CN105465296B - 电动无级变速器 - Google Patents
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Abstract
一种用于车辆的电动无级变速器，包括：电动马达(1)；行星齿轮组(2)，其包括太阳轮(2.1)、行星架(2.3)和齿圈(2.5)；第一离合器(C1)，其布置在所述车辆的发动机(3)和所述齿圈(2.5)之间；第二离合器(C2)，其布置在所述太阳轮(2.1)和所述行星架(2.3)之间；制动器(B1)，其用于锁定或释放齿圈(2.5)，和卡爪离合器(A1)，其用于锁定或释放行星架(2.3)或所述电动马达(1)的输出轴，所述电动马达(1)是单个电动马达，并且所述电动马达(1)的输出轴连接到行星齿轮组(2)的太阳轮(2.1)。本发明还提供一种包括该电动无级变速器的车辆。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的电动无级变速器。并且，本发明还涉及一种包括该电动无级变速器的车辆。
背景技术
通常，混合动力变速器具有电动马达和行星齿轮组，所述混合动力变速器能够对于发动机实现连续可变速比，由此其也被称作电动无级变速器(electric ContinuouslyVariable Transmission:eCVT)。所述电动无级变速器具有多种驱动模式，例如纯发动机驱动、纯电动马达驱动等。
丰田混合动力系统(Toyota Hybrid System:THS)是已知的，如图1所示。该THS是一种高效的混合动力系，其具有主动力源例如发动机和电动无级变速器。该电动无级变速器包括一个行星齿轮组和两个辅助动力源例如电动马达，一个是电动机，另一个称为发电机。在该THS中，发动机连接到行星齿轮架，发电机连接到太阳轮，且电动机连接到齿圈，并且该THS将动力从齿圈输出到车轮。通过两个电动马达的速度调节，发动机能够总是在最高效区域中工作。
然而，因为THS的结构决定了在高速行驶(车速高于100kph)的情况下发动机必须起动，如果发动机不起动，则发电机将高速旋转并且超速(>9500rpm)运行才可以达到100kph以上的车速(但是电机是不可以超过设计转速的)，所以THS不能实现高速纯电驱动。因此，对于插电式混合动力车辆和增程式电动车，THS不能满足高速纯电驱动的要求。
THS使用两个电动马达，即一个发电机和一个电动机，两个电动马达的总功率超过100kw，而在单个电动马达情况下，能够使用仅仅20kw的电动马达就能达到电驱动下的相同车辆性能。显见，与单个电动马达相比，THS产生来自于电动马达和功率电子装置的附加的成本。
通常意义上，直接机械能量路径-燃料->发动机->车轮的能量效率总是高于路径-燃料->发动机->发电机->电动马达驱动装置->车轮的能量效率。但是，THS在多数驱动情况下总是含有一定比例的后一条路径，这降低了系统效率，请见图2。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效的混合动力传动系结构，其能够保持发动机和电动马达在不同的运行条件下在高效区域中运行，并且其能够用于从全混合到插电式混合直到增程式电动车的车辆动力混合。
本发明通过提供一种用于车辆的电动无级变速器实现了上述目的，其特征在于包括：电动马达；行星齿轮组，所述行星齿轮组包括太阳轮、行星架和齿圈；第一离合器，所述第一离合器布置在所述车辆的发动机和所述齿圈之间；第二离合器，所述第二离合器布置在所述太阳轮和所述行星架之间；制动器，所述制动器用于锁定或释放齿圈，和卡爪离合器，所述卡爪离合器用于锁定或释放行星架或所述电动马达的输出轴，其中，所述电动马达是单个电动马达，并且所述电动马达的输出轴连接到行星齿轮组的太阳轮。
由此，本发明中，仅仅使用单个电动马达由此降低了系统成本，并且通过单个电动马达实现大于100kph的高速电驱动，从而满足插电式混合动力车辆和增程式电动车的要求。本发明中，使用行星齿轮组、离合器和制动器来实现用于发动机驱动和电动马达驱动两者的动力换档，由此实现了纯发动机驱动和纯电驱动两者驱动方式，并且实现了混合动力模式中的连续可变速比。此外，通过本发明的电动无级变速器，能够在没有外部起动器的情况下利用离合器控制实现所有发动机起动。
优选地，所述卡爪离合器包括两个卡爪离合器，其中一个卡爪离合器能够锁定行星架，而另一个卡爪离合器能够锁定所述电动马达的输出轴。
优选地，所述卡爪离合器是单个的卡爪离合器。
优选地，所述单个的卡爪离合器设计为两侧面的卡爪离合器，所述两侧面的卡爪离合器的一个侧面能够与行星架接合，另一个侧面能够与所述电动马达的输出轴接合。
优选地，所述两侧面的卡爪离合器被单独的促动器促动。由此系统结构简单并且降低了系统成本。
优选地，所述卡爪离合器能够与连接到行星架的正齿轮接合以锁定行星架。
优选地，所述正齿轮与所述行星架一体形成并且还连接到差速器。
