CN102233808B - 混合动力电动车辆动力传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力电动车辆动力传动系统，该动力传动系统具有机械式动力源和机电式动力源，机电式动力源包括发电机、电动机和电池。由机械式动力源产生的驱动扭矩通过齿轮变速器的第一离合器被传递到动力输出轴。机电式动力源的电动机通过齿轮变速器的第二离合器传递驱动扭矩。机械式倒车扭矩用于提高倒车性能。减少了在驱动事件过程中以负态动力分流模式运行的持续时间，从而提高了车辆动力传动系统的效率。可实现串联驱动，同时机械式动力源驱动发电机给用于驱动电动机的电池充电。发电机可用作发动机起动电动机。

Description

混合动力电动车辆动力传动系统

技术领域

本发明涉及一种具有分流式动力传递特性的混合动力电动车辆动力传动系统。

背景技术

一类混合动力电动车辆动力传动系统通常被称为动力分流式(power split)动力传动系统，其具有两种动力源。第一动力源包括内燃发动机，第二动力源是电动机、发电机和电池的结合。发动机和发电机与行星齿轮组、中间轴以及电动机一起建立通向车辆牵引轮的机械式扭矩流动路径和机电式扭矩流动路径。电池是用于发电机和电动机的能量储存装置。发动机动力在任何发电机速度和车辆速度下都被分成两条动力流动路径。发动机速度由发电机控制，这就意味着在允许的发电机速度范围内，发动机速度可与车辆速度不相关。当发电机利用从发动机输入的机械动力产生电力时，这种运行模式被称为正态动力分流。

由于行星齿轮组的机械性质，因此发电机可将动力分配至行星齿轮组，以驱动车辆。这种运行模式被称为“负态动力分流”。因此，发电机、电动机和行星齿轮组的结合可被认为具有电动无级变速器(e-CVT)的特性。

可激活发电机制动器，从而发动机输出的动力仅通过机械路径以固定的齿轮比(gear ratio)被传递到动力传动系统的扭矩输出侧。由于没有倒档齿轮，因此第一动力源只能实现车辆的向前推进。发动机要么需要控制发电机，要么需要应用发电机制动器以传递用于前进的输出动力。

当激活第二动力源时，电动机从电池获取电能并独立于发动机来驱动车辆前进和倒车(reverse drive)。此外，发电机可从电池获取电能并依靠发动机动力输出轴上的单向离合器而驱动，以沿前进方向驱动车辆。这种运行模式被称为“发电机驱动模式”。车辆系统控制器协调两种动力源，使得它们无缝地(seamlessly)协同工作，以在不超过动力传动系统的限制的情况下满足驾驶者的扭矩需求。车辆系统控制器允许针对任何给定的车辆速度和动力要求来连续地调节发动机速度。机械式动力流动路径通过行星齿轮组将有效的动力传递提供给驱动轴。

动力分流式混合动力电动动力传动系统在负态动力分流模式下运行时存在缺点。例如，当动力被传递到牵引轮时，负态动力分流在变速器自身内建立动力循环路径。这种动力循环由于在动力循环期间所产生的额外动力损失而使动力传动系统效率降低。然而，在动力分流系统中需要负态动力分流，以在车辆速度高和在低动力需求的条件下调节发动机速度。这种运行条件主要发生于在高速公路上以高速运行的过程中。

在负态动力分流模式下运行的第二个缺点显然也会发生在倒车过程中。已知设计的动力分流式动力传动系统在倒车时具有低扭矩容量(torquecapacity)。由于行星齿轮组在倒车时不能提供负扭矩输出，因此必须使用电动机在行星齿轮组处平衡齿圈扭矩。这限制了倒车扭矩容量。此外，发电机的尺寸必须足够大，以使其能够拥有针对重型车辆应用的发动机扭矩。

发明内容

本发明包括混合动力动力传动系统设计，其避免了在前面的讨论中所描述的传统的动力分流式混合动力车辆动力传动系统的弊端。该设计既具有动力分流式混合动力电动动力传动系统的特性又具有动力换档齿轮变速器的特性。该变速器在行星齿轮组的齿圈和动力换档变速器之间具有两个自动离合器。两种行驶模式(低档和高档)具有可用于正常行驶的机电式e-CVT的特性。

