CN102015401A - 用于在车辆中进行换档的方法和动力传动系 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在设有手动变速器或手自一体变速器(130)的车辆中从第一档到第二档地进行换档的方法和动力传动系。含有该手自一体变速器的动力传动系包括经由离合器(110)连接到电动机/发电机(120)的发动机(100)，该电动机/发电机(120)又连接到所述手动变速器或手自一体变速器(130)，并且该电动机/发电机(120)连接到电池、其他蓄能装置或加热元件，所述方法包括如下步骤：控制该电动机/发电机(120)，以吸收与由发动机(100)提供的扭矩相等的扭矩，从而该手动变速器或手自一体变速器(130)仅传递小扭矩或不传递扭矩；使第一档分离；控制由该电动机/发电机(120)吸收的扭矩和由发动机(100)提供的扭矩，使得发动机转速与在选定的第二档下驱动车辆所需的发动机转速相关联；以及，接合该第二档。

Description

用于在车辆中进行换档的方法和动力传动系
技术领域
本发明涉及一种用于在设有手动变速器或手自一体变速器的车辆中进行换档的方法和动力传动系。含有所述变速器的动力传动系包括经由离合器连接到变速器的发动机。电动机/发电机以驱动方式连接到所述动力传动系，且布置在所述离合器与所述变速器之间或布置在所述燃烧型发动机与所述离合器之间。该电动机/发电机连接到蓄能装置和/或耗能器。
背景技术
本领域的技术人员已熟知用于各种车辆的手自一体变速器。这种变速器或多或少与手动变速器相同，但离合器操作和换档操作已自动化。
手动变速器和手自一体变速器共有的一个问题是：在换档期间，从发动机到驱动轮的动力传递被中断。除了在换档期间损失扭矩之外，这种动力传递中断对于涡轮增压发动机来说尤其成问题，因为涡轮机压力在该动力中断期间受到损失。对于排放和燃料经济性来说，涡轮机压力的损失是有害的，而且也延长了驾驶员无法控制发动机以向驱动轮供给充足驱动扭矩的时段。
在公知的现有技术中，在若干专利文献中已解决了类似问题。例如，US 6022290涉及一种降低换档期间发生的扭矩损失的动力传递系统。该系统包括用于在手自一体变速器的换档期间向驱动轮提供驱动扭矩的行星齿轮组。该系统的目的在于：在手自一体变速器的换档操作期间经由通向车轮的平行推进力路径为驱动轮提供扭矩。US 6022290还涉及一种在换档期间降低发动机功率输出的电子节气门控制。
US 6135913是源自US 6022290的分案申请，其保护范围包括一些类型的能量蓄存器应当用于在换档操作期间为驱动轮提供扭矩。
EP 1669638涉及一种包括第一变速器和第二变速器的传动系统。提供了电磁制动器，以使第二变速器接合和分离，所述电磁制动器的目的是在第一变速器的换档期间使第二变速器接合。
最后，US 2002/0065168涉及一种连接到第一原动机(发动机)和第二原动机(电动机)的变速器。该发动机和电动机布置成使得在换档期间该电动机为变速器提供驱动扭矩。
虽然所述专利文献中的上述布置结构中的一些可能解决了换档期间损失涡轮机压力的问题，但所提出的解决方案非常复杂，它们解决的是换档期间驱动扭矩损失的问题，而非解决涡轮机压力损失的问题。
本发明的一个目的是提供一种至少用于在手自一体变速器的换档期间避免增压器空载的方法。
发明内容
本发明通过提供包括如下步骤的方法解决了此问题：
控制该电动机/发电机，以提供与由所述燃烧型发动机提供的扭矩相等或至少相等的扭矩，从而该手动变速器或手自一体变速器仅传递小扭矩或不传递扭矩；
使当前接合的具有第一传动比的档位分离；
控制由该电动机/发电机和发动机提供的扭矩，使得所述燃烧型发动机的转速与在具有第二传动比的新选定的档位下驱动该车辆所需的转速相关联或几乎相关联；以及
接合所述新选定档位。
为了利用在换档期间由电动机/发电机提供的能量，由该电动机/发电机产生的电能可以传递到蓄能装置和/或耗能器。
