TWI436914B - 控制傳動器及／或原動機的系統以及方法 - Google Patents

控制傳動器及／或原動機的系統以及方法 Download PDF

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TWI436914B TW097103926A TW97103926A TWI436914B TW I436914 B TWI436914 B TW I436914B TW 097103926 A TW097103926 A TW 097103926A TW 97103926 A TW97103926 A TW 97103926A TW I436914 B TWI436914 B TW I436914B
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Jeremy Carter
Brad P Pohl
Loren T Mcdaniel
Cyril Keilers
Tim Ruggles
David Rogers
Eric Diehl
Austin Orand
Alan M Delz
Paul A Parks
Mark E Bartholomew
Christopher M Vasiliotis
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Fallbrook Ip Co Llc
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Description

控制傳動器及/或原動機的系統以及方法
本發明是有關於一種機械動力傳動器(mechanical power transmission)，且特別是有關於一種用於控制連續性變速傳動器(continuously variable transmission)和電力驅動電動機(electric drive motor)的系統以及方法。
由於電池價格的下降以及技術和性能的改進，電力車(Electric vehicles)正在全世界獲得普遍應用。諸如高的燃料成本(fuel costs)以及內燃機排放(internal combustion engine emission)之類的因素使得電力車更吸引尋求成本效率的交換選擇(cost-effective commuting option)的消費者。然而，典型的電力車的性能及範圍經常不如有競爭力的汽油動力車(gasoline-powered vehicle)好。此外，製造商所規定的最大速度以及範圍值也經常是基於不能代表真實世界條件的理想的工作週期(duty cycle)而確定者。
需要能夠增加電力車的性能及範圍的技術，以使得電力車能夠和汽油動力車競爭，從而為全世界的消費者提供安靜、乾淨以及有效的運輸車輛(transportation)。例如，如下面將描述的本發明實施例，將連續性變速動力傳動系統(continuously variable drivetrain)(例如，採用連續性變速傳動器以及適當的控制策略)整合(integrate)到電力車中，以產生更多的優點。
在此所描述的系統以及方法具有多個特徵，但是任何一個單個的特徵都不能獨自地代表整個發明的貢獻。雖然本發明將以較佳實施例揭露本發明的特徵和優點，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
根據本發明的一個觀點，提供了一種驅動系統，此驅動系統包括耦接至連續性變速傳動器(continuously variable transmission, CVT)的原動機(prime mover)。驅動系統包括耦接至CVT的控制系統，其中此控制系統被配置為管理施加到原動機的動力(power)，以及其中控制器還被配置為調整CVT的傳動速率比(transmission speed ratio)。
根據本發明的另一觀點，提供了一種驅動系統，此驅動系統包括連續性變速傳動器(continuously variable transmission, CVT)以及控制耦接至CVT的控制系統。此控制系統包括耦接至CVT的機械致動器(mechanical actuator)、配置為與機械致動器進行電性通信的控制器(controller)(控制器被配置為控制該機械致動器)、配置為與控制器進行電性通信的資料顯示器(data display)以及耦接至控制器的多個感測器(sensor)。
根據本發明的另一觀點，提供了一種用於連續性變速傳動器(continuously variable transmission, CVT)的 控制系統(control system)。控制系統具有控制器，此控制器被配置為提供用於CVT的多個操作模式，此操作模式可以藉由CVT的使用者而被選擇。控制系統還包括致動器電動機(actuator motor)，此致動器電動機耦接至CVT以及與控制器進行電性通信。在本發明的一個實施例中，控制系統也包括驅動電動機(drive motor)，此驅動電動機耦接至CVT以及與控制器進行電性通信。在本發明的一個實施例中，控制系統包括致動器位置感測器(actuator position sensor)，此致動器位置感測器耦接至致動器電動機以及與控制器進行電性通信，其中此致動器位置感測器被配置為提供CVT的傳動速率比的指示。
根據本發明的一個觀點，提供了一種驅動系統，此驅動系統包括位於輪轂(wheel hub)中的連續性變速傳動器(continuously variable transmission, CVT)；驅動電動機(drive motor)，此驅動電動機耦接至CVT並被配置為提供動力給CVT；以及致動器電動機，此致動器電動機耦接至CVT並被配置為調整CVT的傳動速率比。
