CN102666168A - 转矩填充 - Google Patents

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A·F·阿特金斯
乔纳森·查尔斯·威尔斯
S·蒂莫西·D·谢佛德
J·J·多尔比
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Abstract

本申请提供了一种装置，其用于向车辆动力传动系统供应转矩，并且从车辆动力传动系统接收转矩。设备包括飞轮和耦合装置，耦合装置被布置成向飞轮传递转矩或从飞轮传递转矩。装置被布置成在使用时向公共的车辆动力传动系统供应与主转矩供应并行的转矩和/或从公共的车辆动力传动系统接收与主转矩供应并行的转矩。

Description

转矩填充
技术领域
本申请涉及一种用于供应转矩的装置和方法。
背景技术
能量守恒和能量最佳使用是制造和运行现代车辆和机器主要考虑的问题。用户对于效率以及以最低可能的成本获得最大可能输出的需求越来越高。在成本/输出平衡方面的考虑包括财务因素和环境因素。另外，人们需要改善车辆和机器的动力和速度，同时需要提供舒适的和用户友好的感觉。进一步，发动机、发动机和其他设备趋于变得更为紧凑和流线型。
有很多已知的方法来处理上面所讨论的平滑。举例而言，随着对于环境友好车辆的用户需求增长以及在碳排放方面的规定越来越严格，混合动力车辆变得越来越流行。如本领域技术人员公知的，混合动力车辆使用两个或多个不同动力源的组合来驱动车辆或其他动力机器。在机动车辆领域，最常见的混合是混合动力电动车辆(HEV)，其将内燃机(ICE)与一个或多个电动机相结合。取决于任意给定时刻的动力需求，可以采用ICE和电动机中的一个或两个向车辆的输出提供动力。连同电动机，提供化学能存储系统，因此在不使用电动机来为车辆输出提供动力期间，其能操作为发电机以在化学能存储系统中产生并且存储电荷以供后来使用。已知的化学能存储系统可以由单一类型的化学单元组成，或者可以包括具有不同化学式表示的单元的任意组合。所有这样的化学能存储系统在本文特指为化学“电池”。
已知的混合系统中存在问题，这是因为由例如在典型的车辆使用环节的再生制动和回收所导致的混合电池系统充电电平的高循环频率以及与这些操作相关联的高功率通量加速了电池状况的劣化，由此限制了系统寿命。因此，传统混合动力系统的电池通常受到限制。典型地，在已知的混合动力电动车辆的寿命期间，化学电池可能不得不更换两次。进一步，电池循环可能受到保护控制系统的限制，该保护控制系统对混合系统中的电源分配和/或充电进行控制。这种保护限制的效果是削弱相应混合系统的CO2减排功效。
用于优化能量供应以及从所存储的化学能转换为转矩(特别是在以ICE为动力的机动车辆中)的另一已知方法是涡轮增压器和增压器的使用。如本领域技术人员将会知道的，涡轮增压器回收排气能量以驱动压缩机并且增加进口充气压力给发动机。增压器设备使用引擎传递的转矩来驱动压缩机，以提高进口充气压力。然而，在实际利用中，这两种设备都有相关联的缺点。作为被动设备的涡轮增压器仅在具有足够的排气流量来驱动升压系统时才可操作。相比之下，增压器是主动设备，因为其通常是曲柄传动，并且因此不像涡轮增压器那样受到这些操作限制。然而，增压器确实引入了引擎能量的寄生损耗，由此，从减少燃料消耗方面来说，减少了其整体功效。
作为机动车辆应用的目标，用户舒适度和感受的一个方面是由手自一体变速器车辆上的变速事件引起的“转矩中断”感觉。同时这种变速器类型是非常有效率的，变速期间的这种转矩中断感觉包括用户的换挡舒适度和驾驶性能。根据已知的方法，在手自一体变速器的换挡中断期间，电动机可以用于满足转矩要求，以改善用户的驾驶平滑度。然而，为了向这样的电动机提供动力，在车辆内需要额外的能量供应，并且进一步，在电能和动能之间能量转换阶段，能量损耗不可避免。双离合器和自动变速器限制了变速期间的转矩中断，然而，由于在向驱动系统提供动力时相关联的损耗，与手自一体变速器相比，这些变速器类型较为昂贵和/或本质上效率较低。
如上文所讨论的，为了最佳地平衡车辆或机器的成本和输出，期望尽可能地利用可用的能量，并且阻止能量例如作为热能而耗散。
飞轮因为以动能形式来存储能量而闻名，例如用于车辆中使用。利用飞轮来存储能量是已知的，这些能量原本在车辆减速时被转换成车辆制动系统中的热量，所存储的能量随后被用于在需要时加速该车辆。然而，已知的飞轮的实现方式存在这样一个问题：如何在初始化阶段和在其低能量点处，为飞轮充电。有可能使用电动机飞轮充电系统。然而，应当理解的是，这并不是理想的解决方式，因为其引入了车辆内的电能存储系统上的额外能量需求，同时却不能减少来自车辆的排气能量损耗。
因此，当前需要对车辆和其他机器中的能量使用进行优化的装置和方法，同时不损害对用户而言的重要因素，比如舒适度、成本效率以及环境友好性。
本申请在权利要求书中列出。
由于提供了一种用于向车辆动力传动系统供应转矩填充并且从车辆动力传动系统接收转矩的装置，并且装置包括飞轮和相关联的耦合装置，所以可以通过一种高能效的并且非常快速的方式来供应转矩填充。也就是说，飞轮可以在其中存储能量，以便将来需要来自飞轮的转矩供应时使用。飞轮可以与车辆动力传动系统的主转矩供应共同传递和/或接收转矩，以使得与使用单个转矩供应的传统系统相比而言，提供了增强的转矩。
飞轮是可再充电的，并且特别地，可以使用从车辆的操作回收的能量(例如，废气能量或在车辆中的再生制动的负荷均衡期间回收的能量)来对飞轮进行再充电。通过使用飞轮来向车辆动力传动系统提供转矩，因此可以提供自足式的能量循环系统，其中，车辆可以用于对车轮进行再充电，并且在其他时候，取决于瞬时车辆需求，飞轮可以用于向车辆动力传动系统供应转矩。
