CN116056928A - 具有多模式功能的多轮驱动混合动力车辆 - Google Patents

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K·罗摩克里希纳
M·纳鲁拉
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Cummins Inc
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Cummins Inc
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Abstract

本公开涉及用于混合动力总成的方法和系统。该混合动力总成系统包括被配置成向第一车轮对提供机械功率的一体式车桥，所述一体式车桥包括第一马达‑发电机和第一驱动车桥，使得所述第一马达‑发电机和所述第一驱动车桥的至少一部分机械联接到公共壳体。所述系统还包括第二马达‑发电机，所述第二马达‑发电机被配置成经由第一离合器与发动机机械联接并且经由第二离合器与第二驱动车桥机械联接，所述第二驱动车桥与第二车轮对机械联接。控制器也与所述第一马达‑发电机和所述第二马达‑发电机、所述发动机以及所述第一离合器和所述第二离合器电联接，所述控制器被配置成使能全电动模式、串联混合动力模式、并联混合动力模式和再生操作模式。

Description

具有多模式功能的多轮驱动混合动力车辆
相关申请的交叉引用
本申请是要求2020年7月31日提交的美国临时专利申请序列号63/059,332的优先权的PCT国际申请，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及混合动力车辆，尤其涉及具有多种操作模式的混合动力车辆的传动系统。
背景技术
一些车辆包括与马达发电机组合的发动机形式的机械动力源，称为混合动力车辆。在一些情况下，希望使用发动机和马达发电机两者来驱动车辆，而在其他情况下，可以停用发动机或马达发电机，使得车辆仅依靠一个而不是两个机械动力源来运行。发动机和自动变速器与马达发电机的组合，以及中央差速器的提供，使得实现四轮驱动(4WD)成为可能。
图1A示出了使用并联混合动力系统100A的现有技术混合动力车辆的示例。并联混合动力系统100A包含电池102，电池102经由转换器104电联接到电动马达106。系统100还包括流体连接到发动机110的燃料储存器108，例如燃料箱。在本文所示的所有附图中，实线表示机械联接，而虚线表示电联接。电动马达106和发动机110都向连接到两者的变速器112提供机械功率，并且机械功率使差动齿轮114移动车轮116，从而驱动车辆。
图1B示出了使用串联混合动力系统100B的现有技术混合动力车辆的示例。发动机110现在与发电机118机械联接，发电机118与充电器120、转换器104和电动马达106电联接。转换器104与电池102电联接。发电机108、充电器120、转换器104和电动马达106的组件可称为马达-发电机，其不仅提供机械功率来驱动车辆而且在必要时提供电功率来为电池102充电。
图2示出了现有技术的混合动力车辆系统200的示例，该混合动力车辆系统200包括电池或电池组102、发动机110(为简单起见，燃料储存器108在该图中被省略)、两个马达-发电机202、204和两个离合器206、208，以便控制如何利用机械功率和电功率。例如，当离合器208脱离以使发动机110与系统200的其余部分断开时，系统200变成不需要使用燃料动力发动机110的全电动车辆。例如，当马达-发电机204脱离时，发动机110和马达-发电机202可以向差动齿轮114提供机械功率，从而模拟并联混合动力系统。例如，当离合器206脱离时，来自发动机110的机械功率可用于为马达-发电机204提供动力，而另一马达-发电机202将机械功率提供给差动齿轮114，从而模拟串联混合动力系统。
然而，系统200需要包括在发动机110与差动齿轮114之间线性延伸的驱动轴的传动系统。这样，出于安全原因，车辆的底盘车架210不允许电池102被包括在靠近发动机110的底盘车架210之间。因此，在如图所示的系统200中，电池102需要设置在底盘车架210的外部，这与位于底盘车架210内相比具有更小的空间。此外，系统200不是4WD，因为只有一个车轮对116A从发动机110或马达-发电机202、202接收动力。因此，另一车轮对116B没有与其联接的发动机或马达，这样，系统200无法提供与4WD一样多的动力。鉴于上述情况，需要一种更紧凑和更有效的混合动力系统，其允许重新组织底盘车架内的部件，从而为待布置的电池102提供更多空间，同时提供4WD系统的益处。
政府支持条款
本发明是在由能源部授予的授予编号DE-AC02-06CH11357下利用政府支持做出的。政府在本发明中具有特定权利。
发明内容
本公开的各种实施方式涉及用于混合动力总成的方法和系统。该混合动力总成系统包括被配置成向第一车轮对提供机械功率的一体式车桥，所述一体式车桥包括第一马达-发电机和第一驱动车桥，使得所述第一马达-发电机和所述第一驱动车桥的至少一部分机械联接到公共壳体。所述系统还包括第二马达-发电机，所述第二马达-发电机被配置成经由第一离合器机械联接到发动机并且经由第二离合器机械联接到第二驱动车桥，所述第二驱动车桥机械联接到第二车轮对。控制器也与所述第一马达-发电机和所述第二马达-发电机、所述发动机以及所述第一离合器和所述第二离合器电联接，所述控制器被配置成使能全电动模式、串联混合动力模式、并联混合动力模式和再生操作模式。
