CN101016051A - 混合动力驱动装置 - Google Patents

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P·扬森
朴钟南
金铉玉
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FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
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Abstract

一种用于控制混合动力驱动装置(1)的方法，该混合动力驱动装置(1)具有借助于一个行星齿轮箱(4)互相联接的一台可用作发电机的电动机(3)和一台内燃发动机(2)，所述行星齿轮箱(4)与一根传动输入轴(5)连接，其中，在一种特殊运行状态下，尤其是在越野行驶时，为了改善混合动力驱动装置的可变性、特别是该混合动力驱动装置的结构紧凑性，将电动机(3)的转速调节到至少近似为零，而传动输入轴(5)的转速则不为零，且低于内燃发动机(2)的转速，并根据内燃发动机(2)的转速进行调节，其中，与正常运行状态相比较，降低了速度而提高了扭矩。

Description

混合动力驱动装置
技术领域
本发明涉及一种混合动力驱动装置，以及混合动力驱动装置的控制方法。
背景技术
混合动力驱动装置将越来越多地替代单纯的电力驱动装置或内燃发动机应用于诸如汽车等领域中。
发明内容
本发明的目标是：使混合动力驱动装置在特别是结构比较紧凑的前提下具有更高的可变性。
实现该目标所依赖的是：具有权利要求1所述特征的一种对混合动力驱动装置进行控制的方法，具有权利要求10所述特征的混合动力驱动装置，具有如权利要求18所述的对混合动力驱动装置的控制器，具有权利要求19所述特征的计算机程序。在各自的从属权利要求中给出了其他的优势构造及扩展方式。
混合动力驱动装置，具有通过一个行星齿轮箱相互联接的最好也能作为发电机使用的一台电动机和一个内燃发动机，所述行星齿轮箱则与一根传动输入轴相联接。根据本发明，对该装置进行控制的一种方法中，在一种特殊运行状态、尤其是越野行驶时，电动机的转速向零的方向变化，最好调节到至少接近于零，而传动输入轴的转速则不为零，且低于内燃发动机的转速；同时根据内燃发动机的转速进行调节，其中，与正常运行状态相比较，降低了速度而提高了扭矩。
电动机与内燃发动机之间借助于行星齿轮箱实现的联接构造中，分别为电动机、内燃发动机以及传动输入轴配置了行星齿轮箱的一个元件，其中包括太阳轮、空心轮、行星架。其中，实施这种配置的方式是：当电动机的转速为0时，发生传动输入轴转速相对于内燃发动机转速的减速。例如，内燃发动机与太阳轴相联接，并且传动输入轴与空心轴或者行星架相联接。在另一种变例中，内燃发动机可以与行星架相联接，而传动输入轴与空心轴相联接。
特殊运行状态中，将混合动力驱动装置调节至低速、高扭矩状态，能够实现混合动力汽车在高载荷下的低速行驶。例如，为了缓行可以使用特殊运行状态。它的优势是能够克服陡坡和/或者完成高载荷下的起动。特殊运行状态尤其能够应用于越野行驶中，其中一般都需要在很高的扭矩下低速行驶。
与正常运行态相比较，特殊运行状态下速度降低而扭矩提高，这是与内燃发动机在两种运行状态下具有相同的转速相关联的。
将电动机的转速降低到至少接近于零，这句话应当理解为：将该转速调节到显著低于内燃发动机的空转转速以下的某个值。尤其是在特殊运行状态下将电动机的转速调节到内燃发动机的转速的50％以下。