由于可以提供适当的耦合装置(包括诸如变速器和/或离合器之类的功率转换器)，从而通过飞轮实现了转矩供应的增强控制。因此，提供一种供应转矩的精确方式，其最佳地利用能量并且不会不必要地使用能。
通过对从并行的飞轮和的另一转矩供应到机械系统转矩供应进行控制，可以适当地满足车辆的运行要求。特别地，通过在变速事件期间(此时，来自ICE的转矩供应减少)使用飞轮来供应转矩，从而提供了增强的用户舒适度，并且避免了传统车辆系统中出现的“转矩中断”感觉。在变速事件完成之后，引擎可操作以对飞轮进行再充电。因此，提供一种自足式的、自保持的转矩供应系统。
附图说明
下面将结合附图来描述根据本申请的实施例，其中：
根据本装置的实施例将参考以下附图来描述：
图1示出了已知的飞轮布置；
图2示出了用于向飞轮提供废气能量的可能配置；
图3示出了传统涡轮增压器设备的升压和引擎负荷之间的关系；
图4示出了化学电池与飞轮电池并联的双模操作的可能布局；
图5示出了图4的布置的示例性控制流；
图6a示出了在负荷均衡或再生制动期间，图4的布置的能量流；
图6b示出了在从电机到ICE的功率辅助期间，图4的布置的能量流；
图6c示出了在插入式充电期间，图4的布置的能量流；
图6d示出了在慢充电维持期间，图4的布置的能量流；
图6e示出了在低功率飞轮功率维持和大功率电机操作期间，图4的布置的能量流；
图7a示出了车辆速度和在混合动力车辆中单独使用的化学电池的化学电池充电状态之间的关系；
图7b示出了车辆速度和图4的布置中的化学电池充电状态之间的关系；
图8a示出了飞轮转矩填充的可能引擎配置；
图8b示出了飞轮转矩填充的另一类似配置；
图8c示出了飞轮转矩填充的又一类似配置；
图8d示出了飞轮转矩填充的可能控制方案；
图9a示出了耦合到ICE的辅助飞轮设备的可能配置；
图9b示出了使用分裂路径IVT布局的、耦合到ICE的辅助飞轮设备的可能配置；
图10a示出了其中飞轮设备被耦合到主车辆离合器和变速器的ICE上游的布置；
图10b示出了其中飞轮设备在变速器输入端处耦合到ICE的布置；
图10c示出了其中飞轮在变速器输出端处耦接到ICE的布置；以及
图10d示出了其中飞轮耦合到后轴系统的布置。
概述
概括而言，提供了一种设备、方法和控制方案，以便使用飞轮来向机械系统(特别是车辆的动力传动系统)提供转矩。飞轮可以是对机械系统的唯一转矩供应，或者优选地，可以与诸如内燃机(ICE)等之类的另一转矩供应并行地提供飞轮。
车轮耦合到飞轮以任何适当配置向其传递转矩的机械系统。在与ICE并行使用时，取决于系统运行要求，飞轮可以机械地耦合到ICE和机械系统之间的转矩供应线中的多个不同点中的其中一个点。此外，可以使用任何适当地耦合装置或功率转换器(例如，包括变速器和/或离合器)来对由飞轮供应给机械系统的转矩进行控制和操作。
飞轮可以通过使用从飞轮向其供应转矩的机械系统回收的能量来进行再充电，和/或在开始阶段或操作期间，飞轮可以通过任何适当的方式(包括废气能量、化学电池、电动机和ICE)来充电。
提供了一种控制方案，以对从除了诸如ICE等之类的传统转矩供应装置之外的或者作为对诸如ICE等之类的传统转矩供应装置的替代的飞轮到机械系统的转矩供应进行最佳地控制。这个控制方案可以考虑几个因素，包括：飞轮的瞬时充电、机械系统的转矩需求、以及ICE或飞轮与其共同运行的其他转矩供应装置的瞬时转矩供应能力。举例而言，在车辆操作中的变速时间期间，飞轮可以用来向车辆动力传动系统供应转矩，此时如果只有来自车辆引擎的转矩供应，那么用户将会有转矩中断的感觉。
因此，提供了一种灵活、智能并且有效的设备和方法，以便于供应、接收和控制转矩。可以在车辆、引擎或机器配置中实现该设备，以便实现车辆、引擎或机器配置中的能量的最佳使用，并且通过稳定到车辆、引擎或机器配置的转矩供应而提供了增强的用户舒适度(特别是在车辆中)。
具体实施方式
图1示出了典型的现有飞轮布置。大体上圆形的中心金属支架部1可以轴向地安装在中心支架(例如，轴3)上。至少一个复合环2被安装在中心支架部1上。在图1所示的飞轮中，复合环2是来自碳纤维纤维缠绕。如本领域技术人员将会知道的，并且如上文所讨论的，诸如图1中所示的飞轮设备可以用作机械电池来存储动能，以供例如在机动车辆中使用。
排气式飞轮
图2示出了用于向车辆中的飞轮提供能量以便进行存储的可能布置。为了通过消除由空气阻力所引起的摩擦来优化飞轮12的操作，系统10包括优选地布置在真空装置14中飞轮12。在真空装置14外面，与飞轮12连接的是离合器16。所采用的离合器16可以是任何适当类型的简单离合器，甚至是电磁离合器。
为了向飞轮12提供能量并且初始驱动飞轮12，和/或在飞轮电池系统中充满电，输入18是经由离合器16提供给飞轮12的。该输入将废气能量从提供飞轮系统10的车辆的内燃机引导至飞轮12，并且使得废气能量存储在飞轮12中。该布置还包括用于废气的适当输出20，使得到飞轮12的废气能量的供应可以被操纵和控制。
应当理解的是，在车辆中所产生的废气的大部分通常被释放到空气中。从车辆中释放废气，而不是重用废气，这浪费了废气中的能量。因此，车辆必须工作以便在其内产生更多的可用能量，因此导致来自车辆的进一步废气排放，由此产生潜在的环境问题。相比而言，本实施例利用废气的能量并且允许对废气的能量进行存储，以供将来使用。
可以提供用于回收废气能量并且将废气能量直接导向飞轮12的任何适当设备。举例而言，可以采用特斯拉涡轮机设备(未示出)来将废气用作动力代理并且从其回收废气能量。