在一些示例中，所述系统还包括与所述控制器电联接的多个传感器、用户接口和全球定位系统(GPS)。所述控制器可以包括模式确定模块，所述模式确定模块被配置成基于从所述多个传感器、所述用户接口和所述GPS获得的输入数据来确定要激活所述模式中的哪个模式。
在一些示例中，所述控制器可以从所述传感器、所述用户接口和所述GPS获得所述输入数据；确定要操作所述混合动力系统的模式；响应于所述确定而接合或脱离所述第一离合器或所述第二离合器中的至少一者；以及响应于所述确定而激活或停用所述第一马达-发电机、所述第二马达-发电机或所述发动机中的至少一者。在一些示例中，控制器还被配置成使能高级全电动模式、高级并联混合动力模式和高级再生模式，所述高级全电动模式提供比所述全电动模式更大的驱动功率，所述高级并联混合动力模式提供比所述并联混合动力模式更大的驱动功率，所述高级再生模式提供比所述再生模式更大的制动功率。
在一些示例中，所述混合动力系统在无变速器混合动力车辆中实现，其中，所述发动机被配置成当所述混合动力车辆在预定的每分钟转数(RPM)阈值范围内操作时向所述第二驱动车桥提供机械功率。在一些示例中，所述系统中可以包括与第二一体式车桥机械联接的第三车轮对。一些示例可以包括所述系统中的第四车轮对。在一些示例中，所述第二一体式车桥包括与第三驱动车桥联接的第三马达-发电机。在一些示例中，所述再生操作模式使得能够在所述第一驱动车桥、所述第二驱动车桥和所述第三驱动车桥上进行再生制动。在一些示例中，所述发动机是内燃发动机(ICE)，使得所述ICE和所述第二马达-发电机形成机械联接到所述公共壳体的一体式ICE。
在一些示例中，所述系统包括：连接所述第一车轮对和所述第二车轮对的底盘，所述底盘包括两个侧车架梁，各个侧车架梁将所述第一车轮对与第二车轮对连接；以及电池，所述电池设置在所述两个侧车架梁之间的空间中并且与所述第一马达-发电机和所述第二马达-发电机电联接。在一些示例中，所述再生操作模式使得能够在所述第一驱动车桥和所述第二驱动车桥两者上进行再生制动。
本文还公开了用于混合动力车辆动力总成系统的控制器，所述控制器包括：接收器，所述接收器被配置成从传感器、用户接口或全球定位系统(GPS)中的一者或更多者接收数据信号；模式确定模块，所述模式确定模块被配置成基于接收到的数据信号确定是否使能全电动模式、串联混合动力模式、并联混合动力模式或再生操作模式；以及发送器，所述发送器被配置成基于所述确定来发送控制信号。所述控制信号被发送至一体式车桥，所述一体式车桥被配置成向第一车轮对提供机械功率，所述一体式车桥包括第一马达-发电机和第一驱动车桥，使得所述第一马达-发电机和所述第一驱动车桥的至少一部分机械联接到公共壳体。所述控制信号还被发送至发动机、第一离合器、第二离合器和第二马达-发电机，所述第二马达-发电机被配置成经由所述第一离合器与所述发动机机械联接并且经由所述第二离合器与第二驱动车桥机械联接，所述第二驱动车桥与第二车轮对机械联接。
在一些示例中，所述控制信号可以响应于所述确定而接合或脱离所述第一离合器或所述第二离合器中的至少一者，以及响应于所述确定而激活或停用所述第一马达-发电机、所述第二马达-发电机或所述发动机中的至少一者。在一些示例中，所述模式确定模块还被配置成确定是否使能高级全电动模式、高级并联混合动力模式或高级再生模式，所述高级全电动模式提供比所述全电动模式更大的驱动功率，所述高级并联混合动力模式提供比所述并联混合动力模式更大的驱动功率，所述高级再生模式提供比所述再生模式更大的制动功率。
此外，本文公开了为混合动力车辆的动力总成系统提供动力的方法，所述方法包括以下步骤：由接收器从传感器、用户接口或全球定位系统(GPS)中的一者或更多者接收数据信号；由模式确定模块基于接收到的数据信号确定是否使能以下模式之一：全电动模式、串联混合动力模式、并联混合动力模式或再生操作模式；以及由发送器基于所确定的模式将控制信号发送至一体式车桥、发动机、第一离合器、第二离合器或第二马达-发电机中的至少一者。根据该方法，一体式车桥可以向第一车轮对提供机械功率，所述一体式车桥包括第一马达-发电机和第一驱动车桥，使得所述第一马达-发电机和所述第一驱动车桥的至少一部分机械联接到公共壳体，并且所述第二马达-发电机可以经由所述第一离合器与所述发动机机械联接并且经由所述第二离合器与第二驱动车桥机械联接，所述第二驱动车桥与第二车轮对机械联接。
在一些示例中，发送控制信号的步骤包括响应于所述确定而接合或脱离所述第一离合器或所述第二离合器中的至少一者，以及响应于所述确定而激活或停用所述第一马达-发电机、所述第二马达-发电机或所述发动机中的至少一者。在一些示例中，所述方法还包括以下步骤：由所述模式确定模块基于接收到的数据信号确定是否使能高级全电动模式、高级并联混合动力模式或高级再生模式，所述高级全电动模式提供比所述全电动模式更大的驱动功率，所述高级并联混合动力模式提供比所述并联混合动力模式更大的驱动功率，所述高级再生模式提供比所述再生模式更大的制动功率。
