CN114729597A - 前端电动发电机系统及混合动力电动车辆操作方法 - Google Patents

前端电动发电机系统及混合动力电动车辆操作方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于车辆附件的集成电气化的系统和方法，车辆附件常规由内燃机驱动，电动机在内燃机中联接到共同附件驱动器，共同附件驱动器驱动多个附件，例如动力转向泵、空调压缩机、空气压缩机、热力加热器和/或冷却剂泵。集成电气化附件单元优选地具有布置在共同壳体中的电动机、附件驱动器和附件，共同壳体被构造成安装到车辆的底盘车架轨道，共同壳体包括有利于附件到车辆的外部线路的快速连接的壁穿透部。

Description

前端电动发电机系统及混合动力电动车辆操作方法
技术领域
本发明涉及混合动力电动车辆，尤其涉及一种用于将混合动力发电和存储系统与内燃机选择性地联接的系统。本发明进一步涉及一种操作该系统的方法。
背景技术
具有与电动发电机和电能存储系统相结合的内燃机的混合动力电动车辆已成为汽车领域，尤其是乘用车领域中相当大的关注焦点。混合动力电动汽车系统的发展最近才开始在商业和越野车辆(例如，车辆类2-8中的卡车和公共汽车)中，在土方设备和铁路应用中，以及在固定式内燃机动力装置中引起极大兴趣。
混合动力电动技术提供许多优点，包括燃料效率的提高，减少内燃机排放和车辆噪声，以有助于满足政府法规要求、改进的车辆性能和较低的车队运营成本。这些优点在很大程度上得益于混合动力电动系统重新捕获能量并且当需要时在另一时间返回捕获的能量(例如，为车辆部件提供动力而不是使用内燃机作为动力源或辅助车辆推进)的能力，否则这些能量将被浪费(例如来自制动的机械能，否则其将作为热能消散到环境中)。
通常，混合动力电动车辆的电动发电机独立于内燃机布置(例如，使用分开的电动机来驱动前轮并从前轮回收能量，同时发动机向后轮提供推进动力)，或者已联接到发动机，例如集成到发动机的“后部”(即，发动机的飞轮所在的端部)中或在发动机和车轮的传动系之间。这种“在发动机后面”的位置允许电动发电机设备将扭矩直接传递到车辆的传动系和车轮，并且例如在再生制动事件期间由传动系直接驱动。后者的例子包括飞轮式电动发电机和分开的电动机，在飞轮式电动发电机中，传统发动机的飞轮被改进以用作电动发电机转子并且同心安装的定子位于飞轮周围，分开的电动机布置在发动机和驱动轮之间，例如通用汽车公司(General Motors)在2009款GMC Silverado轻型皮卡中提供的所谓“双模式混合动力”变速器，其中变速器容纳用于车辆推进和电能发电的两个电动机。
将电动发电机添加到内燃机的另一种形式是使用所谓的启动器-发电机。该方法将电动机直接联接到发动机，以用作发电机(传统上由常规带传动的交流发电机执行的功能)和发动机启动器两者，从而减少双联交流发电机和启动器电动机的重量和成本。这种启动器-发电机装置在所谓的发动机启停系统中特别有用，该系统在车辆停止期间关闭发动机以节省燃料并减少空转排放。启动器-发电机位于发动机后面(例如，适当设计的飞轮电动发电机也可用作启动器)，并且安装在发动机前端，在该发动机前端，启动器-发电机可以驱动直接联接到发动机曲轴的带。后一种系统的例子是通用汽车公司提供的“带式交流发电机启动器”系统，作为2007款Saturn Vue运动型多功能车辆的选装构造。这些系统很难适应大型发动机，例如商用车柴油发动机，因为电动机必须更大以应对这些重型发动机的更高扭矩要求，例如启动和操作各种部件(例如，发动机冷却风扇可以要求高达50千瓦的功率，需要大量扭矩来驱动风扇带的负载)。此外，这种扩大系统中的带传动需要具有传递大水平扭矩的能力，有些可能是不可能的，或者至少是不实际的，因为足以处理扭矩要求的更厚和更宽的传动带和滑轮可能比它们的汽车配对产品更大更重，以至于它们的重量、尺寸和/或成本令人望而却步。
另一种电气化方法是使用多个单独的电动机来单独驱动耗能的发动机和车辆附件，例如空调压缩机、动力转向泵、空气压缩机、发动机冷却风扇和冷却剂泵，以便通过从发动机上去除附件负载来减少燃料消耗。该方法显著增加了车辆重量、成本、以及线束和控制系统线路长度和复杂性，从而可能抵消通过从发动机去除发动机附件负载而提供的燃料经济性或减排效果。
现有技术的混合动力电动车辆系统具有许多缺点，这些缺点阻碍了它们在诸如商用车辆的应用中的采用。这些包括：与试图放大混合动力传动系部件以处理大型发动机(通常是高扭矩输出柴油发动机)的非常高的扭矩输出相关的工程设计困难；发动机和电动发电机操作的相互依赖性，因为这些部件要么与发动机后部成一体，要么直接在传动系上(即，即使在发动机和电动发电机中的一个或另一个的旋转不需要或即使不利于整体车辆操作效率时，发动机和电动发电机也必须一起旋转)；以及在不操作车辆发动机或不操作分开的车载辅助动力单元(“APU”)(例如，专用的自足式内燃机组或包含多个常规电池和相关支持设备的专用电池组)的情况下，无法独立地满足“酒店”负载(例如，商用车牵引车卧铺车厢内的夜间气候控制和120伏电力要求)。这些辅助动力单元非常昂贵(通常是几千美元)，很重并且在已经受空间限制的车辆上要求相当大的空间。在燃料燃烧APU的情况下，它们还具有与明火和产生一氧化碳(其可能在驾驶员休息期间进入卧铺车厢)相关的潜在危险的进一步的缺点，并且在全电动APU的情况下，它们还具有在车辆发动机关闭时可能不能长时间返回足够的能量来满足车辆的所有附件要求的进一步的缺点。
发明内容
主前端电动发电机系统部件的概述。
本发明通过提供位于发动机前端的混合动力电动车辆系统来解决这些和其他问题，其中电动发电机以需要车辆的前面的长度延长很少或不需要延长的方式布置。如在本说明书中所使用的，发动机的“前端”是与发动机产生的扭矩输出从其传递到主扭矩消耗器(例如车辆的变速器和驱动轴或固定的发动机装置的负载，比如泵驱动器)的端部相对的端部。通常，发动机的后端是发动机飞轮所在的位置，前端是诸如发动机驱动附件的部件(例如，空调和压缩空气压缩机，发动机冷却风扇，冷却剂泵，动力转向泵)所在的位置。虽然下面的讨论主要集中于其中发动机曲轴与车辆的纵向轴线对准的商用车辆实施例，但是本发明不限于前置发动机，纵向对准的发动机应用，而是还可以与横向安装的发动机(包括位于车辆前面或后面的横向安装的发动机)一起使用，该发动机在与飞轮端部相对的发动机端部附近的区域中也可具有高度空间受限的环境。
优选地，本发明的前端电动发电机系统具有位于发动机的前区域中的电动发电机，横向偏移到发动机曲轴的旋转轴线侧。电动发电机优选地支撑在扭矩传递段(也称为“驱动单元”)上，例如窄深度单减速平行轴齿轮箱，其布置为其输入旋转轴线与发动机曲轴同轴。电动发电机优选地在发动机和相邻的纵向车辆底盘车架构件之间的空间中位于扭矩传递段的后面，或者在车辆冷却剂散热器下方的空间中位于扭矩传递段的前面。本发明不限于用于电动发电机的这些位置，而是可以位于靠近发动机前面的区域中的任何位置，只要其安装在其上的扭矩传递段可以与发动机曲轴旋转轴线对准即可。
优选地，扭矩传递段还在其输入和输出之间提供合适的速度比(例如，2:1的比率)，以更好地使发动机和电动发电机速度彼此适应，即，提供从发动机到电动发电机的速度增加以及从电动发电机输出的速度降低。扭矩传递段可以是具有齿轮的齿轮箱或者另一驱动布置(例如链带)，其在发动机曲轴和扭矩传递段之间的可脱离联接器(下面进一步讨论)的电动发电机侧上，该扭矩传递段在电动发电机端和扭矩传递段的发动机端之间传递扭矩。扭矩传递段具有轴向窄的轮廓，以允许其被容纳在发动机曲轴的前面和发动机前面的任何部件(例如发动机的冷却剂散热器)之间。
本发明的重要特征是电动发电机经由在扭矩传递段和曲轴前端之间的可切换联接器(即，可脱离的)与发动机曲轴交换扭矩。可切换联接器包括直接联接到发动机曲轴的发动机侧部分，可与发动机侧部分接合以在其间传递扭矩的驱动部分，以及接合装置(优选地，在驱动部分和发动机侧部分之间的轴向致动离合器)。不同于常规曲轴阻尼器，联接器的发动机侧部分包括曲轴振动阻尼器(下文称为“阻尼器”)，常规曲轴阻尼器传统上是作为专用曲轴振动抑制装置被固定到曲轴的分开元件。这种布置使得能够以灵活的方式在附件驱动器、电动发电机和发动机之间传递扭矩，例如，使附件驱动器由不同的扭矩源(例如，发动机和/或电动发电机)驱动，使发动机成为驱动作为发电机的电动发电机的扭矩源，和/或使电动发电机联接到发动机并作为电动机操作以用作辅助车辆推进扭矩源。
特别优选地，可切换联接器是集成的离合器-带轮-阻尼器单元，其具有在发动机侧阻尼器部分和驱动部分之间的离合器。驱动侧部分包括驱动凸缘，该驱动凸缘被构造成联接到扭矩传递段的发动机端，驱动凸缘还在其外周上包括一个或多个传动带轮区段。该优选构造还使得带轮、离合器和阻尼器所有三个部件同心布置，这些元件中的至少两个元件沿它们的旋转轴线彼此部分地重叠。这种布置导致具有极大地最小化的轴向深度的可脱离的联接器，以便于FEMG安装在发动机前面的空间受限的环境中。通过将离合器、带轮和阻尼器的轴向深度减小到传动带轮围绕联接器的所有离合器和发动机侧阻尼器部分或至少基本上所有离合器和发动机侧阻尼器部分同心地延伸的点，可以进一步使联接器的轴向深度最小化。
替代地，三个离合器、带轮和阻尼器部分中的一个或多个可以根据需要与其他部分同轴布置，但不与其他部分轴向重叠，以适应来自不同发动机供应商的发动机的特定前端布置。例如，在带传动未与阻尼器对准的发动机应用中(即，阻尼器不具有围绕其外周的带传动凹槽，例如在一些
Figure BDA0003650003630000042
发动机布置中)，联接器的带轮部分的带传动表面不需要与阻尼器轴向重叠。在阻尼器的外周上具有带传动表面，并且在安装在阻尼器前面的带轮上具有另一带传动表面的其他应用中，例如在一些Detroit
Figure BDA0003650003630000041
发动机中，将被使用来代替原始阻尼器和带轮的联接器可以设置有在阻尼器上轴向延伸(即，阻尼器基本上轴向重叠所有阻尼器和离合器两者)的带轮上的两个带传动表面，或者阻尼器的外周上的带传动表面可以被保持(例如，以驱动从未与曲轴断开的发动机附件，例如发动机冷却剂泵)，而另一带传动表面位于在离合器上轴向延伸的带轮构件上。
虽然在下面的描述中参考了将可切换联接器的阻尼器部分连接到发动机曲轴，但是可切换联接器发动机连接不限于连接到曲轴，而是可以连接到从发动机的前面可接近的发动机的任何可旋转轴，其能够在发动机和电动发电机之间传递扭矩，例如曲轴驱动的中间轴或具有前可接近轴端的适当工程设计的凸轮轴。此外，虽然在下面的描述中参考将可切换联接器具有阻尼器的一部分连接到发动机曲轴，但是可切换联接器的发动机侧连接不限于具有阻尼器的部分，而是包括没有阻尼器的部分(例如，板构件)，其能够连接到可旋转的发动机轴，同时支撑可脱离联接器的发动机侧部分(例如，与带轮侧离合器板相对地保持可切换联接器的发动机侧离合器板)。
FEMG电动发电机优选地电联接到电能存储单元(在本文中也称为“能量存储器”)。该能量存储器优选地包括适用于高容量的长期能量存储的两种电池，例如能够以适度的充电/放电速率来存储和返回大量能量的基于锂化学的电池，以及能够以可能超出锂电池安全处理的能力的非常高的充电/放电速率来接收和释放电能的超级电容器。这种组合提供了能量存储器，其可以与电动发电机一起工作，以在高于正常水平的短时间内吸收和/或排放电流(即，在电池单元可以处理的电动发电机输入或输出负载更宽的范围内)，同时还提供以较低的充电和放电速率的基于电池的长期能量存储和返回。
虽然本公开主要针对FEMG系统在车辆应用(特别是商用车辆应用)中的使用，但FEMG系统也非常适合用于固定发动机装置(例如，备用柴油发电机)，诸如自行式建筑设备的越野发动机应用，以及其中在发动机前面提供混合动力电力能力的可用空间受限的其他发动机应用。
发动机附件的FEMG驱动的概述
发动机附件传统上是带传动的，经由螺栓连接到曲轴的传动带带轮，由发动机曲轴直接驱动。在FEMG系统中，发动机附件也由带轮驱动，但带轮位于离合器-带轮-阻尼器的电动发电机侧(上面标识的“驱动部分”)。离合器-带轮-阻尼器单元的带轮在联接器接合时由发动机驱动，或者在联接器脱离时由电动发电机驱动。当带轮-离合器-阻尼器脱离时，由带轮驱动的所有发动机附件都与发动机断开，从发动机中去除它们各自的动力要求。这种附件与发动机的隔离减少了发动机运转时的燃料消耗。此外，由于附件可以由FEMG电动发电机经由扭矩传递段在联接器脱离的同时独立地驱动，因此当车辆处于静止状态时，发动机可以在很少或没有寄生负载的情况下关闭或空转操作，以节省燃料并减少排放。
当离合器-带轮-阻尼器脱离时，可以获得进一步的系统效率提高，因为电动发电机的操作速度可以根据需要变化，以便以提供增加的操作效率的速度操作一个或多个发动机附件，同时如果这样做，降低了整体能耗，那么其他发动机附件将以次优效率速度操作。
优选地，为了提高系统效率，一些或所有发动机附件可设置有单独的驱动离合器(接通/断开或可变滑动接合)，以便能够实现选择性的发动机附件操作，同时关闭或以降低的速度操作其他发动机附件。以可变速度操作电动发电机的能力以及使单独附件离合器选择性地接合、部分接合和脱离的能力的组合提供了机会，以将附件能量消耗定制为只有当前操作条件所需的能量消耗，进一步增加了整个系统效率。