优选地，所述电动无级变速器包括单个行星齿轮组。由此降低了系统成本。
本发明还提供一种车辆，所述车辆包括如上所述的电动无级变速器。
附图说明
本发明的这些和其它目的以及优点从结合附图的以下描述将更完全地体现出来，其中所有附图中用相同的附图标记表示相同的或相似的部件，且其中：
图1是示出了现有技术的混合动力结构的图；
图2是示出图1所示的混合动力结构的能量路径；
图3是示出了根据本发明的混合动力结构的图；
图4至4-1示出了发动机I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速；
图5至5-3示出了发动机II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速；
图6至6-2示出了电动马达I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速；
图7至7-2示出了电动马达II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速；
图8至8’-1示出了混合动力耦合状态时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速；
图9至9-1示出了驻车发电时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速；
图10至10-1示出了驻车锁定时的情形；并且
图11-12描述本发明的eCVT的无动力中断换档。
具体实施方式
将在下文中参考附图详细地描述根据本发明的电动无级变速器的实施例。在附图说明中，相同或者相应的部分由相同的数字和符号表示，并且将省略重复的说明。
图3是示出了根据本发明的混合动力结构的图。如图3所示，本发明的混合动力结构包括主动力源例如发动机和电动无级变速器即eCVT。该eCVT布置在发动机3和车轮(未示出)之间，并且在输入侧连接到发动机3且在输出侧连接到车轮。eCVT包括单个电动马达(Electric Motor:EM)1、单个行星齿轮组2、两个离合器即第一离合器C1和第二离合器C2、制动器B1和卡爪离合器A1。eCVT还可以包括差速器4。行星齿轮组2包括太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5。
第一离合器C1布置在发动机3和齿圈2.5之间，即发动机3通过第一离合器C1连接到行星齿轮组2的齿圈2.5，第一离合器C1能够连通或者断开发动机3和齿圈2.5之间的动力连接。电动马达1连接到行星齿轮组2的太阳轮2.1，由此电动马达1与太阳轮2.1能够一体旋转。制动器B1相对于车体固定，并且能够锁定或释放齿圈2.5，从而允许齿圈2.5的锁定或转动。第二离合器C2布置在太阳轮2.1和行星架2.3之间，其能够连通或者断开太阳轮2.1和行星架2.3之间的动力连接。卡爪离合器A1设计为单个的两侧面卡爪离合器，并且相对于车体固定。卡爪离合器A1的一侧能够与连接到行星架2.3的正齿轮2.7接合以锁定行星架2.3，该正齿轮2.7优选与行星架2.3一体形成并且还与差速器4接合；并且，该卡爪离合器A1的另一侧能够与电动马达1的输出轴接合以锁定电动马达1。两侧面的卡爪离合器A1被单独的促动器促动。
替代地，卡爪离合器A1可以是两个单侧面卡爪离合器，其中一个卡爪离合器能够锁定行星架2.3，而另一个卡爪离合器能够锁定电动马达1的输出轴。
发动机3是任何类型的消耗燃料的发动机，例如内燃机、天然气发动机等。电动马达1不限于内转子类型，只要该电动马达既能作为电动机又能作为发电机即可。
下面将参考图描述对本发明的eCVT的操作。
图4至4-1示出了发动机I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图4所述，当采用发动机I档时，第一离合器C1接合，第二离合器C2脱开，制动器B1脱开并且卡爪离合器A1接合到电动马达1的输出轴。由此，发动机3发出的动力依次经过第一离合器C1、齿圈2.5、行星架2.3、正齿轮2.7以及差速器4最终到达车轮。
如图4-1所示，发动机3运行时，由于卡爪离合器A1接合到电动马达1的输出轴，太阳轮2.1的转速为0，从齿圈2.5到行星架2.3转速降低；并且齿圈2.5的转矩即发动机的转矩Tice与行星架2.3的转矩Tr方向相反。电动马达1和太阳轮2.1的转速和转矩分别相同即为0，并且发动机3和齿圈2.5的转速和转矩分别相同。
图5至5-3示出了发动机II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图5所述，当采用发动机II档时，第一离合器C1接合，第二离合器C2接合，制动器B1脱开并且卡爪离合器A1位于中间位置。由此，发动机3发出的动力依次经过第一离合器C1、齿圈2.5、固定在一起的太阳轮2.1和行星架2.3、正齿轮2.7以及差速器4最终到达车轮。