最好能够调节变速比。在其他情况下，则借助于一个传统方式中使用的机械式变速箱来实现之。较佳的方式是：能够在转速为0附近的范围内改变电动机的转速来改变此传动比。
尤其是可以设计使用一个机械式变速箱来另外实现变速。
根据一种扩展方式的设计，在不接通变速箱的情况下，对已经低于内燃发动机转速的传动输入轴的转速进行调节。尤其是在不接通变速箱的情况下调节为较低的速度。较佳的方式是：完全放弃使用普通方式中为此所使用的机械式变速箱。
在一种构造的设计中，只有当所有车轮驱动都投入工作时，才能切换到这种具有较低速度的特殊运行状态、尤其是越野行驶状态。较佳方式下要防止或者至少要避免一个驱动轮发生满转。尤其要能够实现更好的牵引。此外，最好避免驱动的轮轴发生过载。
在一种构造中，为了跨接行星齿轮箱所设计的一个离合器打开。这样，特别能够使电动机和内燃发动机分别可变地旋转，通过行星齿轮箱互相联接；相反，在离合器闭合状态下，内燃发动机和电动机相互连接着一起转动。较佳方式是结束特殊运行状态后，离合器闭合到正常运行态上去。其中，可以将离合器设置于太阳轮和行星齿轮箱的空心轮之间，其中电动机和内燃发动机通过太阳轮和一个行星架互相联接起来，并且由行星齿轮箱的空心轮驱动传动输入轴。不过，与此相应也可以考虑使用其他的组合。
根据一种构造的设计，电动机的转速值低于每分钟300转，最好低于每分钟200转。这里，转速可以具有正的符号或者负的符号。
尤其是能够根据转速的调节来计划考虑电能预算。在一个变例的设计中，当与电动机相联接的电能存储器的存储电量低于某个设定状态时，调节成负的转速。这样，能够将电动机作为发电机并充电进行电能存储。
在另一个变例的设计中，当与电动机相联接的电能存储器的存储电量高于某个设定状态时，调节成正的转速。在此状态下，可用作发电机的电动机作为电动机运行，从而减少能量存储器中的电能存储量。
在一种构造中，电动机借助于一个离合器进行制动。这样能够较好地将电动机降低到转速为0的状态。在一种示例性的i1＝0.5的行星齿轮箱的轮组设计中，将传动输入轴的转速与内燃发动机的转速之间的传动比调节为2.0。
根据另一种构造，为了结束特殊运行状态，电动机转速的提高与内燃发动机转速的降低方式为使两个转速相一致。较佳方式下，能够在特殊运行状态和正常运行状态之间无冲击地完成切换。尤其是当转速平衡时，电动机和内燃发动机的接合可以无冲击地进行。
传动输入轴的转速，在特殊运行状态和正常运行状态之间进行切换期间，较佳的调节方式为能够平滑地过渡。与此对应，在正常运行状态与特殊运行状态之间切换时最好也同样如此。尤其是可以进行设计，使得在特殊运行状态与正常运行状态切换过程中，传动输入轴的转速调节设定为不随时间变化。
较佳的方式为：在特殊运行状态下混合动力驱动装置不能够执行启动-/停止-功能。尤其是要避免内燃发动机在低转速下因为执行起动/停止功能而熄火。
此外，本发明还涉及混合动力汽车上使用的一种混合动力驱动装置，其中，混合动力驱动装置具有通过一个行星齿轮箱相互联接的可作为发电机使用的一台电动机和一个内燃发动机，所述行星齿轮箱则可以与传动机构的一根输入轴相联接。其中设计装备了一个控制器，借助于该控制器，在一种特殊运行状态下、尤其是越野行驶时，降低电动机的转速到至少接近于0，而输入轴的转速则可以根据内燃发动机的转速进行调节。其中，与正常运行状态下相比，可以降低速度而提高扭矩，这里没有为此设计装备另外的变速器。
这里的传动机构可以是汽车中普遍使用的手动变速器或者自动变速器。特别之处是：在传动机构和混合动力驱动装置之间、以及在传动机构和驱动轮之间都没有装备辅助变速箱。