机械式倒档齿轮也可用，这避免了需要仅依赖于来自动力传动系统的动力分流部分的电动机的驱动扭矩。此外，包括齿圈锁定状态，从而实现动力从发动机传递到发电机然后再传递到电动机的串联运行模式。齿圈的锁定还使得发电机可用作电动机，以在发动机启动期间起动发动机，同时齿圈用作起动扭矩反作用部件。

本发明的一方面提供一种混合动力电动车辆动力传动系统，该动力传动系统具有分流式动力传递特性，所述动力传动系统包括：发动机、发电机、电动机、电池以及用于沿着机械式动力传递路径和沿着机电式动力传递路径传递发动机动力的齿轮装置；多级齿轮系统；低档离合器和高档离合器，分别用于将所述齿轮装置的扭矩输出部件和电动机连接到所述多级齿轮系统，从而降低以负态动力分流模式运行的持续时间。

附图说明

图1是已知设计的动力分流式混合动力电动车辆动力传动系统的示意图；

图2是图1的动力传动系统的机械式动力流动路径和机电式动力流动路径的示意性框图；

图3A是示出在电驱动期间图1的动力传动系统的部件之间的动力流动的示图；

与图3A的示图类似，图3B是当图1的动力传动系统在发动机开启的情况下以正态动力分流模式运行时的示图；

与图3A的示图类似，图3C是示出当发动机开启且图1的动力传动系统以负态动力分流模式运行时的动力流动的示图；

与图3A的示图类似，图3D是当图1的动力传动系统以发动机开启且发电机制动器开启的并联模式运行时的动力流动示图；

图4是包括本发明的多模式动力分流系统的示意图；

图5A是在正态动力分流驱动期间，针对图4的系统的部件的速度特性和扭矩特性的矢量图；

图5B示出了在并联驱动期间，针对图4的系统的部件的速度和扭矩的矢量图；

图5C示出了在负态动力分流驱动期间，针对图4的系统的部件的速度和扭矩的矢量图；

图5D示出了在倒车期间，针对图4的系统的部件的速度和扭矩的矢量图；

图6示出了当动力传动系统以动力分流低档模式运行时，针对图4的系统的部件的矢量图；

图7示出了在动力分流高档模式期间，针对图4的系统的部件的矢量图；

图8是针对图4的系统的低档和高档，发动机速度、车辆速度和发电机速度的图形；

图9是针对一定的车辆速度范围，图4的动力分流式构造中的机械动力和电力的图形；

图10是针对发电机不同的电流值，发电机扭矩特性和发电机速度特性的图形；

图11是包括图4的特征的动力传动系统的部件的车辆总体布置(packaging arrangement)的示意图。

具体实施方式

如图1中所示，公开的混合动力电动车辆动力传动系统具有并联-串联构造。车辆系统控制器10、电池12以及驱动桥连同电动机-发电机子系统受控制器局域网(CAN)的控制。由车辆系统控制器10控制的发动机16通过扭矩输入轴18将扭矩分配至变速器14。

变速器14包括行星齿轮单元20，行星齿轮单元20包括齿圈22、中心齿轮24以及行星架组件26。齿圈22将扭矩分配至包括齿轮啮合部件28、30、32、34和36的多级变速齿轮(step ratio gear)。驱动桥的扭矩输出轴38通过差动和轴机构42被可驱动地连接到车辆牵引轮40。

齿轮30、32和34被安装在中间轴上，齿轮32与电动机驱动的齿轮44啮合。电动机46驱动用作中间轴齿轮装置的扭矩输入装置的齿轮44。

电池通过动力流动路径48将电力传输至电动机。如在52处所示，发电机50以已知的方式电连接到电池和电动机。

当动力传动系统的电池12在发动机关闭的情况下用作唯一的动力源时，扭矩输入轴18和行星架组件被超越联轴器(overrunning coupling)53制动。当发动机开启且动力传动系统处于并联驱动模式时，机械式制动器55使中心齿轮24和发电机50的转子固定，中心齿轮24用作反作用部件。

如上所述，存在用于动力传动系统的两种动力源。第一动力源是利用行星齿轮单元20连接在一起的发动机子系统和发电机子系统的结合。另一动力源仅包括电驱动系统，该电驱动系统包括电动机、发电机和电池，其中，电池用作发电机和电动机的能量储存介质。