如本领域技术人员公知的，特斯拉涡轮机(或者圆盘涡轮)是由固定在轴上并且通过垫圈或者其他适当装置沿着该轴彼此轴向地隔开的两个或多个圆盘元件组成。在使用时特斯拉涡轮机中的气体流或者液体流是放射状的，以环形或螺旋形路径运行。在本实施例中，去往离合器16和飞轮12的废气流可以通过改变特斯拉涡轮机的圆盘的轴向间隔来控制，以增加或减少每单位时间穿过其中并且输入到离合器16的气体容积。
在图2所示的布置中，没有特斯拉涡轮机。作为替代，废气是经由可变几何尺寸涡轮增压器(VGT)(17)被引导至离合器16和飞轮12。VGT和其他涡轮增压器设备被广泛用于从车辆回收废气并且利用其在发动机入口处提升压力。然而，由于涡轮增压器的直接驱动的性质，涡轮增压器不能利用或存储来自提供给它的废气的能量。根据本实施例，作为对执行其向引擎提供经增压的空气的通常功能的替代，或者除了执行其向引擎提供经增压的空气的通常功能之外，可以有利地采用VGT，以经由飞轮12来利用过量的废气能量，从而使得其中的能量可以被存储以供将来使用。
如图2所示，在飞轮12和可变比率系统22之间提供离合器16。如下文所进一步讨论的，可变比率系统可以包括变速器装置，比如连续可变传输(CVT)或无限可变传输(IVT)或者相当的电机装置。图2中的可变比率系统22通向车辆的动力传动系统，以使得飞轮装置12机械地耦合到车辆的内燃机(ICE)，从而提供机械混合驱动系统。然而，作为替代或者另外，飞轮12可以用于包括其他目的，包括直接驱动、为其他电池类型充电，和/或给除了动力传动系统之外的车辆输出提供动力，同时仍然布置成由车辆的废气流来充电。
如图2所示的布置中，离合器应当能够用于同步飞轮(12)输入和涡轮元件。因此，其应当参与滑动状态并且因此耗散少量的能量。
轻质低惯量干型单盘或者锥形离合器可以用作直接的解决方案。更多紧凑的解决方案包括机电粉末离合器，机电粉末离合器用于a/c压缩机和增压器上，但是通常具有相当低的速度范围或者抱簧离合器设备，抱簧离合器设备(其为一个单向设备)将仅为飞轮提供扭曲，以便当发动机处于非“升压”状态时，防止涡轮机的任何阻力损失。
当被可变比率系统(22)同步时，涡轮机将以飞轮速度进行旋转，并且因此可变进口几何形状可以用于基于运行条件(包括飞轮速度、排气质量流率以及排气支管压力)来优化涡轮机效率。
并且因此提供一种机制，以便回收内燃机废气能量并且对内燃机废气能量进行存储以供将来使用。为了发起充电或将其充满，根据本实施例的飞轮12不需要诸如电动机之类的任何额外能源，但是作为替代，通过利用在传统车辆系统中浪费掉的现有废气能量，来提供飞轮系统的连续辅助充电。与涡轮增压器不同，飞轮性能不受涡轮迟滞的限制。进一步，飞轮12中的能量不需要立即使用，而是能够进行存储以便将来用于车辆中的各种应用，如进一步根据下文的描述中将会明白的。然而，由于图2中所示出的机制使用其中具有动能的废气流，并且提供该动能以便也作为动能存储在飞轮中，因此由于能量类型之间的转换所引起的损耗得以降低。
飞轮辅助型涡轮增压
根据上述方面的一个实施例，飞轮12可以被置于在涡轮增压器的废气门环(wastegate loop)中。如本领域技术人员所熟悉的，涡轮增压器是一种放置在车辆或发动机废气流中的被动设备，其目的是将废气能量导向压缩机，以增加其中的压力。然而，如果有过量的质量流量通过涡轮机自身，那么将产生背压(back pressure)，这个背压增加了引擎的排气支管压力超过最佳水平，由此使得发动机效率降低。为了避免这一点，涡轮增压器具有废气门，以便从其释放过量气体，因此在不同的系统工作点上有助于优化引擎升压和排气支管压力两者。
在传统的布置中，从涡轮增压器废气门释放的废气中的能量不被利用，而是随着从车辆排放废气而被丢失。根据本方面，解决了废气能量的浪费问题。从涡轮增压器的废气门排放的过量废气内的能量被导向飞轮，以便向其提供输入。立即地或者稍后，飞轮12可以用于辅助驱动涡轮增压器的压缩机。因此，通过组合使用涡轮增压器和飞轮12，废气能量被智能地获取并且利用以辅助增压器的运行。这使得增压器的工作更为有效，如根据图3所能理解的。
参看图3，其示出了传统增压器的升压-负荷关系。可以看出，涡轮增压器仅在较小的引擎负荷范围内产生针对相关联的内燃机的最佳理想升压。然而，使用飞轮12来驱动涡轮增压器的压缩机，并且结合涡轮增压器涡轮机，以在较大的负荷范围内对升压进行优化，并且因此使图3所示的曲线变得平坦。由此，实现改善的涡轮增压器效率。
飞轮辅助型增压
除了可操作以与涡轮增压器一起使用以外，可以使用根据本实施例的飞轮以驱动车辆的增压器设备。如上文所简略讨论的，已知的增压设备通过使用引擎功率来工作，以驱动增压器的压缩机并且提升车辆中的充气压力。引擎功率的这种直接使用引起寄生损耗，因此损害工作中的车辆的潜在效率。
根据本方面，已经认识到，飞轮设备可以用于驱动诸如增压器之类的充气升压设备，以便在不需要直接从引擎中获取功率的情况下提升引擎充气压力，从而避免通常与增压器相关联的寄生损耗。如上文所讨论的，可以使用废气能量来对飞轮进行充电。或者，可以从车辆的动力传动系统回收能量(例如，在再生制动或引擎负荷均衡期间)，并且存储在辅助飞轮设备中以用于驱动增压器。通过诸如变速器之类的任何适当机械联动，可以从动力传动系中回收能量，也在上文讨论过。