最好获得一种变速功能，而一般情况下这是借助于一个辅助性的机械式变速箱才能实现的。最好以一种明显地减轻重量的构造方式来实现这种功能。
控制器可以是发动机控制器等。在一种构造中，该控制器可以集成于内燃发动机或者电动机的发动机控制器中。此外，此控制器能够集成于混合动力驱动装置的一个控制器中。
在一种构造中，在输入轴上可以对转速进行调节，使该转速低于内燃发动机的转速。比如说，可以调节传动比为1比2。
根据一种扩展方式设计，为特殊状态下的运行，传动机构的设计中，需要满足输入扭矩达到内燃发动机最大扭矩的至少150％、最好达到200％的要求。当内燃发动机的最大扭矩以传动比1比2传递到传动机构的输入轴上时，由此来避免传动机构发生损坏。当传动比更小或者更大时，可以相应地为传动机构选择设计合适的最大扭矩。尤其是传动机构至少要根据输入扭矩进行设计，使它等于内燃发动机的最大扭矩乘以传动比的倒数，后者小于1。在特殊运行状态下运行的时间，一般都是总体运行时间的一少部分，比如说大约10％。传动机构也可以为完全在特殊运行状态下的运行进行设计。
在另一种构造中，将一个全轮驱动分配器联接到传动机构上。这里，全轮驱动分配器构造成特别易于接通式的，因此可以选择性地由全轮驱动模式切换成另一种驱动模式，即只有部分的驱动轮进行驱动的模式。较佳的方式是：从一种模式向另一种模式切换时，传动比不受影响。
优势性方式中，全轮驱动分配器具有一个固定的传动比。与传统的、普遍具有一个辅助变速箱的全轮驱动分配器相比较，该全轮驱动分配器的优势在于其结构重量能够显著地减轻。优势此外还在于能够获得明显更加紧凑的结构。
在一种扩展方式中装备了一个离合器，借助于该离合器可以将电动机和内燃发动机固定联接在一起转动。当出现对于特殊运行状态的需求时，该离合器最好在控制器控制下可以由一种闭合状态切换成打开状态。该离合器可以设置于行星齿轮箱的内部或者上面。比如，可以将该离合器安置于太阳轮和行星齿轮箱的空心轮之间。
在另一种构造中，设计了一个离合器来对电动机进行制动。当需要进入特殊运行状态时，最好可通过控制器使离合器闭合。特别是要求电动机能够借助于该离合器被固定住而不能转动。
为了改善混合动力驱动装置的能量计划管理，根据一种扩展方式，装备了电量状态监视器来监视可以与电动机相联接的电池，通过该电量状态监视器可以预先给出特殊运行状态期间电动机的剩余转数。该剩余转数既可以是正值，也可以是负数，这样能够对电池进行充电或放电。电量状态监视器可以集成于控制器、尤其是电动机控制器之中。
本发明此外还涉及混合动力驱动装置——尤其是根据上面描述的各种构造的装置——的一种控制器。这里的控制器尤其是微型控制器、微型计算机、电动机控制器等。
最后，本发明好涉及一种具有程序编码机构的计算机程序产品，该程序编码机构存储于可由计算机读取的介质上，当包含着程序编码机构的程序在一台计算机上运行时，来实施根据上面所述构造之一的方法。
作为可以由计算机读取的介质，特别是位于一个电动机控制器中的电子存储器单元，可以应用于电动机控制器中。此外，也可以使用磁性的、磁光的、电子的、光学的数据载体等。作为计算机，尤其是可以使用控制器中的计算机，比如电动机控制器中的一个微型控制器。
附图说明
以下借助于图例示例性对本发明进行详细说明。不过，本发明并不局限于其中所给出的构造。更准确讲，在示图、说明以及图形描述中所给出的特征可以为了扩展而进行互相组合。
图中所示为：
图1一个混合动力驱动装置的示意图，
图2一个行星齿轮箱的示意图，
图3行星齿轮箱的一种第一运行方式，
图4行星齿轮箱的一种第二运行方式，
图5行星齿轮箱的一种第三运行方式，
图6行星齿轮箱的一种第四运行方式，