虽然公开了多个实施方式，但对于本领域的技术人员来说，根据以下详细描述，本公开的其他实施方式将变得明显，该描述示出并描述了本公开的例示性实施方式。因此，附图和详细描述应被看作是例示性的，而不是限制性的。
附图说明
通过参考结合附图对本公开的实施方式的以下描述，将更好地理解本公开本身，并且本公开的上述特征以及其他特征和优点以及实现这些特征和优点的方式将变得更加明显，在附图中：
图1A是本领域已知的并联混合动力车辆系统的示意图。
图1B是本领域已知的串联混合动力车辆系统的示意图。
图2是本领域已知的多模式可调混合动力车辆系统的示意图。
图3A是根据一些实施方式的多模式混合动力车辆系统的示意图。
图3B是根据一些实施方式的一体式车桥的示意图。
图4是在操作上与系统的其他部件联接的控制器的示意图。
图5是例示操作控制器的方法的流程图。
图6是根据一些实施方式的6×6传动系统混合动力系统的示意图。
图7是根据一些实施方式的8×6传动系统混合动力系统的示意图。
图8是根据一些实施方式的8×4传动系统混合动力系统的示意图。
图9是根据一些实施方式的一体式内燃发动机中的部件的示意图。
相应的附图标记指示贯穿若干视图的相应部分。本文中列出的示例例示了本公开的示例性实施方式，并且这些示例不应解释为以任何方式限制本公开的范围。虽然已在附图中以示例的方式示出并在下文详细描述了具体实施方式，但可对本公开作出各种修改和另选形式。然而，目的不是要将本公开限制在所描述的特定实施方式。相反，本公开的目的是涵盖落入所附权利要求书限定的本公开范围内的所有修改、等同例和另选例。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考了构成本文一部分的附图，在附图中以说明的方式示出了实践本公开的具体实施方式。足够详细地描述这些实施方式，以使本领域的技术人员能够实践本公开，而且应该理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施方式，并且可以进行结构上的改变。因此，下面的详细描述不应具有限制性意义，并且本公开的范围由所附的权利要求书及其等同物来限定。
本说明书中提到的“一个实施方式”、“实施方式”或类似的语言是指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施方式中。本说明书中出现的短语“在一个实施方式中”、“在实施方式中”以及类似的语言可以但不一定都是指同一个实施方式。类似地，术语“实现方式”的使用是指具有结合本公开的一个或更多个实施方式描述的特定特征、结构或特性的实现方式，然而，如果没有表示出其他方式的明确关联，一个实现方式可以与一个或更多个实施方式相关联。此外，本文所描述的主题的特征、结构或特性可以在一个或更多个实施方式中以任何合适的方式组合。
为了促进对本公开的原理的理解，现在参考图中示出的实施方式，下文将描述这些实施方式。本文中公开的示例性实施方式并不意图详尽无遗，也不意图将本公开限制在下文详细描述中公开的精确形式。相反，选择并描述这些示例性的实施方式是为了本领域的其他技术人员可以利用其教导。
术语“联接”、“被联接”及其变体用于包括其中两个或更多个部件直接物理接触的布置以及其中两个或更多个部件相互不直接接触(例如，部件经由至少第三部件“联接”)但仍然相互协作或相互作用的布置。此外，术语“联接”、“被联接”及其变体是指本领域内已知的用于机器部件的任何连接，包括但不限于用螺栓、螺钉、螺纹、磁体、电磁体、粘合剂、摩擦夹紧装置、焊接、卡扣、夹具等的连接。
如本文所使用的，术语“控制器”、“系统”、“接口”等旨在指代计算机相关实体，可以是硬件、软件(例如，在执行中)和/或固件。例如，控制器可以是在处理器上运行的进程、处理器本身、程序和/或计算机。作为说明，在服务器上运行的应用和服务器都可以是控制器。一个或更多个控制器可以存在于处理器内并且控制器可以位于一台计算机上和/或分布在两台或更多台计算机之间。
在本公开和权利要求书中，在提及各种部件或特征时，使用序数词，如第一和第二。这种用法不是为了表示部件或特征的排序。相反，序数词是用来帮助读者识别被提及的部件或特征，不应狭义地解释为提供部件或特征的具体顺序。
图3A示出了如本文所公开的多模式混合动力车辆系统300的示例。系统300包括底盘车架210，其包括所有其中的部件。这些部件包括一体式车桥302、驱动车桥304、发动机110、电池102、马达-发电机204以及两个离合器206和208。电池102或一些实施方式中的电池组与马达-发电机204以及一体式车桥302电联接，而发动机110经由离合器208与马达-发电机204机械联接。马达-发电机204又经由离合器206与驱动车桥304机械联接。马达-发电机204是经由逆变器(未示出)与电池102连接的交流(AC)马达。如本文进一步解释的，马达-发电机204由控制器(未示出)控制。底盘车架210包括在两个车轮对116A与116B之间延伸的两个侧车架梁210A和210B，这两个侧车架梁210A和210B将电池102夹在其间。这样，电池102被设置或定位在两个侧车架梁210A和210B之间限定的空间内，而不是如图2的现有技术系统200中所示的位于该空间之外。
如本文所公开的，“一体式车桥”是一种固定到车轮以旋转车轮的电动车桥驱动器。一体式车桥组合了电动马达-发电机、诸如逆变器之类的电力电子设备以及(在一些示例中)冷却回路的功能，以降低成本并提高单个部件的效率。一体式车桥既不直接也不间接与任何燃烧式发动机联接，因此仅使用其中包含的马达-发电机为与其联接的驱动车桥提供机械功率。
