CN102444713B - 电动机械式自动变速装置、汽车及其变速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机械式自动变速(EMAT)装置、汽车及其变速控制方法，属于汽车的变速装置技术领域。该EMAT装置包括传动机构、电机以及变速控制单元，所述传动机构包括离合器、变速机构、输入轴和输出轴，所述离合器与外部发动机连接，所述发动机的动力可操作地依次通过离合器、输入轴、变速机构和输出轴输出；所述电机的转子连接至所述输出轴，所述变速控制单元用以在换挡过程的所述离合器分离时、控制所述电机输出扭矩至所述输出轴。该汽车为使用该EMAT装置的混合动力汽车。该EMAT装置以及汽车具有换挡平顺性好、传动效率高、成本低的特点。

Description

电动机械式自动变速装置、汽车及其变速控制方法

技术领域

本发明涉及汽车的变速装置，尤其涉及一种电动机械式自动变速(Electromotion Automated Mechanical Transmission，EAMT)装置、使用该自动变速装置的混合动力汽车以及该汽车的自动变速控制方法。

背景技术

变速装置广泛地用于汽车等机器速度与牵引力传递的设备中。车辆(例如汽车)的变速装置是通过改变传动比改变动力输出装置(例如内燃机或电机)的转矩以适应在起步、加速、行驶以及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要，以及实现倒车行驶、中断动力传递、实现空档等。通常的变速装置包括齿轮传动、带传动、链传动等各种方式，其通常具有传动的主动轴与从动轴，或者传动的输入轴与输出轴。在汽车领域中，变速装置通常是能够分档地改变输出轴与输入轴传动比的齿轮传动装置，又称作变速器或变速箱。齿轮传动通常为多轴的普通齿轮传动，也有的使用行星齿轮传动。普通齿轮传动变速机构一般设置有滑移齿套和离合器等以进行传递路线的改变。

其中，混合动力汽车是结合使用发动机和电机二者驱动的新型汽车。通常地，混合动力汽车可以实现发动机怠速停机、优化发动机工作点以及自动能量回收等功能，从而可以提高能源利用率，降低汽车油耗。因此，混合动力汽车是目前汽车技术发展方向之一。

同样地，混合动力汽车一般也需要使用自动变速(AutomaticTransmission，AT)装置(例如自动变速箱)，以进行整个动力系统的综合控制，实现相对优化的能量管理策略。

现有技术中，变速装置主要包括手动变速(Manual Transmission，MT)装置、自动变速(Automatic Transmission，AT)装置以及机械式自动变速(Automated Mechanical Transmission，AMT)装置。AMT装置是在传统的MT装置上、另加装一套自动换挡装置和变速控制单元(Transmission Control Unit，TCU)，其既继承了MT装置的传动效率高、成本低的优点(AMT装置没有液力变矩器和湿式离合器等)，又实现了AT装置的自动换挡功能。但是，AMT装置(例如机械式自动变速箱)应用于汽车驱动时，AMT装置换挡时离合器需要分离，发动机动力中断，整车的驱动力消失，从而会差生换挡冲击的现象。因此AMT装置换挡平顺性差。

图1所示为基于自动变速装置的混合动力汽车的传动系统原理图。如图1所示，常规的混合动力汽车通常不是采用AMT装置，而是采用AT装置，其包括发动机210、动力电池组230、逆变器250、电机270(例如ISG电机)以及AT装置100。动力电池组230和逆变器250在电动时用于给电机270提供动力、并在发电时存储电能。在该实施例中，AT装置100包括液力变矩器、制动器、行星齿轮机构、湿式离合器、差速器等。电机270刚性连接于发动机210的曲轴液力变矩器之间，液力变矩器包括泵轮和涡轮。具体地，电机270的转子与AT装置中液力变矩器的泵轮连接，泵轮通过液压油驱动涡轮，涡轮与AT装置中行星齿轮机构输入轴连接，锁止或分离与行星齿轮机构连接的湿式离合器或制动器就可以改变行星齿轮机构传动比，从而可以改变行星齿轮机构的输出轴转速。行星齿轮机构的输出轴通过AT装置终端主减速器以及差速器910传动至车轮的半轴930。其中，AT装置具体地是通过TCU(图中未示出)控制湿式离合器或制动器的锁止或分离，从而实现变速箱自动换挡。