在操作中，增压器被耦合到车辆的动力传动系统。飞轮充当增压器的转矩供应，因此允许存储在飞轮中的能量经由ICE间接地提供给动力传动系统。飞轮和增压器之间使用的机械联动可以包括如上文关于排气驱动飞轮方面所讨论的离合器。作为替代，可以使用超速离合器，当需要加速时，在传统意义上直接使用涡轮机能量来驱动压缩机，并且飞轮能量仅能在涡轮机空转(即低引擎速度)时使用。这需要超越离合器(overrun clutch)，超越离合器仅在一个方向上进行驱动，例如抱簧离合器。这对于电磁飞轮配置特别有效，在电磁飞轮配置中，速度不需匹配，随后，当涡轮机在高引擎速度下过升压时，飞轮经由电气路径从涡轮机进行充电。飞轮也经由电气路径以低引擎速度来驱动压缩机。
因为，根据本方面，飞轮是使用动力传动系统能量和/或废气来充电的，原本在传统系统中浪费的能量被利用。通过利用原本浪费的能量，车辆的整体性能得以改善。特别地，在燃料消耗和车辆排放方面提供了性能上的益处。
根据这个方面的辅助飞轮设备能够用作增压器的唯一能源或者可以用作对现有增压器能源的扩充。举例而言，其可以在低引擎速率下向增压器提供功率提升，在这一点上，使用直接引擎功率并非是优选的。因此，由于飞轮可操作以增强对增压器的功率供应，增压器可以向ICE中提供理想的进口压力和质量流量，而不考虑车辆的工作引擎速度，并且与那时由涡轮系统(如果存在的话)提供的任意质量流量一致。换句话说，飞轮驱动的增压器可以在车辆的引擎工作图的任意点提供最佳的充电升压。这对于诸如离开之类的驾驶操作而言是特别有优势的，这些驾驶操作得益于当引擎排气质量流量较低并且功率也较低(特别是在高增压引擎中)时的瞬时短期能量浪涌(surge)。
飞轮驱动的增压器的另一优势是其允许对引擎进行小型化，这是因为低排气质量流量事件(例如，上文所描述的离开)期间的引擎功率密度被提高。尺寸的减小使得摩擦力和泵送损失得以减小，由此改善了其效率。可以预期的是，通过在所有的条件下将进入引擎汽缸的质量流量主动地控制为最佳的，与甚至没有进行小型化的引擎相比而言，飞轮驱动的增压器可以导致降低高达30％的燃料消耗。对引擎进行小型化因此将会增强这种潜在的燃料消耗优势，并且也满足了从尽可能小的、紧凑的以及低成本的ICE来实现最大性能这样一种日益增长的消费趋势。
上文所描述的飞轮驱动的增压器的优势是在柴油引擎中尤为突出，对于柴油引擎而言，与汽油引擎相比而言，在室(chamber)中通常具有更多的需要压缩和膨胀的气团。如本领域技术人员将会理解的，对于不同的引擎和引擎类型而言，理想的进口压力不同，举例而言，理想的进口压力可以从这样的车辆的设计负荷图得出。
双模电池
图4示出了根据本申请的进一步方面的另一飞轮的可能布局。示出了机械飞轮能量存储与插入式化学电池系统并联使用的配置。包括飞轮的机械电池40可以用于例如处理再生制动能量回收，以作为使用化学电池42来执行这种功能的替代。如上文所讨论的，典型车辆使用环节期间的再生制动和回收倾向于需要针对混合动力车辆或机器的电池系统充电电平的高功率和高频循环。这种高频循环对化学电池有显著的的消极影响，损害了化学电池的健康并且限制整个系统的寿命。
根据本方面的示例性实施例，机械飞轮电池40与化学电池42并联工作，向电机46的功率电子44馈电，电机46反过来被布置成为向车辆的混合动力传动系统提供功率。
图4所示的布置不限于使用飞轮作为再生制动的主电池。飞轮电池40有利地用作车辆使用期间的任意快速或短期能量供应和/或回收的主电池，而化学电池42更适合于低充电速率，即较慢的、长期的能量供应和回收。从下文所讨论的额外附图将会理解，根据本方面的并联化学电池42和机械电池40应当根据与任何其他电池布置相同的考虑来进行布置和操作。也就是说，必须单独和综合考虑两种电池可用能量、功率和寿命。应当注意的是，图4同时示出了其中两种电池并联布置的实施例，但是这两种电池也可以串联布置，其中，机械飞轮电池40位于化学电池42和引擎的变速器之间。
通过共同使用机械飞轮电池40和化学电池42，有可能降低电机的电池电源的整体成本，这是因为与只使用化学电池而没有机械电池支持的情况相比，对于给定的功率需求，需要较小的化学电池与机械电池一起使用。或者，通过降低循环频率和/或化学电池的峰值功率需求(或提供给化学电池的峰值功率)来增加现有电池的寿命，从而降低供电系统的寿命成本。
参见图5，可以理解示例性的控制方案。在第一步骤510处，在特定时刻，考虑功率是进入还是流出组合的化学和机械电池系统，如图4中所示出的。如果，根据那时的车辆使用者需求和操作条件，功率是流出512电池系统以向电机46提供功率，那么随后在步骤514处，考虑飞轮电池的充电状态。如果发现飞轮电池的充电状态为高516，那么将从飞轮电池40中使用能量来向电机46提供功率。如果，在另一方面，飞轮电池的充电状态为低518，作为替代，将会使用来自化学电池42的能量。如果，如经常出现的情况，在需要来自电池系统的功率输出时，飞轮电池的充电状态为中等，那么将在步骤522处考虑那时所需要的功率是高还是低。如果所需要的功率为高，那么将从飞轮电池中取走满足需求的能量524。然而，如果所需要的功率为低，使得此后不需要显著的再充电循环，那么将从化学电池中取走满足功率需求能量的能量526。
返回到控制步骤510，如果在步骤528处确定功率要进入电池系统，那么接下来要考虑的是这个输入功率是在低循环功率下发生(例如，在插入式充电或者慢充电维持期间)还是在高循环负荷或功率下发生530(例如，在再生制动或引擎负荷均衡期间)。对于低循环功率流入，能量将存储在化学电池42中。然而，对于高循环负荷或功率而言，能量将被存储在机械飞轮电池40中。通过这种方式，提供了控制系统，该控制系统优化了每种电池类型的能量存储和回收循环特性，同时确保每个电池得以充分地充电以处理动态变化的引擎和车辆需求。