在一些示例中，一体式车桥的马达-发电机可以安装在驱动车桥上。在一些实施方式中，一体式车桥被配置成减少可能引起效率损失的接口和部件。此类部件的示例包括将部件连接在一起的电线和铜缆、插头、用于旋转的部件的轴承以及用于电动马达和电力电子设备的独立冷却回路。一体式车桥也比单独安装电动马达、电力电子设备和冷却回路更紧凑，从而节省了车辆底盘车架内的安装空间并允许其中有更多空间。每个一体式车桥的配置独立于系统中的其他一体式车桥。在一些示例中，一体式车桥还可以包括两速或三速齿轮箱。
如图3A的实施方式所示，一体式车桥302与第一车轮对116A机械联接，驱动车桥304与第二车轮对116B机械联接。尽管未示出，但是控制器与一体式车桥302、马达-发电机204以及离合器206和208电联接。基于接收到的输入，控制器开启(激活或接合)或关闭(停用或脱离)这些部件中的一个或更多个以实现本文所示的不同模式。
图3B示出了一体式车桥302的一些部件。例如，一体式车桥302包括马达-发电机306、驱动车桥308以及与车轮116A机械联接的两个机械连接件310A和310B。视情况，诸如上述逆变器和/或冷却回路之类的其他部件可以包括在一体式车桥302中。一体式车桥302的部件(例如，电动马达-发电机306和驱动车桥308的至少一部分等)可以机械配合到、联接到、固定到或实现在公共壳体内。壳体可以是任何合适的结构，其支持部件的定位，以及提供对部件的保护，以及本文进一步公开的其他目的。
如下表1所示，所述模式包括全电动车辆模式(EV)、高级EV模式(EV+)、串联模式、并联模式、高级并联模式(并联+)、再生制动模式(Regen)、高级再生制动模式(Regen+)。普通模式和高级模式的区别在于，高级模式使得两台马达-发电机都能被激活以辅助车辆行驶，而不是普通模式下的仅一台马达-发电机。
模式 MG 306 MG 204 发动机 离合器206 离合器208
EV ON OFF OFF OFF ON
EV+ ON ON OFF ON OFF
串联 ON ON ON OFF ON
并联 ON OFF ON ON ON
并联+ ON ON ON ON ON
Regen ON OFF OFF OFF ON
Regen+ ON ON OFF ON OFF
表1：通过激活/停用混合动力系统的部件实现的不同模式。
根据表1，当马达-发电机(MG)306和离合器208被激活时应用EV模式。因为离合器206断开，并且马达-发电机204和发动机110都关闭，所以离合器208的状态(无论是打开还是关闭)对车辆的性能没有影响。因此，代替施加外部能量来保持离合器208断开(停用)，离合器208可以保持在其闭合(激活)的自由状态。EV+模式还通过接合离合器206和马达-发电机204来进一步实现另一马达-发电机204以辅助马达-发电机306的功能。也就是说，马达-发电机204在马达-发电机306操作时向车辆提供附加的动力。
在串联模式中，除了离合器206之外都接合，使得发动机110向马达-发电机204提供机械功率，马达-发电机204将机械功率转换为电功率以给电池102充电，因为离合器206脱离从而防止马达-发电机204向驱动车桥304提供机械功率。马达-发电机306使用电池102来获得电功率并向一体式车桥302提供机械功率。
在并联模式下，除了马达-发电机204之外都被激活，使得马达-发电机306和发动机110提供机械功率来驱动车辆。具体地，马达-发电机306激活一体式车桥302以使车轮116A移动，并且发动机110激活驱动车桥304以使车轮116B移动。在并联+模式中，马达-发电机204也被激活(因此激活上面列出的所有部件)，导致发动机110向马达-发电机204提供机械功率。马达-发电机306和204分别向驱动车桥308和304提供机械功率。
在Regen模式中，唯一激活的部件是马达-发电机306以在车辆减速期间实现再生制动，其中来自车轮116A的机械功率被马达-发电机306转换为电功率以为电池102供电。在Regen+模式下，离合器206接合，离合器208脱离，并且除了马达-发电机306外还激活马达-发电机204，因此两个马达-发电机都用于将机械功率转换为电功率以为电池102供电。Regen+模式能够转换更多的机械功率，从而提供比普通Regen模式更大的再生能力。
如图所示，本文公开的实施方式利用串联、并联和EV模式有效地消除了变速器，同时满足爬坡性和加速性的性能要求。此外，为了使所有部件彼此同步，使用例如可包括至少一个微处理器、RAM、ROM和I/O接口的控制器。