该蓄能装置可以是电池或电容器。例如，如果电池被完全充满，则由该电动机/发电机产生的电能可以传递到诸如加热元件的耗能器。
为降低该加热元件过热的风险，可通过车辆的冷却系统来冷却该加热元件。
本发明的三个主要益处是：
当所述离合器分离时，能够在所述换档期间避免所述燃烧型发动机的增压器空载；
或者，能够在换档期间使所述燃烧型发动机的增压器的涡轮机压力适合于将要接合的所述新选定的档位；
或者，当所述离合器分离时，能够在换档期间维持所述燃烧型发动机的增压器的涡轮机压力。
在本发明的又一实施例中，在换档期间喷射到该燃烧型发动机内的燃料的喷射正时或点火正时将对于特定的发动机负荷增加涡轮机压力。
附图说明
在下文中，将参考单一附图1来描述本发明，该附图1是示出了并联式混合动力系统的动力传动系的示意图。
具体实施方式
参考图1，并联式混合动力系统包括：燃烧型发动机100(例如柴油机或汽油机)，离合器110，电动机/发电机120，分步换档的变速器130，以及与驱动轮150、150’连接的驱动轴140。在该变速器内，能够以已知的方式选择和接合不同的传动比。
发动机100连接到驱动轮150、150’，使得该发动机的输出轴的旋转运动经由离合器110、变速器130和驱动轴140传递到驱动轮150、150’。电动机/发电机120具有双重目的，即：当发动机的扭矩不足时，对该发动机进行辅助；以及，例如在需要发动机制动(例如在下坡时和减速期间)或者当驱动状况的扭矩要求使得发动机仅需提供有限的扭矩来推进车辆时的情形下对电池组进行充电。在这些情形下，通过使处于发电机模式下的该电动机/发电机作为发动机的负载，即，使得发动机的扭矩部分地用于为电池充电，能够大大提高发动机的燃料效率。随后，在发动机需要辅助以向驱动轮提供扭矩的情况下，通过使该电动机/发电机作为电动机运行，储存在所述电池内的电能能够用于辅助该发动机。
另一个可能性是在无发动机帮助的情况下使用储存在电池内的能量来驱动车辆。
根据上文的混合动力系统的典型运行方式如下：
当车辆要起动时，可以使用发动机和电动机/发电机中的任一个或二者来提供必需的起步扭矩。然而，如果使用发动机来使车辆起步，则需要在车辆静止期间使离合器分离，即中断从发动机100向变速器130的扭矩传递，并缓慢地接合该离合器110，使得在离合器完全接合之前、在所选档位下该车辆的速度对应于发动机的转速。
对于换档，需要使离合器分离；如果在传递扭矩的变速器内执行换档操作，则变速器磨损非常迅速。在离合器分离期间，发动机被节流(在汽油机的情况下)，或者在柴油机的情况下被控制为减少喷射到发动机气缸内的燃料量；如果该节流或燃料喷射量的减少未与离合器的分离在时间上同步，即，如果该节流或燃料喷射量的减少过迟，则发动机速度将迅速升高，从而导致过度的发动机磨损、噪声且排放增多，而在该节流或燃料喷射量的减少过早的情况下，会导致车辆迅速减速。
由于该节流或燃料喷射量的减少，布置成使发动机增压的可能的涡轮增压器将损失涡轮机压力。如本领域的技术人员所熟知的，在涡轮机压力恢复之前需要一定时间。这意味着发动机的功率将在离合器已经再次接合之后的一定时段内明显降低。总之，换档是一个耗时的过程，尤其是当发动机100设有涡轮增压器时。
然而，根据本发明，在不使离合器分离的情况下进行换档。这通过控制所述电动机/发电机使得它给出与发动机供给的扭矩相对应的扭矩来执行，但来自该电动机/发电机的扭矩应在与发动机提供的扭矩相反的方向上起作用。
如果发动机扭矩低，则控制该电动机/发电机120向电池提供最大充电电流就足够了，但在这些电池完全充满的情况下，本发明的一个实施例是提供耗能器形式的电负载，该耗能器例如是加热元件，其中，在该电动机/发电机内产生的电能被转化为热量。虽然由于将来自发动机的机械能浪费在加热元件内而使得本实施例初看上去非常低效，但应当注意，完成换档所需的时间短(大约1秒)；时间短将会减少所浪费的能量的量。