图7显示传动比的示意图，以及
图8起动过程的时间曲线。
具体实施方式
图1给出了一个混合动力驱动装置的示意图。该混合动力驱动装置包括一台内燃发动机2和一台电动机3，电动机3还特别可以用作发电机，并且通过一个行星齿轮箱4与内燃发动机2相联接。行星齿轮箱4与一个传动机构6的传动输入轴5相联接，该传动机构则通过一根输出轴7与一个全轮驱动分配器8相联接。全轮驱动分配器8又具有带有一根前轴11的一个第一驱动轴9及带有一根后轴12的一个第二驱动轴10，以及图中没有详细给出的驱动轮。在一个未给出的实施变例中，输出轴7也能够直接与驱动轴9、10相联接。此外还装备了一个第一离合器13，借助于第一离合器13可以将电动机3和内燃发动机2互相联接起来而一起转动。此外也可以选择性地装备一个第二离合器14，借助于第二离合器14能够对电动机3进行制动。行星齿轮箱4只是示意性地给出。行星齿轮箱4具有图中没有再详细给出的一个空心轮、一个太阳轮以及至少一个行星架。内燃发动机2与太阳轮相联接。电动机3与内燃发动机联接，而空心轮与传动机构6的传动输入轴5联接。在另1一种构造的设计中，也可以使内燃发动机与行星架联接，电动机与空心轮联接，而太阳轮与传动输入轴5联接。此外，还可以设计分别使内燃发动机2与太阳轮，电动机与空心轮，以及传动输入轴5与行星架相联接。其中的联接可以直接进行，也可以分别借助于至少一根轴来实现。总体设计中，可以分别将一根第一轴与内燃发动机，一根第二轴与电动机，一根第三轴与传动机构相联接。可以装备至少一个离合器，或者是两个离合器，由该离合器将通过行星齿轮箱互相联接的构件或者分开，或者可以整个地互联成块。
另外，装备了一个控制器15，借助于控制器15能够控制内燃发动机2、电动机3、第一离合器13和第二离合器14。此外，还可以设计借助于此控制器15将全轮驱动分配器在全轮驱动模式和两轮驱动模式之间进行切换。另外可以将控制器15与自动变速器进行联络，承担换档任务或者对其施加影响。
以下对功能相同的元件以相同的标识代号标注。
图2给出了一个行星齿轮箱的示意图。该行星齿轮箱包括一个空心轮16、一个太阳轮17和一个行星架18，行星架18自身具有一个第一行星组19和一个第二行星组20。在一个未给出的变例中，也可以设计用一个单一的行星组及因此而简单的行星轮，来替代这两个行星组18、19及这里的两组行星轮。太阳轮17与一个图中未给出的内燃发动机联接。空心轮16与一个未给出的传动机构联接，而行星架18与未给出的电动机相联接。
图3给出了行星齿轮箱的一种第一运行方式。该行星齿轮箱与图2所示的行星齿轮箱基本上相同。在第一运行方式下，空心轮16与太阳轮17、并因此与行星架18互相联接、不可相对转动。这种联接借助于一个图中未给出的离合器、例如与图1中所示的第一离合器相同的离合器来实现。空心轮16、太阳轮17和行星架18因此具有相同的转速。相应地，联接到行星架上的电动机和联接到太阳轮上的内燃发动机也都具有相同的转速。太阳轮、行星架和空心轮的转速分别以对应的箭头16.1、17.1、18.1示意给出。其中，箭头的长度大致与各自的转速成比例。
图4给出了行星齿轮箱4的一种第二运行方式。在所示的行星齿轮箱的第二运行方式下，电动机以及行星架18受到制动而转速减小为0。相应地，空心轮16旋转的速度，对应于太阳轮和空心轮之间的传动比，该传动比借助于预先给定的齿数比设定。比如说，空心轮16的转速可以是太阳轮17的一半。行星架18借助于一个图中未给出的离合器、比如借助于与图1中的第二离合器相同的离合器固定住。与电动机相联接的电池既不能充电，也不能放电。
