CN102059935A - 具有至少三个电可变运行模式的单行星齿轮混合动力系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有至少三个电可变运行模式的单行星齿轮混合动力系，具体提供一种混合动力系，该混合动力系具有发动机；输入构件、输出构件和固定构件；并且包括具有第一、第二、和第三构件的单个行星齿轮组。所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转。所述输出构件连接成与所述第二构件一起旋转。还提供了第一和第二电动机/发电机以及仅包括一个制动器的五个扭矩传递机构。所述扭矩传递机构能够以不同的组合进行接合，以建立至少两个纯电动运行模式、至少两个纯发动机运行模式以及至少三个电可变运行模式。在一个实施例中，还提供了电扭矩转换器运行模式，并且该模式可以是电动机/发电机失效情况下的默认模式。

Description

具有至少三个电可变运行模式的单行星齿轮混合动力系
技术领域
本发明涉及混合动力系，更具体地涉及一种具有两个电动机/发电机、发动机和单个行星齿轮组的混合动力系。
背景技术
用于车辆的混合动力系在不同的车辆运行条件下使用不同的动力源。电-机混合动力系通常具有内燃发动机(诸如柴油发动机、汽油发动机、空气发动机)或燃料电池、以及一个或多个电动机/发电机。不同的运行模式(诸如纯发动机运行模式、纯电动运行模式、和电可变运行模式)通过在不同的组合下接合制动器和/或离合器并控制发动机和电动机/发电机而建立。由于所述不同的运行模式可用于改善燃油效率，所以它们是有利的。然而，混合动力系所需的附加零部件(诸如电动机/发电机、行星齿轮组、制动器和/或离合器)会增加车辆整体成本。
发明内容
本发明提供一种混合动力系，该混合动力系具有最小数量的零部件而不会牺牲可用的运行模式和性能优点。例如，所述动力系仅具有一个行星齿轮组、两个电动机/发电机以及五个扭矩传递机构(包括仅一个带离合器(即仅一个制动器))，并且所述动力系能够在至少两个纯电动运行模式、至少两个纯发动机运行模式以及至少三个电可变运行模式下运行。该构造允许发动机在充电条件的低电池电量状态下用于车辆起动，由此与具有两个电动机/发电机的其它混合动力系结构相比允许使用较小的电池。进一步，可以检测系统失效(诸如对电动机/发电机有影响的失效)，并且控制所述动力系以防止在此种情况下电动机/发电机受到损坏。因为仅一个扭矩传递机构是制动器(即带离合器)，所以发热和离合器维护得以最小化。
具体地说，所述混合动力系具有发动机、输入构件、输出构件和固定构件。所述动力系仅具有单个行星齿轮组，所述单个行星齿轮组具有第一、第二、和第三构件，优选地分别是环形齿轮构件、行星架构件和恒星齿轮构件。所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转。所述输出构件连接成与所述第二构件一起旋转。设置有第一和第二电动机/发电机以及五个扭矩传递机构(仅包括一个制动器)。第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一构件固连至固定构件。第二扭矩传递机构能够选择性地接合以将第一电动机/发电机连接成与所述第一构件一起旋转。第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将输入构件连接成与所述第一构件一起旋转。第四扭矩传递机构能够选择性地接合以将输入构件连接成与所述第三构件一起旋转。第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将第二电动机/发电机连接成与所述第三构件一起旋转，或者能够选择性地接合以将第二电动机/发电机连接成与所述输出构件一起旋转。所述扭矩传递机构能够以不同的组合接合，以建立至少两个纯电动运行模式、至少两个纯发动机运行模式以及至少三个电可变运行模式。在一个实施例中，所述扭矩传递机构以不同的组合接合，从而建立两个纯发动机(固定档位)运行模式、两个纯电动运行模式、以及四个电可变运行模式。在另一实施例中，所述扭矩传递机构以不同的组合接合，从而建立三个纯发动机(固定档位)运行模式、四个纯电动运行模式、三个电可变运行模式、以及电扭矩转换器运行模式。
一个或多个控制器能够监测所述电动机/发电机的、诸如与所述电动机/发电机相关的零部件失效或所述电动机/发电机失效的运行条件。在指示此种失效的预定运行条件下，所述控制器将响应于监测到的运行条件而接合那些建立所述纯发动机运行模式之一(或者所述电扭矩转换器运行模式)的扭矩传递机构。通过依赖于来自发动机的动力，防止了对所述电动机/发电机的损坏。另外，所述一个或多个控制器可监测用于将所存储能量提供给所述电动机/发电机的能量存储装置(诸如电池)的充电状态，并且在所述充电状态下降到低于预定的最低充电状态时，接合那些建立所述纯发动机运行模式之一的扭矩传递机构。
方案1、一种用于车辆的混合动力系，包括：
发动机；
输入构件、输出构件和固定构件；
单个行星齿轮组，其具有第一、第二和第三构件，其中所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转；其中所述输出构件连接成与所述第二构件一起旋转；
第一和第二电动机/发电机；
第一、第二、第三、第四和第五扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一构件固连至所述固定构件，其中所述第二扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第四扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述电动机/发电机中的一个连接成与所述第三构件和所述输出构件中的一个一起旋转；并且其中所述扭矩传递机构能够以不同的组合进行接合，从而建立至少两个纯电动运行模式、至少两个纯发动机运行模式以及至少三个电可变运行模式。