此外，即使变速器已从系统300中消除，发动机110仍然能够向驱动车桥304提供机械功率。通常，变速器通过不同的传动比换档以提供操作车辆所需的充足的功率量，例如当车辆以较高速度移动时使用具有较高传动比的挡位同时保持发动机的每分钟转数(RPM)相对较低。在所公开的实施方式中，马达-发电机204被配置成当车辆以低于预定阈值RPM值(例如，1000rpm或任何其他合适的RPM)或低于预定速度(例如，40mph或任何其他合适的速度)操作时向驱动车桥304提供机械功率。然而，当车辆在该阈值RPM之上操作时，离合器206和208接合并且发动机110被激活以代替马达-发电机204向驱动车桥304提供机械功率。因为发动机110由于缺少变速器而不能换档，所以发动机110提供特定RPM范围内的机械功率。例如，如果较低阈值是1000rpm，则RPM范围的较高阈值可以是2000rpm，或任何其他合适的RPM；当车辆超过较高阈值时，马达-发电机204可协助提供所需的剩余机械功率。在一些示例中，使用附加信息来确定发动机110是否可以向驱动车桥304提供机械功率，例如车辆在高速公路上行进的指示或者指示车辆以恒定高速行进的任何环境。该指示可以基于前瞻数据(例如，包括但不限于GPS或车辆行程时间表数据)或驾驶员输入(包括但不限于来自驾驶员的启用车辆的巡航控制的输入)。
图4示出了根据一些实施方式的、控制器400如何用于控制系统300的操作的示例。控制器400例如与多个传感器402、用户接口404和全球定位系统(GPS)406电联接，并经由接收器(未示出)接收数据信号。如本文所解释的，其他电子元件也可以与控制器400联接。此外，控制器400与发动机110、马达发电机306和204以及离合器206、208电联接。控制器400经由发送器(未示出)输出控制信号以便控制上述部件中的一个或更多个的功能。电联接允许将输入信号发送到控制器400并且允许从控制器400发送输出信号。控制器400包括模式确定模块408，其接收来自传感器402、用户接口404和GPS 406的输入信号并且确定车辆需要处于哪种模式并且在适当时执行模式改变。
控制器400可包括硬件、固件和/或软件的任何合适组合以输入多个系统信号并输出多个控制信号来影响车辆的期望操作。信号可以从传感器402和/或致动器(未示出)从CAN总线架构输入到控制器400中，如本领域已知的那样。
例如，传感器402可以是测量车辆当前行进多快或其加速度的车辆速度传感器或加速度计。例如，用户接口404可以是能够由用户激活的车辆的制动踏板或加速器踏板，或者是能够经由按钮或触摸屏接收用户输入的车辆中的显示器。GPS 406可以在车辆本身中实现(例如，作为车辆导航系统的一部分)或安装在用户的移动装置上。用户可以是驾驶员或车辆中的任何其他乘员。
模式确定模块408使用集总地收集的输入来做出关于车辆的下一操作模式的决策。图5例示了方法500的示例，其具有由控制器的模式确定模块使用的步骤。在一些示例中，模式确定模块获得来自传感器、用户接口和GPS的数据输入；502。该模块然后使用获得的数据输入来确定操作模式；504。操作模式可以从EV、EV+、串联、并联、并联+、Regen和Regen+中选择，如表1所示。然后，该模块根据需要接合或脱离离合器；506。此后，该模块激活或停用发动机和马达-发电机中的一者或更多者以在所确定的模式下操作；508。
例如，模块408可以基于用户对车辆的功率需求或GPS输入来确定EV或EV+模式是优选的。功率需求可以从加速器踏板的位置获得(即，驾驶员踩下踏板以指示需要更多功率以进一步加速车辆)。GPS输入可以指示车辆是否正在接近要求车辆低排放或零排放的区域，例如“低排放区”、“超低排放区”或“零排放区”。基于GPS的地理围栏可用作将混合动力车辆切换到零排放行驶循环的机制，这意味着车辆只能在EV或EV+模式下行驶以减少排放。
在某些条件下可以选择串联模式，例如电池102具有低电压或荷电状态。如果电池102由于充电不足或任何其他原因(例如电池故障)而具有低电压，则马达-发电机204或206提供的功率量将减少，因此需要使用发动机110作为车辆机械功率的主要来源。在这种情况下，传感器402可以是与电池或电池组102联接以测量可以提供多少电功率的电压传感器。
当为了使车辆加速而对功率的需求增加时，可以选择并联或并联+模式。此外，当车辆的速度大于阈值时，例如当车辆在车流较少的高速公路上行驶时，可以选择并联或并联+模式。例如，驾驶员可以踩下加速器踏板以增加加速度。例如，可以使用速度计、加速度计和倾斜计来预测是否需要功率量。速度计确定当前速度，加速度计确定当前加速度，倾斜计确定车辆正行驶于的道路的当前坡度。如果车辆高速行驶、需要高加速度和/或在具有较大倾斜度的正斜坡上行驶，则功率需求增加。在一些示例中，这些传感器可以由GPS代替，因为GPS位置可以在一段时间内跟踪车辆的位置以计算其速度和加速度，以及确定周围区域的地形或道路状况以确定道路上的任何倾斜度。
Regen或Regen+模式可以经由用户输入来选择，例如当驾驶员踩下制动踏板时。所需的减速度的量取决于踩下踏板的力度，因此当需要缓慢减速时，将激活普通Regen模式，但当需要车辆立即停止时，可以激活Regen+模式。减速度需求可以使用传感器(例如前面提到的速度计)间接测量。选择Regen+模式时，可以考虑其他因素，例如电池SOC、部件温度、路况和/或驾驶性能偏好。
使用如本文所公开的多模式混合动力车辆系统的优点包括能够在消除对与发动机联接的变速器(也就是齿轮箱)的需要的同时使用多种模式。通常，变速器使发动机(可以是内燃发动机(ICE))的输出适应驱动轮。
此外，本文公开的多模式混合动力车辆系统还允许从两个一体式车桥而不是仅从一个车桥回收能量。具体地，在如上所述的Regen+模式中，可以激活两个马达-发电机以提供再生制动，这提供了比仅一个马达-发电机提供再生制动时更大的功率再生。因此，在Regen+模式下，可以使用4WD车辆的前驱动车桥和后驱动车桥两者来实现再生制动。