替代地，当一个发动机附件具有在当前车辆操作状态下必须满足的高功率输入要求时，电动发电机可以以确保具有最高要求的发动机附件能够根据需要进行的速度来被驱动，而其他附件以低于最佳效率操作，或通过他们各自的离合器(如果配备的话)与电动发电机驱动器断开连接。
优选地，下面进一步讨论的FEMG控制器执行算法，该算法评估诸如发动机附件操作效率数据和当前车辆操作状态信息(例如，能量存储器充电状态(“SOC”)，发动机扭矩输出要求，冷却剂温度)的因素，来选择车辆操作参数(例如，单独的发动机附件离合器接合，附件操作速度，离合器-带轮-阻尼器的带轮速度和接合状态，电动发电机的速度和扭矩输出)的组合，以确定满足车辆的操作需要同时减少燃料和能量的使用的联接器和离合器接合状态与部件操作速度的折衷构造。例如，虽然通过以速度和扭矩输出操作电动发电机来实现提供优越的整体系统效率，该速度和扭矩输出将尽可能多的发动机附件置于其峰值操作效率状态或接近其峰值操作效率状态，但特定的车辆需要(例如操作高扭矩要求的发动机冷却风扇以控制发动机冷却剂温度的需要)可导致FEMG控制电动发电机速度和/或扭矩输出以确保满足特定要求，然后以在当前车辆操作环境下可能的有效方式操作通过离合器-带轮-阻尼器驱动的其他单独的发动机附件。
类似地，如果来自发动机的车辆推进扭矩的当前要求高(并且能量存储器的充电状态允许)，则FEMG控制器可以控制离合器-带轮-阻尼器切换到接合状态，并且命令电动发电机向发动机曲轴提供补充扭矩，以增加推进扭矩的总输出，即使这会导致发动机附件因为它们的速度依赖于曲轴速度而以低于最佳效率被驱动。
电动发电机用途的概述
当操作条件允许时，可以接合离合器-带轮-阻尼器，使得电动发电机可以从发动机曲轴回收机械能(即，从通过到发动机曲轴的传动系从车轮中回收传递到电动发电机的机械能)。例如，离合器可以在减速事件期间接合，以允许电动发电机用作再生制动模式中的发电机，该模式还通过最小化制动空气使用和相关的压缩空气消耗来在减少制动片或制动蹄磨损方面节省成本并节省燃料消耗，这接着又减少了空气压缩机的使用和能源消耗。当存在任何其他“负扭矩”要求时，例如当需要提供减速力以使车辆下坡时由于重力引起的不期望的车辆加速度最小化时，离合器也可以接合。
当可脱离的带轮-离合器-阻尼器接合并且操作条件允许时，电动发电机可以操作为扭矩产生电动机，以向发动机曲轴提供补充扭矩，从而增加供应给车辆传动系的总扭矩输出，以提高车辆加速度。
电动发电机的另一种用途是作为主发动机启动器，从而不需要重型专用启动器电动机。在这种操作模式中，离合器-带轮-阻尼器接合以允许电动发电机扭矩直接传递到发动机曲轴。电动发电机的这种用途非常适合电动发电机的操作特性，因为它能够产生在零rpm下开始的非常高的扭矩输出，并且几乎是瞬间完成的。电动发电机的快速反应时间以及多次进行而不过热的能力使FEMG系统成为燃料节省型发动机“停止/启动”系统中作为主发动机启动电动机的最优选择，在燃料节省型发动机“停止/启动”系统中，发动机每天多次启动和停止。在停止/启动系统应用中，非常需要短的重新启动反应时间能力，其中众所周知的是，驾驶员对响应于驾驶员的再次开始移动的要求(通常，在交通信号变为绿色后释放车辆制动踏板产生的要求)的自动发动机重新启动中的任何实质性延迟表示不满。例如，驾驶员通常在发动机启动之前发现一秒或更长的延迟，并且如果不是完全不可接受的话，车辆在最小的烦人程度下开始移动。
替代地，FEMG系统的电动发电机可以与气动启动器电动机协作操作为发动机启动器，该气动启动器电动机将存储的压缩空气压力转换成机械扭矩输出(气动启动器通常比常规电动启动器电动机更轻且成本更低)。FEMG系统的重量和成本可以利用组合的FEMG/气动启动布置得到改善，因为气动启动器的补充扭矩输出可以允许FEMG电动发电机尺寸在FEMG电动发电机上的最高预期扭矩要求与发动机启动(特别是冷发动机启动)相关联的情况下减小。在这种情况下，FEMG电动发电机的尺寸可以满足下一个较低要求的扭矩要求(例如，来自要求最高的发动机附件组合的最高预期扭矩要求)，其中气动启动器可用于提供所需的附加发动机启动扭矩，其高于较小FEMG电动发电机提供的附加发动机启动扭矩。
还可以由发动机通过接合的离合器-带轮-阻尼器的离合器，以不需要为发动机配备重的专用交流发电机来为典型车辆的12伏直流电路(例如车辆照明电路，电子模块和12V驱动的驾驶员舒适特征(加热座椅，卧铺车厢电气等)的电力供给)供应操作电压的方式，驱动电动发电机。在FEMG系统中，可以通过电压转换器容易地提供所需的12V电力供给，该电压转换器将能量存储器的工作电压(大约300-400伏特)降低到车辆电路所需的12伏特。因此，电动发电机产生的电能为能量存储器充电提供了12V电能源，其允许消除常规发动机驱动的交流发电机。在能量存储器中存储大量能量还通过减少满足车辆各种需求所需的12V电池的数量而创造了从车辆去除额外重量和成本的机会。例如，传统上可能具有四个分开的12V电池的车辆可能仅需要单个12V电池以及能量存储器。
类似地，电压转换器可用于直接供应120伏特交流电至车辆，例如供应至器具或空调使用的卧铺车厢，或供应至附接的拖车，以操作诸如制冷单元的拖车装置(拖车装置优选地具有与车辆的CAN系统的拖车连接，用于拖拉机中心监控和拖车附件的控制)。如果能量存储器设计为提供足够的存储容量，那么FEMG系统还可以不需要为车辆配备昂贵且沉重的内燃机驱动的辅助动力单元以在发动机长时间关闭时支持车辆操作。例如，在夜间驾驶员休息期间，将不再需要APU来为卧铺车厢空调单元提供动力。
FEMG还可以用作主动阻尼器，以抵抗有时在各种负载、速度和环境条件期间遇到的快速扭矩反转脉冲(“扭矩波动”)。在该应用中，FEMG控制模块将接收来自车辆传感器的指示扭矩波动存在的信号，并且向电动发电机输出命令以产生定时的反扭矩脉冲，从而取消传动系扭矩反转脉冲。这种基于FEMG电动发电机的主动阻尼有助于保护传动系免受扭矩负载快速变化引起的高应力造成的机械损伤，并通过消除通过车辆底盘传递到车辆车厢的快速加速/减速来提高驾驶员的舒适度。
FEMG控制器编程和操作方法的概述
在优选实施例中，FEMG控制器，优选地以电子控制模块的形式，监测多个车辆信号，包括车辆CAN和/或SAE J1939总线网络(如果车辆如此配备的话)上可用的信号。其中一个信号可以是来自电池监测系统的充电状态(SOC)指示，该电池监测系统监测能量存储器的充电状态，以及其他参数。控制模块可以被编程，例如，以识别三个充电状态水平，即，最小充电水平(例如，20％充电状态)，中间充电水平(例如，40％充电状态)和最大充电水平(例如，80％充电状态)。控制模块还可以被编程为包括将充电状态作为如下因素：确定何时使离合器-带轮-阻尼器的离合器接合和脱离，电动发电机应该以什么速度操作，从离合器-带轮-阻尼器的带轮驱动的一些或者所有发动机附件的操作速度，车辆部件操作和操作参数的什么样的组合将提高整体车辆操作效率，同时满足车辆的当前操作需求并满足安全车辆操作的要求(例如，通过操作空气压缩机，保持车辆气动系统压缩空气储罐中的至少最小所需量的气压，即使这样做会降低车辆的整体能效)。
在一个实施例中，当能量存储器的充电状态低于最小充电水平时，离合器-带轮-阻尼器的离合器可以接合，并且由控制模块控制的电动发电机使电动发电机产生电能用于储存。在该操作模式中，由发动机或由车轮通过发动机经由传动系对电动发电机提供动力。一旦充电状态高于最小充电水平，离合器-带轮-阻尼器的离合器可保持接合，直到达到中间充电水平，并且电动发电机仅在制动、减速或负扭矩事件期间被控制以产生电能。该模式允许电动发电机在可用的基础上使用非发动机提供的机械能来继续为能量存储器充电，同时使发动机必须为电动发电机提供的能量最小化，从而减少燃料消耗。
在另一种操作模式中，一旦达到中间充电水平，控制模块可以确定离合器-带轮-阻尼器的离合器可以脱离，并且电动发电机用作电动机以产生扭矩，从而在没有发动机辅助的情况下驱动发动机附件，即电动发电机成为发动机附件的唯一驱动能量源。在这种模式下，电动发电机从能量存储器中吸取存储的电能以产生扭矩，用于经由驱动单元齿轮箱输送到离合器-带轮-阻尼器的带轮，以驱动发动机附件，例如发动机冷却风扇和气动供应系统的空气压缩机。通过使发动机脱离发动机附件的扭矩需求，发动机可以以较低的寄生扭矩负载操作，以降低发动机的燃料消耗或使更多的发动机扭矩输出可用于推进车辆。替代地，当电动发电机可以在电动机模式下操作以驱动发动机附件时，发动机可以完全关闭，例如在配备有启动/停止系统的车辆中处于走走停停的交通中时。
在中间充电水平和最大充电水平之间，前端电动发电机控制模块继续监测车辆操作状态，并且在制动期间，减速或负扭矩事件的优势在于可以利用通过接合离合器-带轮-阻尼器的离合器并控制电动发电机产生电能而在不使用发动机燃料情况下进一步对能量存储器充电的机会。在制动期间充电时，减速或负扭矩事件可能在能量存储器低于最大充电水平的任何时间发生；在该实施例中，避免使用发动机燃料进行高于中间充电水平的充电，减少了燃料消耗并提高了整体效率。
在高于最小充电水平的任何点处，电动发电机可以作为电动机进行操作，来产生要输送到发动机曲轴的扭矩，以补充发动机的扭矩输出，从而增加可用于推进车辆的扭矩量。增加到传动系的扭矩输出可以改善车辆加速并提供额外的好处，例如从较少的变速器换档中提高燃料经济性，和更快加速到巡航速度(例如，“跳跃换档”，其中电动发电机增加足够的发动机扭矩，以允许一个或多个齿轮比在车辆加速时被传递，从而减少车辆加速时间和燃料消耗)。此外，在配备气动增压系统(“PBS”，将压缩空气喷射到发动机进气口，以便非常快速地提供附加发动机扭矩输出的系统)的车辆中，尽可能使用来自电动发电机的几乎“瞬间启动”扭矩辅助代替使用来自PBS系统的压缩空气喷射来产生附加发动机扭矩输出可以减少压缩空气的使用，进而进一步减少燃料消耗和部件磨损(与补充压缩空气供应的额外的空气压缩机操作相关联的消耗和磨损)。
一旦FEMG控制模块确定已经达到最大充电水平并且因此不需要进一步将电能输入到能量存储器中，那么控制模块将阻止电动发电机作为发电机操作，以便保护能量存储器因过度充电而损坏。在该模式中，电动发电机可以仅用作电动机来驱动发动机附件和/或向发动机提供补充驱动扭矩，或者如果没有当前发动机附件要求，则允许在非发电空转状态下旋转。
FEMG控制器优选地与若干车辆控制器通信，例如车辆的制动控制器(其可以控制不同类型的制动器，例如气动或液压制动器)，发动机和/或变速器控制器以及管理能量存储器的一个或多个控制器。这些通信允许车辆系统的协调操作。例如，在制动要求足够低而仅需要使用发动机减速器的情况下，制动控制器和FEMG控制模块可以相互发信号，以使电动发电机优先于减速器的使用，使得如果能量充电状态将允许存储附加电能(即，能量存储器充电状态低于最大允许充电状态)，则电动发电机提供再生制动。相反，如果操作条件不是需要通过电动发电机产生附加电能，则FEMG控制模块可以向制动控制器发出这样的信号，使得制动控制器激活减速器，以提供所需的制动量。控制器之间的通信最好是正在进行的，提供快速更新状态的能力。例如，如果驾驶员在制动事件期间降低制动要求量，则制动控制器将能够向FEMG控制模块发信号以减少再生制动量。
可能的控制器间通信的另一个例子是空气压缩机操作与能量存储器管理的协调。例如，空气压缩机控制器可以向FEMG控制模块发信号，以在离合器-带轮-阻尼器的离合器脱离(发动机运转或关闭)的情况下操作电动发电机，以便以期望的速度驱动空气压缩机，从而补充由大空气消耗要求引起的压缩空气存储(例如试图抵消大轮胎压力泄漏的轮胎充气系统，拖拉机或拖车空气线路中的大空气泄漏，拖车的空气起落架的使用，ABS系统制动压力调节期间的高空气释放或拖车稳定系统在低摩擦路面上激活，操作主销气动锁定/解锁装置，或气动升降轴的致动)。
FEMG系统提供的附加操作改进
除了已经提到的特征、能力和优点之外，本发明的前端电动发电机方法具有重要的优点，即不需要对车辆前面进行实质性修改，例如延长商用车辆拖拉机的前端或增加柴油动力市政公共汽车发动机舱室的尺寸。这直接归因于：FEMG系统通过使用集成的离合器-带轮阻尼器单元和相关的轴向窄的驱动单元容易地容纳在发动机的前面和发动机的冷却剂散热器之间，以横向地将扭矩传递到电动发电机/从电动发电机传递扭矩。因此，FEMG系统非常适合结合到现有车辆设计中，无论是在新车辆装配过程中，还是通过利用使用混合动力电动技术来改装现有内燃机以升级旧车辆(特别是商用车辆)和固定发动机装置。
