CN102310758B - 单离合器、双行星式混合动力构造 - Google Patents

单离合器、双行星式混合动力构造 Download PDF

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Abstract

本发明涉及单离合器、双行星式混合动力构造。具体地，一种用于车辆的混合动力系统包括原动机和变速器，该原动机可以是发动机，该变速器具有输入构件、输出构件和固定构件，该输入构件构造成与该原动机相连以从该原动机接收转矩。提供第一电动机/发电机和第二电动机/发电机作为辅助动力源。包含第一行星齿轮组和第二行星齿轮组，每个都具有各自的第一构件、第二构件和第三构件。仅仅一个离合器操作性地连接到该变速器，并且它选择性地可接合成把该输入构件和该第二行星齿轮组的该第一构件接地连接到该固定构件上。

Description

单离合器、双行星式混合动力构造
技术领域
本发明涉及一种混合动力变速器，其具有两个电动机/发电机、仅仅两个行星齿轮组和单个转矩传递机构。
背景技术
车辆混合动力系统通常具有由传动装置互连的发动机和一个或多个电动机/发电机以及受到控制以提供各种车辆运行模式的选择性地可接合的转矩传递机构，这些运行模式例如一个或多个电力可变运行模式、固定速比模式和纯电力（电池供电的）模式。混合动力系统可以通过多种方式改善车辆燃油经济性，主要是通过使用电动机/发电机中的一个或两个进行车辆制动并且使用再生能量电力地驱动车辆，同时使发动机停止。在减速和制动阶段期间以及在低速或者轻载运转阶段期间，可以关掉发动机从而消除由发动机阻力引起的效率损失。通过再生制动收集的制动能（或在发动机运转期间生成的电能）会在这些发动机停止阶段使用。在发动机工作模式期间由电动机/发电机对发动机转矩或功率的瞬间需求进行补充，在不降低车辆性能的情况下获得更小的发动机。另外，对于特定功率需求，电力可变模式可以允许发动机在最优效率点处或附近运转。
发明内容
现有的混合动力构造提供好的车辆可行驶里程和燃油经济性，但是需要多个离合器来建立各种运行模式，并且出现了较小车辆中的封装问题以及与操纵离合器所需的液压系统相关的成本问题。需要一种混合动力系统提供各种运行模式的燃油经济性利益，同时凭借最少化必需部件的数量和/或凭借通过对特定平台按照需求缩放部件尺寸或容量来为各种车辆平台提供结构灵活性而遏制总成本。
所提供的动力系统构造具有仅仅一个离合器，因此降低或完全省去液压装置和附带成本以及封装空间需求。具体地说，一种用于车辆的混合动力系统包括原动机和变速器，该原动机可以是发动机，该变速器具有输入构件、输出构件和固定构件，该输入构件构造成与该原动机相连以从该原动机接收转矩。提供第一电动机/发电机和第二电动机/发电机作为辅助动力源。包含第一行星齿轮组和第二行星齿轮组，每个都具有各自的第一构件、第二构件和第三构件。该输入构件与该发动机一直相连，为了共同与该第二行星齿轮组的该第一构件一起旋转。第二电动机/发电机连接成与该第二行星齿轮组的该第二构件共同旋转。该第一电动机/发电机连接成与该第一行星齿轮组的该第一构件共同旋转。该第一行星齿轮组的该第二构件一直接地连接到（grounded）该固定构件上。该第一行星齿轮组的该第三构件和该第二行星齿轮组的该第三构件连接成与该输出构件共同旋转。仅仅一个离合器操作性地连接到该变速器，并且它选择性地可接合成把该输入构件和该第二行星齿轮组的该第一构件接地连接到该固定构件上。
在至少一个实施例中，该离合器是电磁离合器，并且因此不需要任何增压液压流体用于接合。与液压离合器相比，电磁离合器易于封装，并且可以减小重量、成本和离合器响应时间。该发动机连接到的构件可以是恒星齿轮构件，由此通过行星齿轮组获得转矩倍增从而使得发动机可以运转在其最高效率工作转速附近。因为这两个电动机/发电机都操作性地连接到该变速器输出构件，如果一个电动机/发电机故障，另一个仍然能够操作成电动机或发电机以获得混合动力运行模式。