图1所示的自动变速装置虽然可以实现混合动机汽车中发动机怠速停机、优化发动机工作点及制动能量回收等功能，但是，AT装置虽然换挡平顺性相对AMT装置较好，但是也存在成本高(存在液力变矩器和湿式离合器)、效率低等缺点。

有鉴于此，有必要针对混合动力汽车提出一种新型的变速装置，以同时克服AMT装置和AT装置的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服AMT装置的平顺性差、并能克服AT装置的成本高和效率低的问题。

为解决以上技术问题，按照本发明的一个方面，提供一种电动机械式自动变速装置，其包括传动机构、电机以及变速控制单元，所述传动机构包括离合器、变速机构、输入轴和输出轴，所述离合器与外部发动机连接，所述发动机的动力可操作地依次通过离合器、输入轴、变速机构和输出轴输出；所述电机的转子连接至所述输出轴，所述变速控制单元用以在换挡过程的所述离合器分离时、控制所述电机输出扭矩至所述输出轴。

作为较佳技术方案，所述电机为驱动电机。具体地，所述驱动电机的功率范围约为20-30千瓦。

作为又一较佳技术方案，所述离合器为干式离合器。

具体地，所述变速机构包括同步器、第一级主动齿轮、第二级主动齿轮、第一级从动齿轮以及第二级主动齿轮；所述同步器连接于所述第一级主动齿轮和所述第二级主动齿轮；所述第一级主动齿轮与所述第一级从动齿轮齿合连接，所述第二级主动齿轮与所述第二级从动齿轮齿合连接；所述第一级从动齿轮和所述第二级主动齿轮连接于所述输出轴。

根据本发明所提供的电动机械式自动变速装置，其中，所述电动机械式自动变速装置还包括主减速器和差速器，所述输出轴通过所述主减速器连接于所述差速器。

按照本发明的又一方面，提供一种混合动力汽车，其包括：

以上所述任一种电动机械式自动变速装置；

发动机；

逆变器；以及

动力电池组；

其中，所述发动机与所述电动机械式自动变速装置的离合器连接，所述动力电池组连接于所述逆变器，所述逆变器连接于所述电动机械式自动变速装置的电机。

作为较佳技术方案，所述电机为驱动电机。

具体地，所述混合动力汽车包括车轮和连接于所述车轮的半轴，所述电动机械式自动变速装置通过差速器连接于所述半轴。

按照本发明的再一方面，提供一种以上所述的混合动力汽车的变速控制方法，其包括步骤：

(1)判断电动机械式自动变速装置是否需要换挡，如果判断为“是”，进入步骤(2)；

(2)变速控制单元控制电机、以增大扭矩输出至所述输出轴；以及

(3)所述变速控制单元控制所述离合器分离，并进行变档操作。

作为较佳技术方案，所述变速控制方法进一步包括步骤：(4)所述变档操作完成后，所述电动机械式自动变速装置的变速控制单元控制电机以减小扭矩输出至所述输出轴。

作为较佳技术方案，所述变速控制方法包括在步骤(1)之前的步骤(1a)：判断是否由纯电动模式转换到混合动力驱动模式；如果判断为是，则进入所述步骤(1)。如果判断为未由纯电动模式转换到混合动力驱动模式，则进入步骤：