方案2、如方案1所述的混合动力系，其中所述第一和第五扭矩传递机构接合且所述第一电动机/发电机以电动机方式运行以建立所述至少两个纯电动运行模式中的一个；并且
其中所述第二和第五扭矩传递机构接合且所述第一和第二电动机/发电机以电动机方式运行以建立所述至少两个纯电动运行模式中的另一个。
方案3、如方案1所述的混合动力系，其中所述至少两个纯电动运行模式包括：
第一纯电动运行模式，在该模式中所述第一扭矩传递机构接合且所述第一电动机/发电机以电动机方式运行，
第二纯电动运行模式，在该模式中所述第二扭矩传递机构接合且两个所述电动机/发电机都以电动机方式运行，
第三纯电动运行模式，在该模式中所述第一和第五扭矩传递机构接合且两个所述电动机/发电机都以电动机方式运行，以及
第四纯电动运行模式，在该模式中所述第二和第五扭矩传递机构接合且所述第一和第二电动机/发电机以电动机方式运行。
方案4、如方案1所述的混合动力系，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第二电动机/发电机连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第二、第三和第五扭矩传递机构接合以建立所述电可变运行模式中的第一电可变运行模式，在所述第一电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中所述第二、第四和第五扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第二电可变运行模式，在所述第二电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中所述第三和第五扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第三电可变运行模式，在所述第三电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中所述第二和第四扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第四电可变运行模式，在所述第四电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩。
方案5、如方案1所述的混合动力系，其中所述第二电动机/发电机连接成与所述第三构件一起旋转，且所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述输出构件一起旋转；其中所述第三和第五扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第一电可变运行模式，在所述第一电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中所述第二和第三扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第二电可变运行模式，在所述第二电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中所述第二和第四扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第三电可变运行模式，在所述第三电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩。
方案6、如方案1所述的混合动力系，其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第一纯发动机运行模式中，所述第一和第四扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第二纯发动机运行模式中，所述第三和第四扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩。
方案7、如方案6所述的混合动力系，进一步包括：
能量存储装置，其以可运转的方式连接至所述电动机/发电机，用于向所述电动机/发电机提供所存储的能量；以及
一个或多个控制器，其能够监测所述能量存储装置和所述电动机/发电机的运行条件，并且能够响应于监测到的、指示所存储的能量低于预定水平或者所述电动机/发电机中的至少一个失效的运行条件而建立所述纯发动机运行模式中的一个。
方案8、如方案1所述的混合动力系，其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第一纯发动机运行模式中，所述第一和第四扭矩传递机构接合，且发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第二纯发动机运行模式中，所述第二、第三和第四扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第三纯发动机运行模式中，所述第一、第四和第五扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中所述第三扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以建立电扭矩转换器运行模式，在所述电扭矩转换器运行模式中，来自所述发动机的扭矩通过所述行星齿轮组放大，且所述第二电动机/发电机在所述恒星齿轮构件处提供扭矩。