该动力系统足够地紧凑从而使得它能够容易地嵌入现有手动变速器和自动变速器中。在手动变速器中，该离合器能够是驾驶员操纵的。该动力系统能够实现改善的或比得上现有双电动机构造的燃油经济性。
本发明的上述特征和优点及其他特征和优点将通过对实施本发明的最佳模式的下列详细描述变得更明显，同时参照附图。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种用于车辆的混合动力系统，包括：
原动机；
变速器，其具有：
输入构件，其构造成与所述原动机相连以从所述原动机接收转矩；
输出构件；
固定构件；
第一电动机/发电机和第二电动机/发电机；
第一行星齿轮组和第二行星齿轮组，其每个都具有各自的第一构件、第二构件和第三构件；其中，所述输入构件与所述原动机一直相连，从而与所述第二行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；其中，所述第二电动机/发电机连接成与所述第二行星齿轮组的所述第二构件共同旋转；其中，所述第一电动机/发电机连接成与所述第一行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；其中，所述第一行星齿轮组的所述第二构件一直接地连接到所述固定构件上；其中，所述第一行星齿轮组的所述第三构件和所述第二行星齿轮组的所述第三构件连接成与所述输出构件共同旋转；以及
仅一个离合器；其中，所述离合器可选择性地接合以使所述输入构件和所述第二行星齿轮组的所述第一构件接地连接到所述固定构件。
2. 如方案1所述的混合动力系统，其中，所述第一行星齿轮组的所述第一构件是恒星齿轮构件，所述第一行星齿轮组的所述第二构件是环形齿轮构件，所述第一行星齿轮组的所述第三构件是齿轮架构件。
3. 如方案1所述的混合动力系统，其中，所述第二行星齿轮组的所述第一构件是恒星齿轮构件，所述第二行星齿轮组的所述第二构件是环形齿轮构件，所述第二行星齿轮组的所述第三构件是齿轮架构件。
4. 如方案1所述的混合动力系统，还包括：
操作性地连接到所述电动机/发电机的电子控制器；其中，当所述离合器接合时，所述电子控制器可操作以控制电动机/发电机二者都用作电动机，建立纯电力运行模式。
5. 如方案1所述的混合动力系统，还包括：
操作性地连接到所述电动机/发电机的电子控制器；其中，当所述离合器未接合并且所述原动机在所述第二行星齿轮组的所述第二构件处提供转矩时，所述电子控制器可操作以控制所述第一电动机/发电机用作电动机或发电机并且可操作以控制所述第二电动机/发电机用作电动机，建立电力可变运行模式。
6. 如方案5所述的混合动力系统，其中，所述电力可变运行模式被建立以从静止位置发动所述车辆。
7. 如方案1所述的混合动力系统，其中，所述离合器是电磁离合器。
8. 如方案1所述的混合动力系统，其中，所述行星齿轮组沿径向围绕所述输出构件。
9. 一种用于带有发动机的车辆的混合动力变速器，包括：
连接到所述发动机的输入构件；
第一和第二行星齿轮组，其每个都具有各自的第一构件、第二构件和第三构件；其中，所述发动机连接成与所述第二行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；
第一电动机/发电机，其连接成与所述第一行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；
第二电动机/发电机，其连接成与所述第二行星齿轮组的所述第二构件共同旋转；其中，所述第一行星齿轮组的所述第二构件接地连接到固定构件；