其他优势在于提高了并联+模式的灵活性，其中所有部件(两个马达-发电机、两个离合器和发动机)都被激活或接合以增加系统提供的功率量。由于牵引功率在两个一体式车桥之间共享，因此整体性能优于只有一个马达-发电机或仅发动机提供机械功率来驱动车辆的情况。
还发现目前公开的实施方式的架构不仅允许更好的再生潜力，而且由于缺少用于安装在底盘车架中的发动机的变速器而允许一体式车桥和电池安装在底盘车架之间。此外，众所周知，串联混合动力系统(例如，如图1B所示)比并联混合动力系统(例如，如图1A所示)具有更好的再生潜力、改进的燃料经济性，并且在某些应用中具有更大的EV续航里程。另一方面，并联混合动力更适合长途运输类型的应用。所公开的架构(即，例如，如图3所示的多模式混合动力系统300)提供串联和并联混合动力系统两者的优点，具有改进的再生潜力。与已知的串联混合动力系统架构相比，本文公开的多模式混合动力系统还允许更小的部件尺寸，并且它实现了可以扩展到具有多于四个车轮的车辆的模块化设计。
图6至图8例示了多模式混合动力系统的实施方式，其中车辆中有多于四个车轮。具体地，图6示出了六轮多模式混合动力系统600，其中第一车轮对116A与第一一体式车桥302机械联接，第二车轮对116B与第二一体式车桥603机械联接。附加的第三车轮对116C与驱动车桥604机械联接，驱动车桥604又与一体式内燃发动机(ICE)602联接。
一体式ICE可以是多模式发动机，其包括ICE和电动马达以及两个离合器，这两个离合器被定位成使得例如一个离合器将ICE与电动马达-发电机机械联接，另一离合器联接电动马达-发电机和驱动车桥。在一些示例中，马达-发电机可以安装到发动机。图9例示了该示例，其中一体式ICE 602具有ICE 900、两个离合器902和904以及马达-发电机906。对于EV模式，离合器902是脱离的。在EV+模式中，离合器902接合且904脱离，并且马达-发电机906以及两个一体式车桥302和603为车轮116提供动力，同时ICE 900停用。当ICE 900和马达-发电机906通过离合器904联接并通过脱离离合器902而与车轮116C脱离时，系统提供串联模式。当离合器902和904都接合时，系统提供并联模式。类似于图3B的一体式车桥302，一体式ICE 602的部件(例如，ICE 900、离合器902和904以及马达-发电机906等)可以机械配合到、联接到或实现在公共壳体内。壳体可以是任何合适的结构，其支持部件的定位，以及提供部件的保护，以及本文进一步公开的其他目的。
如图6所示，在一些实施方式中，一体式ICE 602与一个车轮对116C的驱动车桥604机械联接，而其余车轮对116A和116B各自按先前关于图3A公开的方式具有与其连接的一体式车桥302或603。应该理解，图3A的部件可实现到图6的实施方式中，使得所有车轮116A、116B和116C都连接到动力源以使车桥能够在需要时接收尽可能多的功率，形成6×6传动系统(六个车轮是六轮驱动的，本质上是全轮驱动)。
图7例示了八轮多模式混合动力系统700，其中第四车轮对116D如图所示插入在车轮对116A与116C之间，其中插入的车轮对116D包括与其联接的一体式车桥603，并且车轮对116B不与任何发动机或马达联接，因此车轮对116B不直接接收机械功率，从而形成8×6传动系统(八个车轮是六轮驱动的)。基于应用和车辆需要，四个车桥中的任意三个可以采用机械方式提供动力。
图8例示了八轮多模式混合动力系统800，其中四个车轮对中的两个车轮对不直接与任何发动机或马达联接。因此，只有车轮116A和116C本质上从发动机(例如一体式ICE602)或马达(例如马达-发电机，未示出)接收机械功率，形成8×4传动系统(八个车轮是四轮驱动的)。基于应用和车辆需要，四个车桥中的任意两个可以采用机械方式提供动力。
为清楚起见，车轮116可基于它们在底盘车架210上的位置单独定义。例如，在图6中，车轮组116A和116B可以被定义为“外侧车轮”，因为它们位于底盘210的最外侧部分，而其余的车轮116C被定义为“内侧车轮”，因为它们位于外侧车轮116A与116B之间，并且接近底盘210之间的、放置往往比一体式车桥302或603占据更多空间的附加部件(例如电池102和一体式ICE 602)的内部空间606。相比之下，在图7中，附加车轮116D可以被认为是外侧车轮，因为它们不接近内部空间。在这方面，车轮116C由于可接近位于内部空间606内的部件而始终被定义为内部车轮。
在本文公开的一些实施方式中，存在各种部件机械配合到、联接到或固定到的壳体(例如，如前所述的图3B中的一体式车桥302的公共壳体和图9中的一体式ICE 602的公共壳体)。壳体可以提供物理保护和部件加固结构，其被设计成提供针对道路危险、水、爆炸的保护(例如，用于军事应用)。壳体也可以作为系统的结构件，从而最大限度地减少马达、发电机、离合器系统上的应力，这些应力可能来自车辆动力学、车架和车身扭曲或弯曲等。此外，壳体还可以延长马达、发电机和离合器部件的寿命和耐用性。
壳体可设计成允许部件(例如离合器部件和电动马达-发电机)相对于彼此径向和轴向对齐，以便于组装和长期可靠性，并且还可以包括用于发动机和传动轴或其他动力传输装置的物理安装接口。