(1b)启动混合动力汽车的发动机；

(1c)所述变速控制单元控制所述离合器分离；

(1d)所述变速控制单元控制所述电动机械式自动变速装置进行进档操作；以及

(1e)所述变速控制单元控制所述离合器结合；

其中，所述步骤(1e)完成后直接进入所述步骤(2)。

本发明的技术效果是，本发明EMAT装置沿承了MAT装置的基本特点，通过设置电机，将所述电机的转子连接至输出轴，以在换挡过程的所述离合器分离时、控制所述电机输出扭矩至所述输出轴。因此，该EMAT装置相比于MAT装置换挡平顺性好。相比于AT装置结构简单、成本低，并且传动效率高。使用该EMAT装置的混和动力汽车也具有换挡平顺性好、换挡舒适性好的特定，同时成本低、传动效率高，相对油耗低。

附图说明

图1是基于自动变速装置的混合动力汽车的传动系统原理图；

图2是包括本发明实施例的EAMT装置的混合动力汽车的传动系统原理图；

图3是按照本发明提供的混合动力汽车的变速控制方法实施例流程示意图；

图4是按照本发明提供的混合动力汽车的变速控制方法又一实施例流程示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

图2所示为包括本发明实施例的EAMT装置的混合动力汽车的传动系统原理图。为了教导发明原理，图2所示实施例的EAMT装置或混合动力汽车已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施例的变型落在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式接合以形成本发明的多个变形。由此，本发明并不局限于下述特定实施例，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

参阅图2，EAMT装置300用于实现混合动力汽车的换挡变速传动，通常地，EAMT装置300也包括传动机构和变速控制单元(TCU)(图中为示出)，其中传动机构主要包括离合器310、输入轴330、输出轴340、以及变速机构。具体地，离合器310与EMTA装置外部的、混合动力汽车的发动机410连接，例如，离合器310与发动机的曲轴刚性连接，因此，发动机410的动力能直接输出至离合器310。离合器310另外同时与输入轴330连接，从而，在离合器结合时，可将发动机410的动力传输至输入轴330。需要说明的时，在离合器分离时(例如换挡过程中)，发动机410的动力未传输至输入轴330，因此，对于一般的AMT装置，此时的输出动力基本为0，从而换挡的平顺性较差。

较佳地，离合器310选择用干式离合器，干式离合器离合器一般采用空气冷却离合器器，其区别于用油液冷却的湿式离合器。由于该EMAT装置同样不包括AT装置中液力变矩器，因此，在使用干式离合器时，可以省去液压控制部件，从而可以大大降低EMAT装置的成本。使用EMAT装置的汽车的油耗也会减少。

输入轴330动力可以通过变速机构传输至输出轴340，具体地，变速机构一般包括如图2所示的同步器321、第一级主动齿轮323、第二级主动齿轮325、第一级从动齿轮343、第二级主动齿轮345。同步器321连接第一级主动齿轮323和第二级主动齿轮325。同步器321连接于第二级主动齿轮325和第一级从动齿轮343；第一级主动齿轮323与第一级从动齿轮343齿合连接，第二级主动齿轮325与第二级从动齿轮345齿合连接；第一级从动齿轮343和第二级从动齿轮345与输出轴连接，因此，可以将输入轴330的动力变速地传输至输出轴340。需要说明的是，变速机构的具体结构不受本发明实施例限制，本领域技术人员可以根据各种变速需要来设计。

EMAT装置300还包括与输出轴340连接的主减速器350、以及差速器910，输出轴340通过主减速器350连接差速器910，从而可将该传动系统的动力从差速器910的输出至半轴930、再输出至汽车的车轮。