图6a至图6e进一步示出了上述示例性的控制逻辑。图6a示出了负荷均衡或再生制动期间的能量流，在此期间，能量在短的时间间隔内被回收并且重用。如图6a所示，之前以动能形式存在于车辆中的能量通过动力传送系统回收到飞轮电池，以避免化学电池充电的循环频率，并且还有利地避免在两种类型的能量之间进行转换而导致的能量损耗。
在图6b中，电机用于提升来自混合动力车辆中的ICE的动力供应。化学电池42和飞轮电池40是用于向电机提供能量以便满足那时的车辆输出需要。因此，将要理解的是，取决于给定时刻的能量需要和其他控制考虑，这两种电池类型可以一起操作或者分开操作。
在图6c中，化学电池经由插入方式进行充电。化学电池存储来自插入式市电电源电力的长期电荷，以便后来使用。
在图6d中，可以看出，能量可以从机械电池40提供给化学电池42。图6d示出了慢充电维持，其中，从车辆轮胎和动力传动系统回收的高功率能量被导向飞轮电池40，并且其后，来自所回收的飞轮能量的低功率电荷被提供给化学电池42以便以化学形式长期存储。通过这种方式，流入化学电池42中的电流被最小化，转而，在化学电池42中转化成热的功率损耗也最小化。化学电池中的功率损耗的减少提高了系统效率并且减少了对电池结构有害的热老化效应的影响，如下文进一步所讨论的。
最后，图6e示出了电机46的高功率作业的能量流。化学电池42(其用于以化学形式长期存储能量)对飞轮40进行充电，以使得飞轮40能够在短期内为大功率应用提供能量。如上文所述的，与化学电池相比而言，来自飞轮电池的用于大功率应用的能量供应的效率较高，以使得在需要来自飞轮电池的高功率输出时，优选地，单独使用飞轮电池来向电机提供能量。
图7a和7b分别示出了针对单独工作的传统化学电池和与飞轮电池一起双模工作的化学电池，与车辆速度相比而言，化学电池的典型电池充电周期。从这些图中可以看出，通过在一些时段期间(例如，快速加速或快速减速)使用来自飞轮电池的能量，由此可以避免化学电池中高功率流和充电的高循环频率，从而在化学电池中实现了更好的充电稳定性。
通过进一步的示例的方式，根据单独使用化学电池(例如，按照图4所示的配置)的传动车辆，经由电动机/发电机到化学电池的再生制动期间，能量“往返(round trip)”(车轮到电池到车轮)的效率预期在50％和63％之间。相比之下，使用机械飞轮电池而不是化学电池作为能量存储源的相同再生制动例程的效率预期达到84％左右。因此，双模配置(例如，图4所示)使得化学电池的长期益处得以保持，并且同时，通过并联使用飞轮机械电池，引入了新的并且有优势的效率效应。机械飞轮能量存储设备本质上适合短期能量存储，并且在其能够传递或接收的功率上没有基本限制。因此，通过优选地仅将机械系统用于短期能量存储，本方面利用了机械系统的长处。尽管可以预期的是，在特殊情况下，飞轮电池可以帮助化学电池实现长期存储能量的目的。
在又一优势中，具有化学电池的双模中的飞轮的使用避免流入和流出化学电池的高功率流，由此阻止了化学电池中出现过度的温度升高。如本领域技术人员将会理解的，化学电池中的一段时间内的温度升高将导致化学电池损坏。此外，化学电池的内部温度的升高将导致系统效率下降，这是因为子组件中的欧姆损耗(Ohmic losses)随着阻抗的增加而增大，而阻抗的增加与电池温度的升高相应。
与传统的仅有化学电池布置相比，整体的机械电池/化学电池双模布置具有延长的预期寿命。这里所讨论的双模机械/化学电池操作不限于在传统混合动力引擎或电动车辆中使用。而是，本申请的原则可以更加广泛的应用于其他车辆机械和设备(包括电梯和起重机)。
飞轮转矩填充系统
根据另一方面，在由手自一体变速器车辆上的变速事件导致的“转矩中断”期间，根据本实施例的飞轮可以用于“填充”(fill-in)车辆上的输出动力传动系统转矩。如从下文的描述将会理解的，本文的填充布局以及相关联的控制方法通过以下方式来解决“转矩中断”感觉(这对于一些用户来说是一个问题)：在变速事件期间使用飞轮能量来驱动或制动变速器输出以至少减小或潜在地消除用户的转矩中断感觉。
图8a示出了使用所存储的飞轮能量来提供转矩填充的可能布局。飞轮电动机80通过适当的隔离耦合81连接到变速器82。接下来，变速器82机械耦合到其变速器86的下游的内燃机84的输出，因此飞轮80和引擎84都可以为车辆的最终传动88提供能量。
假设飞轮具有恒定的惯性，由飞轮提供或者飞轮收进的功率与飞轮的角加速度(即飞轮速度的变化率)成比例。因此，由飞轮80传递的转矩的变化率，经由变速器82，与飞轮的角速度成反比，并且因此与变速器82上的比例变化率成反比。然而，可以预期的是，单独变速器82上的控制比率不能提供足够的控制分辨能力，以便实现根据本方面所需要的有效飞轮转矩填充。
如本领域技术人员将会明了的，多数变速器被设计成控制其上的速度比率，而本质上不是设计用于转矩控制。对于仅速度可以控制的变速器而言，在短时间内单独实用变速器来控制转矩产生了潜在的问题，这是因为变速器元件的内部打滑以及可能的变速器的常规机制的反应延迟。因此，为了提供对通过飞轮80传递给动力传动系统或取自动力传动系统的转矩的足够控制，在变速器82和其与动力传动系统88的最终机械耦合点87之间提供调节耦合装置89。
包括适当地置于如图8a所示的比例链(ratio train)中的调节耦合89的使用，实现了增强的转矩控制，而这不可能通过单独使用变速器82来实现。图8a所示的配置可以使用变速器82速度控制来保持离合器上的一致但是有限的滑动，以便使滑动损耗最小化，但是确保飞轮80和最终动力传动系统88之间的转矩方向一致。这使得转矩控制分辨能力例如在0到100Nm的范围内，但是在一个紧凑的和高性价比的封装中。根据本方面的包括变速器82和调节耦合89的转矩控制装置提供了小于100毫秒范围内的快速响应，因此实现了在需要时(特别是，在变速事件期间)，向动力传动系统88提供转矩填充的飞轮80在的即时反应。图8a所示的布置使得能量损耗最小化，并且因此确保根据车辆随着时间的需要，飞轮80中所存储的多数能量最终转换为有效的转矩填充。