图5给出的是行星齿轮箱4的一种第三运行方式，与第二运行方式基本相同。不同之处在于行星架18并没有被固定住。该行星架18借助于电动机以略微大于0的正的转速旋转。这里，旋转方向的设计，使得电动机作为发电机工作。相应地，连接于此电动机上的电池组进行充电。同时，行星架18转速的设计，以能够实现与图2所示的运行方式下近似相同的传动比为宜。
图6所示为行星齿轮箱4的一种第四运行方式，基本上与第二运行方式相同。差别之处是行星架18并没有被固定住。该行星架18借助于电动机以略微偏离0的负转速旋转。这里，旋转方向的设计，使得可作为发电机工作的电动机作为电动机运行。相应地，连接于此电动机上的电池组的带电量减少。同时，行星架18转速的设计，应当能够实现与图2所示的运行方式下近似相同的传动比。
图7为说明行星齿轮箱传动的示意图。与以上利用图2至6所描述的构造相比，不同之处在于该行星齿轮箱仅具有一个行星组。相应地，行星架的转速相反。纵轴上所显示的分别是内燃发动机2、传动输入轴5和电动机3的转速。示意图所示为行星齿轮箱的传动比为2时的情况。另外，内燃发动机与太阳轮联接，而电动机与行星架联接。与此对应，传动输入轴5与行星齿轮箱的空心轮联接。在一个第一运行状态21下，内燃发动机2、传动输入轴5和电动机3的转速相同，都为0。在第二运行状态22下，内燃发动机2的转速为W1。传动输入轴5保持静止不动，相应地电动机3的转速为-W1。在第三运行状态23——对应于特殊运行状态——下，电动机3的转速为0，内燃发动机2的转速为W1，而传动输入轴的转速为W1的1/2。与此相对应，在第三运行状态23中，传动输入轴5的转速和内燃发动机2的转速之间的传动比为1比2。相应地，在传动输入轴5上内燃发动机2的扭矩增大了一倍。在一个未给出的变例中，电动机的转速在第三运行状态下，可以与图5及图6中所示的第三或第四运行方式相同，即稍微大于或者小于0。当电动机的转速略微大于0时，传动输入轴的转速略微提高。相应地，传动比由0.5稍微升高。当电动机的转速略微小于0时，传动输入轴的转速略微减小，传动比也相应地由0.5稍微再减小一点。
最后，图8中给出了起动过程的时间曲线。横轴上给出的是时间，纵轴上为转速。所示分别是内燃发动机处于特殊运行状态下的第一转速24，内燃发动机处于正常运行状态下的第二转速25，电动机处于特殊运行状态下的第一转速变化曲线26，电动机处于正常运行状态下的第二转速变化曲线27，以及传动输入轴处于特殊运行状态下的第一转速变化曲线28和传动输入轴处于正常运行状态下的第二转速变化曲线29。传动输入轴处于特殊运行和正常运行状态下的第一和第二转速变化曲线是相同的。在正常运行状态下，对内燃发动机和电动机的转速调节，使得它们取相同的数值，当然该数值取决于相应的行驶状况而可以变化。相反，在特殊运行状态下，电动机的转速保持在大致为0，从而借助于内燃发动机的转速来实现传动输入轴的旋转速度。这里，由于传动比的缘故，内燃发动机的转速需要根据传动比的情况高于传动输入轴的转速。

Claims (19)

1.一种用于控制混合动力驱动装置(1)的方法，该混合动力驱动装置(1)具有借助于一个行星齿轮箱(4)互相连接的一台电动机(3)和一台内燃发动机(2)，所述行星齿轮箱(4)与一根传动输入轴(5)连接，其中，在一种特殊运行状态下，电动机(3)的转速(26；27)向着零的方向进行调节，最好调节到至少近似为零，而传动输入轴(5)的转速(28；29)则不为零，且低于内燃发动机(2)的转速，并根据内燃发动机(2)的转速进行调节，其中，与正常运行状态相比较，降低了速度而提高了扭矩。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为：在不接通变速箱的情况下，对已经低于内燃发动机(2)转速的传动输入轴(5)的转速进行调节。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征为：只有当所有车轮驱动都投入工作时，才能够切换到具有较低速度的特殊运行状态、尤其是越野行驶状态。