FEMG系统提供的另一个操作优点是其电动发电机能够帮助发动机提供短持续时间的“超速”车辆操作的能力。在这样的应用中，车辆的控制器协调来自电动发电机的补充扭矩的增加以及车辆速度调节器的临时超控，以允许短暂的“爆发”速度，例如允许快速完成类似速度车辆(例如另一辆大卡车)的超车。虽然使用这种操作模式应该限于短暂的不频繁的时间段，以最小化发动机和传动系部件的过度负载，但FEMG系统可以被编程为提供驾驶员致动的“超速”模式，即驾驶员可切换选项(例如，“按下通过”按钮)，以根据需要短暂地提高速度。优选地，这种按下通过模式可以经由CAN网络与车辆的盲点监测控制器相协调，例如，一旦盲点监测系统指示通过的车辆不再在旁边，就能够自动终止超速操作。这种协调将包括FEMG控制模块作为该模式终止的一部分，FEMG控制模块终止电动发电机向发动机曲轴供应补充扭矩。
电动发电机补充扭矩具有进一步的应用，例如通过自动增加扭矩来减少驾驶员辅助系统中的驾驶员疲劳，这样做可以最小化驾驶员手动换档的需要，特别是在爬山时(以及当满足相关联的安全需求时，例如在车辆的自适应巡航控制照相机和/或雷达系统的视野中没有任何东西)。
补充的电动发电机扭矩还可以用在拖车重量确定系统中，其中添加已知量的附加扭矩并且在补充扭矩应用期间将所得到的车辆加速度的测量用于车辆质量计算。
在存在安全问题的情况下，应限制来自电动发电机的补充驱动扭矩的增加。例如，当从拖车接收到指示拖车车轮遇到低摩擦表面的低摩擦信号时，应该禁止补充扭矩输送的命令。
FEMG系统的应用不限于电动发电机是唯一发电机的应用。通过例如在发动机(例如飞轮电动发电机)的后面，在下游传动系(例如结合至变速器中的电动发电机)中或在曲轴的前端，即在FEMG离合器-带轮-阻尼器单元的恒定接合侧上，在发动机和/或传动系中增加FEMG前端装置可以实现协同作用，该发动机和/或传动系还包括位于FEMG离合器的曲轴侧的后面的电动发电机单元。
FEMG系统和“后端”混合动力电动布置的组合为整体车辆操作改进提供了机会。例如，前端系统和后端系统的存在可以使一个或两个电动发电机的尺寸和重量减小，同时仍满足车辆要求，因为电动发电机的尺寸都不需要适合于处理所有车辆的电力要求，其中，不再需要仅通过一个电动发电机满足所有车辆的发电和电力供应要求。此外，如果两个电动发电机中的一个电动发电机在另一个电动发电机发生故障时能够满足至少必要的车辆要求，则可以通过存在两个电动发电机来增加操作灵活性，从而允许车辆可能以降低的性能继续操作，直到达到可以进行维修的时间或地点。
还可以协调FEMG系统和后端电动发电机的操作，以根据需要拆分和/或共享负载以优化车辆操作。例如，在FEMG系统假定发动机附件驱动和能量存储器充电要求，同时后端电动发电机通过向车辆传动系提供补充扭矩输出来协助发动机以帮助推进车辆的情况下，在电动发电机之间拆分负载。共享协同作用的示例是使用后端电动发电机来接收和存储来自传动系的再生制动的能量，同时保持FEMG与曲轴分离以提高发动机附件效率(即，即使当FEMG系统与曲轴分离并因此不能捕获原本浪费的制动能量时，允许通过后端电动发电机捕获再生制动能量)。FEMG系统与另一个部分混合动力系统的组合的灵活性是无限的，例如，将两个电动发电机与接合的FEMG离合器一起操作，以使两个电动发电机提供补充驱动扭矩或者使用两者来捕获再生制动能量用于存储等。
FEMG部件和控制器还可以适用于受益于从发动机曲轴分离发动机附件的能力的应用，但是不需要完整的FEMG系统装置将提供的发电能力。这种“只有电动机”的应用可以包括具有操作需要的车辆，其不需要高压电能存储和分配系统的额外费用和复杂性，但是仍然可以利用FEMG系统的将发动机曲轴与附件驱动器分离并使用FEMG电动机驱动附件的能力来提高效率。这种只有电动机的操作可以由更小更简单的电池组提供，该电池组的充电状态可以由车辆发动机的交流发电机维持。
例如，在集装箱船舶港口装载/卸载场地处使用的集装箱运输器中的发动机将不需要在发动机停机时长时间供电的能力，例如为越野卡车的卧铺车厢提供夜间电力。然而，利用FEMG系统的曲轴分离部件及其通过FEMG电动机的相关附件驱动控制可以改善集装箱运输器效率和/或扭矩输出。例如，可以通过在各种操作条件下(例如在空转时间)将曲轴与附件驱动器分离，以从发动机去除附件负载；允许在发动机停机时短时间段操作运输器系统，从而实现节省燃料的发动机启停操作；并且在需要时通过从发动机去除附件驱动扭矩要求来将全发动机扭矩输出投入到运输器驱动器中，来实现效率改进。类似地，当希望使FEMG电动机补充发动机的推进扭矩输出时，只有电动机的FEMG系统可以联接到发动机曲轴。该后一个特征可以通过使发动机尺寸更小、重量更轻、成本更低，以满足“平均”扭矩要求，来实现进一步的改进，其中FEMG电动机根据需要提供补充扭矩以满足车辆的设计总推进扭矩要求。
在本发明的进一步实施例中，附件可以合并成集成附件单元，并且可以远离发动机的前端定位，例如作为集成电气化附件单元。在这种单元中，常规在发动机的前面被驱动的附件可以被分组，从而优选地通过单个附件驱动系统(例如带传动或齿轮传动)由电动机驱动。进一步优选地，集成电气化附件单元可以位于发动机舱室的高温区域之外，例如在从车辆的底盘构件(也称为车架轨道)悬挂的箱式结构中。这种位置的示例是常规由典型商用车辆的“鞍形”燃料箱之一所占据的空间。还可以使用隔离安装部件来安装集成电气化附件单元，以使从车辆到单元内的部件的振动和冲击传递最小化。
集成电气化附件单元可以包括许多以前由发动机驱动的附件，例如空调压缩机、动力转向泵和热力加热器，以及在附件驱动器和一个或多个附件之间的单独离合器单元，其中各个离合器单元允许各个附件与附件驱动器分离，以提高效率并减少部件磨损。
集成电气化附件单元还可以容纳电子控制单元，该电子控制单元控制附件、单独附件离合器、联接到附件驱动器的电驱动马达和/或电源逆变器的操作，电源逆变器从车辆接收电力并且转换电力(例如，将车辆供应的DC电力转换成AC电力)，以满足电驱动马达的需求。电子控制单元优选地通过诸如CAN的网络与车辆的其余部分通信，以获得并输出控制附件以满足车辆的附件需求所必需的信息。电池也可以位于集成电气化附件单元内。
去往/来自车辆和集成电气化附件单元内的附件的工作流体(液体和气体)的传输可以经由通过单元的侧壁的连接来提供。这种布置为集成电气化附件单元的用户提供了标准化接口，从而消除了用户在集成电气化附件单元安装在车辆上期间打开集成电气化附件单元的需求。
类似地，可以通过流体到外部热交换器的热传递、来自集成电气化附件单元的热传导，例如经由安装在外部单元壁上的无源和/或有源热交换器(例如，安装在壁上的用于与单元进行传导热交换的散热片和/或流体热交换器)，和/或通过空气冷却(布置成防止诸如雨水之类的不期望的环境元素进入)，来提供集成电气化附件单元内的部件(附件和电气/电子部件两者)和集成电气化附件单元本身的冷却。在集成电气化附件单元内的部件被液体冷却的应用中，优选地，至少电动机和逆变器共享共同的冷却流体。
当结合附图考虑本发明的以下详细描述时，本发明的其他目的，优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
图1A和1B是根据本发明的实施例的FEMG系统的布置的整体视图的示意图。
图2A-2C是根据本发明的离合器-带轮-阻尼器和组装的FEMG部件的实施例的横截面视图。
图3A-3C是图2A-2C的离合器-带轮-阻尼器单元的部件的视图。
图4是根据本发明的离合器-带轮-阻尼器单元的另一实施例的横截面视图。
图5是根据本发明的实施例的FEMG齿轮箱的离合器-带轮-阻尼器单元端部处的轴承布置的详细横截面视图。
图6A-6C是根据本发明的实施例的齿轮箱形式的FEMG驱动单元的斜视图。
图7是图6A-6C的FEMG齿轮箱的横截面视图。
图8是根据本发明的实施例的FEMG离合器气动致动器隔膜布置的分解图。
图9是根据本发明的FEMG齿轮箱的另一实施例的斜视图。
图10是根据本发明的实施例的FEMG齿轮箱安装布置的示意图。
图11是根据本发明的实施例的FEMG齿轮箱安装布置的示意图。
图12是根据本发明的实施例的发动机和FEMG齿轮箱安装支架之间的关系的示意图。
图13是根据本发明的实施例的发动机、FEMG齿轮箱和FEMG齿轮箱安装支架之间的关系的示意图。
图14是如图12-13中的FEMG齿轮箱安装支架的斜视图。
图15是根据本发明的实施例的电动发电机的斜视图。
图16是根据本发明的实施例的由示例电动发电机产生的动力和扭矩的图表。
图17是根据本发明的实施例的电动发电机的冷却布置的倾斜透视图。
图18是根据本发明的实施例的FEMG系统控制和信号交换布置的框图。
图19是根据本发明的实施例的FEMG系统的电网的AC和DC部分的示意图。
图20是根据本发明的实施例的用于AC和DC转换的FEMG系统控制的功率晶体管布置的示意图。
图21是根据本发明的实施例的FEMG系统控制的正向DC电压转换器布置的示意图。
图22是根据本发明的实施例的高压双向DC/DC转换器的示意图。
图23是图22的双向DC/DC转换器上的电压和电流响应的图解说明。
图24是根据本发明的实施例的结合到电动发电机中的功率电子布置的斜视图。
图25是根据本发明的实施例的电池管理系统充电状态估计控制环路。
图26是根据本发明的实施例的附件操作速度选择的流程图。
图27是根据本发明的实施例的用于独立于发动机来操作电动发电机和发动机附件的控制策略的流程图。
图28是根据本发明的集成电气化辅助单元的实施例的斜视图。
图29A、29B是图28所示的集成电气化附件单元实施例的侧视图。
图30是根据本发明的没有外壳的集成电气化附件单元实施例的正视图。
具体实施方式
前端电动发电机系统实施例。
图1A是示出了根据本发明的FEMG系统的实施例的部件的示意图。图1B是商用车底盘中的若干FEMG系统部件的示意图。在这种布置中，发动机附件(包括空气压缩机1，空调压缩机2和布置成将冷却空气拉动通过发动机冷却剂散热器20的发动机冷却风扇7)通过带轮5被带式传动。带轮5与阻尼器6同轴定位，阻尼器6直接联接到内燃机8的曲轴。附件可以由传动带直接驱动或者设置有它们自己的开/关或变速离合器(未示出)，其允许单独配备离合器的附件与带传动部分地或完全地脱离。
除了驱动附件传动带之外，带轮5还联接到具有减速齿轮4的驱动单元，以在驱动单元的曲轴端和联接到电动发电机3的相对端之间传递扭矩(为了清楚起见，在该图中未示出驱动单元壳体)。在曲轴阻尼器6和带轮5(以及因此驱动单元和电动发电机3)之间布置有离合器15形式的可脱离联接器。尽管为了清楚起见，在图1A中示意性地示出为轴向分离的部件，但在该实施例中，曲轴6、离合器15和带轮5至少部分地彼此轴向重叠，从而使发动机前面的组合的带轮-离合器-阻尼器单元的轴向深度最小化。通过电子控制单元(ECU)13控制带轮-离合器-阻尼器的离合器15在其接合状态和脱离状态之间的致动。
在电动发电机3的电气侧，电动发电机电连接到电力逆变器14，电力逆变器14将由电动发电机输出产生的交流电(AC)转换成能量存储和分配系统中可用的直流电(DC)。同样，在反向方向上，电力逆变器14将来自能量存储和分配系统的直流电转换为交流输入，以为电动发电机3供电，作为产生扭矩的电动机。逆变器14电连接到能量存储单元11(下文称为“能量存储器”)，其既可以接收能量用于存储，又可以按需输出能量。
在该实施例中，能量存储器11包含基于锂的存储单元，每个单元具有约3.7V的标称充电电压(2.1V至4.1V的工作范围)，基于锂的存储单元串联连接以提供400伏的标称能量存储电压(约300伏至400伏的工作电压范围)，存储容量约为12至17千瓦时的电能。或者，可根据需要将单元串联和并联连接，以适合应用。例如，每个模块具有四个串联连接的单元的28个模块可以串联和并联连接，以提供与上述第一示例相同的17千瓦时的存储能量的能量存储器，但标称工作电压为200V伏特且为第一示例的电流输出的两倍。
除了相对高容量的低充放电率的基于锂的存储单元之外，本实施例中的能量存储器11还包括多个相对低容量的高充放电率的超级电容器，以便为能量存储器提供能够在短时间段内接收和/或释放基于锂的存储单元(这种单元通常限于小于1C至仅几C的充电/放电率)无法处理的非常大的电流的能力。
FEMG系统硬件组装实施例。
图2A-2C示出了离合器-带轮-阻尼器单元19的实施例以及具有该离合器-带轮-阻尼器实施例的FEMG系统硬件的组装构造的横截面视图。在该实施例中，包含减速齿轮4的齿轮箱16在齿轮箱的电动发电机端接收电动发电机3。电动发电机3通过诸如螺栓(未示出)的紧固件被固定到齿轮箱16的壳体上。电动发电机3的转子轴18接合减速齿轮4的相邻的同轴定位的齿轮的相应中心孔，以允许在电动发电机3和减速齿轮4之间传递扭矩。
在该实施例中，在齿轮箱16的曲轴端部处，与离合器-带轮-阻尼器单元19同轴对准的减速齿轮4通过穿过同轴减速齿轮4的螺栓(未示出)，联接到离合器-带轮-阻尼器单元19的带轮侧以共同旋转。该联接的发动机侧部分(具有曲轴阻尼器6的部分)构造成通过紧固件或其他合适的连接件而联接到发动机曲轴的前端，该紧固件或其他合适的连接件确保发动机侧部分6与曲轴的共同旋转。如下面进一步描述的，齿轮箱16分开地安装到保持离合器-带轮-阻尼器单元19与发动机曲轴的前端同轴对准的结构上。