图2中示出了在图1的示图中示出的动力分流式动力传动系统的各部件之间的动力流动路径。在驾驶者的控制下，燃料通过发动机节气门以已知的方式被输送到发动机16。被传递到行星齿轮单元20的发动机动力被表示为τ_eω_e，其中，τ_e是发动机扭矩，ω_e是发动机速度。从行星齿圈传递到中间轴齿轮的动力被表示为τ_rω_r，τ_rω_r是齿圈扭矩和齿圈速度的乘积。从变速器14输出的动力由符号τ_s(轴38的扭矩)和符号ω_s(轴38的速度)表示。

当发电机用作电动机时，发电机可将动力传递到行星齿轮单元。或者，发电机可被行星齿轮单元驱动，如图2中的扭矩流动路径52所示。类似地，如扭矩流动路径54所示，电动机和中间轴齿轮之间的动力分配可沿两个方向中的任一方向进行分配。从电池获取电能或者给电池充电由双向箭头48表示。

如图2中所示，可通过控制发电机速度将发动机输出动力分成两条路径。机械式动力流动路径τ_rω_r从发动机流向行星架，从行星架流向齿圈，再从齿圈流向中间轴。电力流动路径从发动机流向发电机，从发电机流向电动机，再从电动机流向中间轴。发动机动力被分流，因此，在所谓的正态动力分流运行模式期间，发动机速度与车辆速度不相关。在图3B中示出了这种情况，在图3B中，发动机16将动力传递到行星齿轮单元20，行星齿轮单元20将动力传递到中间轴齿轮30、32和34，中间轴齿轮30、32和34进而驱动车轮。行星齿轮单元的动力的一部分被分配给发电机50，发电机50给电池12充电。此时，发电机速度大于零或为正，发电机扭矩小于零。电池驱动电动机46，电动机46将动力分配给中间轴。这种布置为“正态动力分流”。

如果由于行星齿轮单元的机械性质而使发电机用作行星齿轮单元的动力输入装置以驱动车辆，则该运行模式可被称为“负态动力分流”。在图3C中示出了这种情况，在图3C中，发电机速度为负并且发电机扭矩也为负。

图3C中的发电机将动力传递到行星齿轮单元20，同时电动机46用作发电机并且电池12正在充电。然而，如果由中间轴齿轮装置在车轮处产生的扭矩不能满足驾驶者需求，则在一些条件下，电动机可能会将动力传递到中间轴齿轮装置。那时，电动机必须补足差值。

如果激活发电机制动器55，则建立并联运行模式。在图3D中示出了这种情况，在图3D中，发动机16开启且发电机被制动。电池12给电动机46供电，电动机46驱动中间轴齿轮装置，同时动力从发动机传递到行星齿轮装置再传递到中间轴齿轮装置。

第一动力源可提供仅用于向前推进的扭矩，这是因为在中间轴齿轮装置中没有倒档齿轮。发动机要么需要控制发电机，要么需要发电机制动器以允许将用于前进运动的动力传递给车轮。

如上所述，第二动力源是电池、发电机和电动机子系统。这在图3A中被示出。在这种驱动模式中，发动机被超越联轴器53制动。电动机从电池获取电能并独立于发动机来实现推进(前进或后退运动)。发电机可从电池获取电能并依靠单向联轴器53的反作用而驱动。在这种模式下，发电机用作电动机。

如上所述，两种动力源被结合，使得它们无缝地协同工作，以在不超过系统的动力限制(包括电池限制)的情况下满足驾驶者的需求，同时保持最佳的动力传动系统效率和性能。该系统将确定驾驶者对扭矩的需求，并在两种动力源之间实现最佳的动力分流。如果超出电池限制并且电池电压处于特定范围之外，则动力传动系统可能会停止运行。

图4示出了与双离合器多级中间轴变速器结合的具有图1的动力分流式动力传动系统特征的动力传动系统。在图4中，尽管使用了带有符号“'”的标号，但是表示动力传动系统的分流动力部分的部件的标号与用于描述图1的已知构造的分流动力行星齿轮部分的标号相同。齿圈22'在离合器C1的扭矩输入侧被可驱动地连接到动力输入轴60。电动机46'在离合器C2的扭矩输入侧驱动动力输入轴62。中间轴齿轮装置64包括主轴66，主轴66通过动力输出轴68被可驱动地连接到主减速器。第一中间轴70可旋转地支撑低档齿轮72、高档齿轮74和倒档齿轮77。