在操作中，包括在调节耦合89中的离合器可以引导和控制来自飞轮80的制动转矩和加速转矩。也就是说，如果飞轮侧元件的速度低于动力传动系统侧元件的速度，那么制动转矩将由离合器动作产生。相反地，如果飞轮侧元件的速度大于动力传动系统侧元件的速度，那么加速转矩将由离合器动作产生。
应当理解的是，离合器上的滑动的幅度将增加能量在离合器中耗散的程度。然而，根据本实施例，在离合器设备的操作期间，在离合器设备中承受最小的能量损耗，从而提供滑动限制以及变速器控制。与单独的比率变速器车辆上的典型起步离合器(launch clutch)相比，这允许对调节耦合89内的离合器单元进行小型化。根据本实施例的调节耦合89中所使用的离合器可以是任何适当地类型，包括：电磁离合器、被动冷却干型离合器单元、具有机械致动设备的被动冷却密封湿型离合器单元、具有内部被动泵设备的湿型离合器盘，或者多盘离合器。
关于图8a的布置以及进一步关于图8b和8c，可以理解飞轮转矩填充的控制策略，图8a-8c还示出了根据本方面的适当配置。控制逻辑包括在给定的变速操作期间引擎功率是开还是关的考虑，也需要考虑该换挡是换高速档还是换低速档。
对于“上电”换高速档，飞轮80需要向动力传动系统88加速转矩。这使得变速期间的车辆车轮处的转矩变化遍布整个换挡，而不折衷换挡时间或者车辆速度。因此，所提供的优点优于传统动力换挡变速器，传统动力换挡变速器必须在速度改变之前，在第一转矩阶段期间，在车轮处实现转矩变化，因此导致用户的中断感觉。
通过示例性示例的方式，图8d示出了根据本方面的飞轮转矩填充系统的可能控制流。所使用的飞轮可以是任何适当容量。举例而言，飞轮电动机80可以具有400KJ的容量，并且所使用的变速器82可以是具有120KW容量的CVT。在这样的布置中，飞轮可以在4秒时间内向动力传动系统提供100KW。然而，如本领域技术人员将会理解的，典型的变速仅花费约四分之一秒。因此，在任意给定的变速期间并不是飞轮中的所有能量都需要被耗散和/或在变速开始和/或变速结束时，飞轮转矩供应和引擎转矩供应之间可以重叠。
如图8d所示，在示例性的控制流中，在步骤810处，用户首先启动齿轮变速，通常使用离合器踏板或其他车内离合器控制装置。在步骤820处，然后在齿轮变速期间，CVT产生流来从飞轮向动力传动系统传递功率。一旦该功率传递到位，在步骤820处，在引擎中发生齿轮变速。一旦齿轮变速完成，在步骤840处，引擎继续功率传递的责任，并且同时或者其后，在步骤850处，中断来自飞轮和CVT的功率传递。在步骤840和850处，在来自飞轮的能量传递返回到引擎的转换期间，发动机可以超速运行(overrun)，以便在飞轮上充满电，以备后续使用。
对于上电换低速挡而言，考虑的问题和控制流是类似的。其中，传统动力换挡变速器必须在速度已经改变之后，在转矩阶段中，在车轮处实现转矩变化。然而，通过在上电换低速挡期间使用飞轮80来向制动转矩做出贡献，换挡期间车轮处的转矩变化可以散布于整个换挡，而不对换挡时间或速度进行折衷。此外，制动能量被收集在飞轮中，以便根据上文所讨论的换高速挡情形后来返回。
在使用如图8a到图8c所示的配置的断电换低速挡或换高速挡期间，车辆轮胎处的转矩变化可以散布于整个下滑时期，因此确保平滑的下滑行为，而不会有换挡感觉。有利地，因为填充飞轮设备能够回收动能，取决于车辆的驱动模式，主引擎变速器可以在进行进一步操作之前等待正转矩。
因此，根据本方面的飞轮配置和控制方法提供了一种在变速事件期间控制所传递的转矩的方法，以便在变速期间为用户提供改善的换挡舒适度。飞轮填充系统提供了一种能量存储和回收的有效方式，因为在飞轮和动力传动系统之间的能量保持为动能形式，因此阻止通常与车辆和机器中的能量转换相关联的能量损耗。
由于，根据本方面，不需要在能量类型之间进行转换，因此提高了效率。因此，在整个系统中，有更多的能量可用，使得潜在地，不需要为转矩填充提供额外的能量源。由于，飞轮被布置成在需要时向动力传动系统提供能量，并且在车辆使用循环期间的其他点处从动力传动系统中回收能量，其使用已经存在于车辆中的能量，因此不需要能源以提供其转矩填充功能。与诸如需要额外能源或者至少需要能量转换阶段以向动力传动系统提供转矩的电动机填充系统相比而言，这提供了显著的优势。
可以预期的是，具有足够尺寸的辅助飞轮设备的电控手自一体化变速器将实现本文所讨论的转矩填充和与混合布置相关联的额外能效效益。对于类似的车辆和引擎运行条件来说，与使用双离合变速器相比而言，这将减少20％左右的燃料消耗。此外，使用与飞轮转矩填充相结合的手自一体变速器并不比使用双离合变速器的成本高。
可以对飞轮和相关联的变速器以及耦合(如果需要的话)进行改装以适应现有的手自一体变速器，由此改善其效率并且以简单且相对低成本的方式在变速事件期间提供改善的用户舒适度。这里所描述的用于现有系统中的转矩填充目的的改装飞轮的整体影响是非常低的，这是因为这样做不需要对系统进行重大的重新设计。因此，本方面可以潜在的用于现有车辆以及未来车辆设计。
变速器和设备配置选择
应当理解的是，变速器类型的选择以及针对上述飞轮方面的设备布线或配置选择不限于本文所特别描述或示出的。而是，对于特定的车辆、引擎、机器或其他装置，根据需要达到的要求，可以实施任意适当的设备选择和布局。