图2B中的横截面视图是从FEMG前端硬件上方观查的视图，而图2C中的倾斜横截面视图是在齿轮箱16的曲轴端部处的视图。在该实施例中，齿轮箱、电动发电机和离合器-带轮-阻尼器单元组件被布置成电动发电机3位于发动机曲轴的左侧并且位于齿轮箱16的前侧(远离发动机的前面的一侧)，其中电动发电机3可以位于车辆发动机冷却剂散热器20下方或正后方的空间中。替代地，为了适应不同的车辆布置，齿轮箱16可以安装成电动发电机3在齿轮箱16的后方，优选地在横向于发动机曲轴的左侧的空间中(例如，在发动机底部处邻近油底壳)。齿轮箱16还可以设置有双侧电动发电机安装特征，使得共用齿轮箱设计可以用于具有前置电动发电机的车辆应用和电动发电机安装到齿轮箱的后侧的车辆应用两者。
FEMG离合器-带轮-阻尼器单元实施例。
图3A-3C是图2A-2C的离合器-带轮-阻尼器单元19的部件的视图。当组装时，由于带轮5、发动机侧部分6(下文称为阻尼器6)和离合器15基本轴向重叠，该单元在轴向上异常地窄。在该实施例中，带轮5具有两个带传动部分21，其构造成驱动附件传动带(未示出)，例如，一个部分布置成驱动围绕离合器15的发动机冷却风扇7，另一个部分布置成驱动其他发动机附件，例如空气压缩机1。在该示例中，传动带部分21同心地围绕阻尼器6和离合器15(为了清楚起见，在图2B和2C中省略了围绕阻尼器6的带传动部分21)。
在离合器-带轮-阻尼器单元19内，离合器15包括两个轴向接合的爪形离合器元件25、26。如图2A-2C的横截面视图所示，在该实施例中，通过从离合器-带轮-阻尼器单元19的FEMG齿轮箱侧延伸通过轴向螺栓孔28的螺栓，中央芯爪形离合器元件25被固定成与阻尼器6一起旋转。带轮5通过轴承34可旋转地支撑在中央芯元件25上。
中央芯爪形离合器元件25的外周的发动机侧部分包括外花键29，外花键29布置成在轴向可移动的爪形离合器元件26的内周处接合相应的内花键30。外花键29和内花键30恒定接合，使得可移动爪形离合器元件26与阻尼器6一起旋转，同时可沿阻尼器旋转轴线轴向移动。
可移动爪形离合器元件26还设置有轴向面向前的爪31，爪31围绕元件26的齿轮箱侧(远离发动机的一侧)周向分布。如图3C所示，这些爪31构造成接合带轮5的面向发动机侧的相应爪32之间的空间。可移动爪形离合器元件26通过位于阻尼器6和可移动爪形离合器元件26之间的弹簧33，在离合器-带轮-阻尼器单元中偏置在接合位置，如图2A所示。图2B和2C示出了离合器脱离位置，其中弹簧33在可移动爪形离合器元件26朝向阻尼器6轴向移位时被压缩。
在该实施例中，离合器抛出杆27同心地定位在中央芯爪形离合器元件25内。抛出杆27的发动机侧端部布置成施加轴向离合器脱离力，该轴向离合器脱离力克服弹簧33的偏压以使爪形离合器元件26朝向阻尼器6轴向移位，从而使其面向前的爪31与带轮5的面向发动机侧的相应爪32脱离。在该实施例中，离合器抛出杆27的齿轮箱端部设置有衬套303和轴承304，轴承304使得衬套能够在抛出杆27旋转时保持静止。
离合器抛出杆27轴向移位，以通过离合器致动器22脱离和接合爪形离合器15。在该实施例中，离合器致动器22被气动致动，其中压缩空气通过离合器致动器隔膜41进入配件305，从而促使隔膜41的中心部分与抛出杆衬套303接触，以使离合器抛出杆27朝向发动机轴向移位，从而使离合器15脱离。当从离合器致动器去除压缩空气压力时，隔膜41从发动机缩回，从而允许偏置弹簧33使抛出杆27和爪形离合器元件26朝向带轮5轴向移位，以重新接合离合器爪31，32，使得带轮5与阻尼器6共同旋转。
图4示出了离合器-带轮-阻尼器单元19的替代实施例，其中离合器15是所谓的湿式多片离合器。湿式多片离合器包括摩擦从动板23，其以交替的方式花键连接到带轮5的内周和阻尼器6的中心部分的外周。离合器板23通过阻尼器6和离合器致动器22(在该实施例中为气动致动的离合器致动活塞)之间的弹簧24在轴向上被压缩地偏压。通过弹簧24将摩擦从动板堆叠在一起的偏置使离合器15接合并使带轮5和阻尼器6围绕发动机曲轴的旋转轴线彼此共同旋转。当液压压力施加到离合器致动器22(在致动器的FEMG齿轮箱侧)时，弹簧24被压缩，允许交替的离合器摩擦从动板23轴向分离，从而使离合器15处于脱离状态，即，带轮5和阻尼器6独立旋转的状态。
在该实施例中，液压压力由油供应，该油也用于冷却并润滑齿轮箱减速齿轮及其相关的轴承，并且冷却湿式多片离合器的摩擦从动板。响应于来自FEMG电子控制单元13的命令，通过电磁阀(未示出)控制液压压力的施加。离合器15的尺寸被设计成确保能够在发动机曲轴和电动发电机之间通过的大量扭矩由离合器容纳而不打滑。为此，由于离合器-带轮-阻尼器单元19的轴向重叠布置，该单元的冷却设计应该被构造成在所有操作期间确保离合器板的充分冷却。虽然在该实施例中，通过在齿轮箱中循环的油来提供冷却，但是可以提供其他强制或被动冷却布置，只要预期的离合器温度保持在离合器的工作温度极限以下即可。
FEMG齿轮箱实施例。
图5是FEMG齿轮箱16的实施例的曲轴端部处的轴承布置的横截面详细视图。图6A-6C和7示出了该齿轮箱实施例的斜视图，其中一对齿轮箱翻盖式壳体板35包围减速齿轮4，包括带轮端齿轮36、空转齿轮37和电动发电机端齿轮38。
在该应用中，齿轮具有2：1的传动比，但是可以在提供曲轴速度与电动发电机速度的期望比率的同时，提供适合特定发动机应用的可用空间的任何齿轮比。齿轮36-38可以根据需要为正齿轮、斜齿轮或具有其他齿轮齿(例如双螺旋人字齿轮齿)，以满足特定FEMG系统应用的需求。这些需求包括满足政府噪声排放所需的齿轮噪声限制或可能通过斜齿轮满足的驾驶员舒适性限制，机械强度限制(例如齿应力限制)，或可能用产生相等但相反的轴向推力分量的双螺旋人字齿轮齿满足的轴向推力限制。
齿轮箱壳体利用轴承39可旋转地支撑每个减速齿轮36-38。带轮端齿轮36包括在其齿轮齿内的周向环中的多个通孔40，其对应于离合器-带轮-阻尼器的带轮5的前面上的孔。这些孔接收紧固件，该紧固件构造成在由曲轴和/或电动发电机驱动时，将带轮端减速齿轮36旋转地固定到带轮5以便共同旋转。
带轮端减速齿轮36的中心具有中心孔口，气动爪形离合器致动隔膜41通过该中心孔口位于齿轮箱壳体的前面上。气动隔膜41使活塞(未示出)轴向地伸展和缩回，该活塞布置成与爪形离合器元件26上的杯27接合，以控制离合器-带轮-阻尼器单元19的离合器15的接合和脱离。隔膜41在图5中示出为被气动离合器致动器22覆盖，而图7-8示出了更简单更薄的隔膜盖42，其面上具有压缩空气连接，特别适用于空间受限的FEMG应用。无论隔膜盖设计如何，离合器致动器22或盖板42在齿轮箱壳体的前面上被安装在隔膜孔口上时所产生的隔膜的前面上方的腔室中的压缩空气对隔膜41起作用。压缩空气的进入和释放可以响应于来自FEMG控制模块13的命令由电磁阀(未示出)控制。虽然该实施例中的离合器致动机构是气动致动隔膜，但是本发明不限于特定的离合器致动器。例如，可以使用机电致动器，例如电动螺线管，其构造成使致动器杆伸展以使离合器部件脱离。
图5和图8提供了该实施例的气动隔膜致动器的安装的进一步细节。在该实施例中，隔膜安装环45的发动机侧被构造成既支撑与带轮端减速齿轮36相关联的前侧轴承39，又在其前侧接收隔膜41。轴承39可以由任何合适的装置(例如卡环)或者如图5中所示由螺母46保持和轴向支撑。一旦安装环固定在齿轮箱壳体翻盖式板35的前面上的所示大孔口中，则带轮端减速齿轮36及其轴承39以及隔膜41相对于齿轮箱16的壳体被轴向固定。
在齿轮箱16的电动发电机端处，在至少一个壳体翻盖式板35中设置有与电动发电机端减速齿轮38的旋转轴线对准的轴孔43，如图6A-6C和图7所示。轴孔43的尺寸被设计成允许电动发电机3(在该图中未示出)的转子轴进入齿轮箱16并接合电动发电机端齿轮38以共同旋转。
FEMG齿轮箱可以通过油被冷却和润滑。如果发动机和齿轮箱共用相同的油源，则油可以存储在自包含的油贮槽中，或者可选地存储在远程位置，例如外部容器或发动机的油贮存器中。通过齿轮的运动或通过分配加压油的泵(例如电动泵或由减速齿轮的旋转驱动的机械泵)，油可以在整个齿轮箱中循环，并且除了润滑和冷却齿轮之外，还可以冷却湿式离合器的离合器板。此外，齿轮箱可以设置有蓄积器，该蓄积器确保在泵产生的压力不能立即可用时，仍然可以使用储备量的加压油来例如致动离合器-带轮-阻尼器单元的离合器。在这样的实施例中，由FEMG控制模块控制的电磁阀可用于释放加压油以操作液压离合器的致动器。
图9示出了可商购的齿轮箱的示例，其示出了替代的电动发电机安装布置，其中电动发电机安装凸缘44提供了利用紧固件将电动发电机安装到齿轮箱而无需紧固件穿透到齿轮箱壳体中的能力。
在前述实施例中，端部减速齿轮36、38经由空转齿轮37持续啮合接合。然而，本发明不限于这种类型的单减速平行轴齿轮箱。相反，其他扭矩动力传递布置也是可能的，例如链条或带传动，或具有诸如与可切换联接器的旋转轴线成一定角度的扭矩传递轴的部件的传动(例如，具有在垂直于可切换联接器的旋转轴线的轴线上旋转的传递轴的蜗轮传动)，只要它们能够承受要传递的扭矩，而不需要太大以至于齿轮箱的轴向深度变得不可接受地大。这种替代的齿轮箱布置也可以用在如下实施例中：其中电动发电机3没有平行于可切换联接器的旋转轴线被对准，而是定位在齿轮箱16上，并且根据需要被对准，以便于安装在有限空间的区域中(例如，电动发电机附接在齿轮箱的端部，其旋转轴线与齿轮箱扭矩传递轴对准，与可切换联接器的旋转轴线不平行)。
本发明也不限于固定减速比的恒定啮合布置，因为可以使用其他布置，例如可变直径带轮(类似于在一些车辆等速变速器中使用的那些)或内部可脱离齿轮，只要齿轮箱的轴向深度不妨碍FEMG系统部件在发动机前方区域中的位置。
在优选实施例中，FEMG齿轮箱减速齿轮36-38的减速比是2：1，其是被选择以将曲轴转速更好地匹配到电动发电机3的有效操作速度范围的比率。
FEMG系统硬件安装实施例。
如上所述，FEMG组件优选地定位成使得电动发电机3位于发动机舱室的区域中，该区域在支撑发动机的车辆底盘轨道的下方并向车辆底盘轨道的横向侧偏移。图10示出了从车辆前方向后方观察的这种布置。该图示出了该实施例中电动发电机3与发动机8的曲轴47(轴向位于齿轮箱16后面)、油底壳48、纵向底盘轨道49和横向发动机架50之间的关系。
在上述FEMG布置中，曲轴47、离合器-带轮-阻尼器单元19和发动机端减速齿轮36位于相同的旋转轴线上。为了确保这种关系被保持，FEMG齿轮箱应以确保在发动机和齿轮箱之间没有横向于曲轴的旋转轴线或绕曲轴轴线的相对运动的方式被定位在发动机前方。
虽然可以以不将齿轮箱直接连接到发动机的方式来安装FEMG齿轮箱(例如，通过将FEMG齿轮箱悬挂在连接到保持发动机的底盘轨道的支架)，但是优选地，将齿轮箱直接联接到相邻的车辆车架构件或发动机组。FEMG齿轮箱到发动机的安装支架和齿轮箱中安装孔的相应布置的例子如图10-14所示。
在图10中，FEMG齿轮箱16通过紧固件306抵抗相对于发动机8的旋转或横向运动而被直接固定到发动机8。图11示出了一种替代方法，其中扭矩臂307(也称为拉杆)在一端处被附接到FEMG齿轮箱16的锚定点308，并且在相对端处被附接到相邻的车架轨道49，从而提供齿轮箱16的非旋转支撑。
图12中示出了另一种替代FEMG安装方法。在该实施例中，安装支架51设置有围绕支架布置的螺栓孔52，以与发动机组8中的相应孔对准，该相应孔接收紧固件，以便为FEMG齿轮箱提供以发动机为中心的固定支撑。在该示例中，安装支架51的平坦底部布置成定位在弹性发动机支架的顶部，如通常在商用车辆发动机装置中使用的那样。安装支架51的发动机侧部分是支架的一部分，该部分必须在离合器-带轮阻尼器单元下方和/或周围延伸，以到达可以联接齿轮箱的FEMG齿轮箱安装支架部分，同时确保在支架内可获得足够的间隙，以允许离合器-带轮-阻尼器单元在其中旋转。
图13和图14示意性地示出了FEMG齿轮箱16在这种支架上的位置，以及围绕FEMG减速齿轮36和安装支架51的FEMG侧的紧固件孔的相应分布。图13和图14均示出了相应紧固件孔53在FEMG齿轮箱16上和在FEMG安装支架51的FEMG齿轮箱侧的周向布置。在图14中，安装支架51的发动机侧部分和FEMG齿轮箱侧部分通过平行于发动机曲轴轴线延伸的臂54连结在没有旋转离合器-带轮-阻尼器单元19的空间中(为了清楚起见，未在图中示出)。示意性示出的臂54旨在传达安装支架布置概念，应理解的是，安装支架的发动机侧和FEMG齿轮箱侧之间的连接可以是连结支架的前侧和后侧的任何构造，以便抵抗相对于发动机曲轴的运动而固定FEMG齿轮箱。例如，臂54可以是焊接或螺栓连接到支架的前侧和/或后侧的杆，或者臂可以是围绕离合器-带轮-阻尼器单元19延伸的一体铸造零件的部分。优选地，安装支架51设计成使得其FEMG齿轮箱侧部分具有紧固件孔图案，该图案有助于根据需要相对于支架旋转FEMG齿轮箱(“计时”)，以便以各种角度对齿轮箱进行索引，从而使FEMG部件适应各种发动机构造，例如在将FEMG系统改装到各种现有车辆或固定发动机应用中时。
FEMG系统电动发电机和电子控制实施例。