主轴66连接到齿轮76、齿轮78以及齿轮80。低档齿轮72与齿轮76啮合，高档齿轮74与齿轮78啮合。

第二中间轴82可旋转地支撑低档齿轮84和高档齿轮86，低档齿轮84和高档齿轮86分别与齿轮76和齿轮78啮合。连接到第二中间轴82的中间轴齿轮88和90分别与倒档齿轮77和齿轮80啮合。

在92处示意性地示出的同步器离合器(synchronizer clutch)选择性地将低档齿轮72和高档齿轮74连接到第一中间轴70。同步器离合器94选择性地将低档齿轮84和高档齿轮86连接到第二中间轴82。

当沿左手方向移动离合器96时，离合器96将倒档齿轮77连接到第一中间轴70。当沿右手方向移动离合器96时，第一中间轴70被锁定到变速器壳体。这使得齿圈22'固定。这种情况被表示在图4中的K处。当齿圈被锁定时，动力传动系统实现串联模式，在该串联模式下，动力从发动机和发电机传递到电动机。

如果发动机关闭，则发动机可以在K处的制动器锁定齿圈22'时通过利用发电机扭矩而被启动。由于发电机提供起动扭矩，因此发电机在那时用作电动机。

当在动力分流模式下以低的车辆速度运行的过程中，变速器应当在低档工作，并使离合器92沿左手方向移动。在这种模式下，从齿圈到轴68的动力流动路径以及从电动机到轴68的动力流动路径两者均使速度大幅降低且使扭矩倍增。在这种以低档模式运行的过程中，对于给定的车辆速度和给定的发动机速度，发电机速度是受限制的。随着发电机速度增加，发电机扭矩将从最大值开始下降。这在随后将讨论的图10中的140处示出。

当在低档(L)以低的车辆速度运行的过程中，离合器92和94被移动到左边，从而电动机扭矩在速度降低且扭矩倍增的情况下被传递到主轴66。

当离合器92和94被移动到右边时，高档齿轮74和高档齿轮86在速度增加且扭矩降低的情况下分别从齿圈和电动机传递扭矩。这使得发电机速度在大部分时间都是正的，从而避免在负态动力分流模式下运行。

当离合器96被移动到左边时，倒车扭矩通过离合器96从第一中间轴70传递。然后，倒档齿轮77驱动中间轴齿轮88，中间轴齿轮88进而通过中间轴齿轮90和主轴齿轮80将倒车扭矩传递到主轴66。

针对动力传动系统的部件，在图1中示出的传统类型的动力分流式混合动力电动车辆动力传动系统具有如图5A、图5B、图5C和图5D所示的速度矢量。图5A示出了所谓的正态动力分流模式，在该模式下，行星齿轮组将来自发动机的动力流动路径分成机电路径和机械路径。在图5A至图5D中的每幅图中，符号ω_r表示齿圈速度，符号ω_e表示发动机速度或行星架速度，符号ω_g表示发电机速度。相应的扭矩矢量由符号τ_r、τ_e和τ_g表示，τ_r表示齿圈扭矩矢量，τ_e表示发动机扭矩矢量或行星架扭矩矢量，τ_g表示发电机扭矩矢量。符号ρ表示齿轮比。

在并联运行的情况下，对发电机进行制动，因此发电机速度为零。发电机的制动扭矩由符号τ_brake表示。

在图5C的矢量图(针对在所谓的负态动力分流运行期间的角速度和扭矩)中，发电机速度矢量反向并沿负方向延伸，这导致发动机速度降低。相对于在正态动力分流驱动、并联驱动和负态动力分流驱动期间的齿圈速度的方向，在倒车运行的情况下(如图5D中所示)的齿圈速度反向。这导致发动机速度显著降低。

当车辆在发动机能够在其有效区域中运行的速度范围内行驶并且当电池不需要充电时，动力分流系统在并联模式下运行。在这种模式下，可应用发电机制动器并且中心齿轮固定，从而提供发动机反作用扭矩。于是，所有的发动机动力均传递到驱动轮。由于中心齿轮被锁定，因此发动机速度与车辆速度成比例。