此外，即使能量在加热元件内被“浪费”(该加热元件可由发动机的冷却系统冷却)，此能量也被部分地或完全回收而具有积极效果，其中最重要的积极效果是：在制动期间，至少能够避免涡轮机压力损失，或甚至将涡轮机压力维持在大致同一水平。此效果使得在换档操作之后、该发动机的功率和燃料效率在离合器已经接合后立即提高。
在本发明的又一实施例中，超级电容器可用作电负载和耗能器来代替所述电池和/或加热元件，或者可以与所述电池和/或加热元件同时用作电负载和耗能器。
根据本发明的方法可与所谓的AMT或手自一体变速器结合使用。该手自一体变速器也包括自动化的离合器110。所述发动机、离合器、电动机/发电机以及变速器能够由一个或若干个控制单元(未示出)控制。因此，该控制单元可以被编程/布置成执行根据本发明不同实施例的步骤。根据本发明的方法也可用在并联式混合动力传动系内，其中，变速器和/或离合器由驾驶员手动控制，因此，仅发动机和该电动机/发电机由所述控制单元(或多个控制单元)控制。
本领域的技术人员也已熟知AMT变速器、手动变速器、离合器、发动机、以及电动机/发电机的功能和设计，因此，将不再对其进一步描述。
作为结论，下面将描述基于涡轮增压的燃烧型发动机且使用根据本发明的方法的混合动力系统的整个驱动顺序：
1.当车辆处于静止位置时，发动机100可以关闭或以怠速模式运行；如果发动机怠速，则离合器110分离或变速器130处于空档位置，不发生从发动机100向变速器及驱动轮150、150’的扭矩传递。
2.当驾驶员决定起动时，使离合器分离且接合第一档位(该第一档位不必是具有最高传动比的那个档位)。有两种策略可以选择：根据第一起步策略，不使用发动机100；而是，所有必需的扭矩均由电动机/发电机120提供。根据该第一起步策略，无论发动机是怠速还是关闭都无关紧要，因为根据此策略离合器是分离的。根据第二起步策略，发动机运行，且离合器从分离状态移动到接合状态，即设有手自一体变速器或手动变速器的车辆以“正常”方式起步。对于第二起步策略，可控制该电动机/发电机120向变速器提供扭矩，因此提高车辆加速度。也可以使用该第一策略和第二策略的组合，使得初始起动扭矩由电动机/发电机120提供；当车辆已达到一定速度时，离合器接合，从而发动机100辅助提供使车辆加速和驱动该车辆所需的扭矩。
3.当车辆速度已达到使发动机100的发动机转速对于提供最佳燃料经济性而言过高时，就是应进行换档的时间，从而该发动机能够在更有益的发动机转速下运行。如前文所述，对于手动变速器或手自一体变速器来说，在换档操作期间使得由变速器传递的扭矩为零或接近于零是很关键的。然而，并非完全如此。为了使档位分离，由变速器传递的扭矩为零就足够了，但为了使随后的档位接合，输入轴和输出轴的转速必须匹配或至少几乎匹配。这实现了如下情况：a.第一档位可快捷分离，并且b.随后选定的档位可快捷接合。然而，应注意到，为了提供快捷换档，所需的输入轴转速对于随后的所有档位的接合来说并不相等；在车辆加速的情况下，这意味着换档将从较低档位(较高传动比)向较高档位(较低传动比)进行，接合随后的新档位所需的发动机转速低于使先前档位分离所需的发动机转速，其中所述较低档位即对于给定的车速给出较高发动机转速的档位，所述较高档位即对于给定的车速给出较低发动机转速的档位。在车辆减速期间发生换档的情况下，输入轴的转速必须高于在先前档位分离期间的输入轴的转速。
4.对于实际的换档，向发动机100的燃料供给减少，使得由发动机100提供的扭矩被控制为低于电动机/发电机120能够吸收的扭矩。在此后的短时间内或同时地将该电动机/发电机控制为在与发动机提供的扭矩相反的方向上供给对应的扭矩(或几乎对应的扭矩)。这将手动变速器或手自一体变速器内的扭矩最小化为零或几乎为零，使得当前的档位能够分离。