图15中示出了适合于附接到FEMG齿轮箱的电动发电机端的电动发电机的示例。在该实施例中，电动发电机3的FEMG齿轮箱侧55包括多个螺柱56，螺柱56构造成接合齿轮箱上的安装凸缘(例如图9中的示例性齿轮箱16上示出的安装凸缘44)中的相应孔。为了在电动发电机3的转子和电动发电机端的减速齿轮38之间传递扭矩，转子孔57接收延伸到减速齿轮38中的相应孔中的轴(未示出)。减速齿轮38和电动发电机3的转子之间的轴可以是分开的部件，或者可以与转子或减速齿轮一体地形成。轴也可以压入转子和减速齿轮中的一个或两个中，或者可以通过使用可移位连接件(例如轴向花键或螺纹连接件)容易地分离。
本实施例中的电动发电机3还容纳下面进一步讨论的FEMG系统的若干电子部件，以及用作电动发电机3和FEMG系统的控制和能量存储部件之间的电气接口的低压连接件58和高压连接件59。
优选地，电动发电机3的尺寸被设计成至少提供发动机启动，混合动力发电和发动机附件驱动能力。在一个实施例中，如图16的图表所示，具有大约220mm直径和180mm纵向深度的尺寸的电动发电机将在零rpm下提供大约300Nm的扭矩用于发动机启动，以及在4000rpm附近提供高达大约100Nm用于操作发动机附件和/或向发动机曲轴提供补充扭矩以帮助推进车辆。利用FEMG齿轮箱的2：1的减速比，这种电动发电机的速度范围与典型的商用车发动机的零到大约2000rpm的速度范围非常匹配。
FEMG电动发电机设计受到热、机械和电气考虑的限制。例如，虽然启动期间电动发电机的温度升高受到启动操作的相对短的持续时间的相对限制，但是当电动发电机独自驱动一个或多个要求高的发动机附件(例如发动机冷却风扇)时，来自电动机的所需的扭矩输出可以在50Nm到100Nm的范围内。在没有足够的电动发电机冷却的情况下，在持续的高扭矩输出条件期间的温度升高可能是显著的。例如，在电动发电机绕组中的电流密度J为15A/mm2时，绝热温度升高可能在30℃左右。出于这个原因，FEMG电动发电机优选地设置有强制冷却，例如图17所示的例子，其中发动机冷却剂或冷却油(例如来自齿轮箱油回路的油)循环通过电动发电机中的冷却流体通道60。特别优选的是，冷却通道60的一部分61也被引导，以向安装在电动发电机3上的FEMG系统电子部件提供冷却。
所选择的电机的类型还可以引入限制或提供特定的优点。例如，在感应式电动机中，使用逆变器(具有相应的通量增量)可以增加10-20％的击穿扭矩，并且击穿扭矩通常很高，例如，是机器额定值的2-3倍。另一方面，如果选择永磁型机器，则必须避免过多的定子激励电流，以使永磁体的去磁可能性最小化。虽然物理布置和工作温度可以影响去磁问题，但是通常在注意到显著的去磁之前必须经历大于额定电流的两倍的电流值。
考虑到这些因素，电动发电机3的优选实施例将具有在其标称工作范围的150％下操作的能力。例如，电动发电机可以具有4000rpm的额定速度，具有6000rpm的最大速度额定值(对应于3000rpm的最大发动机速度)，以及在4000rpm下具有大约60KW的容量。在400V标称电压下工作的这种电动发电机预计将提供约100Nm的连续扭矩输出，短持续时间(如20秒)的150Nm的发动机起动扭矩，以及0rpm下的300Nm的峰值启动扭矩。
在该实施例中，FEMG电动发电机3以及FEMG系统的其他部件由中央FEMG控制模块13，电子控制器(“ECU”)控制。关于电动发电机，FEMG控制模块：(i)控制电动发电机的操作模式，电动发电机的操作模式包括扭矩输出模式、发电模式、空转模式和停机模式，在扭矩输出模式中，电动发电机经由离合器-带轮-阻尼器单元输出要传递到发动机附件和/或发动机曲轴的扭矩，在发电模式中，电动发电机产生电能用于存储，在空转模式中，电动发电机不产生扭矩或电能，在停机模式中，电动发电机的速度设定为零(当没有发动机附件操作要求并且离合器-带轮-阻尼器单元的离合器脱离时可能的模式)；以及(ii)控制离合器-带轮-阻尼器单元的接合状态(经由所使用的离合器致动器的类型所需的诸如电磁阀和/或继电器的部件)。
FEMG控制模块13基于各种传感器输入和预定的操作标准来控制电动发电机3和离合器-带轮-阻尼器单元19，如下面进一步讨论的，各种传感器输入和预定的操作标准是例如能量存储器11的充电状态，能量存储器内的高压电池组的温度水平，以及电动发电机3上的当前或预期的扭矩要求(例如，实现期望的发动机附件旋转速度以获得期望水平的发动机附件操作效率所需的扭矩)。FEMG控制模块13还监控电动发电机和发动机曲轴相关的速度信号，以通过在向离合器致动器发出信号以接合离合器之前确保离合器的曲轴侧和带轮侧部分速度匹配来使损坏离合器部件的可能性最小化。
FEMG控制模块13使用数字和/或模拟信号来与其他车辆电子模块进行通信，以获得在其电动发电机和离合器-带轮-阻尼器控制算法中使用的数据，并与其他车辆控制器协作以确定整个系统操作的最佳组合。在一个实施例中，例如，FEMG控制模块13被构造为从制动控制器接收信号，以在发电模式下操作电动发电机，从而提供再生制动来代替响应于来自驾驶员的相对低的制动要求而应用车辆的机械制动器。FEMG控制模块13被编程为在接收到这样的信号时，评估当前车辆操作状态并向制动控制器提供信号，该信号指示正在启动再生制动，或者指示不需要电能产生并且制动控制器应该命令车辆的机械制动器或减速器的致动。
图18提供了FEMG系统中集成电子控制的示例。在该实施例中，FEMG控制模块13接收和输出信号，通过车辆的CAN总线与传感器、致动器和其他车辆控制器进行双向通信。在该示例中，FEMG控制模块13与电池管理系统12、发动机控制单元63、以及FEMG系统的电能管理部件通信，电池管理系统12监控能量存储器11的充电状态和其他相关的能量管理参数，发动机控制单元63监控发动机传感器并控制内燃机的操作，FEMG系统的电能管理部件包括电力逆变器14，电力逆变器14处理AC电动发电机3与电气总线的DC部分之间的AC/DC转换，电气总线的DC部分在车辆的DC能量存储器和耗电器(未在这个图中示出)之间。FEMG控制模块13还与车辆的DC-DC转换器10通信，该DC-DC转换器10管理适合于消耗装置的电压的电能分配，例如，将来自能量存储器11的400V电力转换为车辆的12V电池9和车辆的各种12V设备(例如照明，收音机，电动座椅等)所需的12V。
图18还示出了数据的通信，数据从与电动发电机3，离合器-带轮-阻尼器单元19的离合器，各种发动机附件1和12V电池9相关联的传感器64(例如，电动发电机离合器位置传感器101，电动发电机速度传感器102，发动机附件离合器位置103，空气压缩机状态传感器104，动态发热器状态传感器105，FEMG冷却剂温度传感器106，FEMG冷却剂压力传感器107和12V电池电压传感器108)输入到FEMG系统控制算法。
FEMG控制模块13接收和交换的许多信号通过车辆的SAE J1939标准兼容通信和诊断总线65传输到/从其他车辆设备66(例如，制动控制器111，减速器控制器112，电子空气控制(EAC)控制器113，变速器控制器114和仪表板控制器115)传输。表1中提供了传感器和操作信号类型以及交换的变量及其相应来源的示例。
表1
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来自FEMG控制模块13的输出包括控制来自电动发电机3的电能产生或扭矩输出的命令，用于使离合器-带轮-阻尼器单元19的离合器接合和脱离的命令，用于使各个发动机附件1的离合器120(下面进一步讨论)接合和脱离的命令，以及用于FEMG冷却剂泵121的操作的命令。
FEMG系统部件的FEMG控制模块系统控制。
除了控制电动发电机以及其与发动机曲轴的离合连接之外，在该实施例中，FEMG控制模块还能够控制将发动机附件连接到由带轮5驱动的附件传动带的任何或所有单独离合器的接合状态，由此允许FEMG控制模块根据车辆的操作状态选择性地将不同的发动机附件(例如空调压缩机2或车辆的压缩空气压缩机1)与附件驱动器连接和断开连接。例如，当操作条件允许时，FEMG控制模块的算法可以优先考虑电能产生，并确定一些发动机附件不需要操作。替代地，FEMG控制模块被编程为，响应于需要操作附件的优先情况来操作发动机附件，即使这样做不会导致高的整体车辆操作效率。后者的例子是接收压缩空气储罐低压信号，需要空气压缩机离合器的接合和带轮5以足够高的速度操作，以确保存储足够的压缩空气以满足车辆的安全需要(例如，足够的压缩空气用于气动制动操作)。另一个例子是命令电动发电机和发动机冷却风扇离合器以足够高的速度操作发动机冷却风扇，以确保足够的发动机冷却，从而防止发动机损坏。
优选地，FEMG控制模块例如以存储的查找表的形式设置有发动机附件操作性能数据。利用发动机附件操作效率信息、当离合器-带轮-阻尼器单元的离合器脱离时可变地将电动发电机的操作速度控制到几乎任何所需的速度的能力、以及从传感器和车辆的通信网络接收到的车辆的操作状态的知识，FEMG控制模块13被编程为确定和命令优选的电动发电机速度和发动机辅助离合器接合状态的组合，该组合导致给定操作条件的高水平的整体车辆系统效率。
虽然可以通过存在大量单独的发动机附件离合器(包括开/关，多级或可变滑动离合器)来改善整体系统效率，但即使在没有单独的附件离合器的情况下，FEMG控制模块13也可以使用发动机附件性能信息来确定使带轮5以满足当前系统优先级的速度旋转的优选电动发电机操作速度，该优先级是提高系统效率，确保满足最重的发动机附件要求，还是是另一优先级，例如在预定事件之前充分地在预定时间开始对能量存储器11充电以确保在车辆停止之前存储足够的电能。例如，该实施例中的FEMG控制模块被编程为确定能量存储器11的当前充电状态和在预期的驾驶员休息时段之前可用的时间量，并且在重置时间段的预期持续时间内(例如，8小时过夜休息时间段)，以将导致在发动机关闭时存在足够的能量来支持车辆系统操作(例如卧铺车厢空调)的速率，启动能量存储器11的电动发电机充电。
无论有多少个单独的发动机附件离合器，类似的基本原理都适用，即，FEMG控制模块可被编程为，无论有几个、许多或者没有单独的发动机附件离合器，都以满足算法中建立的优先级的方式，操作电动发电机3和离合器-带轮-阻尼器单元的离合器15。类似地，可以将各种优先级方案编程到FEMG控制模块中以适应特定的车辆应用。例如，在优选实施例中，能量效率优先级算法可以超出简单分析带轮速度的构造，并且单独的发动机附件离合器接合为最高优先级发动机附件提供最佳操作效率，而且还可以确定在折衷带轮速度下的发动机附件的组合的操作是否将导致更高的整体系统效率，同时仍满足优先级附件的要求，即，如果存在使整体车辆效率最大化的带轮速度的话，则以与其各自的最大效率操作点偏移的速度操作每个单独的发动机附件，同时仍满足车辆系统要求。
FEMG电能产生、存储和电压转换实施例。
在图19中更详细地示出了本实施例中的电力电子器件和电流分布之间的关系。交流电动发电机3的三相经由高压连接与AD/DC电力逆变器14连接。由电动发电机3产生的电能被转换成高压DC电流，以分布在DC总线网络67上。相反，可以将DC电流供给至双向电力逆变器14，以转换成AC电流，从而驱动电动发电机3作为产生扭矩的电动机。
图20示出了双向AC/DC电力逆变器的已知实施例，例如逆变器14。该布置包括六个IGBT功率晶体管构造，其中基于矢量控制策略，开关信号从控制器(例如从FEMG控制模块13)提供给控制线68A-68F。优选地，用于电力逆变器14的控制模块位于距电力逆变器的IGBT板不超过15cm的位置。如果希望使DC总线67上的电噪声最小化，可以在电力逆变器和DC总线的其余部分之间插入滤波器69。
图19还示出了两个主DC总线连接，即电力逆变器14和能量存储器11之间的高压线路。该图中的双向箭头表示DC电流可以从电力逆变器14传递到能量存储器11以增加其充电状态，或者可以从能量存储器流到DC总线67，用于分配到电力逆变器14以驱动电动发电机3或分配到连接到DC总线的其他DC电压消耗器。在该实施例中，DC/DC电压转换器70设置在DC总线和能量存储器11之间，以使由电动发电机3产生的DC总线上的DC电压适应能量存储器的优选工作电压。图19还示出了DC总线67还可以连接到适当的电压转换器(例如AC-DC电压转换器309)，其将来自诸如固定充电站的车外电源310的电能转换为DC总线67上的电压，以允许当车辆停放时，独立于电动发电机3对能量存储器进行充电。
除了去往和来自能量存储器11的DC电流的双向流动之外，DC总线67还向车辆电气消耗器(例如车灯，无线电和其他通常为12V供电的装置)，以及120V的AC电流装置(例如驾驶员卧铺车厢空调和/或冰箱或烹饪表面)供给高压DC电流。在两种情况下，提供适当的电压转换器以将DC总线67上的高电压转换为适当电压下的适当DC或AC电流。在图19所示的实施例中，DC/DC转换器71将标称电压下的DC电流转换为大约400V至12V的DC电流，以对一个或多个常规12V电池72充电。因此，车辆通常的12V负载73根据需要被提供所需的12V电力量，而无需为发动机配备单独的发动机驱动的12V交流发电机，从而进一步节省重量和成本，同时提高整体车辆效率。图21示出了诸如DC/DC转换器71的正向DC/DC转换器的已知实施例，其中FEMG控制模块13通过将FEMG控制信号提供给晶体管驱动电路74以管理通过DC/DC转换器的变压器77的初级绕组76的电流，来控制从DC总线67到转换器的12V输出75的高DC电压的转换。