当由发动机产生的动力超过驾驶者的需求或者车辆速度低时，动力分流系统在正态动力分流模式下运行。在正态动力分流模式下，控制发电机用作发电机，以确保发动机在期望的运行区域内运行，以获得最佳效率。发电机沿发动机的旋转方向被施加扭矩，以提供发动机反作用扭矩。因此，发动机动力输出被分流，以满足驾驶者的需求并驱动发动机来给电池充电。

图6是示出当动力传动系统处于所谓的低速档(low speed range)时，齿圈速度、发动机速度和发电机速度以及齿圈扭矩、发动机扭矩和发电机扭矩的相应值的矢量图。在图7中示出了当动力传动系统以所谓的高速档运行时，动力传动系统部件的速度矢量和扭矩矢量。应该注意的是，相对于与在图6中示出的低档运行对应的速度，在图7中示出的齿圈速度、发动机速度和发电机速度降低。在图6和图7中以ω_d示出了半轴(驱动轴，见图11中的148、150)的速度。通过比较尺寸“X”和“Y”，由低档齿轮和高档齿轮的节径差所提供的有效杠杆(effective leverage)在图6和图7中是显而易见的。尺寸“X”比尺寸“Y”短。

在车辆以低速运行的过程中，变速器应当以低档模式工作。在这种模式下，从齿圈到轴68的路径和从电动机到轴68的路径两者均具有高减速齿轮比。对于给定的发动机规格和牵引电动机规格，这使得扭矩倍增。此外，在低档运行过程中，对于给定的车辆速度和发动机速度，发电机速度是受限制的。由于当发电机速度增加时，发电机扭矩从最大值开始下降，因此以低档运行将限制发电机速度，以充分利用其高扭矩范围。在图10中示出了如上所述的随着发电机速度的增加发电机最大扭矩的变化。

在高速运行过程中，变速器应当处于动力分流高档运行模式。其具有低减速齿轮比。这使得发电机速度在大多数运行时间内为正，从而避免本来效率就不高的负态动力分流模式。

将参照图8描述确定动力传动系统应当以高档运行还是以低档运行的设计要素(design consideration)。

在图8中，如图8中的100所示，在变速器处于低档(L)的并联模式下，车辆速度和发动机速度之间的关系呈线性关系。如果将变速器换到高档(H)，则在102处示出了在并联模式下车辆速度和发动机速度之间的关系。在116处示出了对于给定的道路负荷最有效的发动机速度。在106处示出了最高的发动机速度，在108处示出了最低的发动机速度。如图8中所示，发电机速度的范围将从并联模式下的零变化到与最高发动机速度或最低发动机速度对应的值。

从图8中可以看出，当变速器在并联模式下运行时，随着车辆速度的增加，发动机速度更加接近于最有效的道路负荷发动机速度。针对高档运行的线性并联速度图形与道路负荷发动机速度图形相交于两个交点。在100处示出的与低档运行对应的图形从道路负荷发动机速度线移开并与该线仅相交于一个可用交点(如110所示)。在112和114处示出了针对高档运行的可用交点。在这些点112和114处，所有的发动机动力通过机械路径被传递。变速器仍然能在负态动力分流模式下工作，但是因在负态动力分流模式下运行所导致的低效率的不利影响大幅减少。此外，与在图1中公开的类型的变速器相比，电力的量减少。因此，整个动力传动系统能够以更高的效率运行。如果高档的齿轮比以直线102与曲线116相切的方式设计，那么点112和点114将合并为一个点，并且该系统没有负态动力分流。这大大提高了动力传动系统的总体效率。但是，由于齿轮比的设计还受制于车辆加速度要求，因此设计可能需要通过在效率和性能两者之间进行判优来折衷效率或性能。

如果通过将同步器离合器96移动到右边而将齿圈锁定，那么在图4中示出的动力传动系统能够以串联模式运行。这防止了齿圈22'的旋转运动，使得发动机动力输出仅能通过电路径传递。

通过将同步器离合器96移动到左边来实现机械式倒车。从而通过利用发动机动力来实现机械式倒车。如在图1中示出的动力传动系统的情况下，没有必要依靠电动机动力来提供倒车动力。