5.在第一档位分离后，包括发动机100和电动机/发电机120的系统被控制为使得该发动机的转速(及由此引起的该电动机/发电机120的转速)与适于在随后选定的新档位下以目前的车辆速度来驱动车辆的发动机转速相关联或几乎相关联；如果换档涉及从具有较高传动比的较低档位向具有较低传动比的较高档位的换档，则适于随后选择的新档位的发动机转速低于第一档位所使用的发动机转速，反之亦然。
根据本发明的方法能够在发动机产生正向扭矩的、所有类型的换档期间(加档和减档，范围换档，非连续换档)使用。
与使用现有技术的方法相比，可通过使用根据本发明的方法来获得一些非常有益的效果。
首先，至少能够避免涡轮机压力的损失。根据本发明的一个实施例，能够在换档期间维持涡轮机压力。这使得发动机能够几乎在换档之后、即在新选定档位已经接合之后立即提供全扭矩。
根据又一实施例，在换档期间，涡轮机压力能够适合于马上要接合的新档位。所述控制单元能够被编程为估算所述新档位要求的扭矩，并且，能够通过控制所述发动机100和所述电动机/发电机120来使涡轮机压力相应地适合。
根据现有技术，在换档期间涡轮机压力会损失，而且，再形成足以实现完全的发动机性能的涡轮机压力需要相当长的时间。
其次，换档可更迅速地进行，因为发动机扭矩和涡轮机压力不需在换档之后从较低水平增加到相同程度。这对加档和减档都有用。
如果车辆在上坡行驶，这两个益处就尤其重要；迅速换档将降低换档期间车辆速度的损失，而涡轮机压力的迅速恢复(或不损失)将使最大发动机功率中的更高比例可用于驱动车辆。
再次，可降低离合器磨损。这将使得能够使用更小磨损的耐用离合器，这又意味着离合器能够制造得更轻。
根据现有技术，当装配有手自一体变速器的车辆在低档下加速时，在每个档位步骤中(在所接合的每个档位的时段内)，发动机将在短时期为驱动轮产生扭矩。在将扭矩再次降低以达到变速器内的零扭矩或几乎达到零扭矩时之前，发动机通常将没有时间达到最大扭矩。因此，在每个所接合的档位的时段内，发动机通常仅达到其最大可输出扭矩的大约60％。对于本发明的实施例，根据所述电动机/发电机的设计，所述60％可增加直至接近于发动机的最大可输出扭矩的100％，这归功于该电动机/发电机的响应比燃烧型发动机更快。结果，车辆加速性更好。
根据现有技术，该发动机可控制为使得在离合器分离之前扭矩缓降，而在离合器接合之后扭矩缓升，其方式使得驾驶员感受到震颤最小的、更柔和的换档过程。根据本发明的又一实施例，所述电动机/发电机可用于更好地控制这种相应的扭矩缓降/缓升，因为更容易控制电动机/发电机的扭矩输出，并且该电动机/发电机比发动机具有更快的响应。
此外，本发明还提供了对环境更友好的安全方案。如本领域的技术人员所熟知的，当涉及碳烟产生时，涡轮机压力逐渐增加的时段是非常敏感的；与存在涡轮机压力时相比，发动机吸入相当少的空气，但尽管如此，必须喷射大量燃料，以迅速恢复涡轮机压力。通过本发明，或多或少地消除了此问题。
如前所述，有利的是，当所述电动机/发电机用作发电机时，该电动机/发电机可提供与由发动机提供的扭矩大致一样大的扭矩。与由电动机/发电机提供的这种高扭矩相关联的一个问题是：该发电机将在短时间内产生大量电能。如本领域的技术人员所熟知的，以高电力(即高电流)为电池充电可能会毁坏这些电池。此问题的一种可能的解决方案可以是：使用电容器对在换档操作期间由电动机/发电机产生的电能进行短时间储存。在换档之后，储存在该电容器内的能量可传递给电池(如果这些电池需要充电的话)或用于该电动机/发电机来驱动车辆。
为了在换档期间维持至少一部分涡轮机压力，可以采取的又一可能措施是：推迟点火正时(对于汽油机来说)或推迟燃料喷射正时(对于柴油机来说)。本领域的技术人员所熟知的是，这种推迟将在不明显增加发动机扭矩的情况下使发动机的排气温度升高。结果，能够实现可用于所述涡轮机的能量的增加。如果电动机/发电机120能够吸收的最大扭矩明显低于发动机100能够提供的扭矩，则此措施是有利的；如果电动机/发电机120能够吸收的扭矩比发动机的最大扭矩低，则如果发动机以“标准”喷射正时运行、即以被调整为用于最大发动机性能的喷射正时运行，则可能难以维持涡轮机压力。在这种情况下，喷射的推迟可为涡轮增压器提供具有充足的能量密度的排气，而不会超过电动机/发电机120能够吸收的最大扭矩。