当采用发动机II档时，可以具有3种运行模式。
如图5-1所示，在第一种运行模式即纯发动机驱动模式中，发动机3输出动力而电动马达1不输出动力，太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5转速相同，并且仅发动机的转矩Tice导致了行星架2.3的转矩Tr。
如图5-2所示，在第二种运行模式即并联驱动模式中，发动机3输出动力而电动马达1也输出动力，太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5转速相同，并且发动机3的转矩Tice与电动马达1的转矩Tem在固定在一起的太阳轮2.1和行星架2.3处耦合在一起且由此共同导致了行星架2.3的转矩Tr。
如图5-3所示，在第三种运行模式即发动机负载点转移模式中，发动机3输出动力而电动马达1接收动力，即发动机3输出动力到电动马达1和车轮两者，太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5转速相同，并且发动机3驱动电动马达1发电。
图6至6-2示出了电动马达I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图6所述，当采用电动马达I档时，第一离合器C1接合或脱开，第二离合器C2脱开，制动器B1接合并且卡爪离合器A1处于中间位置。由此，电动马达1发出的动力依次经过太阳轮2.1、行星架2.3、正齿轮2.7以及差速器4最终到达车轮，并且车辆再生制动时，动力从车轮以颠倒的顺序到达电动马达1。
当采用电动马达I档时，可以具有2种运行模式。
如图6-1所示，在第一种运行模式即电动马达驱动模式中，发动机3不输出动力而电动马达1输出动力；从太阳轮2.1到行星架2.3转速降低，且由于制动器B1接合，齿圈2.5的转速为0；并且太阳轮2.1的转矩即电动马达1的转矩Tem导致了行星架2.3的转矩Tr。
如图6-2所示，在第二种运行模式即再生制动模式中，发动机3和电动马达1都不输出动力，车辆在制动时产生制动能量，该制动能量在行星架2.3处导致转矩Tiner；从行星架2.3到太阳轮2.1转速升高，且由于制动器B1接合，齿圈2.5的转速为0；并且行星架2.3的转矩Tiner导致了太阳轮2.1的转矩即电动马达1的转矩Tem-gen，由此电动马达1发电。
图7至7-2示出了电动马达II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图7所述，当采用电动马达II档时，第一离合器C1脱开，第二离合器C2接合，制动器B1脱开并且卡爪离合器A1处于中间位置。由此，电动马达1发出的动力依次经过固定到一起的太阳轮2.1和行星架2.3、正齿轮2.7以及差速器4最终到达车轮，并且车辆再生制动时，动力从车轮以颠倒的顺序到达电动马达1。
当采用电动马达II档时，可以具有2种运行模式。
如图7-1所示，在第一种运行模式即电动马达驱动模式中，发动机3不输出动力而电动马达1输出动力；太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5转速相同；并且仅电动马达1的转矩Tem导致了行星架2.3的转矩Tr。
如图7-2所示，在第二种运行模式即再生制动模式中，发动机3和电动马达1都不输出动力，车辆在制动时产生制动能量，该制动能量在行星架2.3处导致转矩Tiner；太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5转速相同；并且行星架2.3的转矩Tiner导致了太阳轮2.1的转矩即电动马达1的转矩Tem-gen，由此电动马达1发电。
图8至8’-1示出了混合动力耦合状态时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图8和8’所示，当采用混合动力耦合时，第一离合器C1接合，第二离合器C2脱开，制动器B1脱开并且卡爪离合器A1处于中间位置。
当采用混合动力耦合时，可以具有2种运行模式。
如图8所示，在第一种运行模式即并联驱动模式中，发动机3和电动马达1都输出动力，且发动机3发出的动力和电动马达1发出的动力在行星齿轮组2处耦合，之后经过正齿轮2.7以及差速器4最终到达车轮。如图8-1所示，从太阳轮2.1到行星架2.3转速降低，且从齿圈2.5到行星架2.3转速升高；并且太阳轮2.1的转矩即电动马达1的转矩Tem和发动机转矩即齿圈2.5的转矩Tice共同导致了行星架2.3的转矩Tr。
如图8’所示，在第二种运行模式即发动机负载点转移模式中，发动机3输出动力而电动马达1不输出动力，发动机3输出的动力经过行星齿轮组2传递到电动马达1和车轮；从齿圈2.5到行星架2.3转速降低；发动机转矩即齿圈2.5的转矩Tice导致了太阳轮2.1的转矩即电动马达1的转矩Tem-gen和行星架2.3的转矩Tr两者，由此电动马达1发电。