如果档位选择器未处于啮合状态，则存在一种机械式空档模式。

在从一个档位换到另一个档位的过程中，当驾驶者通过高动力命令松开油门踏板(tip out)时，在图4中示出的离合器C1将被分离。此刻，将没有发动机扭矩或发电机扭矩需求。由于仅需要发动机扭矩来补偿系统摩擦，因此发动机燃料消耗量将是最低的。此时，同步器离合器92可被切换到高档位。在同步器离合器92被换档之后，齿圈速度应当与第一中间轴70的速度同步。当离合器C1再次被接合时，换档完成。

离合器C2的操作与离合器C1的操作类似。车辆可利用电动机扭矩路径以低档启动。这充分地利用了电动机低速高扭矩和最大动力。当电动机达到其扭矩开始减小的速度时，电动机的效率将降低。此刻，图4中的离合器C2将被分离，并且同步器离合器94将被换到其高档，从而降低电动机速度并使得电动机进入其最有效的运行范围。在这些档位转换中的任一种中，另一扭矩路径将继续运行，从而传递到主减速器的扭矩将是连续的。

当利用离合器96将发动机扭矩路径锁定时，可通过利用发电机动力来启动发动机。这使得在发动机启动过程中不需要电动机扭矩来驱动齿圈。

车辆动力传动系统的总体效率由发动机效率和动力传动系统的其他部件的效率来决定。在具有内燃发动机和机械式多档变速器的传统的动力传动系统中，变速器具有固定的齿轮比并且各档位之间的换档是排定的。然而，由于齿轮比的数量是有限的，因此不能针对给定的动力命令来优化发动机效率。在动力传动系统中，例如，在图1中示出的动力传动系统中，动力传动系统的e-CVT特性利用发电机来调节发动机速度。因此，在给定的车辆速度条件下和针对给定的发动机动力请求，发动机效率总能通过无级变速特征而被最大化。

在这样的动力分流系统中，通过来自齿圈的机械路径和通过利用发电机-电动机的电路径两者来传递动力。如图9中所示，针对给定的发动机扭矩和速度，动力分配是固定的。虽然机械路径的效率比电路径的效率高，但是在实现发动机速度控制目标之后，不能再利用控制来改变这种分配。因此，在传统的动力分流系统中，发动机效率高，但是与纯机械系统相比，这种特征导致驱动桥的总体效率降低。在大多数理想的情况下，在与驱动桥的最有效的运行点相对应的位置处，发动机运行效率最高。

图8示出了车辆速度和发动机速度之间的关系。图8中的线100和线102表示以低档模式和高档模式运行。针对并联速度的曲线116是在给定的车辆速度条件下针对车辆标称载荷的最佳发动机速度的图形。线100和线102包含通过机械路径来分配所有动力(这使得动力传动系统效率最高)的点。道路负荷发动机速度曲线116包含最佳发动机效率点。表示机械式动力传递的线与曲线116之间的差异越小，系统效率会越高。效率最佳时的并联速度是当直线与曲线116相交时的车辆速度。在交点处，所有的发动机动力均通过机械式动力流动路径被传递。在图1中示出的传统类型的动力分流式动力传动系统仅具有一个可用并联速度，因此，与存在两个另外的可用并联速度的本发明的系统相比，其使用是受限的。

图9示出了机械式动力路径P_r(见118)和发电机动力路径P_g(见120)之间的电力分流。线122表示针对图4的系统，与齿圈功率P_r相对应的图形，线124表示针对图4的系统，与发电机功率P_g相对应的图形。在图9的图形中，假设发动机功率固定(发动机制动扭矩恒定且发动机速度恒定)。这在带有符号P_e的126处示出。在图1中示出的所谓的传统类型的单模式(one-mode)动力分流式动力传动系统中，将应用速度和功率之间的以下代数关系：

${\mathrm{\ω}}_g=\frac{1+\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω}}_e-\frac{{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{\ρ}}$

$P_g={\mathrm{\τ}}_g{\mathrm{\ω}}_g=-({\mathrm{\τ}}_e{\mathrm{\ω}}_e-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{T}_{d2r}{\mathrm{\ω}}_d)$

$P_r={\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\ω}}_r=-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω}}_r=-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{T}_{d2r}{\mathrm{\ω}}_d$