在一个实施方式中，壳体可以是模块化设计，由此壳体可以不必是整体式设计(即，容纳动力总成的所有或基本上所有的不同部件)。壳体可能包括不同的部分——其中一个部分可以容纳或以其他方式包含动力总成的一个或更多个部件(并且可以不考虑这些部件中的任何部件是否配备了其自己的单独壳体结构)。这些部分可能覆盖并保护一个或更多个这样的动力总成部件。此外，这些部分中的各个部分可以彼此机械联接(例如，通过螺栓、螺钉、焊接等)。另选地，每个部分可以机械联接到车辆本身，并且这些部分放置成使得每个部分为动力总成的一个或更多个部件提供保护。
此外，在本申请的一些实施方式中，可能希望壳体作为这样一种结构：其可以为马达和发电机以及需要低阻抗接地路径的其他电子设备提供高完整性的公共电气接地并且为其他部件提供公共接地。为了提供可能的电磁兼容性(EMC)，壳体可以使用任何合适的材料来衰减电场和磁场辐射发射。此外，布线到壳体结构的电力和控制电缆可以包括有效接地的总电缆屏蔽层以最小化来自辐射发射的干扰。
此外，壳体可以用作系统的结构件，以最大限度地减少马达-发电机、离合器系统上的应力，这些应力可能来自车辆动力学、车架和车身扭曲或弯曲等。有了坚固的壳体，这样的设计往往可以延长马达、发电机和离合器部件的寿命和耐用性和/或允许使用可能不需要经由它们自己的设计而被设计成承受所有车辆扭转和动态的较轻负荷部件。此外，壳体可以设计成防水的以用于水陆两栖应用或允许使用成本较低的非环境性部件。
尽管已经将实施方式描述为具有示例性设计，但是可以在本公开的精神和范围内进一步修改当前的实施方式。因此，本申请旨在涵盖使用其一般原理的公开内容的任何变化、使用或改编。此外，本申请旨在涵盖落入本公开所属领域的已知或习惯实践内并且落入所附权利要求的限制内的与本公开的偏离。
此外，本文包含的各个附图中所示的连接线旨在表示各个要素之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意，在实际系统中可能存在许多另选的或附加的功能关系或物理连接。然而，益处、优势、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优势或解决方案发生或变得更加明显的任何要素不应被解释为关键、必需或必要的特征或要素。因此，范围仅受所附权利要求的限制，其中除非明确如此说明，否则对单数要素的引用并不意在表示“一个且仅一个”，而是“一个或更多个”。
此外，在权利要求中使用类似于“A、B或C中的至少一个”的短语的情况下，意图将该短语解释为意味着在实施方式中可以单独存在A，在实施方式中可以单独存在B，在实施方式中可以单独存在C，或者在单个实施方式中可以存在要素A、B或C的任意组合；例如，A和B、A和C、B和C，或A和B和C。
本文提供了系统、方法和设备。在本文的详细描述中，对“一个实施方式”、“实施方式”、“示例实施方式”等的引用表示所描述的实施方式可以包括特定特征、结构或特性，但每个实施方式可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指代相同的实施方式。此外，当结合一实施方式描述特定特征、结构或特性时，认为无论是否明确描述，利用本公开的益处结合其他实施方式来实现此类特征、结构或特性都在本领域技术人员的知识范围内。在阅读说明书之后，相关领域的技术人员将清楚如何在另选实施方式中实现本公开。
此外，本公开中的要素、部件或方法步骤均不旨在献给公众，而不管该要素、部件或方法步骤是否在权利要求中明确记载。本文的任何权利要求要素均不得根据35U.S.C.§112(f)的规定进行解释，除非该要素使用“用于…的手段”这一短语来明确地叙述。如本文所用，用语“包括”、“包含”或其任何其他变体旨在涵盖非排他性包含，因此包含一系列要素的处理、方法、物品或设备不仅包括那些要素，而是可能包括其他未明确列出或此类处理、方法、物品或设备固有的要素。

Claims (18)

1.一种混合动力总成系统，所述混合动力总成系统包括：
一体式车桥，所述一体式车桥被配置成向第一车轮对提供机械功率，所述一体式车桥包括第一马达-发电机和第一驱动车桥，使得所述第一马达-发电机和所述第一驱动车桥的至少一部分机械联接到公共壳体；
第二马达-发电机，所述第二马达-发电机被配置成经由第一离合器与发动机机械联接并且经由第二离合器与第二驱动车桥机械联接，所述第二驱动车桥与第二车轮对机械联接；以及
控制器，所述控制器与所述第一马达-发电机和所述第二马达-发电机、所述发动机以及所述第一离合器和所述第二离合器电联接，所述控制器被配置成使能全电动模式、串联混合动力模式、并联混合动力模式和再生操作模式。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，所述混合动力系统还包括：
与所述控制器电联接的多个传感器、用户接口和全球定位系统(GPS)，
其中，所述控制器包括模式确定模块，所述模式确定模块被配置成基于从所述多个传感器、所述用户接口和所述GPS获得的输入数据来确定要激活所述模式中的哪个模式。
3.根据权利要求2所述的混合动力系统，所述控制器被配置成：
从所述传感器、所述用户接口和所述GPS获得所述输入数据；
确定要操作所述混合动力系统的模式；
响应于所述确定而接合或脱离所述第一离合器或所述第二离合器中的至少一者；以及