输出构件，在所述输出构件上提供转矩来推进所述车辆，其连接成与所述第一和第二行星齿轮组的第三构件共同旋转；以及
电磁离合器，其可操作以选择性地使所述发动机和所述第二行星齿轮组的所述第一构件接地连接到所述固定构件。
10. 如方案9所述的混合动力变速器，还包括：
操作性地连接到所述电动机/发电机的电子控制器；其中，当所述离合器接合时，所述电子控制器可操作以控制电动机/发电机二者都用作电动机，建立纯电力运行模式；以及
其中，当所述离合器未接合并且所述发动机在所述第二行星齿轮组的所述第二构件处提供转矩时，所述电子控制器可操作以控制所述第一电动机/发电机用作电动机或发电机并且所述第二电动机/发电机用作电动机，建立电力可变运行模式。
11. 如方案10所述的混合动力变速器，其中，所述控制器构造成控制电动机/发电机中的一个用作电动机以在如果电动机/发电机的另一个故障时提供用于推进车辆的转矩。
12. 如方案9所述的混合动力变速器，其中，所述电力可变模式建立成从静止位置发动所述车辆。
13. 如方案9所述的混合动力变速器，其中，所述行星齿轮组沿径向围绕所述输出构件。
14. 一种混合动力系统，包括：
发动机，其具有发动机输出构件，当所述发动机打开时在所述发动机输出构件上提供发动机转矩；
两个行星齿轮组，其中一个行星齿轮组具有一直接地连接到固定构件上的构件，另一个行星齿轮组具有一直连接成与所述发动机输出构件共同旋转的构件；
两个电动机/发电机，其每个都连接成随着所述行星齿轮组的不同的对应一个的不同构件旋转；
变速器输出构件，其一直连接成随着所述行星齿轮组的每个的又一个不同的对应构件旋转；
仅一个转矩传递机构，其操作性地连接到所述动力系统；其中，所述转矩传递机构可选择性地接合成接地连接所述行星齿轮组的一直连接成与所述发动机输出构件共同旋转的所述构件；并且其中，所述动力系统构造成在所述转矩传递机构未接合时提供纯电力运行模式并且在所述转矩传递机构接合时提供电力可变运行模式。
附图说明
图1是动力系统的示意图；和
图2是离合器表格，示出图1的动力系统的一些运行模式。
具体实施方式
参照这些图，图1示出混合动力系统10，其包括原动机例如内燃机12（标为E），连接到混合动力变速器14。其它类型的原动机例如燃料电池、气压机等等可以用于代替内燃机。混合动力变速器14包括两个辅助动力源，第一电动机/发电机M/GB和第二电动机/发电机M/GA。发动机E和电动机/发电机M/GA、M/GB通过两个行星齿轮组20和30互连来提供各种运行模式。
第一行星齿轮组20包括恒星齿轮构件S1、环形齿轮构件R1以及可旋转地支撑着一组与恒星齿轮构件S1和环形齿轮构件R1都相啮合的小齿轮的齿轮架构件C1。恒星齿轮构件S1被称作行星齿轮组20的第一构件。环形齿轮构件R1被称作行星齿轮组20的第二构件。齿轮架构件C1被称作行星齿轮组20的第三构件。本领域普通技术人员将理解这类简单的行星齿轮组20的结构只在图1中示意性地示出。在一个示例性实施例中，环形齿轮构件R1与恒星齿轮构件S1的齿数比为2.692。
第二行星齿轮组30包括恒星齿轮构件S2、环形齿轮构件R2以及可旋转地支撑着一组与恒星齿轮构件S2和环形齿轮构件R2都相啮合的小齿轮的齿轮架构件C2。恒星齿轮构件S2被称作行星齿轮组30的第一构件。环形齿轮构件R2被称作行星齿轮组30的第二构件。齿轮架构件C2被称作行星齿轮组30的第三构件。在一个示例性实施例中，环形齿轮构件R2与恒星齿轮构件S2的齿数比为1.954。
变速器14具有输入构件17，其一直连接成与恒星齿轮构件S2和发动机E的输出构件18共同旋转。因此，发动机输出构件18一直连接成与恒星齿轮构件S2共同旋转。发动机E连接到恒星齿轮构件能通过行星齿轮组30获得转矩倍增和转速降低，因此允许发动机E以其最高效率运转得比发动机E连接到环形齿轮构件时更长的时间段。
