一种具有多离合器的混合动力系统及汽车的制作方法

1.本发明涉及混合动力汽车的混合动力系统，具体涉及一种具有多离合器的混合动力系统及汽车。


背景技术：

2.如附图1所示，当前现有技术的混合动力系统中，在变速器挡位为1或3档时，发动机参与直驱驱动时，发动机需要驱动第一电机和第二电机。
3.上述技术方案中存在如下技术问题：两个电机在发动机参与直接驱动时，会带动两个电机运转，导致发动机输出功率一部分损耗在带动两个电机运转上。
4.如图2所示，现有技术中还提供了一种混合动力系统，该结构可解决发动损坏且动力电池可用功率较高时用第一电机驱动车辆；当动力电池可用功率低于一定值时，由于功率分流只能在车速达到一定值发动机才能参与直驱，故不能在低速发动机直驱车辆。，这类构型中，存在动力电池可用功率小于一定值时，发动机不能低速直驱车辆行驶，导致只能呼叫道路救援。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有多离合器的混合动力系统及汽车。
6.本发明的技术方案为：本发明提供了一种具有多离合器的混合动力系统，包括：动力电池、变速箱、发动机、第一电机、第二电机、第一电机控制器、第二电机控制器、第一离合器、第二离合器和第三离合器；所述第一电机、所述第一电机控制器与所述动力电池间通过高压线束连接，所述第二电机、所述第二电机控制器与所述动力电池间间通过高压线束连接；所述发动机与所述第一离合器机械连接，所述第一电机与所述第二离合器机械连接，所述第一离合器、所述第二离合器再与所述第三离合器互相机械连接，所述第三离合器再与所述第二电机共同机械连接至所述变速箱；控制器，所述控制器通过低压线束分别与所述发动机、所述变速箱、所述第一离合器、所述第二离合器、所述第三离合器、所述第一电机、所述第二电机、所述第一电机控制器和所述第二电机控制器相连，所述第一电机和所述第一电机控制器通过低压线束连接，所述第二电机和所述第二电机控制器通过低压线束连接；所述控制器用于接收外部指令，并根据所述外部指令确定所述混合动力系统的工作模式，以及根据所述混合动力系统的工作模式对所述第一离合器、所述第二离合器和所述第三离合器的离合状态、所述第一电机和所述第二电机的工作模式进行控制；其中，所述第一电机和所述第二电机的工作模式包括驱动模式、发电模式和待机模式。
7.优选地，所述发动机、所述第一电机和所述第二电机的额定功率均相同，所述第一
电机和所述第二电机的峰值功率均相同，第一电机和第二电机的功率和、或、发动机和第二电机的功率和为混合动力系统输出最大的额定和峰值功率。
8.优选地，若确定所述混合动力系统的工作模式为发动机直驱模式，所述控制器控制所述第三离合器断开、控制所述第一离合器和所述第二离合器结合；通过所述第一电机控制器控制所述第一电机切换为驱动模式，所述动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，以拖动所述发动机启动；在所述发动机启动后，所述控制器控制所述第二离合器断开、所述第三离合器结合；通过所述第一电机控制器控制第一电机为待机模式，所述发动机输出的动力经由所述第一离合器和所述第三离合器传递至变速箱而驱动车辆；在发动机直驱工作在最佳转速工作区间且发动机输出动力大于车辆驱动需求时，若动力电池soc低于预设soc，所述控制器通过所述第二电机控制器控制第二电机切换至发电模式，所述第二电机及所述第二电机控制器将所述发动机的多余动能转换为电能，从而为动力电池充电。