方案9、如方案8所述的混合动力系，进一步包括：
能量存储装置，其以可运转的方式连接至所述电动机/发电机，用于向所述电动机/发电机提供所存储的能量；以及
一个或多个控制器，其能够监测所述能量存储装置和所述电动机/发电机的运行条件，并且能够响应于监测到的、指示所存储的能量低于预定水平或者所述电动机/发电机中的至少一个失效的运行条件而建立所述纯发动机运行模式或所述电扭矩转换器运行模式中的任一个。
方案10、如方案1所述的混合动力系，其中所述第一构件是环形齿轮构件，所述第二构件是行星架构件，而所述第三构件是恒星齿轮构件。
方案11、一种用于车辆的混合动力系，包括：
发动机；
输入构件、输出构件和固定构件；
单个行星齿轮组，其具有环形齿轮构件、恒星齿轮构件和行星架构件，其中所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转；其中所述输出构件连接成与所述行星架构件一起旋转；
第一和第二电动机/发电机；
第一、第二、第三、第四和第五扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一构件固连至所述固定构件，其中所述第二扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第四扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第二电动机/发电机连接成与所述第三构件一起旋转；并且其中所述扭矩传递机构能够以不同的组合进行接合，从而建立两个纯电动运行模式、两个纯发动机运行模式以及四个电可变运行模式。
方案12、如方案11所述的混合动力系，进一步包括：
能量存储装置，其以可运转的方式连接至所述电动机/发电机，用于向所述电动机/发电机提供所存储的能量；以及
一个或多个控制器，其能够监测所述能量存储装置和所述电动机/发电机的运行条件，并且能够响应于监测到的、指示所存储的能量低于预定水平或者所述电动机/发电机中的至少一个失效的运行条件而建立所述纯发动机运行模式中的一个。
方案13、一种用于车辆的混合动力系，包括：
发动机；
输入构件、输出构件和固定构件；
单个行星齿轮组，其具有环形齿轮构件、恒星齿轮构件和行星架构件，其中所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转；其中所述输出构件连接成与所述行星架构件一起旋转；其中所述第二电动机/发电机构件连接成与所述第三构件一起旋转；
第一和第二电动机/发电机；
第一、第二、第三、第四和第五扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一构件固连至所述固定构件，其中所述第二扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第四扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述输出构件一起旋转；其中所述扭矩传递机构能够以不同的组合进行接合，以建立四个纯电动运行模式、三个纯发动机运行模式、三个电可变运行模式以及电扭矩转换器运行模式，在所述运行模式中发动机扭矩通过所述行星齿轮组放大。
方案14、如方案13所述的混合动力系，进一步包括：
至少一个控制器，其能够监测所述电动机/发电机的运行条件，并且以可运转的方式连接至所述扭矩传递机构，从而响应于监测到的、指示所述电动机/发电机中的一个失效的运行条件而建立所述两个纯发动机运行模式中的任一个，或者响应于监测到的、指示所述第二电动机/发电机失效的运行条件而建立所述电扭矩转换器运行模式。
方案15、如方案13所述的混合动力系，进一步包括：
能量存储装置，其以可运转的方式连接至所述电动机/发电机，用于向所述电动机/发电机提供所存储的能量；以及
至少一个控制器，其能够监测所述电池的运行条件，并且以可运转的方式连接至所述扭矩传递机构，从而响应于监测到的、指示所存储的能量低于预定水平的运行条件而建立所述两个纯发动机运行模式中的一个。
通过下面结合附图对实施本发明的最佳模式所作的详细说明，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得清楚。
附图说明
图1是混合动力系的第一实施例的示意图；
图2是示出图1的动力系的扭矩传递机构的接合方案(为了建立八个不同的运行模式)的图表；
图3是混合动力系的第二实施例的示意图；
图4是示出图3的动力系的扭矩传递机构的接合方案(为了建立十一个不同的运行模式)的图表。
具体实施方式
参见附图，其中相同的标号在所有图中表示相同的零部件，图1示出用于车辆的混合动力系10。动力系10包括作为一个动力源的发动机12。发动机12可以是柴油发动机、汽油发动机、空气发动机、燃料电池或不同于电动机/发电机的其它类型的动力源。动力系10进一步包括第一电动机/发电机15(在图1中标为M/GA)和第二电动机/发电机14(在图1中标为M/GB)。
动力系10包括单个行星齿轮组20，所述单个行星齿轮组20具有恒星齿轮构件22、环形齿轮构件24、和行星架构件26。如本领域普通技术人员所公知的那样，行星架构件26以能够旋转的方式支撑多个行星小齿轮(未示出)，所述行星小齿轮与恒星齿轮构件22和环形齿轮构件24都啮合。本领域普通技术人员容易理解行星齿轮组的功能和操作。如在文中所使用的，环形齿轮构件24称为行星齿轮组20的第一构件；行星架构件26称为行星齿轮组20的第二构件；而恒星齿轮构件22称为行星齿轮组20的第三构件。行星齿轮组20的构件可以不同的方式设置，而不脱离本发明的范围。此外，复合行星齿轮组可以代替简单行星齿轮组20而使用，或者差动齿轮系能够代替行星齿轮组而使用。