响应于所述确定而激活或停用所述第一马达-发电机、所述第二马达-发电机或所述发动机中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述控制器还被配置成使能高级全电动模式、高级并联混合动力模式和高级再生模式，所述高级全电动模式提供比所述全电动模式更大的驱动功率，所述高级并联混合动力模式提供比所述并联混合动力模式更大的驱动功率，所述高级再生模式提供比所述再生模式更大的制动功率。
5.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述混合动力系统在无变速器混合动力车辆中实现，其中，所述发动机被配置成当所述混合动力车辆在预定的每分钟转数(RPM)阈值范围内操作时向所述第二驱动车桥提供机械功率。
6.根据权利要求5所述的混合动力系统，所述混合动力系统还包括与第二一体式车桥机械联接的第三车轮对。
7.根据权利要求6所述的混合动力系统，所述混合动力系统还包括第四车轮对。
8.根据权利要求6所述的混合动力系统，所述第二一体式车桥包括与第三驱动车桥联接的第三马达-发电机。
9.根据权利要求7所述的混合动力系统，其中，所述再生操作模式使得能够在所述第一驱动车桥、所述第二驱动车桥和所述第三驱动车桥上进行再生制动。
10.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述发动机是内燃发动机(ICE)，使得所述ICE和所述第二马达-发电机形成机械联接到所述公共壳体的一体式ICE。
11.根据权利要求1所述的混合动力系统，所述混合动力系统还包括：
底盘，所述底盘连接所述第一车轮对和所述第二车轮对，所述底盘包括两个侧车架梁，各个侧车架梁将所述第一车轮对与第二车轮对连接，以及
电池，所述电池设置在所述两个侧车架梁之间的空间中并且与所述第一马达-发电机和所述第二马达-发电机电联接。
12.根据权利要求1所述的混合动力系统，其中，所述再生操作模式使得能够在所述第一驱动车桥和所述第二驱动车桥两者上进行再生制动。
13.一种用于混合动力车辆动力总成系统的控制器，所述控制器包括：
接收器，所述接收器被配置成从传感器、用户接口或全球定位系统(GPS)中的一者或更多者接收数据信号；
模式确定模块，所述模式确定模块被配置成基于接收到的数据信号确定是否使能全电动模式、串联混合动力模式、并联混合动力模式或再生操作模式；以及
发送器，所述发送器被配置成基于所述确定将控制信号发送至：
一体式车桥，所述一体式车桥被配置成向第一车轮对提供机械功率，所述一体式车桥包括第一马达-发电机和第一驱动车桥，使得所述第一马达-发电机和所述第一驱动车桥的至少一部分机械联接到公共壳体；以及
发动机、第一离合器、第二离合器和第二马达-发电机，所述第二马达-发电机被配置成经由所述第一离合器与所述发动机机械联接并且经由所述第二离合器与第二驱动车桥机械联接，所述第二驱动车桥与第二车轮对机械联接。
14.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述控制信号被配置成：
响应于所述确定而接合或脱离所述第一离合器或所述第二离合器中的至少一者；以及
响应于所述确定而激活或停用所述第一马达-发电机、所述第二马达-发电机或所述发动机中的至少一者。
15.根据权利要求13所述的控制器，所述模式确定模块还被配置成确定是否使能高级全电动模式、高级并联混合动力模式或高级再生模式，所述高级全电动模式提供比所述全电动模式更大的驱动功率，所述高级并联混合动力模式提供比所述并联混合动力模式更大的驱动功率，所述高级再生模式提供比所述再生模式更大的制动功率。
16.一种为混合动力车辆的动力总成系统提供动力的方法，所述方法包括以下步骤：
由接收器从传感器、用户接口或全球定位系统(GPS)中的一者或更多者接收数据信号；
由模式确定模块基于接收到的数据信号确定是否使能以下模式之一：全电动模式、串联混合动力模式、并联混合动力模式或再生操作模式；以及
由发送器基于所确定的模式将控制信号发送至一体式车桥、发动机、第一离合器、第二离合器或第二马达-发电机中的至少一者，
所述一体式车桥被配置成向第一车轮对提供机械功率，所述一体式车桥包括第一马达-发电机和第一驱动车桥，使得所述第一马达-发电机和所述第一驱动车桥的至少一部分机械联接到公共壳体；并且
所述第二马达-发电机被配置成经由所述第一离合器与所述发动机机械联接并且经由所述第二离合器与第二驱动车桥机械联接，所述第二驱动车桥与第二车轮对机械联接。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，发送控制信号的步骤还包括：
响应于所述确定而接合或脱离所述第一离合器或所述第二离合器中的至少一者；以及
响应于所述确定而激活或停用所述第一马达-发电机、所述第二马达-发电机或所述发动机中的至少一者。
18.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
由所述模式确定模块基于接收到的数据信号确定是否使能高级全电动模式、高级并联混合动力模式或高级再生模式，所述高级全电动模式提供比所述全电动模式更大的驱动功率，所述高级并联混合动力模式提供比所述并联混合动力模式更大的驱动功率，所述高级再生模式提供比所述再生模式更大的制动功率。
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