变速器14还具有输出构件19，其通过末级传动机构（未示出）连接到车轮（也未示出）以向这些车轮提供牵引力从而驱动车辆。输出构件19一直连接成通过从轴部分19C分出的相应的轮轴部分19A、19B与齿轮架构件C1和C2都共同旋转。输出构件19的轴部分19C与行星齿轮组20、30的旋转轴A同轴并且径向由行星齿轮组20、30围绕。在一个实施例中，变速器14的这种布置用于前轮驱动式车辆。在图1中仅仅示出了变速器14的在旋转轴A上方的部分。变速器14的另外部分位于旋转轴A的下方并且基本上与示出的旋转轴上方的部分对称。
第一电动机/发电机M/GB的转子连接成与恒星齿轮构件S1共同旋转。第二电动机/发电机M/GA的转子连接成与环形齿轮构件R2共同旋转。环形齿轮构件R1一直接地连接到固定构件40例如变速器外壳上，因此环形齿轮构件R1不转动。
离合器C选择性地可接合成把恒星齿轮构件S2并因此也把输入构件17和发动机输出构件18接地连接到固定构件40上。离合器C可以是电磁离合器，其由控制器52电子地控制，在下面论述。可替代地，在手动变速器中，离合器C能够手动地控制。如果离合器C是电磁离合器或手动控制的离合器，那么就不要液压来操纵变速器14。如果离合器C是液压离合器，相比于大部分混合动力变速器，变速器14的液压需求还将极大地降低，因为变速器14没有其它转矩传递机构。电磁离合器是一种由施加于离合器上的电压产生的磁场引起传递转矩的离合器。磁场引起了离合器内的传递转矩的机械连接。当去掉电压时，因此力学场和机械连接结束，并且经由离合器的转矩传递终止。电磁离合器C能够是单面离合器、多盘离合器、电磁齿式离合器、电磁粒子离合器、磁滞动力离合器或其它类型的电磁离合器。
电动机/发电机M/GA和M/GB操作性地连接到储能装置50，其可以是一个或多个电池。具有储存电力和分配电力能力的其它储电装置可以用于代替这些电池。操作性地连接到电动机/发电机M/GA和M/GB的控制器52监控转子的转速。控制器52还接收与发动机转速有关的信息，来自独立的发动机控制器或通过与发动机E的连接。根据这个及其它车辆运行条件例如驾驶员加速指令，控制器52可操作成从储能装置50通过功率变换器54提供电能给电动机/发电机M/GA和M/GB中的任一个或这两个从而促使这些电动机/发电机用作电动机，给变速器14增加转矩。在向电动机/发电机M/GA和/或M/GB提供电功率时，功率变换器54把直流电转换成交流电。如果控制器52接收到的信息表明电动机/发电机M/GA或M/GB应该操作成发电机，即把机械能转变成电能，控制器52就可操作成促使功率变换器54把任一电动机/发电机提供的交流电转换为储存在储能装置50中的直流电。电动机/发电机M/GA、M/GB与储能装置50、控制器52以及变换器54之间的虚线代表着用于在这些部件之间传递电流或信号的传送导线。
参照图2，示出了离合器C的接合状态和发动机E与电动机/发电机M/GA和M/GB在动力系统10的两种不同运行模式中的运转状态。列出的第一模式是电力可变运行模式EVT1。在电力可变运行模式中，离合器C不接合，发动机E工作并在恒星齿轮构件S2处提供转矩。电动机/发电机M/GA受控为操作成电动机，即在环形齿轮构件R2处向变速器14供应正转矩以帮助也用作电动机的电动机/发电机M/GB推进车辆。可替代地，电动机/发电机M/GA能够受控为用作发电机，将发动机E通过行星齿轮组30提供的一些转矩转变成由电动机/发电机M/GB使用的电能，电动机/发电机M/GB受控为用作电动机，在恒星齿轮构件S1处提供转矩。有了环形齿轮构件R1保持不动，转矩通过行星齿轮组20从恒星齿轮构件S1倍增到齿轮架构件C1和输出构件19。发动机E提供的那部分没有被电动机/发电机M/GA转变成电能的转矩通过行星齿轮组30从恒星齿轮构件S2倍增到齿轮架构件C2和输出构件19。当车辆在输出构件19处需要的转矩大于电动机/发电机M/GA和M/GB独自能够提供的时，或者，如果储能装置50的充电状态需要再充电例如当车辆以巡航速度运行了延长时段时，控制器52可以建立电力可变运行模式EVT1。