发动机12具有发动机输出构件(诸如曲轴)，所述发动机输出构件连接成与输入构件30一起旋转。输出构件32连接成与所述行星架构件26一起旋转且与传动装置34一起旋转，传动装置34可以是主减速器或者具有附加啮合齿轮和扭矩传递机构(未示出)的传动变速箱。
设置五个扭矩传递机构，其中包括第一固定型离合器C1-也称为带离合器或制动器C1。其它四个扭矩传递机构(离合器C2、离合器C3、离合器C4和离合器C5)是旋转型离合器。制动器C1能够选择性地接合以将环形齿轮构件24固连至固定构件35，固定构件35可以是变速器壳体或其它非旋转构件。离合器C2能够选择性地接合以将电动机/发电机15连接成与环形齿轮构件24一起旋转。如文中所使用的，“一起旋转”意味着以相同的速度旋转，包括零速度或不旋转。离合器C3能够选择性地接合以将输入构件30(由此将发动机12)连接成与环形齿轮构件24一起旋转。C4能够选择性地接合以将发动机12连接成与恒星齿轮构件22一起旋转。离合器C5能够选择性地接合以将电动机/发电机14连接成与恒星齿轮构件22一起旋转。
电动机/发电机14和15中的每个都具有定子和转子。所述转子通过功率逆变器(INV)38与能量存储设备(诸如电池36)连接，其中当相应的电动机/发电机14、15用作电动机时，所述功率逆变器38将电池(BATT)36供应的直流电转换成用于对电动机/发电机14、15进行供电的交流电；当相应的电动机/发电机14、15用作发电机时，所述功率逆变器38将来自定子的交流电转换成存储在电池36中的直流电，这是本领域普通技术人员容易理解的。如果使用液压或气动腔代替电池作为用于电动机/发电机的能量存储装置，则也能获得动力系10的优点。
如本领域普通技术人员所理解的，电动机控制处理器(CONT)40连接至电动机/发电机14、15，从而根据存储的算法和车辆运行条件，控制电动机/发电机14、15的定子和电池36之间的电能流量，以控制相应电动机/发电机14、15是用作电动机还是发电机，以及控制电动机/发电机14、15的转子的扭矩和速度的量。电动机/发电机14、15可构造成能够从电网再充电，从而动力系10可以是插电式混合动力系。
发动机控制模块(ECM)37以可运转的方式与发动机12和诸如加速器位置传感器、车轮速度传感器等的其它车辆零部件连接，以根据存储的算法控制发动机12的运行(诸如发动机速度、开动或停止)。混合动力控制处理器(HCM)39以可运转的方式连接至ECM 37以及连接至电动机控制处理器40。
变速器控制模块(TCM)41用于控制扭矩传递机构(制动器C1以及离合器C2、C3、C4和C5)的接合，诸如通过对控制用于使所述扭矩传递机构C1、C2、C3、C4和C5接合的液压流体的阀进行致动，其中变速器控制模块(TCM)41可以是变速器电液控制模块(TEHCM)的一部分，包括阀体和电磁阀。ECM 37、HCM 39、CONT 40和TCM 41中的全部或一部分可以集成为单个控制器。
动力系10能够以八个不同的模式运行。模式的建立是通过不同扭矩传递机构的接合以及通过提供来自一个或多个动力源的动力而实现。用于所述八个运行模式的扭矩传递机构接合方案在图2中示出。在一个电动机/发电机纯电动运行模式(在图2中示出为“一M/G EV”)中，用动力系10对车辆进行起动能够由电动机/发电机14供应的动力来实现。为了建立所述电动机/发电机纯电动运行模式，制动器C1接合以在环形齿轮构件24处提供反作用扭矩，并且离合器C5与被控制为以电动机方式运行的电动机/发电机14接合，从而将扭矩传递至恒星齿轮构件22，所述扭矩通过行星齿轮组20被提供给输出构件32，以对车辆进行推进。该单电动机/发电机纯电动运行模式可用于起动车辆以获得更好的燃料经济性，因为在车辆起动时发动机摩擦高。所述单电动机/发电机纯电动运行模式还可用于在制动和减速期间获取动能从而将电能回馈至电池36，以回收已耗费的能量。
使用两个电动机/发电机14、15的第二纯电动运行模式在图2中示出为“二M/G EV”。为了建立所述第二纯电动运行模式，离合器C2和C5接合以将电动机/发电机14连接成与恒星齿轮构件22一起旋转，并将电动机/发电机15连接成与环形齿轮构件24一起旋转。从而电动机/发电机14、15都能够提供扭矩来推进车辆。所述第二纯电动运行模式为车辆提供扩展的电动行驶路程。所述第二纯电动运行模式比扩展行驶路程电动车(extended range electric vehicle)效率更高，扩展行驶路程电动车依赖发动机来将动力提供给用作发电机的电动机/发电机且该电动机/发电机再对第二电动机供电以驱动车辆。此种扩展行驶路程车辆总是需要电-机路径，所述电-机路径在从机械能向电能转换中会产生相关损失。
提供四个不同的电可变运行模式，其中发动机12和电动机/发电机14、15中的一个或两个通过行星齿轮组20在输出构件32处提供动力。在所述电可变运行模式中，能够控制发动机12而使其在最高效的运行速度下运行，同时控制电动机/发电机14、15中的一个或两个的速度以满足车辆运行条件。为了建立第一电可变运行模式(在图2中示出为EVT1)，离合器C2、C3和C5接合。发动机12在环形齿轮构件24处提供扭矩，同时电动机/发电机14在恒星齿轮构件22处提供扭矩，且所述扭矩在输出构件32处通过行星齿轮组20组合。电动机/发电机15能够根据需要而提供扭矩或接收扭矩，以将发动机12维持在其最佳速度。
为了建立第二电可变运行模式(在图2中示出为EVT2)，离合器C2、C4和C5接合。因此，发动机12和电动机/发电机14的扭矩在恒星齿轮构件22处组合，且电动机/发电机15在环形齿轮构件24处提供扭矩，且所述扭矩在输出构件32处通过行星齿轮组20组合。发动机12可在其最佳速度下运行，并且其扭矩从恒星齿轮构件22到行星架构件26放大。