9.优选地，若确定所述混合动力系统的工作模式为故障模式，在第二电机未堵转且不能输出动力、或、动力电池的放电功率小于预设功率且发动机中剩余燃油量超过预设燃油量时，所述控制器控制所述第三离合器断开、控制所述第一离合器和所述第二离合器均结合；通过所述第一电机控制器控制所述第一电机切换为驱动模式，所述动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，以拖动所述发动机启动；在所述发动机启动后，所述控制器控制所述第二离合器断开、所述第三离合器结合，通过所述第一电机控制器控制第一电机为待机模式，所述发动机输出的动力经由所述第一离合器和所述第三离合器传递至变速器而驱动车辆；若确定所述混合动力系统的工作模式为故障模式，在第二电机未堵转且不能输出动力、发动机不能工作及动力电池的放电功率大于预设功率时，所述控制器控制第一离合器断开、控制第二离合器和第三离合器结合；通过所述第一电机控制器控制所述第一电机切换为驱动模式，所述动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，所述第一电机输出的动力经由所述第二离合器和所述第三离合器传递至变速器而驱动车辆。
10.优选地，若确定所述混合动力系统的工作模式为一般纯电驱动模式或动力电池soc低于预设soc，所述控制器控制所述第一离合器至所述第三离合器均断开，通过所述第二电机控制器控制所述第二电机切换为驱动模式，所述动力电池高压输出的直流电能通过第二电机控制器和第二电机转换为动能，所述第二电机输出的动力传递至变速器而驱动车辆；若确定所述混合动力系统的工作模式为增强纯电驱动模式、动力电池soc高于预设soc且动力电池放电的功率大于第二电机峰值功率，所述控制器控制所述第一离合器断开、所述第二离合器至所述第三离合器均结合，通过第一电机控制器控制所述第一电机切换为驱动模式，通过第二电机控制器控制所述第二电机切换为驱动模式，所述动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器、第二电机控制器及对应的第一电机、第二电机转换为动能，所述第一电机和第二电机输出的动力传递至变速器而驱动车辆。
11.优选地，若确定所述混合动力系统的工作模式为串联工作模式，所述控制器控制
所述第三离合器断开、控制所述第一离合器和所述第二离合器结合；通过所述第一电机控制器控制所述第一电机切换为驱动模式，通过所述第二电机控制器控制所述第二电机切换为驱动模式，所述动力电池输出的高压直流电能的一部分通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，以拖动所述发动机启动；所述动力电池输出的高压直流电能的另一部分通过第二电机控制器和第二电机转换为动能，所述第二电机输出的动力传递至变速器而驱动车辆；待发动机启动后，通过第一电机控制器控制第一电机切换为发电模式，所述发动机带动所述第一电机转动，所述第一电机及第一电机控制器将所述发动机的动能转换为电能，用于所述第二电机驱动车辆和将多余电能给动力电池充电。
12.优选地，若确定所述混合动力系统的工作模式为并联工作模式，所述控制器控制所述第三离合器断开、控制所述第一离合器和所述第二离合器结合；通过第一电机控制器控制第一电机切换为驱动模式，通过第二电机控制器控制所述第二电机切换为驱动模式，所述动力电池输出的高压直流电能一部分经由所述第一机控制器及对应所述的第一电机转换为动能，所述第一电机输出的动力经由所述第二离合器和所述第一离合器传递给发动机以拖动发动机启动；所述动力电池输出的高压直流电能的另一部分通过第二电机控制器和第二电机转换为动能，所述第二电机输出的动力传递至变速器而驱动车辆；所述发动机启动后，所述控制器控制所述第二离合器断开、所述第三离合器结合，通过所述第一电机控制器控制第一电机切换为待机模式，所述动力电池输出的高压直流电能经由所述第二电机控制器控制第二电机转换为动能，与所述发动机输出的动力经由所述第一离合器和所述第二离合器一起传递至变速器而驱动车辆。