双向高压DC/DC转换器70是所谓的“降压+升压”型电压转换器，例如图22中所示的已知电气布置。图23示出了当图22中的电子控制开关S被致动时，输入电压Vin以脉冲方式驱动跨越电感器L和电容C的相应电流振荡，从而产生绕基线电压<vo>平稳地振荡的连续输出电压vo。
通过将若干电子部件集成到电动发电机的壳体中，可以满足保持电力逆变器14和电动发电机的三个AC相线之间的距离短的期望，如图24所示。在电动发电机的与将面向齿轮箱16的一侧相对的一侧，三个AC相的线78A-78C出现并连接到电路板84的高压部分79(图24中电路板84位于虚线左侧的部分)。在AC相连接的右侧，电力逆变器集成到电路板84中，其中IGBT组80位于IGBT驱动器电路81下方。
同样共同位于电路板84上的是包含电噪声抑制电磁干扰(EMI)滤波器和DC电力电容器的部分82，以及FEMG ECU的嵌入式微控制器83。虚线表示高压部分79与低压部分86的电隔离85，其经由电连接器58与FEMG系统的其余部分和车辆部件连通。由电动发电机3产生或由电动发电机3从能量存储器11接收到的高电压和高电流经由电路板的外表面后面的电路路径(未示出)，从电路板84的高压部分79传递到高压连接件59。
这种高度的电动发电机和电力电子集成的优点是简化和低成本安装，使电动发电机和电力电子设备之间的长距离连接的电损耗最小化，以及不需要额外的专用电子冷却布置而从电动发电机已经存在的强制冷却提供冷却到电力电子设备的能力。
FEMG系统能量存储器和电池管理控制器实施例。
在该实施例中，在能量存储器11中使用的存储单元是基于锂化学的，特别是锂离子电池。与常规电池化学品(如铅酸)相比，锂离子具有几个优点，包括重量更轻，“快速充电”的充电速度容限更好，高功率密度，高能量存储和返回效率，以及更长的循环寿命。
除了当离合器-带轮-阻尼器单元与发动机曲轴脱离时需要足够的高压电流来产生100Nm以上的扭矩以驱动发动机附件之外，能量存储器11的尺寸被设计成能够从电动发电机3接收非常大的电流和向电动发电机3供给非常大的电流，而曲轴驱动的电动发电机可以产生千瓦的电能，并且能量存储器供电的电动发电机可以需要300安培的峰值高压电流来启动柴油发动机。
虽然超级电容器能够处理FEMG系统的峰值电流要求，但是能量存储器11的电池部分的尺寸被设计成能够提供持续的电流放电率和总能量输出，以满足要求最高的电流要求。基于商用车辆操作的经验，该实施例中的能量存储器11的电池部分的尺寸被设计为确保在相当于58KW的情况下每小时10分钟的令人满意的操作(对应于发动机冷却风扇仅通过电动发电机定期以其最大速度操作，以及同时发生的空调和空气压缩机使用的功率要求)。计算表明，假设电力逆变器14的工作效率为95％，每小时10分钟的58KW放电将需要从能量存储器11中提取10KWh(千瓦时)的能量。系统电压为400V时，这种放电量需要能量存储电池的存储容量约为15Ah(安时)。
除了计算满足预期的最大车辆要求的最小电池容量之外，能量存储器11的电池部分的设计考虑了基线操作需要。例如，存在使能量存储器电池不完全放电的操作期望，以避免遇到能量存储器不能满足直接车辆需要的情况(例如，当电动发电机作为发动机启动装置操作时不能启动发动机)，并避免因放电到远低于电池单元制造商的最小推荐单元工作电压(对于3.8V-4.2V基于锂的电池单元，通常不低于1.5-2V/单元)而导致的潜在电池损坏。因此，本实施例的能量存储器的设计包括最大放电要求将能量存储器的电池部分不放电到低于50％的容量的需求。该需求导致能量存储器11具有30Ah的电池容量。
在设计目标为30Ah并且使用锂离子电池单元，每个单元具有单独的3.8V标称电压，在0.3C的放电率下放电容量为33Ah(这种电池单元的重量为0.8Kg(公斤)以及长方形尺寸为290mm×216mm×7.1mm)的情况下，可以确定通过将4个单独的电池单元串联包装以产生标称电压为15.2V的33Ah电池模块，并且然后将这些电池模块中的28个串联连接，以提供标称电压为15.2V/模块×28模块＝425V(实际操作电压通常为400V或低于400V)下的33Ah容量的电池组，可以提供所需的能量存储容量(在400V下为30Ah)。该电池组具有大约90Kg的重量(没有壳体)和大约50升的体积，重量和尺寸容易与商用车辆的底盘轨道一起容纳。
能量存储器11配备有电池管理系统(BMS)12。BMS控制模块监控电池组的充电状态和温度，处理电池维护任务，例如单元平衡(监控和调整单独的单元或单元组的充电状态)，并将电池组状态信息传送给FEMG控制模块13。电池管理系统12可以与FEMG控制模块13共同定位，或者处于远离能量存储器11中的电池组的另一个位置；然而，电池管理系统12与能量存储器11的安装允许模块化的能量存储系统的部署和更换。
接收和释放大量高压电流的能量存储器11另一个设计考虑因素是需要冷却。在本实施例中，在需要冷却的FEMG部件，能量存储器11，电动发电机3，电力逆变器14，齿轮箱16和离合器-带轮-阻尼器单元19的离合器15之中，电池存储器11最需要冷却以避免超温条件造成的损坏。锂离子电池的优选温度工作范围为-20℃至55℃。这些温度与电动发电机3的约150℃，电力逆变器14的约125℃，以及齿轮箱16(如果离合器是油浴湿式离合器，则为离合器15)的约130℃的工作温度限制形成对比。在该实施例中，通过使所有主FEMG部件通过在齿轮箱中循环用于润滑和冷却的油被冷却，实现了复杂性和成本的显著节省。如果能量存储器11的电池组接收冷却油，作为空气/油散热器下游的第一部件，该空气/油散热器使热量从油中消散，即在冷却的油再循环并且从油冷却回路中的其他FEMG部件吸收热量之前，则这是可能的。这种布置确保电池组在油遇到电动发电机，电力逆变器和齿轮箱中的较高温度之前接收允许电池组保持在55℃以下的温度下的冷却油流。
FEMG系统能量存储器充电状态确定算法实施例。
可以以各种方式确定能量存储器电池的充电状态。图25是可用于本发明的已知电池管理系统充电状态估计控制算法的示例。在第一步骤S101中，电池管理系统12在启动(“接通”)时初始化。步骤S102通过所谓的“库仑计数”方法用符号表示BMS的电池单元的充电状态的估计，这里，通过采样单元和组电压(V，T)和温度来建立估计的基线充电水平，并且从这个初始点开始跟踪引入电池组并从电池组中取出的电流量(I)。
然而，虽然这种跟踪充电状态的方法具有利用相对便宜的技术提供实时的非常精确的电流监测的优点，但是它没有提供由于不希望的化学反应导致的电池单元自放电现象而从电池单元的充电损失量的可靠指示。因为这种现象强烈依赖于温度并且可能导致在步骤S102中未检测到大量充电损失，所以在该实施例中，电池管理系统还执行附加的充电状态估计步骤S103，即所谓的“循环先验(prior in the loop)”方法。在这种充电状态估计方法中，测量电池单元的开路电压，并将该电压与存储的电压/充电状态值进行比较，以提供电池充电水平的估计，该估计固有地考虑了先前的自放电损耗。另外，通过与先前存储的信息相比较，可以估计自放电率，并且可以根据该自放电率估计电池的健康状态(即，高自放电率指示与新的电池单元相比，电池单元的健康状况降级)。
“循环先验”方法的缺点在于它不能容易实时地使用，因为能量存储器11的电池组用于根据需要接收和释放高压电流以支持正在进行的车辆操作。结果，只有当能量存储器的电池处于电池组没有接收电流或没有从电池组放电的状态时，才执行步骤S103中的基于开路电压的充电状态和健康状态估计。如果不能进行步骤S103估计，则该电池管理系统例程进行到步骤S104，并且在随后的计算中使用最近的步骤S103估计电池充电状态和健康状态。
基于来自步骤S102的单元和组电压、温度、电流输入和输出，以及考虑自放电效应的最近步骤S103的校正因子，在步骤S104中，电池管理系统计算可用于FEMG系统内的能量存储器11的操作的适当的充电和放电功率限制，并执行单元平衡算法以识别需要充电均衡的电池单元，并应用适当的选择性单元充电和/或放电以均衡4单元模块内和28个模块之间的单元电压。当使用锂离子电池单元时，单元平衡特别重要，因为这种单元可以彼此以不同的速率老化和自放电。结果，随着时间的推移，各个电池单元可以产生接受充电的不同的能力，这种情况可能导致模块中(或不同模块之间)的一个或多个单元被过度充电而其他的单元充电不足。在任何一种情况下，显著过度充电或充电不足的电池单元可能会受到不可修复的损坏。
在步骤S105中，电池管理系统12将电池组状态信息传送到FEMG控制模块13，包括关于当前充电状态所需的电力限制和电池单元的温度的信息。在步骤S106中并行地将电池单元数据存储在存储器中，以用于将来的单元监测迭代。在完成电池组状态确定和单元平衡例程后，控制返回到充电估计控制环路的开始，在循环开始时使自放电率数据可用，以用于后续步骤。
FEMG系统操作模式和控制算法实施例。
在该实施例中，FEMG系统以若干模式操作，包括发电机模式，电动机模式，空转模式，关闭模式和停止/启动模式。为当前操作条件选择的模式至少部分地基于能量存储器11的当前充电状态，其中FEMG控制模块13被编程为基于从电池管理系统12接收到的数据识别最小充电水平，在该实施例中，20％的充电容量，40％的中间充电水平和80％的最大充电水平(该水平被选择，以确保能量存储器免于单元的过度充电，特别是在单独的单元自放电已经产生单元不平衡状况的情况下)。
在发电机模式中，每当能量存储器的充电状态低于最小充电水平时，离合器15被接合并且电动发电机3被驱动以产生电能用于存储，并且离合器将保持接合直到达到中间充电状态水平。一旦达到中间充电状态水平，FEMG控制模块13根据需要在发电机、电动机、空转和关闭模式之间切换。例如，如果在离合器15脱离的情况下操作电动发电机3以驱动发动机附件，则FEMG控制模块命令切换到发电机模式并且在制动、减速或负扭矩事件发生时接合离合器15以对能量存储器11充电(只要能量存储器11的充电状态保持低于最大充电状态水平)。
当处于离合器15脱离的电动机模式时，FEMG控制模块13将由逆变器14输送的电流的幅度和频率调整到电动发电机3，以便提供无级变速控制。这种能力允许电动发电机3以以下方式进行操作：以满足当前操作条件的要求的速度和扭矩输出水平驱动带轮5并且因此驱动由带轮5驱动的发动机附件，而不浪费由于在不必要的高速和扭矩输出水平下操作而产生的能量。FEMG系统对电动发电机3的可变输出控制具有额外的好处：使必须从能量存储器11传递的存储的电能的量最小化，减少能量存储器充电需要，并延长能量存储器11在达到最小充电状态之前可以供给高压电流的时间长度。
如果能量存储器11中的充电水平高于最小水平，不存在制动、减速或负扭矩状况，并且发动机附件不要求来自电动发电机3的扭矩，则FEMG控制模块13启动空转模式，其中离合器-带轮-阻尼器19的离合器15脱离并且电动发电机“关闭”，即，不操作以产生用于存储的电能或产生用于驱动发动机附件的扭矩。
在发电机、电动机或关闭模式中的任何一个模式中，如果发动机需要来自电动发电机的扭矩输出辅助，则FEMG控制模块可以命令离合器15接合，并且同时命令从能量存储器11供给电能到电动发电机，以转换成要传递到发动机曲轴的补充扭矩。
FEMG控制模块另外被编程为防止能量存储器11的意外过度放电。例如，在该实施例中，当发动机冷却风扇7的扭矩和速度要求高于其设计最大要求的90％时，离合器-带轮-阻尼器19的离合器15被接合，以从发动机曲轴机械地驱动发动机冷却风扇7(并且因此，驱动其他接合的发动机附件)。这允许电动发电机3在空转或发电机模式下操作，以避免能量存储器11的潜在破坏性深度放电，以及避免存储的能量不足以支撑发动机关闭负载(例如，在发动机关闭休息期间发动机启动或卧铺车厢支持)的充电状态状况。
附加操作模式是启动模式，用于初始启动冷发动机和启停功能(即，在停止后关闭发动机并在重新开始行驶时重新启动)。在该实施例中，启停功能由FEMG控制模块13控制。当存在适当的条件时(例如，能量存储器11充电状态高于发动机启动的最小阈值，车辆速度持续足够长的时间为零，变速器处于空档或变速器离合器脱离，车门关闭等)，FEMG控制模块向发动机控制模块发出信号以关闭发动机，从而使燃料消耗和不希望的发动机空转噪音最小化。当车辆要恢复运动时，如由诸如制动踏板的释放或变速器离合器的操作的信号所指示的，FEMG控制模块13命令离合器15的接合和来自能量存储器11的能量供给，以操作电动发电机3产生大量的扭矩用于发动机启动。在发动机关闭期间是否没有发动机附件操作要求的情况下(在这种情况下，不需要带轮-曲轴速度匹配，因为离合器的两侧都是零速度)，根据电动发电机初始转速为零，发动机启动转矩的输送发生。替代地，如果电动发电机3在发动机关闭期间已经驱动带轮5为发动机附件提供动力，则电动发电机3将被命令减速至低于当离合器15接合时将发生离合器损坏的转速。在爪形离合器的情况下，这可以是零速度或接近零速度，而湿式多片离合器可以更好地容忍离合器的带轮侧和固定曲轴侧之间的一些相对运动。