变速器设备的功能是将飞轮的速度与机械耦合点的速度相匹配，在该机械耦合点，飞轮耦合到ICE或其他输出装置的输出。有效地，变速器是功率转换器。也就是说，在上述飞轮实施例中的功率正比于角速度乘以转矩。所使用的变速器或其他功率变换器的功能为将其一侧的大转矩和低速度变换成功率变换器另一侧的小转矩和高速度。
机械耦合点的选择和变速器设计两者都对根据本文所描述方面的飞轮辅助的系统的功能有影响。针对其中使用变速器的那些方面中的变速器选择包括带式连续可变变速器(CVT)、牵引型CVT、机械分裂路径无限可变变速器(IVT)，电分裂路径IVT，静液压CVT/IVT以及一个或多个电动机。当然，系统甚至是空气驱动的。
图9a示出了例如可以用于转矩填充目的可能飞轮和变速器布局。优选地，飞轮90布置在真空装置92中。飞轮90通过任意适当的耦合方式连接到耦合离合器94。耦合离合器94在飞轮90和变速器设备96之间提供连接。变速器设备96继而机械地耦合到内燃机97和变速器99之间的车辆的变速器输入端。
图9b示出了包括分裂路径IVT的替代布局。再次，优选地，飞轮90提供在真空装置92中，并且与耦合离合器94连接，耦合离合器94转而连接到变速器。这种布置中所使用的变速器设备包括周转圆级96和直列牵引变速器98。通过包括IVT变速器系统，改善了飞轮辅助的引擎的潜在功能，从而在低速下提供增加的回收范围并且实现起步加速。
可以看出，与图9a中所示出的变速器设备机械地耦合到ICE 97的输出端的布置不同，在图9b中，变速器设备耦合在变速器99的输出端。如上文提到的，机械耦合点的这个选择可以影响飞轮辅助的系统的功能和相关联优势。
图10a到图10b进一步示出了根据目前所描述方面的用于飞轮辅助的潜在耦合配置选择。
在图10a中，辅助飞轮设备100耦合到ICE 102，主车辆离合器104和传输106的上游。这种耦合配置提供一个优势，这个优势在于，为了将飞轮速度和其与ICE 102的耦合点处的速度相匹配，ICE102和飞轮100之间的变速器设备上所需要的比率范围相对较窄。也就是说，由于相对于车轮而言，引擎以较高的速度旋转，飞轮和引擎之间的比率差小于飞轮和车轮之间的比率差。此外，飞轮和ICE之间的转变所需要大的、有力的齿轮已经存在于变速器中，但是不存在于较低的下游。
图10a中的布置通过使用变速器的转矩优势进一步降低了变速器转矩。然而，因为飞轮耦合在离合器104的上游，所以必须闭合离合器104才能在车辆动力传动系统108中回收和重用来自飞轮100的能量。因此，来自飞轮100回收能量可被变速中断。此外，在这个布置中，需要动力换挡变速器，以便使用用于机械能量存储的飞轮设备100来实现连续驱动和再生制动。
图10b示出了类似于图9a所示的替代耦合配置，其中，飞轮100耦合到离合器104和变速器106之间的变速器输入端。与图10a中的布置一样，10b中的配置提供了改善的可用范围，这是因为ICE 102和飞轮100之间的兼容变速器比率。并且，其还实现变速箱转矩的降低。然而，在变速期间仍然需要解耦，以便变速操作期间的来自飞轮100能量回收和/或重用。
图10c示出了另一种可能的耦合配置，其中，飞轮100耦合在变速器输出端。这种布置是有益的，因为来自飞轮100的能量回收不会被变速所中断。此外，仅飞轮模式是可能的，其中，飞轮100是唯一的能源，并且能量不来自于ICE 102，只要主离合器104打开，这就是可能的。然而，与图10a和10b的配置相比而言，图10c中的配置降低了整体操作范围，并且其也需要在变速器输出端处增加耦合转矩。
图10d示出一种后轴系统，其中，飞轮100提供在车辆的引擎102和后车轮109之间。与图10c所示出的布置一样，这种配置是有益的，因为来自飞轮的能量回收不会被变速所中断，并且只要主离合器打开，仅飞轮模式就是可能的。此外，飞轮100可以用于四轮驱动辅助或者部分时间四轮驱动功能。因此，飞轮100可以在多样化针对不同行车条件下的车辆的适合性方面提供辅助。然而，与图10c所示的配置一样，与图10a和10b所示的配置相比而言，图10d中的配置降低了整体操作范围并且需要在变速器输出端增加耦合转矩。
如上文所讨论的适当配置中的飞轮的进一步使用在于起步支持。取决于车辆类型和发动机负荷图，飞轮可以是用于起步的唯一转矩供应，或者可以与引擎转矩供应一起使用。举例而言，对于诸如交通队列情形中的相对较小的车辆，以固定间隔缓慢前行，飞轮足以为车辆起步提供扭矩，以便于每次缓慢前行。或者，对于较大的车辆或较小车辆的较长距离或较高速度移动，飞轮可以与引擎能力的一部分一起使用，例如使用4个可用汽缸中的两个引擎汽缸。可以实施一种适当的控制策略，使得考虑到车辆因素和潜在的环境因素(例如，特定区域中排放限制)，在任意给定时刻，使用飞轮和引擎转矩供应的最佳组合。
根据目前所描述方面的特定变速器和耦合配置的适合性的另一因素是运行期间飞轮自身的速度。在任意给定时刻，飞轮内所存储的动能与其速度的平方直接成比例(Eαω2)。因此，举例而言，如果所存储的能量的一半从高速飞轮中提取的，那么与从低速飞轮中取出一半能量相比，这将导致高速飞轮的速度下降的百分比较小。结果是，较快的飞轮有助于降低用于将飞轮耦合到ICE的变速器设备的所需要的比率范围。
变型
需要理解的是，本文所描述的飞轮方面不是互斥的，而是可以通过任何适当的组合在车辆、机器或其他装置中实现。举例而言，引擎布局可以包括相对较小的飞轮以用于以下中的任一个或全部：驱动增压器、为化学电池充电、和提供辅助能量供应或回收，在车辆启动或停止事件期间提供除了由主电源所提供的之外的辅助能量供应或回收。同样的引擎配置还可以包括相对较大的飞轮，以用于车辆轮胎的直接和/或混合驱动。