为了建立第三电可变运行模式(在图2中示出为EVT3)，离合器C3和C5接合。发动机12在环形齿轮构件24处提供扭矩，并且，由于电动机/发电机14在恒星齿轮构件22处提供扭矩，发动机12可在其最佳速度下运行。
为了建立第四电可变运行模式(在图2中示出为EVT4)，离合器C2和C4接合。发动机12向恒星齿轮构件22提供扭矩，同时电动机/发电机15根据需要用作电动机或用作发电机，以在环形齿轮构件24处提供扭矩，使得在输出构件32处为车辆运行条件提供必需的扭矩，同时仍然允许发动机12在其最佳速度下运行。
还提供了两个不同的纯发动机、固定档位运行模式。第一纯发动机、固定档位运行模式(在图2中示出为“仅发动机固定档位1”)通过接合制动器C1和离合器C4而建立。发动机12在恒星齿轮构件22处提供扭矩，而制动器C1在环形齿轮构件24处提供反作用扭矩。发动机扭矩通过行星齿轮组20被放大。当需要相对较高的扭矩时，第一纯发动机模式会是适当的。在第一纯发动机运行模式中电动机/发电机14、15不需要保持静止，并且在该模式期间，如果电池充电状态在预定范围之外，则可通过接合离合器C5，从而能够根据需要将发动机12用于通过电动机/发电机14对电池36进行再充电。
第二纯发动机、固定档位运行模式(在图2中示出为“仅发动机固定档位2”)通过接合离合器C3和C4而建立。发动机12以直接传动比在输出构件32处提供扭矩，因为发动机扭矩被提供至环形齿轮构件24和恒星齿轮构件22。
当电池36的温度在用于供电的预定可接受温度范围之外(即当认为电池36太冷(低于预定的最低温度)或太热(高于预定的最高温度))时，可以选择所述纯发动机模式。另外，由于电磁损失高且电-机路径不是那么高效，所以，如果电池36在充分充电状态，并且车辆以相对较高的速度巡航时，以纯发动机运行模式运行比让电池36放电会更加高效。在高速巡航期间，当所需扭矩较小时所述纯发动机固定档位运行模式是高效的。
如果动力系10以第二纯电动运行模式起动，则可以保持该模式，直到车辆速度需要电动机/发电机14、15的峰值功率并且/或者电池的充电状态由于繁重使用而下降至低于预定的最低充电状态。然后，可通过接合离合器C4而使发动机12在发动机开动/停止运行模式下开动，使得电动机/发电机14来起动发动机12。一旦发动机12获得发动速度，则通过释放离合器C4并接合离合器C3(同时离合器C2和C5保持接合)以建立所述第一电可变运行模式(其中来自发动机12和电动机/发电机14、15的扭矩在输出构件32处通过行星齿轮组20组合，以满足来自驾驶员的更高加速需求)，来自发动机12的扭矩可以被添加至输出构件32。在所述第一电可变运行模式期间，电动机/发电机14可被控制为作为发电机运行，将来自恒星齿轮构件22的扭矩转换成存储在电池36内的电能，以使输出构件32减速，诸如在车辆制动期间。
此外，动力系10设计为在上述的电池条件或电动机相关的失效(诸如电动机控制处理器40失效、当发动机12关闭时用于对向扭矩传递机构C1、C2和C3提供润滑液流的辅助泵进行驱动的电动机失效、或者电动机接触器控制器失效)的情况下转变至纯发动机运行模式。在此种失效的情况下，其可以由构造成感测车辆运行条件的各种传感器指示给ECM 37、HCM 39、CONT 40或TCM41，TCM 41提供控制信号以使得或者制动器C1和离合器C4接合(第一纯发动机模式)，或者离合器C3和C4接合(第二纯发动机模式)。保护电动机/发电机14、15不受损坏，否则如果在所述失效情况下运行则可能会损坏。
动力系10与提供四个电可变运行模式的其它混合动力系相比降低了成本，其原因在于，动力系10仅需要一个行星齿轮组20以及仅一个旋转离合器C1。从而其封装更加简单。与带有两个电动机/发电机的混合动力系相比整体重量也降低。因为反作用扭矩可在环形齿轮构件24处获得的，所以在与电动机相关的失效的情况下，动力系10能够在纯发动机模式下运行。相对于构造成对两个电动机/发电机供电的典型电池，电池36的尺寸可以减小，其原因在于，发动机12可用于在低充电状态条件下起动(因为发动机12在第二纯发动机运行模式下直接与输出构件32连接)。由于纯发动机和电可变运行模式的可得性，动力系10仍然以低成本设计而提供期望的电动行驶路程和燃料经济性。所述电动行驶路程能够比得上具有两个电动机/发电机的其它现有动力系，其原因在于，电动机/发电机14连接至恒星齿轮构件22，以提供较大扭矩因此提供较大的行驶路程。因为纯发动机运行模式与所述电可变运行模式一样高效，所以获得的燃料经济性将保持为能够比得上其它具有两个电动机/发电机的动力系。
第二实施例
图3示出用于车辆的混合动力系110。动力系110包括参照图1的动力系10所述和所示的相同零部件，但是除外的是，离合器C5能够选择性地接合以将第一电动机/发电机15(M/G A)连接成与输出构件32一起旋转。
动力系110能够以十一种不同模式运行。用于所述十一个运行模式的扭矩传递机构接合方案在图4中示出。在一个电动机/发电机纯电动运行模式(在图4中示出为EV1)中，以动力系110对车辆进行起动能够由电动机/发电机14供应的动力来实现。为了建立所述一个电动机/发电机纯电动运行模式，制动器C1接合以在环形齿轮构件24处提供反作用扭矩，并且电动机/发电机14被控制为以电动机方式运行，从而向恒星齿轮构件22提供扭矩，所述扭矩通过行星齿轮组20被提供给输出构件32，以对车辆进行推进。该单电动机/发电机、纯电动运行模式可用于起动车辆，以获得更好的燃料经济性，其原因在于，在车辆起动时发动机摩擦较高。所述单电动机/发电机、纯电动运行模式还可用于在制动和减速期间获取动能从而将电能回馈至电池36，以回收已耗费的能量。