FEMG系统还可以存储足够的能量以允许动态发热器在冷启动之前预热冷发动机的操作，从而显著降低冷发动机在冷启动期间将呈现给电动发电机的阻力。动态发热器的使用还通过降低电动发电机必须被设计用于在车辆的预期操作条件下提供的峰值冷启动扭矩要求，而为减小电动发电机的尺寸、重量和成本创造了机会。
电动发电机必须被设计用于在车辆的预期操作条件下提供的峰值冷启动扭矩要求也可以通过其他辅助装置减少。例如，如果发动机启动扭矩由车辆的压缩空气存储器驱动的气动启动器电动机补充，则可以减小电动发电机的尺寸。气动启动器电动机的尺寸可以最小化，以确保它可以与FEMG部件一起定位在发动机的前面，因为气动启动器电动机的尺寸不需要能够自己启动发动机。与选择保持常规电动发动机启动器电动机以旋转发动机飞轮相比，这种冷启动辅助装置成本更低且重量更轻，并且对FEMG系统可获得的系统能效改进的影响可以忽略不计。
FEMG系统发动机附件操作速度和电动发电机操作速度确定算法。
在简要讨论该策略的基础之后，借助于图26和图27的流程图解释FEMG系统控制策略的实施例。
一般而言，通过使发动机附件和其他部件被电驱动的时间量最大化，而不是通过传统提供的发动机机械动力，可以获得更高的燃料节省。改善电能部署的控制策略是获得这些改进的重要部分。本发明的一种方法是使可以电驱动的部件的数量最大化，同时使驱动附件所需的电机的数量最小化。因此，在本发明中，单个电动机(例如电动发电机3)提供机械扭矩输出和电能产生两者，而不是为车辆的大部分或全部动力要求部件提供它们自己的电动机。该单个电动发电机方法与控制策略相结合，该控制策略确保满足要求最高或最高优先级的发动机附件或其他部件的需求，同时通过使其他附件或部件的操作尽可能适应为满足最大需求而设置的条件，从而使其他附件或部件的低效操作最小化。在下面讨论的控制策略中，各个发动机附件设有离合器，根据附件，它们可以被选择性地关闭，以具有最大要求或最高优先级的附件所指示的速度被驱动，或者使用可变接合离合器以减小的速度被驱动。
当发动机附件由发动机曲轴驱动时，即，当离合器15接合时，每个发动机附件在“基线”或“原始”控制策略(OCS)下被机械地驱动，“基线”或“原始”控制策略(OCS)对应于这些附件将如何在没有FEMG系统的常规发动机应用中被操作。在这种策略中，具有单独离合器的附件根据它们各自的基线控制方案被操作，其离合器以与非混合内燃机应用中相同的方式完全接合、部分接合或脱离。
相反，当离合器–带轮-阻尼器单元的离合器15脱离并且发动机附件开始由电动发电机3使用来自能量存储器11的能量被驱动时，FEMG控制模块以满足当前车辆需要而不提供比当前操作条件所需的更多的附件驱动扭矩的方式可变地控制带轮5的速度，并且因此控制发动机附件传动带。在这种变速控制(VSC)策略下，FEMG控制模块13使用关于各个发动机附件的操作特性的存储数据，以进一步使在电动机模式下驱动电动发电机3所需的电能量最小化的方式同时控制各种附件(FEMG控制模块13可以直接控制这些附件，或者向诸如发动机控制模块的其他模块发出信号以命令执行所需的附件操作)。此外，尽管已经为每个附件绘制了最有效或最理想的操作速度，但是因为电动发电机3以一个带速度驱动同一带上的所有发动机附件，当一个附件以其最佳状态操作时，其他附件可能在次优的操作点操作。由于这个原因，FEMG控制模块13将每个附件的优选操作速度与它们通过电动发电机3以足以满足最大附件要求的速度被驱动时的速度进行比较，并确定附件的各个离合器是否可以被致动以产生更接近单独的附件的优选操作速度的单独附件速度。如果可能，FEMG控制模块将覆盖通常的附件离合器控制策略，并根据需要激活附件离合器，以输送提供提高效率的单独的附件速度。
适当的发动机附件速度的选择开始于使用诸如图26中所示的控制逻辑确定当前操作条件下每个附件的期望理想操作速度。
在启动附件速度确定算法时，在步骤S201中，FEMG控制模块13从其存储器201中检索关于从车辆的传感器和其他控制器获得的当前车辆操作条件的数据，其中大部分数据按照SAE J1939网络协议经由CAN总线提供给FEMG控制模块13，并确定当前的操作条件。该操作是在步骤S202中确定当前操作条件是否需要操作特定附件(例如发动机冷却风扇)的预测(predicate)。如果要接通附件，则程序进行到步骤S203，以确定附件是否经由单独的附件多速离合器联接到附件驱动器。
如果在步骤S203，FEMG控制模块13确定存在这样的附件离合器，则程序进行到步骤S204，以确定对于所确定的操作条件将是什么期望的附件操作速度。在执行步骤S204的过程中，FEMG控制模块13例如以查找表，特征曲线或数学函数的形式，访问信息202，从中可以确定附件在当前操作条件下有效操作的附件操作速度。在步骤S205，FEMG控制模块13在其离合器完全接合时，将所确定的期望附件操作速度与附件的速度进行比较，并且调节附件离合器以设定适当的对应离合器操作状态(例如，在可变滑动离合器中的离合器滑动的程度或具有离散多速的离合器(例如3速离合器)中的特定减速比)。在根据条件适当调节附件离合器之后，在步骤S207中，FEMG控制模块13检查FEMG系统电动机模式是否已经结束(即，确定电动发电机3是否要继续经由带轮5驱动附件驱动器)。如果系统仍在电动机模式下操作，则控制返回到附件速度确定处理的开始，以继续根据正在进行的操作条件来评估附件速度需要。如果在步骤S207中确定电动机模式已经结束，则图26的程序结束。
如果在步骤S203，FEMG控制模块13确定不存在多速附件离合器(即，附件速度不能相对于发动机速度被调节)，则程序直接进入步骤S206，以命令附件离合器将附件完全联接到附件驱动器。然后，控制转移到步骤S207，其中执行上述电动机模式评估。
图26算法是图27中所示的本实施例的整体发动机附件控制策略的组成部分。在FEMG系统算法开始时，在步骤S301中，FEMG控制模块13从其存储器201中检索从电池管理系统12接收到的数据，以确定能量存储器11的充电状态。接下来，在步骤S302中，FEMG控制模块13从存储器201中检索关于从车辆的传感器和其他控制器获得的当前车辆操作条件的数据，以确定发动机正在操作的当前操作条件(在该实施例中，步骤S302中的评估提供了图26的附件速度确定算法的步骤S201中所需的信息，因此在下面的步骤S322中不需要重复)。
在确定当前操作条件之后，FEMG控制模块13确定FEMG系统应该操作的模式并且相应地命令离合器–带轮-阻尼器单元19的离合器15的接合或脱离(步骤S303)。如果离合器15处于接合状态，其中带轮5联接到阻尼器6(并因此联接到发动机曲轴)，则可以由FEMG控制模块13或其他附件控制模块执行如何利用发动机传动带轮5操作附件的确定。在图27中，在步骤S311，FEMG控制模块13将发动机附件离合器的控制传递给车辆的发动机控制模块(ECM)，其可以以与原始控制策略(OCS)相当的方式确定发动机附件速度。在步骤S311中切换附件控制之后，处理在步骤S312结束。
如果在步骤S303确定电动发电机3要电驱动这些附件(即，“电动机模式”，其中离合器–带轮-阻尼器单元19的离合器15处于脱离状态，其中带轮5与阻尼器6断开联接并因此与曲轴断开联接)，在该实施例中，使用变速控制(VSC)策略来控制电动发电机3。
这里通过在步骤S322中首先为每个附件确定优选附件操作速度，同时考虑在步骤S321中评估的关于所有附件特性和变量的信息，来实现VSC策略。
在步骤S323，FEMG控制模块13确定可由电动发电机3驱动的至少一个附件是否处于“接通”状态，即，是否处于要通过电动发电机3经由带轮5驱动的状态。如果在当前条件下没有附件操作要求，则控制返回到步骤S303。
如果在步骤S323中确定存在至少一个处于“接通”状态的附件，则在步骤S324中，FEMG控制算法确定是否需要由电动发电机3驱动多于一个的附件(即，不止一个附件“接通”)。如果只有具有扭矩要求的单个附件，则控制处理继续进行子程序，该子程序仅关注那个“接通”附件的操作。因此，在步骤S325，计算以其优选操作速度驱动单个附件所需的电动发电机速度，在步骤S326中命令附件的单独驱动离合器完全接合，并且在步骤S327中命令电动发电机3以步骤S325中确定的速度操作。因为在该实施例中电动发电机的速度可变地受到控制，所以可以将带轮速度5精确地设定为驱动最高要求的发动机附件所需的水平。然后将控制返回到控制算法的开始。
如果在步骤S324确定需要由电动发电机3驱动多于一个的附件，则根据步骤S328中的VSC策略，FEMG控制模块13针对每个附件确定在其各自的优选附件操作速度下驱动附件所需的电动发电机速度。然后在步骤S329中比较计算的速度，以从“接通”附件识别最高的电动发电机速度要求。然后，FEMG控制模块13在步骤S330中命令需要最高电动发电机速度的附件的单独离合器完全接合，在步骤S331中命令电动发电机3以所需的最高电动发电机速度操作。作为VSC策略的一部分，在步骤S332中，FEMG控制模块控制配备有单独离合器的其余“接通”附件的各个附件离合器的操作，以使这些附件的操作适应于在步骤S329中设定的所需的最高电动发电机速度。例如，因为设定的电动发电机速度(服务于需要最高电动发电机速度的附件所需的速度)高于其余附件以其优选速度操作所需的速度，所以如果附件配备有可以部分地接合(例如，“滑动”)的单独离合器，则可以命令该离合器允许足够的滑动以使其附件的速度更接近其优选的操作速度(如步骤S322中所确定的)。然后将控制返回到控制算法的开始。
以下提供了用于具有从曲轴带轮，发动机冷却风扇，空调压缩机和空气压缩机驱动的三个附件的车辆的情况的前述方法的执行的示例。
在该示例中，发动机冷却风扇配备有具有多速能力的风扇离合器，例如三速或变速离合器(例如，粘性风扇离合器)。空调和空气压缩机具有单独的“接通/断开”离合器，其仅具有接合和脱离状态。FEMG控制模块13控制每个附件离合器的操作状态。每个附件的最终速度是带轮传动比，电动发电机速度和附件离合器性质(即“接通/断开”，可变滑动或多个减速比阶段)的函数。
在该简化示例中，对于给定的一组车辆操作条件，每个附件的优选操作点和获得优选的操作点的相应的电动发电机速度是：发动机冷却风扇以1050rpm操作(需要1050rpm的电动发电机速度/风扇带轮和带轮5之间的1.1比率，乘以2：1齿轮箱减速比＝1909rpm的风扇速度)；空调压缩机以1100rpm操作(相当于电动发电机速度为1294rpm)；和空气压缩机以2000rpm操作(相当于电动发电机速度为2667rpm)。
如果FEMG控制模块13确定空气压缩机的操作在给定条件下是最高优先级(例如，当存储的压缩空气量接近气动制动操作的最小安全水平时)，则FEMG控制模块13将命令电动发电机3以支撑空气压缩机的2000rpm速度需求所需的2667rpm运转。然而，该电动发电机速度显著高于发动机冷却风扇或空调压缩机所需的速度(在2667rpm的电动发电机速度下，发动机冷却风扇速度和空调压缩机速度将分别是1467rpm和2267rpm)。可以访问发动机附件操作曲线并且取决于其他附件的离合器的性质，FEMG控制模块13然后可以调节离合器的接合，以使其他附件操作到更接近其优选的操作速度。例如，如果风扇配备有可变滑动离合器，则FEMG控制模块可以命令一定量的风扇离合器滑动，以提供1100rpm的优选发动机冷却风扇速度。类似地，虽然空调压缩机可能仅具有“接通/断开”离合器并且因此当其离合器接合时将以1467rpm被驱动(而不是1050rpm的优选速度)，但是FEMG控制模块可以控制空调压缩机的“接通/断开”离合器的操作，以通过仅以1467rpm周期性地操作空调来将空调压缩机的占空比减少到能够满足当前空调要求的点。该方法使FEMG控制模块能够满足当前要求最高的发动机附件的需要，同时通过以高于所需的速度或以不必要的高占空比(例如，100％)驱动其他附件来减少能量浪费。
在进一步示例中，发动机可配备有附件，该附件不能与由带轮5驱动的传动带断开连接。在这种情况下，FEMG控制模块13可以在考虑操作曲线时确定可以通过折衷获得最大的整体系统能量效率。例如，假设空气压缩机目前呈现出最大的需求，并且优选的是以压缩机最有效的2000rpm速度操作空气压缩机。如果FEMG控制模块然后确定以2667rpm电动发电机速度驱动的发动机冷却剂泵将以不期望的低效率操作(即，以显著增加泵的能量消耗的泵速操作)，并且车辆状况允许空气压缩机以较低的速度操作(例如，当前需要是“加满”压缩空气储罐，而不是满足紧急的与安全相关的压缩空气要求)，则FEMG控制模块可以命令发动机冷却剂泵以更高效率水平操作时的较低电动发电机速度(例如，2400rpm)，即使空气压缩机在该速度下以略微降低的效率操作，结果是与在2667rpm的电动发电机速度下操作这些附件相比，整个组合的发动机冷却剂泵和空气压缩机操作提高了整体系统效率。
