动机1和发电机2的动力通过第一齿轮副7传递至差速器9，驱动电机3的动力通过第二齿轮副8传递至差速器9；

在驻车发电模式下，驱动电机3不工作，第一离合器4分离，第二离合器5正向超越分离，发动机1带动发电机2发电，并将电能供给至动力电池；

在制动能量回收模式下，发动机1和发电机2均不工作，第一离合器4分离，第二离合器5反向超越分离，驱动电机3发电，将车辆制动能量转化为电能储存至动力电池。

本发明能够实现发动机1的两档并联驱动，同时并联二档驱动通过可换向单向离合器实现，降低系统结构和控制复杂度，多片式离合器用于实现一档并联驱动，能够实现离合器滑磨控制，以实现特殊工况，比如低电量下的低速起步或爬坡工况，从而加大汽车轮端的输出动力；发动机1与发电机2之间设置恰当传动比，使得在串联等工况下，发动机1和发电机2均可工作在相对高效区间，从而提升系统传递转化效率。

本发明的实施例还提供了一种车辆，其包括有上述的双电机机电耦合系统。

综上，本发明实施例提供一种双电机机电耦合系统，其具有一个可换向单向离合器和第一离合器4，发动机1、发电机2、驱动电机3以及关联的齿轮副和第一连接轴6。发动机1的输出轴与发电机2轴传动连接，可以实现发动机1的起动和发电机2的发电功能；驱动电机3轴通过第二齿轮副8与差速器9输出传动连接，可以实现车辆纯电驱动和制动能量回收功能；发动机1的输出轴通过第一连接轴6与驱动电机3轴通过第一离合器4相连接，同时发动机1输出轴还通过可换向单向离合器与差速器9传动连接，通过控制第一离合器4的结合或分离、转换可换向单向离合器的结合方向，能够有效的实现发动机1到汽车轮端输出的两档切换。由此，有效的增加发动机1至汽车轮端的传递输出能力，使得从中低速开始，发动机1就可以直接输出动力至轮端，避免IMMD类似的需要经发动机1带动发电机2发电，获得的电能再提供给驱动电机3，从而降低对两个电机的功率需求。驱动电机3保持与汽车轮端输出的直接连接，发动机1和发电机2的动力输出通过可换向的单向离合器和第一离合器4进行切换调节，实现换档过程的无动力中断，且发动机1和发电机2能够直接根据二者的工作特性选择合适的传动比，以便于在串联工况下，发动机1和发电机2都能工作在相对高效区间，从而提升系统传递转化效率。由此，各驱动方式的切换采用可换向单向离合器和第一离合器4实现，降低系统的结构复杂程度和控制复杂程度，并提高系统的可靠性，且同时采用发动机1的两档驱动能够缩减电机系统的需求，降低整个机电耦合系统的成本，三动力源的协调配合使得各部件均能够工作在相对高效的区间，进而提高系统传递的转化效率。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。