本发明的EMAT装置300尤其还包括电机470，电机470的转子连接至输出轴340，从而，电机的输出扭矩可以输出至输出轴，并通过输出轴传输至汽车的车轮。在该发明中，为克服在离合器310分离时输出轴340的动力输出瞬间减小的现象，通过TCU(图中未示出)控制电机470，从而在EMAT装置的换挡过程中，离合器310分离时，可以增大电机470的输出扭矩至输出轴340，以部分地或全部地弥补输出轴340的动力的瞬间减小。这样可以保证换挡时整车驱动力不中断，减小换挡冲击，换挡的平顺性更好。在该实施例中，由于汽车为混和动力汽车，因此，其也包括驱动电机(TM电机)。EMAT装置300的电机470优选地为TM电机，一般地，TM电机相对于ISG(Integrated Starter/Generator，集成一体化启动-发电)电机功率较大，约为20-30KW。在混合动力汽车中，TM电机还可以完成低速时驱动车辆、给发动机助力以及制动能量回收等功能。在离合器310分离时，电机470的输出扭矩的大小范围可以为0-100Nm，但是这不是限制性的。

电机470还于EMAT装置300之外的、混合动力汽车中的逆变器450连接，逆变器450还与动力电池组430连接。

参阅图2，本发明进一步提供的混合动力汽车，包括以上所述及的EMAT装置，还包括发动机410、逆变器450、动力电池组430和车轮等其它汽车部件。其中发动机410的曲轴刚性连接于EMAT装置的离合器310，动力电池组430连接于逆变器450，在通过逆变器450连接至电机470。发动机410和电机470的动力可以通过传动机构最终输出。该混合动力汽车换挡平顺性相对较好，提高了换挡的舒适性，并且由于EMAT装置沿承了MAT装置的传动效率高、成本低的特点，因此整车具有传动效率高、成本低的特点。例如，对于采用5档EMAT装置的混合动力汽车，相比于采用3档的AT装置的混合动力汽车，其成本可以降低1万元左右。同时由于传动效率的提供，油耗也相对减少。

图3所示为按照本发明提供的混合动力汽车的变速控制方法实施例流程示意图。以下结合图3和图2说明本发明的混合动力汽车如何利用EMAT装置进行变速控制。

步骤S30，判断EMAT装置是否需要换挡。在需要换挡时，进入以下步骤。

步骤S40，TCU控制电机、以增大扭矩输出至输出轴。

在该步骤中，EMAT装置300中的TCU(图中未示出)可以控制电机470的输出扭矩，在需要换挡的某一瞬间，增大电机470的输出扭矩至EMAT的输出轴340，为下一步离合器的分离做准备。电机470的输出扭矩的大小范围可以为0-100Nm，但是这不是限制性的。

步骤S50，TCU控制离合器分离，并进行变档操作。

在该步骤中，EMAT装置300中的TCU控制离合器310分离，为变档操作做准备。离合器310分离后的变档操作过程中，由于此时电机470的输出扭矩增大，输出轴340的动力输出并不中断，因此，大大提高了该换挡操作过程的平顺性。

步骤S60，TCU控制电机减小扭矩输出至输出轴。

变档操作完成后，变速控制方法基本完成，在较佳实施例中，由于变速后通常还是主要依赖于发动机输出动力，因此还进一步包括该步骤S60。在该步骤中，EMAT装置300中的TCU可以控制电机470减小扭矩输出，此时离合器310已闭合，主要由发动机410提供动力输出。甚至电机470减小扭矩输出减小为0。

图4所示为按照本发明提供的混合动力汽车的变速控制方法又一实施例流程示意图。由于在混合动力汽车中，如果是在纯电动模式下(仅由电机提供动力输出)驱动汽车，那么变速控制不需要通过换挡操作实现。因此，在图3实施例的步骤S30之前，本实施例的变速控制方法还包括步骤：

步骤S10，判断判断是否由纯电动模式转换到混合动力驱动模式。如果判断为是，则进入步骤S30；如果判断为否，则进入步骤S21。

步骤S21，启动混合动力汽车的发动机。

步骤S22，TCU控制离合器分离。

步骤S23，TCU控制EMAT装置进行进档操作。

步骤S24，TCU控制EMAT的离合器结合。

至此，步骤S21至步骤S24完成了由纯电动模式至混合动力驱动模式的转变。步骤S24后进入步骤S30，随后步骤与图3所示实施例的方法步骤相同，再此不再一一赘述。

需要说明的是，该发明的混合动力汽车同样可以实现纯电动驱动模式行驶和混合动力驱动模式行驶，其纯电动驱动模式的基本方法或混合动力驱动模式的行驶的基本方法本领域技术人员所悉知，在此不再赘述。