对于上述方面中的任意方面，有可能对飞轮进行配置，以使得在关闭车辆或设备时，飞轮停止运转，并且通过这样做，对化学或其他长期电池存储装置进行充电。
取决于需要满足的特定要求或需要遵守的限制条件，飞轮可以在制造期间包括在引擎或机器中，或者通过各种不同配置，在制造后，对飞轮进行改装以适应现有引擎或机器。
因此，本文提供了多个方面，在每个方面中，在引擎、车辆、机器或装置中实现飞轮，以便有利地使用其中的可用能量，并且使用其以改善整体性能和输出。不需要额外的能源来运行飞轮或对飞轮进行充电，而是，已经认识到，根据本方面，可以使用适当的飞轮布置来有益地获取、存储和重用传统系统中耗散的能量。此外，可以对本文的飞轮布置进行适当地操作和控制，以便通过直接并且能源高效的方式来满足随着时间变化的运行条件和用户需求。
本方面认识到，在车辆或机器中，能量通常以动能的形式回收，并且因此，通过使用飞轮以动能形式存储能量，由于能量转换阶段带来的能量损耗得以减少或者避免。飞轮可以在扩展的时间段内以动能形式存储能量，此外，根据随着时间的条件(例如，在引擎关闭期间)，飞轮可以用来以动能形式或其他形式向其他能量存储设备提供能量。
本文所描述的飞轮方面通过用户友好的、高性价比的、小型的并且环境友好的方式实现了增强的效率和性能，从而与现有布置相比，提供了实质性的优势。它们可以实现在任意适当的车辆、引擎、机器或装置中，以便以一种之前通过使用现有技术布置不可能实现的方式来提高其输出性能和满足用户需求。

Claims (17)

1.一种用于向车辆动力传动系统(88)供应转矩并且从所述车辆动力传动系统(88)接收转矩的装置，所述装置包括飞轮(80)和耦合装置(81，82，89)，所述耦合装置(81，82，89)被布置成向所述飞轮(80)传递转矩或者从所述飞轮(80)传递转矩，其中，所述装置被布置成在使用时向公共的车辆动力传动系统(88)供应与主转矩供应并行的转矩和/或从公共的车辆动力传动系统(88)接收与主转矩供应并行的转矩。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述主转矩供应包括：内燃机(ICE)和/或电动机。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述耦合装置(81，82，89)包括功率转换器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述功率转换器包括以下中至少一个：变速器设备(82)和离合器(81，89)。
5.根据权利要求4所述的装置，包括：离合器(81，89)和变速器(82)，其中，所述离合器(89)被布置成在使用时增强由所述飞轮(80)和所述车辆动力传动系统(88)之间的所述变速器(82)提供的转矩控制，其中，转矩是传递到或者接收自所述车辆动力传动系统(88)的。
6.根据权利要求1至5任一项所述的装置，其中，所述飞轮是通过使用从所述车辆的操作回收的能量可再充电的。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述飞轮(80)是使用以下中的任何一个可再充电的：废气能量、化学电池、电动机、内燃机(ICE)以及直接从所述车辆动力传动系统回收的能量。
8.根据权利要求1至7任一项所述的装置，进一步包括：控制器，其用于控制去往和来自所述车辆动力传动系统(88)的转矩传递。
9.一种用于向车辆动力传动系统(88)供应转矩填充的方法，所述方法包括：提供与所述车辆动力传动系统的主转矩供应(84)并行的飞轮(80)，对所述飞轮进行充电以为转矩供应(84)作准备，并且在车辆操作期间将转矩从所述飞轮传递到所述车辆动力传动系统，以取代或增强来自所述主转矩供应(84)的转矩传递。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：使用从所述车辆的操作回收的能量来对所述飞轮(80)进行再充电。
11.根据权利要求9或10所述的方法，包括：如果所述车辆动力传动系统的瞬时转矩需求超过阈值水平，则将转矩从所述飞轮(80)传递到所述车辆动力传动系统(88)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，包括：在来自所述主转矩供应(84)的转矩传递减少期间，将转矩从所述飞轮(80)传递到所述车辆动力传动系统(88)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，进一步包括：将转矩从所述车辆动力传动系统(88)传递到所述飞轮(80)和/或到所述主转矩供应(84)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中，所述机械主转矩供应(84)是ICE，并且其中，所述方法包括：在车辆变速事件期间，使用所述飞轮(80)作为对所述车辆动力传动系统(88)的唯一转矩供应。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：在所述车辆变速事件完成之后，使用所述ICE(84)来取代所述飞轮(80)作为对所述车辆动力传动系统(88)的唯一转矩供应。
16.根据权利要求14或15所述的方法，进一步包括：在所述变速完成之后，使用所述ICE(84)来对所述飞轮(80)进行再充电。
17.一种装置方法或控制方案，其实质上如本文所描述的或者如附图所示出的。
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