图28示出了集成电气化附件单元401的内部布置的实施例的图示，该集成电气化附件单元401被构造成被安装到商用车辆车架构件(又称为车架轨道)的一侧，其中为了清楚起见，去除了顶盖和两侧。集成电气化附件单元401的后壁410包括安装凸缘411，该安装凸缘411设置用于安装到商用车辆底盘车架轨道420(参见图29A、29B)。对应的凸缘412设置在后壁410的横向相对侧上(为清楚起见，未在图28中示出)。在该实施例中，集成电气化附件单元401的安装凸缘和后壁410以大致平面方式对准，对应于典型商用车车架轨道的大致平面外侧表面，并且通过紧固件(未示出)附接。可以使用任何合适的方法来将集成电气化附件单元401安装到车辆，例如焊接、铆接和/或使用粘合剂。
本实施例中的凸缘411、412形成有支撑构件415，支撑构件415沿着集成电气化附件单元401的横向相对侧壁延伸并在单元下方，以将集成电气化附件单元401支撑在车架轨道420上。支撑构件415被布置成将集成电气化附件单元401的顶表面放置在与车架轨道420的顶部近似相同的高度处，同时集成电气化附件单元401的下部延伸到车架轨道420下方，为安装诸如热交换器(下文将进一步讨论)之类的外部部件提供空间。还可以使用诸如振动隔离器的隔离安装部件来安装集成电气化附件单元，以使车辆与集成电气化附件单元中的部件之间的振动传递最小化。例如，集成电气化附件单元的部件可以安装到副车架452，该副车架452又通过隔离器419(例如，弹性体装置)定位在壳体中。
在集成电气化附件单元401内，提供集成电气化附件驱动套件430，在该实施例中，包括以下附件：空调压缩机431、动力转向泵433、气动(空气)压缩机432、水泵451和热力加热器434。集成电气化附件驱动套件430进一步包括电动机435、附件驱动器436、逆变器437和附件驱动电子控制单元(ECU)438，当各个附件的带轮离合器接合时，来自电动机435的扭矩通过附件驱动器436被传递到附件431-434中的每一个，逆变器437在这种情况下接收来自车辆的DC电力，逆变器437由DC电力生成AC电力，在该实施例中，附件驱动电子控制单元(ECU)438被构造成控制逆变器437的操作，以控制电动机435的速度和扭矩输出，控制单独附件带轮离合器的操作，并经由通信链路与车辆交换数据。在该示例中，ECU 438与车辆的连接是经由到符合标准的控制区域网络总线的有线连接，但是ECU 438和车辆之间的通信也可以通过无线通信链路来进行。附件驱动器436可以是各种驱动类型中的一个或组合，包括带传动、链传动和/或齿轮传动。
集成电气化附件单元401实施例的外壳在图28和29A、29B中是一种耐气候结构，具有穿透如图29A和29B中所示的外壳的壁的防水连接件。这种布置为车辆底架提供了免于恶劣环境的保护。
图29A显示了外壳的侧壁416的端视图，通过其提供有用于从车辆驾驶室返回空调制冷剂流的穿透部(穿透部441)，以及用于将来自车辆的高电压(HV)输入到逆变器的穿透部(穿透部442)。
图29B是与壁416横向相对的壳体壁417(为清楚起见，在图28中省略)的端视图。在图29B的左侧(以及在图29A的右侧)同样可见的是安装到壳体后壁410的下部的液体到空气热交换器450，其中热交换器450至少部分地被保护免受来自车辆外的物体的影响。经由流体连接穿透部443接收和返回冷却剂的热交换器450为连接在共同冷却回路上的电动机435和逆变器437提供冷却供应和返回。通过壳体壁417的其他穿透部包括：低电压(LV)连接件444，其可用于向ECU 438和/或ECU 438与车辆之间的有线通信供电；穿透部445、446，其用于在车辆的冷却剂系统和集成电气化附件单元401的热力加热器434之间传导冷却剂(以及可选地，在冷却剂也用于冷却这些部件的实施例中，传导到电动机435和/或逆变器437，释放热交换器450以用于提供大致外壳冷却，对另一个集成电气化附件单元401部件的冷却，或完全省略)；穿透部447，其与向车辆输出压缩空气的空气压缩机432相关联；和穿透部441，其用于将空调制冷剂输出到车辆。本发明不限于将上述附件包含在集成电气化附件单元中，而是可以包括适合由附件驱动器驱动的任何附件，例如冷却剂泵。
优选地，集成电气化附件单元中的附件被预组装在壳体中，其中它们各自的入口和出口线路到壳体壁的穿透部在交付完成的单元之前已经被制造。进一步优选地，穿透部被构造为促进集成电气化附件单元和车辆之间的外部线路的快速连接。这种联接使安装人工成本最小化，并且最小化或消除了安装人员在安装或集成电气化附件单元外的后续维护行为期间打开集成电气化附件单元壳体的任何需要。
集成电气化附件单元401不限于在前面对图28和29A、29B中的实施例的描述的上下文中所讨论的结构和位置。例如，只要集成电气化附件单元提供的必要服务可以到达其各自的车辆部件(例如，压缩空气到车辆压缩空气存储和气动制动系统，空调制冷剂到车辆驾驶室，热力学加热冷却剂到冷却剂系统和/或车辆驾驶室)，集成电气化附件单元可以位于车辆上的任何合适位置。类似地，附件驱动系统的合并电驱动器可以根据需要扩展或收缩以容纳更多或更少的附件，并且诸如ECU和/或逆变器的电驱动系统的一些部件可以布置在集成电气化附件单元的壳体外。此外，集成电气化附件单元可以无需壳体，如图30中的实施例所示，其中不需要壳体提供的环境保护。
已经阐述前述公开内容仅仅是为了说明本发明而不是限制性的。因为本领域技术人员可以想到结合本发明的精神和实质的所公开实施例的这种修改，所以本发明应该被解释为包括所附权利要求及其等同物的范围内的所有内容。
参考标记列表：
1 空气压缩机
2 空调压缩机
3 电动发电机
4 驱动单元齿轮
5 带轮
6 阻尼器
7 发动机冷却风扇
8 发动机
9 车辆电池
10 DC/DC转换器
11 能量存储器
12 电池管理系统
13 FEMG电子控制单元
14 AC/DC电源逆变器
15 离合器
16 齿轮箱
17 凸缘轴
18 转子轴
19 离合器-带轮-阻尼器单元
20 发动机冷却剂散热器
21 带传动部分
22 离合器致动器
23 离合器板
24 离合器弹簧
25，26 爪形离合器元件
27 离合器抛出杆
28 螺栓孔
29 外花键
30 内花键
31，32 爪
33 弹簧
34 轴承
35 齿轮箱壳体翻盖
36 带轮端减速齿轮
37 中间减速齿轮
38 电动发电机端减速齿轮
39 轴承
40 孔
41 膈膜
42 盖
43 轴孔
44 安装凸缘
45 安装环
46 螺母
47 曲轴
48 油底壳
49 底盘轨道
50 发动机架
51 安装支架
52 孔
53 孔
54 支架臂
55 电动发电机齿轮箱侧
56 安装螺柱
57 转子轴孔
58 低压连接
59 高压连接
60 冷却剂通道
61 电子冷却通道部分
62 发动机控制单元
64 传感器
65 SAE J1939总线
66 车辆设备
67 DC总线
68A-68F 控制线
69 晶体管控制线
70 DC/DC电压转换器
71 DC/DC转换器
72 12V电池
73 12V负载
74 DC/DC转换器晶体管驱动电路
75 DC/DC转换器输出
76 变压器初级绕组
77 变压器
78 AC相连接
79 电路板
80 IGBT组
81 IGBT驱动器电路
82 EMI滤波器和DC电容器
83 FEMG控制模块微控制器
101 电动发电机离合器位置传感器
102 电动发电机速度传感器
103 发动机附件离合器位置
104 空气压缩机状态传感器
105 动态发热器状态传感器
106 FEMG冷却剂温度传感器
107 FEMG冷却剂压力传感器
108 12V电池电压传感器
111 制动控制器
112 减速器控制器
113 EAC控制器
114 变速器控制器
115 仪表板控制器
120 单独的发动机附件离合器
121 FEMG冷却剂泵
201 FEMG控制模块存储器
202 FEMG控制模块操作参数存储器
303 离合器抛出杆衬套
304 衬套轴承
305 压缩空气配件
306 紧固件
307 扭矩臂
308 锚定点
309 AC-DC转换器
310 车外电源
401 集成电气化附件单元
410 壳体后壁
411、412 安装凸缘
415 支撑构件
416、417 壳体侧壁
419 隔离器
420 车辆车架轨道
430 集成电气化附件驱动套件
431 空调压缩机
432 空气压缩机
433 动力转向泵
434 热力加热器
435 电动机
436 附件带驱动器
437 逆变器
438 电子控制单元
441 制冷剂穿透部
442 高压穿透部
443 热交换器冷却剂入口和出口穿透部
444 低压穿透部
445、446 冷却剂入口和出口穿透部
447 压缩空气出口穿透部
450 热交换器
451 水泵
452 副车架

Claims (15)

1.一种车辆的集成电气化附件单元，其特征在于，包括：
集成电气化附件单元壳体；
附件驱动器，所述附件驱动器位于所述壳体内；
多个车辆附件，所述多个车辆附件被布置在所述壳体中，以便由所述附件驱动器驱动；
电动机，所述电动机联接到所述附件驱动器；
电子控制单元，所述电子控制单元被构造成控制到所述附件驱动器的所述电动机的速度和扭矩输出中的至少一个，以驱动所述多个车辆附件。
2.根据权利要求1所述的集成电气化附件单元，其特征在于，进一步包括：
逆变器，所述逆变器被布置成向所述电动机供应电力，
其中所述电子控制单元被构造成控制所述逆变器，以改变AC电压的频率，从而控制所述电动机的所述速度和所述扭矩输出中的所述至少一个。
3.根据权利要求2所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述多个附件中的一个或更多个附件配备有可选择性接合的单独附件离合器，所述单独附件离合器被构造成使从所述附件驱动器到所述多个附件中的所述一个或更多个附件的扭矩传递中断，以及
所述电子控制单元被构造成控制所述多个附件中的配备离合器的一个或更多个附件的所述单独附件离合器的接合。
4.根据权利要求3所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述电子控制单元被构造成
接收来自所述车辆的附件需求信号，
控制所述逆变器、所述电动机和所述多个附件中的所述配备离合器的一个或更多个附件的所述单独附件离合器，以满足车辆附件需求。
5.根据权利要求4所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述多个附件包括以下中的至少两个
空调压缩机，
动力转向泵，
空气压缩机，
热力加热器，
冷却剂泵。
6.根据权利要求5所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述电子控制单元被构造成控制所述电动机速度的所述速度和所述扭矩输出中的所述至少一个，并且以在满足所述车辆附件需求的同时使电动机电力消耗最小化的方式，选择性地控制所述多个附件中的所述配备离合器的一个或更多个附件的所述单独附件离合器的接合。
7.根据权利要求6所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述壳体的壁包括穿透部，气态流体、液态流体、电力和/或电信号通过所述穿透部传入和传出所述多个附件。
8.根据权利要求7所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述穿透部被构造用于所述集成电气化附件单元和所述车辆之间的外部线路的快速连接。
9.根据权利要求6所述的集成电气化附件单元，其特征在于，进一步包括：
至少一个振动隔离器，所述至少一个振动隔离器被构造成使所述壳体与来自所述车辆的振动隔离。
10.根据权利要求1所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述附件驱动器是带传动、链传动或齿轮传动中的一个。
11.根据权利要求1所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述壳体联接到车辆底盘车架构件。
12.根据权利要求1所述的集成电气化附件单元，其特征在于，进一步包括：
副车架，所述副车架被布置在所述壳体中，
其中，所述附件驱动器、所述多个车辆附件和联接到所述附件驱动器的所述电动机被布置在所述副车架上。
13.根据权利要求12所述的集成电气化附件单元，其特征在于，进一步包括：
在所述副车架和所述壳体之间的隔离器。
14.根据权利要求13所述的集成电气化附件单元，其特征在于，其中
所述隔离器被构造成限制所述副车架和所述壳体之间的振动传递。
15.一种车辆的集成电气化附件单元，其特征在于，包括：
集成电气化附件单元附件驱动器；
多个车辆附件，所述多个车辆附件被布置成由所述附件驱动器驱动；
电动机，所述电动机联接到所述附件驱动器；
电子控制单元，所述电子控制单元被构造成控制到所述附件驱动器的所述电驱动器的速度和扭矩输出中的至少一个，以驱动所述多个车辆附件。
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