13.优选地，若确定所述混合动力系统的工作模式为能量回收模式，通过所述第二电机控制器控制所述第二电机切换为发电模式，将所述变速箱传递的动力提供给所述第二电机，所述第二电机及第二电机就控制器将动能转换为电能，从而为动力电池充电。
14.优选地，所述发动机为无低压启动机，不通过车载12v低压蓄电池启动。
15.优选地，所述第二电机通过第四离合器机械连接至所述变速箱，所述第四离合器通过低压线束与所述控制器连接；若确定所述混合动力系统的工作模式为故障模式且第二电机堵转，所述控制器控制第四离合器断开。
16.优选地，所述发动机通过车载12v低压蓄电池启动，若确定所述混合动力系统的工作模式为故障模式且动力电池的最大放电功率为0时，控制器通过控制12v低压蓄电池启动发动机，并控制第一离合器和第三离合器结合，控制第二离合器断开，所述发动机动力通过第一离合器、第三离合器结合转递至变速箱直接驱动车辆。
17.优选地，所述发动机通过车载12v低压蓄电池启动，若确定所述混合动力系统的工作模式为故障模式且动力电池的最大放电功率为0时，控制器通过控制12低压蓄电池启动发动机，并控制第一离合器和第三离合器结合，控制第二离合器、第四离合器断开，所述发动机动力通过第一离合器、第三离合器结合转递至变速箱直接驱动车辆。
18.本发明还提供了一种汽车，包括上述的具有多离合器的混合动力系统。
19.本发明的有益效果为：1、通过控制第一离合器、第二离合器和第三离合器各自的断开与结合的组合，控
制第一电机、第二电机和发动机的动力分配，实现多种工作模式。
20.2、针对未设计第四离合器的方案，第一电机在拖动发动机启动后，若发动机参与驱动，第二离合器断开，可把第一电机隔离开，使得发动机驱动功率损耗在第一电机的部分能够用于驱动，提升了发动机直接驱动的效率；针对设计第四离合器的方案，第一电机在在拖动发动机启动后，若发动机参与驱动，第二离合器和第四离合器断开，可把第一电机和第二电机隔离开，使得发动机驱动功率损耗在第一电机和第二电机的部分能量能够用于驱动，进一步提升了发动机直接驱动的效率；3、由于将发动机、第一电机和第二电机的额定功率和峰值功率设置为相同，整车输出的最大功率为发动机和第二电机的功率和、或第一电机与第二电机的功率和，这样发动机和第一第二电机的单个的功率可以选为整车最大功率的一半，对应的体积相应变小，省出来的空间能放置传统汽车的变速箱，故本方案的变速箱可基于传统燃油车优秀变速箱为基础开发，减少开发周期及开发费用。
21.4、在第二电机发生故障不能输出动力时（非转子不能转动）；动力电池出现较为严重故障导致动力电池的最大放电功率被限制到小于预设功率；或者动力电池的最大放电功率限制到大于预设功率、出现第二电机故障不能输出动力（非转子不能转动）且发动机不能工作时，还能够维持车辆的运动，增加了车辆故障应用场景。
附图说明
22.图1为现有技术的混合动力系统构型图；图2为现有技术的混合动力系统构型图；图3为本发明第一实施例的混合动力系统构型图；图4为本发明第二实施例的混合动力系统构型图；图5为本发明第三实施例的混合动力系统构型图；图6为本发明第三实施例的混合动力系统构型图。
具体实施方式
23.参照图3，本发明第一实施例提供了一种具有多离合器的混合动力系统，包括：动力电池、变速箱、发动机、第一电机、第二电机、第一电机控制器、第二电机控制器、第一离合器、第二离合器和第三离合器；第一电机、第一电机控制器与动力电池间通过高压线束连接，第二电机、第二电机控制器与动力电池间间通过高压线束连接；发动机与第一离合器机械连接，第一电机与第二离合器机械连接，第一离合器、第二离合器再与第三离合器互相机械连接，第三离合器再与第二电机共同机械连接至变速箱；控制器，控制器通过低压线束分别与发动机、变速箱、第一离合器、第二离合器、第三离合器、第一电机、第二电机、第一电机控制器和第二电机控制器相连，第一电机和第一电机控制器通过低压线束连接，第二电机和第二电机控制器通过低压线束连接；控制器用于接收外部指令，并根据外部指令确定混合动力系统的工作模式，以及根据混合动力系统的工作模式对第一离合器、第二离合器和第三离合器的离合状态、第一