其中，ρ是行星齿轮比，ω_d是车轮速度。T_d2r是齿圈和车轮之间的齿轮比。

这些等式表明在图9中，齿圈输出功率P_r和发电机输出功率P_g关于车轮速度ω_d均呈直线。图9中的这些直线的斜率由行星齿轮节径以及齿圈与输出轴之间的齿轮比确定。阴影区域示出了正态动力分流模式和负态动力分流模式下的电动机功率。电动机可用作电动机以帮助发动机驱动车辆，或者电动机可用作发电机以在每种模式下给电池充电。在通常情况下，电动机在正态动力分流模式下用作电动机，而在负态动力分流模式下用作发电机。

当车辆速度接近零时，所有的发动机功率均经过发电机。没有机械动力输出被传递到齿圈。在特定的车辆速度(在图9中被示出为并联速度)条件下，所有的发动机功率均经过机械路径。此时，发电机输出为零。

动力分流式动力传动系统在并联速度以下处于正态动力分流模式，动力分流式动力传动系统在并联速度以上处于负态动力分流模式。当在图9中示出的运行点在参考线128以左时，动力传动系统处于正态动力分流模式。当运行点在参考线128以右时，动力传动系统以负态动力分流模式运行。由于效率较低(如前所述)，因此不期望在负态动力分流模式下有较高的电力传输。系统在动力传动系统运行点接近于如图8中所示的并联速度线时效率最高。

可通过下面的灵活的代数式来表示本发明的多模式动力分流式动力传动系统中的发电机功率和齿圈功率：

$P_g={\mathrm{\τ}}_g{\mathrm{\ω}}_g=-({\mathrm{\τ}}_e{\mathrm{\ω}}_e-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{T}_{d2r\_L}{\mathrm{\ω}}_d)$ 或者 $P_g={\mathrm{\τ}}_g{\mathrm{\ω}}_g=-({\mathrm{\τ}}_e{\mathrm{\ω}}_e-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{T}_{d2r\_H}{\mathrm{\ω}}_d)$

$P_r={\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\ω}}_r=-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω}}_r=-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{T}_{d2r\_L}{\mathrm{\ω}}_d$ 或者 $P_r={\mathrm{\τ}}_r{\mathrm{\ω}}_r=-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω}}_r=-\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{1+\mathrm{\ρ}}{T}_{d2r\_H}{\mathrm{\ω}}_d$

在图9中，上述等式由线性图形122和124来表示。如在130处所示，在换档时斜率发生变化。由于所述换档使得正态动力分流模式扩展并且与负态动力分流模式相关的动力循环减少。通过比较线132和线134，正态动力分流模式的扩展是明显的。因此，发动机最佳效率点可更好地匹配驱动桥总体效率点。

由于图4中示出的动力传动系统有两个齿轮比可用，因此由于齿轮比变化而可使发电机速度降低，从而降低功率电子器件的电损耗。变速器可以以相同的最大扭矩而以较小的额定功率利用发电机。在图10中示出了发电机扭矩与发电机速度之间的关系的图形以及较低的发电机电流的影响。图4的系统使发电机功率降低成为可能。通过将换档控制用于低档模式和高档模式，发电机速度可从传统单模式动力分流设计中的点142降低到本发明的设计中的点136。通常，如在140处所示，在发电机速度高的位置处，发电机扭矩减小。

图11示出了具有后轮驱动能力的混合动力车辆动力传动系统的组件的总体关系。发动机144和变速器(驱动桥)146可将驱动扭矩传递到两个车轴半轴(如在148和150处所示)。驱动桥可布置有差动齿轮系统，差动齿轮系统将把扭矩传递到驱动轴152，驱动轴152延伸到车辆后驱动桥和差动器。后桥处的独立电机不需要完成所有的车轮驱动。

尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的范围的情况下可进行变型。本发明的所有这些变型和等同物意在由权利要求限定。

Claims (14)

1.一种混合动力电动车辆动力传动系统，该动力传动系统具有分流式动力传递特性，所述动力传动系统包括：

发动机、发电机、电动机、电池以及用于沿着机械式动力传递路径和沿着机电式动力传递路径传递发动机动力的齿轮装置；

多级齿轮系统；

多个离合器，选择性地将所述齿轮装置的扭矩输出部件和电动机连接到所述齿轮系统，从而减少以负态分流模式运行的持续时间。

2.如权利要求1所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，所述多级齿轮系统包括倒档齿轮布置，从而将倒车扭矩传递到动力输出轴。