再次参照图2，列出的第二模式是纯电力运行模式EV1。在这个模式中，离合器C接合，把发动机E、输入构件17和恒星齿轮构件S2接地连接到固定构件40上。因此，发动机E是停止的。这两个电动机/发电机M/GA和M/GB都受控为操作成电动机，分别在恒星齿轮构件S1和环形齿轮构件R2处提供转矩，通过行星齿轮组20、30传送到输出构件19。控制器52能够控制电动机/发电机M/GA和M/GB用作电动机直到储能装置50的充电状态达到预定最低水平，此时，将松开离合器C，并且将启动发动机E以建立EVT1模式，使得电动机/发电机M/GA能够用作发电机，将一部分发动机转矩转变成电能来补充储能装置50。EV1模式适合于车辆的初始发动，当发动机E处于冷态时。
变速器14的构造允许动力系统10仍然可操作成在输出构件19处提供转矩，即使电动机/发电机M/GA或M/GB故障（即不能受控为用作电动机或发电机）。例如，如果电动机/发电机M/GA故障，电动机/发电机M/GB能够在发动机E处于停止的情况下操作成电动机来推进车辆，直到储能装置50的充电状态达到预定最低限度，或者电动机/发电机M/GB能够停止，用发动机E独自推进车辆。如果电动机/发电机M/GB故障，电动机/发电机M/GA能够受控为操作成电动机来连同不动的环形齿轮构件R1一起提供反作用转矩，同时，发动机E工作以推进车辆。
尽管详细描述了实施本发明的最佳方式，但熟悉本发明所涉及领域的技术人员将看出多种替换方案和实施例，用于在附上的权利要求的范围内实施本发明。

Claims (14)

1.一种用于车辆的混合动力系统，包括：
原动机；
变速器，其具有：
输入构件，其构造成与所述原动机相连以从所述原动机接收转矩；
输出构件；
固定构件；
第一电动机/发电机和第二电动机/发电机；
第一行星齿轮组和第二行星齿轮组，其每个都具有各自的第一构件、第二构件和第三构件；其中，所述输入构件与所述原动机一直相连，从而与所述第二行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；其中，所述第二电动机/发电机连接成与所述第二行星齿轮组的所述第二构件共同旋转；其中，所述第一电动机/发电机连接成与所述第一行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；其中，所述第一行星齿轮组的所述第二构件一直接地连接到所述固定构件上；其中，所述第一行星齿轮组的所述第三构件和所述第二行星齿轮组的所述第三构件连接成与所述输出构件共同旋转；以及
仅一个离合器；其中，所述离合器可选择性地接合以使所述输入构件和所述第二行星齿轮组的所述第一构件接地连接到所述固定构件。
2.如权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述第一行星齿轮组的所述第一构件是恒星齿轮构件，所述第一行星齿轮组的所述第二构件是环形齿轮构件，所述第一行星齿轮组的所述第三构件是齿轮架构件。
3.如权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述第二行星齿轮组的所述第一构件是恒星齿轮构件，所述第二行星齿轮组的所述第二构件是环形齿轮构件，所述第二行星齿轮组的所述第三构件是齿轮架构件。