电机和第二电机的工作模式进行控制；其中，第一电机和第二电机的工作模式包括驱动模式、发电模式和待机模式。
24.上述对第一离合器、第二离合器、第三离合器、发动机、变速箱、第一电机控制器和第二电机控制器输出控制信号的控制器可以为集成化的控制器，也可以为独立的控制器。即，将第一离合器至第三离合器的控制功能集成为单独的离合器控制器中，将发动机、变速箱和第一电机控制器、第二电机控制器、离合器控制器的控制功能集成在另一个控制器（如整车控制器）中。
25.本实施例中，第一离合器至第三离合器可以为多簧式离合器或者膜片式离合器。
26.其中，外部指令可以是来源于驾驶员指令，也可以是根据整车参数确定的指令。
27.混合动力系统的工作模式包括：纯电动驱动模式、发动机直驱模式、串联工作模式、并联工作模式、故障模式和能量回收模式。
28.其中，若变速箱不带有r档，则发动机直驱模式、并联工作模式和能量回收模式只能工作在前进档（如d档）。
29.具体来说，纯电动驱动模式包括车辆默认的一般纯电驱动模式和驾驶员输入的增强纯电驱动模式。一般纯电驱动模式是车辆默认的模式；在动力电池soc低于预设soc时，即便驾驶员输入了增强纯电驱动模式，车辆也无法进入该增强纯电驱动模式，也即，进入该增强纯电驱动模式，要求动力电池soc高于预设soc。
30.在一般纯电驱动模式下，无论变速器是否带r档，控制器控制第一离合器至第三离合器均断开，通过第二电机控制器控制第二电机切换为驱动模式，动力电池高压输出的直流电能通过第二电机控制器和第二电机转换为动能，第二电机输出的动力传递至变速器而驱动车辆前进或后退。
31.在增强纯电驱动模式下，无论变速器是否带有r档，若动力电池soc高于预设soc且动力电池放电的功率大于第二电机峰值功率，控制器控制第一离合器断开、第二离合器至第三离合器均结合，通过第一电机控制器控制第一电机切换为驱动模式，通过第二电机控制器控制第二电机切换为驱动模式，动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器、第二电机控制器及对应的第一电机、第二电机转换为动能，第一电机和第二电机输出的动力传递至变速器而驱动车辆前进或后退。
32.在上述的纯电驱动模式下，发动机不参与工作，故第一离合器始终处于断开状态。由于第二离合器的设置，可以根据用户选择提供驱动力一般或更强的两种方式来选择性地进行车辆驱动。在第二电机、或、第一电机和第二电机切换为驱动模式时，第一电机和第二电机输出的动力通过该变速箱传递给车辆的传动轴，实现车辆驱动。
33.发动机直驱模式可以工作在变速器具有r档或不具有r档的状态。
34.在变速箱带有r档时，发动机直驱模式只能工作在车辆处于前进档的状态；在变速箱带有r档时，发动机直驱模式则可以工作在前进档或倒退档两种状态。
35.若确定混合动力系统的工作模式为发动机直驱模式，控制器控制第三离合器断开、控制第一离合器和第二离合器结合；通过第一电机控制器控制第一电机切换为驱动模式，动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，以拖动发动机启动；在发动机启动后，控制器控制第二离合器断开、第三离合器结合；通过第一电机控