图9至9-1示出了驻车发电时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图9所示，当采用驻车发电时，第一离合器C1接合，第二离合器C2脱开，制动器B1脱开并且卡爪离合器A1与连接到行星架2.3的正齿轮2.7接合。由此，发动机3发出的动力依次经过第一离合器C1、齿圈2.5、行星轮、太阳轮2.1最终到达电动马达1用于发电，其中，行星架2.3被卡爪离合器A1锁定。
如图9-1所示，在驻车发电模式中，行星架2.3的转速为0；发动机转矩即齿圈2.5的转矩Tice导致了太阳轮2.1的转矩即电动马达1的转矩Tem-gen。
图10至10-1示出了驻车锁定时的情形。具体地，如图10所示，当驻车锁定时，第一离合器C1接合或脱开，第二离合器C2接合或脱开，制动器B1接合或脱开并且卡爪离合器A1与连接到行星架2.3的正齿轮2.7接合，由此，行星架2.3被锁定。发动机3和电动马达1都不输出动力，由此没有动力传递到差速器4。
如图10-1所示，在驻车锁定模式中，行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速都为0。
上面结合附图描述了本发明的eCVT的7种操作状态。下面的表1中示出了各种操作状态下的第一离合器C1、第二离合器C2、制动器B1和卡爪离合器A1的状态。
表1
下面参考图11-12描述本发明的eCVT的无动力中断换档。
示例1：从发动机I档到II档的无动力中断换档。
如图11和11-1所示，操作如下：卡爪离合器A1处于中间位置；控制电动马达1以增大其转矩Tem和转速Nem；在滑移状态中逐渐闭合第二离合器C2；当发动机转速Nice与电动马达转速Nem相等时完全接合第二离合器C2；增大发动机转矩Tice并且减小电动马达转矩Tem；完成无动力中断换档。
示例2：从电动马达I档到II档的无动力中断换档。
如图12所示，操作如下：增大电动马达的转矩Tem并且在滑移状态中将制动器B1从闭合逐渐转变为打开并且在滑移状态中将第二离合器C2从打开逐渐转变为闭合；制动器B1完全打开并且第二离合器C2完全闭合；完成无动力中断换档。
此外，本发明还提供一种车辆，所述车辆包括如上所述的电动无级变速器。由此，所述车辆能够降低系统成本并且实现大于100kph的高速电驱动。
然而，能力理解的是，本发明的eCVT不限于在车辆上使用，而且可以应用到例如在空气中飞行的飞机以及在水中航行的船舶等。
上面已经参照附图详细描述本发明的具体实施例。然而，可以预期的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种变形和修改。
Claims (9)
1.一种用于车辆的电动无级变速器，其特征在于包括：
电动马达(1)；
行星齿轮组(2)，所述行星齿轮组包括太阳轮(2.1)、行星架(2.3)和齿圈(2.5)；
第一离合器(C1)，所述第一离合器(C1)布置在所述车辆的发动机(3)和所述齿圈(2.5)之间；
第二离合器(C2)，所述第二离合器(C2)布置在所述太阳轮(2.1)和所述行星架(2.3)之间；
制动器(B1)，所述制动器(B1)用于锁定或释放齿圈(2.5)，和
卡爪离合器(A1)，所述卡爪离合器(A1)用于锁定或释放行星架(2.3)或所述电动马达(1)的输出轴，
其中，所述电动马达(1)是单个电动马达，并且所述电动马达(1)的输出轴连接到行星齿轮组(2)的太阳轮(2.1)。
2.根据权利要求1所述的电动无级变速器，其中
所述卡爪离合器(A1)包括两个卡爪离合器，其中一个卡爪离合器能够锁定行星架(2.3)，而另一个卡爪离合器能够锁定所述电动马达(1)的输出轴。
3.根据权利要求1所述的电动无级变速器，其中
所述卡爪离合器(A1)是单个的卡爪离合器。
4.根据权利要求3所述的电动无级变速器，其中
所述单个的卡爪离合器被设计为两侧面的卡爪离合器，所述两侧面的卡爪离合器的一个侧面能够与行星架(2.3)接合，另一个侧面能够与所述电动马达(1)的输出轴接合。
5.根据权利要求4所述的电动无级变速器，其中
所述两侧面的卡爪离合器被单独的促动器促动。
6.根据权利要求1或3所述的电动无级变速器，其中
所述卡爪离合器(A1)能够与连接到行星架(2.3)的正齿轮(2.7)接合以锁定行星架(2.3)。
7.根据权利要求6所述的电动无级变速器，其中
所述正齿轮(2.7)与所述行星架(2.3)一体形成并且还连接到差速器(4)。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的电动无级变速器，其中
所述电动无级变速器包括单个行星齿轮组(2)。
9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求1-8中的任一项所述的电动无级变速器。
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