4.如权利要求1所述的混合动力系统，还包括：
操作性地连接到所述电动机/发电机的电子控制器；其中，当所述离合器接合时，所述电子控制器可操作以控制电动机/发电机二者都用作电动机，建立纯电力运行模式。
5.如权利要求1所述的混合动力系统，还包括：
操作性地连接到所述电动机/发电机的电子控制器；其中，当所述离合器未接合并且所述原动机在所述第二行星齿轮组的所述第二构件处提供转矩时，所述电子控制器可操作以控制所述第一电动机/发电机用作电动机或发电机并且可操作以控制所述第二电动机/发电机用作电动机，建立电力可变运行模式。
6.如权利要求5所述的混合动力系统，其中，所述电力可变运行模式被建立以从静止位置发动所述车辆。
7.如权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述离合器是电磁离合器。
8.如权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述行星齿轮组沿径向围绕所述输出构件。
9.一种用于带有发动机的车辆的混合动力变速器，包括：
连接到所述发动机的输入构件；
第一和第二行星齿轮组，其每个都具有各自的第一构件、第二构件和第三构件；其中，所述发动机连接成与所述第二行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；
第一电动机/发电机，其连接成与所述第一行星齿轮组的所述第一构件共同旋转；
第二电动机/发电机，其连接成与所述第二行星齿轮组的所述第二构件共同旋转；其中，所述第一行星齿轮组的所述第二构件接地连接到固定构件；
输出构件，在所述输出构件上提供转矩来推进所述车辆，其连接成与所述第一和第二行星齿轮组的第三构件共同旋转；以及
仅一个电磁离合器，其可操作以选择性地使所述发动机和所述第二行星齿轮组的所述第一构件接地连接到所述固定构件。
10.如权利要求9所述的混合动力变速器，还包括：
操作性地连接到所述电动机/发电机的电子控制器；其中，当所述离合器接合时，所述电子控制器可操作以控制电动机/发电机二者都用作电动机，建立纯电力运行模式；以及
其中，当所述离合器未接合并且所述发动机在所述第二行星齿轮组的所述第二构件处提供转矩时，所述电子控制器可操作以控制所述第一电动机/发电机用作电动机或发电机并且所述第二电动机/发电机用作电动机，建立电力可变运行模式。
11.如权利要求10所述的混合动力变速器，其中，所述控制器构造成控制电动机/发电机中的一个用作电动机以在如果电动机/发电机的另一个故障时提供用于推进车辆的转矩。
12.如权利要求10所述的混合动力变速器，其中，所述电力可变运行模式建立成从静止位置发动所述车辆。
13.如权利要求9所述的混合动力变速器，其中，所述行星齿轮组沿径向围绕所述输出构件。
14.一种混合动力系统，包括：
发动机，其具有发动机输出构件，当所述发动机打开时在所述发动机输出构件上提供发动机转矩；
两个行星齿轮组，其中一个行星齿轮组具有一直接地连接到固定构件上的构件，另一个行星齿轮组具有一直连接成与所述发动机输出构件共同旋转的构件；
两个电动机/发电机，其每个都连接成随着所述行星齿轮组的不同的对应一个的不同构件旋转；
变速器输出构件，其一直连接成随着所述行星齿轮组的每个的又一个不同的对应构件旋转；
仅一个转矩传递机构，其操作性地连接到所述动力系统；其中，所述转矩传递机构可选择性地接合成接地连接所述行星齿轮组的一直连接成与所述发动机输出构件共同旋转的所述构件；并且其中，所述动力系统构造成在所述转矩传递机构未接合时提供纯电力运行模式并且在所述转矩传递机构接合时提供电力可变运行模式。
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