制器控制第一电机为待机模式，发动机输出的动力经由第一离合器和第三离合器传递至变速箱而驱动车辆（此处，若变速箱不带有r档，则发动机只能驱动车辆前进）；在发动机直驱工作在最佳转速工作区间且发动机输出动力大于车辆驱动需求时，若动力电池soc低于预设soc，控制器通过第二电机控制器控制第二电机切换至发电模式，第二电机及第二电机控制器将发动机的多余动能转换为电能，从而为动力电池充电。
36.在上述的发动机直驱模式下，若车辆的变速箱不带r档，则该发动机直驱模式只能工作在前进挡。
37.此发动机直驱模式下，发动机无需再为无需工作的第一电机进行供能，能够节省该发动机的能量，提高发动机利用效率。并且，在发动机提供的能量过多时，还可以驱动第二电机发电为动力电池充电，实现发动机的能量回收。
38.本第一实施例中，还提供了车辆在某些故障条件下能够继续得以运行的场景。具体来说，包括如下这些故障应用场景：若确定混合动力系统的工作模式为故障模式，在第二电机未堵转（即第二电机可以转动）且不能输出动力、或、动力电池的放电功率小于预设功率且发动机中剩余燃油量超过预设燃油量时，控制器控制第三离合器断开、控制第一离合器和第二离合器均结合；通过第一电机控制器控制第一电机切换为驱动模式，动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，以拖动发动机启动；在发动机启动后，控制器控制第二离合器断开、第三离合器结合，通过第一电机控制器控制第一电机为待机模式，发动机输出的动力经由第一离合器和第三离合器传递至变速器而驱动车辆。
39.上述故障模式下，是利用发动机的能量来实现车辆的驱动。此时，在变速箱不带r档时，该故障模式只能工作在车辆变速器档位为前进挡的当前，并且只能利用发动机的能量驱动车辆前进。而在变速箱带r档时，该故障模式则可以工作在前进档或倒退档。
40.若确定混合动力系统的工作模式为故障模式，在第二电机未堵转且不能输出动力、发动机不能工作及动力电池的放电功率大于预设功率时，控制器控制第一离合器断开、控制第二离合器和第三离合器结合；通过第一电机控制器控制第一电机切换为驱动模式，动力电池高压输出的直流电能通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，第一电机输出的动力经由第二离合器和第三离合器传递至变速器而驱动车辆前进或后退。此条件下，是利用第一电机输出动力来驱动车辆继续运动。此时，变速箱带有r档或不带有r档均可实现。
41.相对于现有场景，本第一实施例中，增加了两种车辆故障时能够继续行驶的应用场景。
42.本第一实施例中，串联工作模式的形成可以有用户主动输入指令，也可以是根据车辆参数形成。串联工作模式又为增程模式。在此模式下，控制器控制第三离合器断开、控制第一离合器和第二离合器结合；通过第一电机控制器控制第一电机切换为驱动模式，通过第二电机控制器控制第二电机切换为驱动模式，动力电池输出的高压直流电能通过第一电机控制器和第一电机转换为动能，以拖动发动机启动；待发动机启动后，通过第一电机控制器控制第一电机切换为发电模式，发动机带动第一电机转动，第一电机及第一电机控制器将发动机的动能转换为电能，用于第二电机驱动车辆和多余电能给动力电池充电；发动机启动后，控制器再控制第一电机切换为发电档，控制第一电机控制器进行整流及控制第一电机切换为发电档，发动机输出的动力还经由第一离合器和第二离合器传
递至第一电机，第一电机产生的交流电通过第一电机控制器整流为直流电能，从而为动力电池充电。
43.在上述的串联工作模式下，发动机输出的动力通过第一电机传递至给动力电池充电，动力电池提供的动力再通过第二电机传递至变速箱驱动车辆，形成串联的状态。并且，由于变速箱存在，使第二电机在驱动车辆高速行驶时的电耗较低。