使用两个电动机/发电机14、15的第二纯电动运行模式在图4中示出为EV2。为了建立所述第二纯电动运行模式，离合器C2接合以将电动机/发电机15连接成与环形齿轮构件24一起旋转。从而电动机/发电机14、15都能够提供扭矩以使用可控制的电动机速度推进车辆。所述第二纯电动运行模式为车辆提供扩展的电动行驶路程。所述第二纯电动运行模式比扩展行驶路程电动车更高效，该扩展行驶路程电动车依赖发动机来将动力提供给用作发电机的电动机/发电机且该电动机/发电机再对第二电动机供电以驱动车辆。此种扩展行驶路程车辆总是需要电-机路径，而所述电-机路径在从机械能向电能转换中会产生相关损失。
使用两个电动机/发电机14、15的第三纯电动运行模式在图4中示出为EV3中。为了建立所述第三纯电动运行模式，离合器C1和C5接合以将环形齿轮构件24固连至固定构件35，以及将电动机/发电机15连接成与输出构件32一起旋转。从而输出构件32的速度等于电动机/发电机15的速度。所述第三纯电动运行模式是起动车辆的理想模式，其原因在于，通过控制电动机/发电机15的速度可容易地控制输出构件32的速度。因为电动机/发电机15能够通过接合C5而选择性地附接至输出构件32，所以扭矩可由电动机/发电机14、15提供，且电动机/发电机14的扭矩被放大。
使用两个电动机/发电机14、15的第四纯电动运行模式在图4中示出为EV4中。为了建立所述第四纯电动运行模式，离合器C2和C5接合以将电动机/发电机15连接成与环形齿轮构件24和输出构件32一起旋转，因此使得行星齿轮组20的恒星齿轮构件22、行星架构件26和环形齿轮构件24以相同的速度旋转，从而建立电直接驱动模式——在该模式中输出构件32以与电动机/发电机15相同的速度旋转(即没有通过行星齿轮组20进行的扭矩放大)。第四纯电动运行模式EV4理想地适用于低速巡航。
还提供了三个不同的电可变运行模式，其中发动机12和电动机/发电机14、15中的一个或两个通过行星齿轮组20在输出构件32处提供动力。为了建立第一电可变运行模式(在图4中示出为EVT1)，离合器C3和C5接合。发动机12在环形齿轮构件24处提供扭矩，同时电动机/发电机14在恒星齿轮构件22处提供扭矩。电动机/发电机15提供扭矩至或接收来自输出构件32的扭矩，从而第一电可变运行模式是低速、输入分流运行模式。
为了建立第二电可变运行模式(在图4中示出为EVT2)，离合器C2和C3接合。发动机12在环形齿轮构件24处提供扭矩，同时电动机/发电机15提供扭矩至环形齿轮构件24，以与发动机12共同承担负载。电动机/发电机14提供扭矩至或接收来自恒星齿轮构件22的扭矩，以使得发动机12在满足车辆运行条件的同时能够维持最佳运行速度。所述第二电可变运行模式是用于高速的理想输出分流运行模式。
为了建立第三电可变运行模式(在图4中示出EVT3)，离合器C2和C4接合。发动机12在恒星齿轮构件22处提供扭矩，同时电动机/发电机15在环形齿轮构件24处提供扭矩以使得发动机12能够维持最佳运行速度。电动机/发电机14提供扭矩至恒星齿轮构件22或在恒星齿轮构件22处接收扭矩，以与发动机12共同承担负载。所述第三电可变运行模式是用于高速的理想输出分流模式，但是减速程度小于EVT2。
还提供了三个不同的纯发动机、固定档位运行模式。第一纯发动机、固定档位运行模式(在图4中示出为“仅发动机固定档位1”)通过接合制动器C1和离合器C4而建立。发动机12在恒星齿轮构件22处提供扭矩，而制动器C1在环形齿轮构件24处提供反作用扭矩。发动机扭矩通过行星齿轮组20而放大。当需要相对较高的扭矩时，第一纯发动机模式是适当的。在第一纯发动机模式中电动机/发电机14不需要保持静止，并且在该模式期间，如果电池充电状态在预定的范围之外，则可根据需要通过接合离合器C5，使发动机12用于通过电动机/发电机14对电池36进行再充电。
第二纯发动机、固定档位运行模式(在图4中示出为“仅发动机固定档位2”)通过接合离合器C2、C3和C4而建立。发动机12在环形齿轮构件24和恒星齿轮构件22处提供扭矩。因为发动机12连接成与环形齿轮构件24和恒星齿轮构件22一起旋转，“仅发动机固定档位2”是直接驱动运行模式(即从发动机12至输出构件32没有扭矩放大)。该运行模式非常适用于以恒定的车辆速度巡航。在第二纯发动机模式中电动机/发电机14、15不需要保持静止，并且在该模式期间，如果电池充电状态在预定的范围之外，则发动机12能够根据需要用于通过电动机/发电机14和/或15对电池36进行再充电。
第三纯发动机、固定档位运行模式(在图4中示出为“仅纯发动机固定档位3”)通过接合制动器C1、离合器C4和C5而建立。发动机12在恒星齿轮构件22处提供扭矩，同时环形齿轮构件24保持静止，导致通过行星齿轮组20进行高倍扭矩放大，其理想地用于加速、车辆起动或节气门全开条件。在第三纯发动机运行模式中，电动机/发电机14、15不需要保持静止，并且在该模式期间，如果电池充电状态在预定的范围之外，则发动机12能够根据需要用于通过电动机/发电机14、15对电池36进行再充电。
通过接合离合器C3建立在图4中示出为eTC模式的电扭矩转换器运行模式。发动机12在环形齿轮构件24处提供扭矩，从而在输出构件32处导致通过行星齿轮组20的扭矩放大。电动机/发电机14在恒星齿轮构件22处提供反作用扭矩，以使得发动机12的扭矩能够通过行星齿轮组20放大。所述eTC模式可以是在指示电动机/发电机15失效的被监测车辆运行条件的情况下、在控制器40的控制下建立的默认模式。
如动力系10一样，动力系110与提供三个电可变运行模式的其它混合动力系结构相比降低了成本，其原因在于，动力系110仅需要一个行星齿轮组20以及仅一个旋转离合器C1。因此封装更加简单。与带有两个电动机/发电机的混合动力系相比整体重量也降低。与仅具有单个行星齿轮组的其它混合动力车辆相比，所述四个纯电动运行模式提供良好的电动行驶路程能力。车辆能够以多种不同的运行模式(包括纯电动运行模式EV3、两个纯发动机固定档位运行模式(FG1和FG2)以及电可变运行模式EVT1)起动。