3.如权利要求1所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，所述多级齿轮系统包括用于固定所述齿轮装置的扭矩输出部件的制动器，从而建立发动机驱动发电机给电池充电用以给电动机提供动力的串联驱动模式。

4.如权利要求1所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，所述多级齿轮系统包括：

连接到扭矩输出轴的主轴、一对中间轴、位于各个中间轴上的高档齿轮部件和低档齿轮部件；

在所述主轴上的可驱动地连接到所述主轴的扭矩输出齿轮部件、作为倒档齿轮部件的一个主轴齿轮部件，

其中，所述多个离合器包括将所述齿轮装置的扭矩输出部件连接到一个中间轴的第一离合器以及将电动机连接到另一中间轴的第二离合器。

5.如权利要求1所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，针对车辆速度的第一范围，所述动力传动系统适合于以正态分流模式运行，在车辆速度的第二范围内运行期间，所述动力传动系统适合于以负态分流模式运行，所述第一范围大于所述第二范围，从而提高动力传动系统总体动力传递效率。

6.如权利要求4所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，针对车辆速度的第一范围，所述动力传动系统适合于以正态分流模式运行，在车辆速度的第二范围内运行期间，所述动力传动系统适合于以负态分流模式运行，所述第一范围大于所述第二范围，从而提高动力传动系统总体动力传递效率。

7.如权利要求1所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，所述多级齿轮系统包括用于固定所述齿轮装置的反作用部件的制动器，从而利用发电机用作起动电动机来启动发动机。

8.一种混合动力电动车辆动力传动系统，所述动力传动系统包括：

发动机、发电机、电池和分流式动力齿轮单元，所述齿轮单元包括由发动机驱动的扭矩输入部件以及扭矩输出部件，发电机连接到所述齿轮单元的发动机扭矩反作用部件；

电动机，电连接到发电机和电池；

多级齿轮系统；

第一离合器，用于将多级齿轮系统的第一扭矩输入轴连接到所述齿轮单元的扭矩输出部件；

第二离合器，用于将多级齿轮系统的第二扭矩输入轴连接到电动机，

多级齿轮系统适合于在扭矩通过第一离合器从分流式动力齿轮单元传递到从动轴时以高速比档位运行，并在扭矩通过第二离合器从电动机传递到从动轴时以低速比档位运行。

9.如权利要求8所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，多级齿轮系统包括倒档齿轮部件，所述倒档齿轮部件用于使传递到所述齿轮系统的扭矩输出轴的扭矩的旋转运动的方向反向。

10.如权利要求8所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，分流式动力齿轮单元适合于在第一车辆速度范围内以正态分流动力传递模式运行，并在第二车辆速度范围内以负态分流动力传递模式运行，在驱动事件期间，第一车辆速度范围比第二车辆速度范围大，从而提高动力传动系统总体动力传递效率。

11.如权利要求9所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，分流式动力齿轮单元适合于在第一车辆速度范围内以正态分流动力传递模式运行，并在第二车辆速度范围内以负态分流动力传递模式运行，在驱动事件期间，第一车辆速度范围比第二车辆速度大，从而提高动力传动系统总体动力传递效率。

12.如权利要求8所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，所述多级齿轮系统包括：

连接到扭矩输出轴的主轴、一对中间轴、位于各个中间轴上的高档齿轮部件和低档齿轮部件；

在所述主轴上的可驱动地连接到所述主轴的扭矩输出齿轮部件、作为倒档齿轮部件的一个主轴齿轮部件，

其中，所述第一离合器将所述齿轮单元的扭矩输出部件连接到一个中间轴，所述第二离合器将电动机连接到另一中间轴。

13.如权利要求8所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，所述多级齿轮系统包括用于固定所述齿轮单元的反作用部件的制动器，从而动力传动系统以发动机驱动发电机来驱动电动机的串联构造运行。

14.如权利要求8所述的混合动力电动车辆动力传动系统，其中，发电机适合于用作发动机起动电动机。