4.如上述权利要求之一所述的方法，其特征为：打开一个为了跨接行星齿轮箱(4)所设计的离合器(13)。
5.如上述权利要求之一所述的方法，其特征为：电动机(3)的转速值低于每分钟300转，并且最好低于每分钟200转。
6.如上述权利要求之一所述方法，其特征为：当与电动机(3)相联接的电能存储器的存储电量低于某个设定状态时，将该电动机(3)调节成负的转速。
7.如上述权利要求之一所述的方法，其特征为：当与电动机(3)相联接的电能存储器的存储电量高于某个设定状态时，将该电动机(3)调节成正的转速。
8.如上述权利要求之一所述的方法，其特征为：借助于一个离合器(14)对电动机(3)进行制动。
9.如上述权利要求之一所述的方法，其特征为：为了结束特殊运行状态，电动机(3)的转速(26；27)的提高与内燃发动机(2)的转速(24；25)的降低方式为使这两种转速(25；26)至少近似地相同。
10.一种用于混合动力汽车中的混合动力驱动装置，其中混合动力驱动装置(1)具有借助于一个行星齿轮箱(4)互相连接的一台电动机(3)和一台内燃发动机(2)，所述行星齿轮箱(4)与一个传动机构(6)上的输入轴(5)连接，其中，装备了一个控制器(15)，利用该控制器(15)可以将一种特殊运行状态下的电动机(3)的转速(26；27)减小，最好使之降低到近似为零，而输入轴(5)的转速(28；29)可以根据内燃发动机(2)的转速(24；25)进行调节，其中，与正常运行状态相比较，可以降低速度而提高扭矩，这里没有为此装备辅助变速箱。
11.如权利要求10所述的混合动力驱动装置，其特征为：在输入轴(5)上可以对转速(28；29)进行调节，使它低于内燃发动机(2)的转速(24；25)。
12.如权利要求10或11所述的混合动力驱动装置，其特征为：传动机构(6)的设计，要根据特殊运行状态运行期间输入扭矩至少达到内燃发动机(2)最大扭矩的150％来进行。
13.如权利要求10至12之一所述的混合动力驱动装置，其特征为：将一个全轮驱动分配器(8)联接到传动机构(6)上。
14.如权利要求13所述的混合动力驱动装置，其特征为：全轮驱动分配器(8)具有一个固定的传动比。
15.如权利要求10至14之一所述的混合动力驱动装置，其特征为：装备了一个离合器(13)，借助于它可以将电动机(3)和内燃发动机(2)固定偶联在一起而不能相对转动。
16.如权利要求10至15之一所述的混合动力驱动装置，其特征为：设计了一个离合器(14)来对电动机(3)进行制动。
17.如权利要求10至16之一所述的混合动力驱动装置，其特征为：装备了电量状态监视器来监视可以与电动机(3)相联接的电池，通过该电量状态监视器可以预先给出特殊运行状态期间电动机(3)的剩余转数。
18.如权利要求10至17之一所述的混合动力驱动装置(1)的控制器。
19.一种具有程序编码机构的计算机程序产品，所述程序编码机构被存储于可以由计算机读取的介质上，当包含程序编码机构的程序在一台计算机上运行时，实施如权利要求1至9所述的方法。
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