因为反作用扭矩可在环形齿轮构件24处获得，动力系110能够在与电动机相关的失效的情况下以纯发动机运行模式运行。如果电动机/发电机14失效，纯发动机固定档位1或纯发动机固定档位3运行模式中的任一个都能够用于提供两级扭矩放大中的任一个。在电动机/发电机15失效的情况下，电扭矩转换器eTC模式是可用的，行星齿轮组20允许发动机扭矩的扭矩放大，其原因在于，电动机/发电机14在恒星齿轮构件22处提供反作用扭矩。两个不同的直接驱动模式是可用的，诸如用于车辆巡航期间，一个是纯电动运行模式(EV4)，另一个是纯发动机运行模式(FG2)。纯发动机、固定档位模式中的两个(纯发动机固定档位2和纯发动机固定档位3)能够以两个电动机/发电机14、15运行的方式操作，从而允许有电池充电或进行平衡的机会。例如，如果电池SOC为满(处于或高于90％)，则电池36不能再接收任何更多的充电电流。在此种情况下，如果车辆110正在巡航，则纯发动机模式比纯电动模式效率更高。然而，如果发动机12正提供的动力量足以满足输出要求以及对电池36充电的要求，且仍然在高效率点处运行，则可以使用电-机路径，用发动机12直接驱动车轮以及通过电动机/发电机14驱动车轮，而不使用电池36。在冷电池条件或热电池条件的情况下，电池36可能无法立即充电，则可以使用纯发动机模式。
最后，两个电可变运行模式(EVT2和EVT3)是负载共同承担的模式，其中电动机/发电机中的一个与发动机12连接且能够辅助发动机12提供扭矩。
相对于构造成对两个电动机/发电机供电的典型电池，电池36的尺寸可以减小，其原因在于，发动机12可以用于在低充电状态条件下起动车辆(这是因为发动机12在第二纯发动机运行模式下直接与输出构件32连接)。由于纯发动机和电可变运行模式的可得性，动力系110以低成本设计而仍然提供期望的电动行驶路程和燃料经济性。所述电动行驶路程能够比得上具有两个电动机/发电机的其它现有动力系，其原因在于，电动机/发电机14连接至恒星齿轮构件22，以提供较大扭矩因而提供较大的行驶路程。因为纯发动机运行模式与所述电可变运行模式一样高效，所以获得的燃料经济性将保持为能够比得上其它具有两个电动机/发电机的动力系。
尽管已经详细说明了实施本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及领域的技术人员将会认识到所附权利要求范围内的、用于实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于车辆的混合动力系，包括：
发动机；
输入构件、输出构件和固定构件；
单个行星齿轮组，其具有第一、第二和第三构件，其中所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转；其中所述输出构件连接成与所述第二构件一起旋转；
第一和第二电动机/发电机；
第一、第二、第三、第四和第五扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一构件固连至所述固定构件，其中所述第二扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第四扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述电动机/发电机中的一个连接成与所述第三构件和所述输出构件中的一个一起旋转；并且其中所述扭矩传递机构能够以不同的组合进行接合，从而建立至少两个纯电动运行模式、至少两个纯发动机运行模式以及至少三个电可变运行模式。
2.如权利要求1所述的混合动力系，其中所述第一和第五扭矩传递机构接合且所述第一电动机/发电机以电动机方式运行以建立所述至少两个纯电动运行模式中的一个；并且
其中所述第二和第五扭矩传递机构接合且所述第一和第二电动机/发电机以电动机方式运行以建立所述至少两个纯电动运行模式中的另一个。
3.如权利要求1所述的混合动力系，其中所述至少两个纯电动运行模式包括：
第一纯电动运行模式，在该模式中所述第一扭矩传递机构接合且所述第一电动机/发电机以电动机方式运行，
第二纯电动运行模式，在该模式中所述第二扭矩传递机构接合且两个所述电动机/发电机都以电动机方式运行，
第三纯电动运行模式，在该模式中所述第一和第五扭矩传递机构接合且两个所述电动机/发电机都以电动机方式运行，以及
第四纯电动运行模式，在该模式中所述第二和第五扭矩传递机构接合且所述第一和第二电动机/发电机以电动机方式运行。
4.如权利要求1所述的混合动力系，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第二电动机/发电机连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第二、第三和第五扭矩传递机构接合以建立所述电可变运行模式中的第一电可变运行模式，在所述第一电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中所述第二、第四和第五扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第二电可变运行模式，在所述第二电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中所述第三和第五扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第三电可变运行模式，在所述第三电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中所述第二和第四扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第四电可变运行模式，在所述第四电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩。