44.本第一实施例中，并联工作模式又称混动模式，该模式下，若变速箱不带有r档，则该并联工作模式只能工作在前进挡。具体来说，若确定混合动力系统的工作模式为并联工作模式且车辆的挡位为前进挡，控制器控制第三离合器断开、控制第一离合器和第二离合器结合；通过第一电机控制器控制第一电机切换为驱动模式，通过第二电机控制器控制第二电机切换为驱动模式，动力电池输出的高压直流电能经由第一机控制器及对应的第一电机转换为动能，第一电机输出的动力经由第二离合器和第一离合器传递给发动机以拖动发动机启动；发动机启动后，控制器控制第二离合器断开、第三离合器结合，通过第一电机控制器控制第一电机切换为待机模式，动力电池输出的高压直流电能经由第二电机控制器控制第二电机转换为动能，与发动机输出的动力经由第一离合器和第二离合器一起传递至变速器而驱动车辆前进。
45.在该并联工作模式下，动力电池提供的能量经由第二电机传递给变速箱驱动车辆，同时发动机提供的能量也经由变速箱传递而驱动车辆，形成发动机和动力电池的能量混合利用。
46.此外，在该第一实施例中，若确定混合动力系统的工作模式为能量回收模式（包括滑行能量回收和制动能量回收），通过第二电机控制器控制第二电机切换为发电模式，将变速箱传递的动力提供给第二电机，第二电机及第二电机就控制器将动能转换为电能，从而为动力电池充电。
47.上述第一实施例中，发动机不通过车辆的12v低压蓄电池进行启动；而是由动力电池提供的能量来借由第一电机拖动而被启动。
48.本发明上述第一实施例，通过设置双电机三离合器的混合动力系统构型，使得车辆集成了纯电动驱动模式、发动机直驱模式、串联工作模式、并联工作模式、故障模式和能量回收模式。第一电机在拖动发动机启动后，若发动机参与驱动，第二离合器断开，可把第一电机隔离开，使得发动机驱动功率损耗在第一电机的部分能够用于驱动，提升了发动机直接驱动的效率；在第二电机发生故障不能输出动力时（非转子不能转动）；动力电池出现较为严重故障导致动力电池的最大放电功率被限制到小于预设功率；或者动力电池的最大放电功率限制到大于预设功率、出现第二电机故障不能输出动力（非转子不能转动）且发动机不能工作时，还能够维持车辆的运动，增加了车辆故障应用场景。由于将发动机、第一电机和第二电机的额定功率和峰值功率设置为相同，本方案的变速箱可基于传统燃油车优秀变速箱为基础开发，减少开发周期及开发费用。
49.参照图4，本发明第二实施例中，在上述第一实施例基础上做了变形。即在第二电机和变速箱之间增设了与控制器机械连接的第四离合器。此时，在第一实施例的基础上，增设了一种故障使用场景，即若确定混合动力系统的工作模式为故障模式且第二电机堵转，控制器控制第四离合器断开。
50.针对第一实施例中的其它工作模式，若需要第二电机参与工作，则第四离合器被控制结合，若无需第二电机参与工作，则第四离合器被控制断开。
51.该第二实施例，在上述第一实施例的基础之上，第一电机在在拖动发动机启动后，若发动机参与驱动，第二离合器和第四离合器断开，可把第一电机和第二电机隔离开，使得发动机驱动功率损耗在第一电机和第二电机的部分能量能够用于驱动，进一步提升了发动机直接驱动的效率；同时，还增加了车辆故障时继续行驶的使用场景。
52.参照图5，本第三实施例中，在上述第一实施例和第二实施例基础上做出变形。即，将发动机通过车载12v低压蓄电池连接，使发动机可以在第一电机、第二电机或动力电池出现相关故障时，可以借由车载12v低压蓄电池启动，进而实现车辆的驱动。具体来说，若确定混合动力系统的工作模式为故障模式且动力电池的最大放电功率为0时，控制器通过控制12低压蓄电池启动发动机，并控制第一离合器和第三离合器结合，控制第二离合器断开，以通过发动机直接驱动车辆。此时，该实施例可以保留第二实施例中的第四离合器的存在，如图6所示。
53.本发明还提供了一种包含上述具有多离合器的汽车。