能够通过使用排气驱动的涡轮机或通过使用机械连接到所述发动机且由所述发动机直接驱动的压缩机或通过使用涡轮复合式系统(例如，参见US5884482)来执行所述燃烧型发动机的所述增压。
所述发明的实施例也可以应用于如下动力传动系：其中，所述电动机/发电机布置在该燃烧型发动机与离合器之间，例如它是配备有ISG(集成式起动发电机)的动力传动系。
如可理解的，在不偏离如所附权利要求限定的本发明范围的情况下，本领域的技术人员可修改上述示例性实施例。

Claims (10)

1.用于在设有手动变速器或手自一体变速器(130)的车辆中进行换档的方法，其中，含有所述手自一体变速器的动力传动系包括燃烧型发动机(100)，所述燃烧型发动机(100)经由离合器(110)连接到所述手动变速器或手自一体变速器(130)，并且，电动机/发电机(120)以驱动方式连接到所述动力传动系，且布置在所述离合器与所述变速器之间或布置在所述燃烧型发动机与所述离合器之间，并且所述电动机/发电机(120)还连接到蓄能装置和/或耗能器，所述方法的特征在于如下步骤：
i.控制所述电动机/发电机(120)，以吸收与由所述燃烧型发动机(100)提供的扭矩相等或几乎相等的扭矩，从而所述手动变速器或手自一体变速器(130)仅传递小扭矩或不传递扭矩；
ii.使具有第一传动比的档位分离；
iii.控制由所述电动机/发电机(120)吸收的扭矩和由所述燃烧型发动机(100)提供的扭矩，使得所述燃烧型发动机的转速与在具有第二传动比的新选定的档位下驱动车辆所需的转速相关联或几乎相关联；以及
iv.接合所述新选定的档位。
2.根据前一权利要求所述的方法，还包括如下步骤：
v.在前述步骤i至iv期间，延迟所述发动机(100)的喷射正时或点火正时。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，以如下方式控制所述发动机和所述电动机/发电机：在所述换档前、换档期间和换档后，避免所述燃烧型发动机(100)的增压器空载。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以如下方式控制所述发动机和所述电动机/发电机：在所述换档期间，使所述燃烧型发动机(100)的增压器的涡轮机压力适合于将要接合的所述新选定的档位。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以如下方式控制所述发动机和所述电动机/发电机：在所述换档前、换档期间和换档后，大部分地维持所述燃烧型发动机(100)的增压器的涡轮机压力。
6.一种如权利要求1中所限定的动力传动系，还包括控制单元，所述控制单元至少用于控制所述发动机和所述电动机/发电机，其特征在于，所述控制单元布置成执行权利要求1中的步骤。
7.根据前一权利要求所述的动力传动系，其特征在于，所述电动机/发电机(120)布置成将由所述电动机/发电机产生的电能传递给所述蓄能装置和/或耗能器。
8.根据前一权利要求所述的动力传动系，其特征在于，所述蓄能装置是电池和电容器中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的动力传动系，其特征在于，所述耗能器是加热元件。
10.根据权利要求6所述的动力传动系，其特征在于，所述动力传动系是并联式混合动力传动系，其中，来自所述燃烧型发动机的推进动力被设定为在所述变速器的若干传动比中的一个选定的传动比下经由一条通过所述离合器、所述电动机/发电机的路径到达车辆的驱动轮。
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