5.如权利要求1所述的混合动力系，其中所述第二电动机/发电机连接成与所述第三构件一起旋转，且所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述输出构件一起旋转；其中所述第三和第五扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第一电可变运行模式，在所述第一电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中所述第二和第三扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第二电可变运行模式，在所述第二电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中所述第二和第四扭矩传递机构接合以建立所述至少三个电可变运行模式中的第三电可变运行模式，在所述第三电可变运行模式中所述电动机/发电机中的一个或两个和所述发动机通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩。
6.如权利要求1所述的混合动力系，其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第一纯发动机运行模式中，所述第一和第四扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第二纯发动机运行模式中，所述第三和第四扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩。
7.如权利要求6所述的混合动力系，进一步包括：
能量存储装置，其以可运转的方式连接至所述电动机/发电机，用于向所述电动机/发电机提供所存储的能量；以及
一个或多个控制器，其能够监测所述能量存储装置和所述电动机/发电机的运行条件，并且能够响应于监测到的、指示所存储的能量低于预定水平或者所述电动机/发电机中的至少一个失效的运行条件而建立所述纯发动机运行模式中的一个。
8.如权利要求1所述的混合动力系，其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第一纯发动机运行模式中，所述第一和第四扭矩传递机构接合，且发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第二纯发动机运行模式中，所述第二、第三和第四扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；
其中在所述至少两个纯发动机运行模式中的第三纯发动机运行模式中，所述第一、第四和第五扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以通过所述行星齿轮组在所述输出构件处提供扭矩；并且
其中所述第三扭矩传递机构接合，且所述发动机被供能，以建立电扭矩转换器运行模式，在所述电扭矩转换器运行模式中，来自所述发动机的扭矩通过所述行星齿轮组放大，且所述第二电动机/发电机在所述恒星齿轮构件处提供扭矩。
9.一种用于车辆的混合动力系，包括：
发动机；
输入构件、输出构件和固定构件；
单个行星齿轮组，其具有环形齿轮构件、恒星齿轮构件和行星架构件，其中所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转；其中所述输出构件连接成与所述行星架构件一起旋转；
第一和第二电动机/发电机；
第一、第二、第三、第四和第五扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一构件固连至所述固定构件，其中所述第二扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第四扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第二电动机/发电机连接成与所述第三构件一起旋转；并且其中所述扭矩传递机构能够以不同的组合进行接合，从而建立两个纯电动运行模式、两个纯发动机运行模式以及四个电可变运行模式。
10.一种用于车辆的混合动力系，包括：
发动机；
输入构件、输出构件和固定构件；
单个行星齿轮组，其具有环形齿轮构件、恒星齿轮构件和行星架构件，其中所述输入构件连接成与所述发动机一起旋转；其中所述输出构件连接成与所述行星架构件一起旋转；其中所述第二电动机/发电机构件连接成与所述第三构件一起旋转；
第一和第二电动机/发电机；
第一、第二、第三、第四和第五扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一构件固连至所述固定构件，其中所述第二扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起旋转，其中所述第四扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述输入构件连接成与所述第三构件一起旋转，其中所述第五扭矩传递机构能够选择性地接合以将所述第一电动机/发电机连接成与所述输出构件一起旋转；其中所述扭矩传递机构能够以不同的组合进行接合，以建立四个纯电动运行模式、三个纯发动机运行模式、三个电可变运行模式以及电扭矩转换器运行模式，在所述运行模式中发动机扭矩通过所述行星齿轮组放大。
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