以上例子主要说明了本发明的EMAT装置、使用该装置的混合动力汽车及其变速控制方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (13)

1.一种电动机械式自动变速装置，包括传动机构、电机以及变速控制单元，所述传动机构包括离合器、变速机构、输入轴和输出轴，所述离合器与外部发动机连接，所述发动机的动力可操作地依次通过离合器、输入轴、变速机构和输出轴输出，其特征在于，所述电机的转子直接连接至所述输出轴，所述变速控制单元用以在换挡过程的所述离合器分离时、控制所述电机输出扭矩至所述输出轴。

2.如权利要求1所述的电动机械式自动变速装置，其特征在于，所述电机为驱动电机。

3.如权利要求2所述的电动机械式自动变速装置，其特征在于，所述驱动电机的功率范围为20-30千瓦。

4.如权利要求1所述的电动机械式自动变速装置，其特征在于所述离合器为干式离合器。

5.如权利要求1或2或4所述的电动机械式自动变速装置，其特征在于，所述变速机构包括同步器、第一级主动齿轮、第二级主动齿轮、第一级从动齿轮以及第二级主动齿轮；所述同步器连接于所述第一级主动齿轮和所述第二级主动齿轮；所述第一级主动齿轮与所述第一级从动齿轮齿合连接，所述第二级主动齿轮与所述第二级从动齿轮齿合连接；所述第一级从动齿轮和所述第二级主动齿轮连接于所述输出轴。

6.如权利要求1或2或4所述的电动机械式自动变速装置，其特征在于，还包括主减速器和差速器，所述输出轴通过所述主减速器连接于所述差速器。

7.一种混合动力汽车，其特征在于，包括：

如权利要求1至6中任一项所述的电动机械式自动变速装置；

发动机；

逆变器；以及

动力电池组；

其中，所述发动机与所述电动机械式自动变速装置的离合器连接，所述动力电池组连接于所述逆变器，所述逆变器连接于所述电动机械式自动变速装置的电机。

8.如权利要求7所述的混合动力汽车，其特征在于，所述电机为驱动电机。

9.如权利要求7所述的混合动力汽车，其特征在于，所述混合动力汽车包括车轮和连接于所述车轮的半轴，所述电动机械式自动变速装置通过差速器连接于所述半轴。

10.一种如权利要求7所述的混合动力汽车的变速控制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)判断电动机械式自动变速装置是否需要换挡，如果判断为是，进入步骤(2)；

(2)变速控制单元控制电机、以增大扭矩输出至所述输出轴；以及

(3)所述变速控制单元控制所述离合器分离，并进行变档操作，以在换挡过程的所述离合器分离时使所述电机的输出扭矩输出至所述输出轴。

11.如权利要求10所述的变速控制方法，其特征在于，所述变速控制方法进一步包括步骤：(4)所述变档操作完成后，所述电动机械式自动变速装置的变速控制单元控制电机以减小扭矩输出至所述输出轴。

12.如权利要求10或11所述的变速控制方法，其特征在于，包括在所述步骤(1)之前的步骤(1a)：判断是否由纯电动模式转换到混合动力驱动模式；如果判断为是，则进入所述步骤(1)。

13.如权利要求12所述的变速控制方法，其特征在于，如果判断为未由纯电动模式转换到混合动力驱动模式，则进入步骤：

(1b)启动混合动力汽车的发动机；

(1c)所述变速控制单元控制所述离合器分离；

(1d)所述变速控制单元控制所述电动机械式自动变速装置进行进档操作；以及

(1e)所述变速控制单元控制所述离合器结合；

其中，所述步骤(1e)完成后直接进入所述步骤(2)。