根據本發明的另一觀點，提供了一種用於具有連續性變速傳動器(continuously variable transmission, CVT)以及驅動電動機的動力傳動系統(drivetrain)的控制系統。此控制系統包括控制器，此控制器包括微控制器(microcontroller)、隨機存取記憶體(random access memory)以及快閃記憶體(flash memory)；動力控制模組(power control module)，配置為與動力源(power source)以及控制器進行電性通信，此動力控制模組用於調節電壓；以及通信介面(communication interface)，耦接至動力控制模組以及控制器，此通信介面被配置為連接至外部程式化硬體或資料獲取硬體(external programming or data acquisition hardware)。控制系統也可以包括主驅動模組(main drive module)以及致動器控制模組(actuator control module)，此主驅動模組被配置為與控制器進行通信，此主驅動模組還被配置為調變提供至驅動電動機的電力(electrical power)；以及此致動器控制模組被配置為與控制器進行通信，以及此致動器控制模組耦接至CVT。
根據本發明的一個觀點，提供了一種用於具有連續性變速傳動器(CVT)、致動器電動機以及驅動電動機的動力傳動系統用的控制系統。此控制系統包括傳動控制器模組(transmission controller module)，配置為與致動器電動機進行通信；驅動電動機控制器模組(drive motor controller module)，配置為與傳動控制器模組以及驅動電動機進行通信；以及節流位置感測器(throttle position sensor)，配置為與傳動控制器進行通信。控制系統還包括制動截止開關(brake cut-off switch)，配置為與驅動電動機控制器進行通信；車輪速度感測器(wheel speed sensor)，配置為與傳動控制器進行通信；以及致動器位置感測器，配置為與傳動控制器進行通信。
根據本發明的另一觀點，提供了一種控制具有連續性 變速傳動器(CVT)以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統(drivetrain of a vehicle)的方法。此方法包括感測車輛速度(vehicle speed)以及電池電壓；至少部分地基於已感測的車輛速度以及電池電壓，以決定CVT的最佳傳動速率比；以及至少部分地基於最佳傳動速率比，以命令(command)CVT的移位致動器(shift actuator)。
根據本發明的另一觀點，提供了一種控制器。此控制器包括控制器外殼(controller housing)，此控制器外殼具有內部空腔(interior cavity)；控制器電路板組件(controller board assembly)，耦接至控制器外殼以及被配置在內部空腔中。在本發明的一個實施例中，控制器電路板組件包括電動機控制器電路板(motor controller board)以及傳動控制器電路板(transmission controller board)，此傳動控制器電路板被配置為與電動機控制器電路板進行通信。
根據本發明的另一觀點，提供了一種控制器外殼，此控制器外殼包括主體(body)，此主體具有矩形內部空腔，以用於接收控制器電路板組件。在一個實施例中，此主體包括位於內部空腔上的多個突出部(protrusion)，此突出部被配置為附接(attach)至控制器電路板組件。此主體還包括裝瓶(potting)，此裝瓶形成於內部空腔中，以及此裝瓶被配置為實質上封閉(enclose)控制器電路板組件。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下。
下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明本發明，其中在整個說明書中，相同的數字表示相同的元件。在此所描述的系統以及方法具有多個特徵，但是任何一個單個的特徵都不能獨自地代表整個發明的貢獻。本發明所揭露的CVT/IVT實施例通常有關於美國專利第6,241,636、6,419,608、6,689,012、7,011,600號以及美國專利申請第11/243,484以及11/543,311號中的傳動器以及變速器，該些專利以及專利申請案所揭露之內容系完整結合於本說明書中。
電力車(electric vehicle, EV)的典型的動力傳動系統(powertrain)包括動力源(power source)(例如，電池)、電力驅動器(electric drive)(例如，驅動電動機(drive motor)以及驅動電動機控制器(drive motor controller))以及固定齒輪傳動裝置(fixed-gear transmission device)(例如，鏈輪(sprocket)、鏈條(chain)、齒輪(gearing)等等)。一般情況下，EV採用直接驅動配置(direct-drive configuration)，其中藉由固定的齒數比(gear ratio)(或者，固定的傳動速率比)，EV的操作速度與電子驅動電動機的速度直接相關。這是一個簡單的配置，以及不能實施可變的速率比，因此通常會損壞效率及/或性能(例如，限制EV的加速度以及最大速度)。
然而，藉由將連續性變速傳動器(CVT)整合到EV動力傳動系統中，能夠改進EV系統。當CVT被用於EV時，因 為在特定的操作速度以及負載條件下能夠最佳化動力傳動系統，所以能夠改進車輛性能。CVT也改進了EV的效率。電力電動機(electric motor)的效率是操作速度以及負載的函數，以及電池壽命是電流牽引(current draw)的函數。CVT以及適當的控制器使得動力傳動系統藉由管理已選擇的驅動電動機電流而以驅動電動機的速度來操作，從而能夠改進整個效率以及範圍。在本發明的一個實施例中，CVT包括NuVinci®CVT，此NuVinci®CVT屬於緊密的高扭矩密度單元(compact, high torque-density unit)，此單元採用基於球體(sphere)以及牽引(traction)的行星配置，以提供連續性可變的速率比控制。
例如，NuVinci® CVT以及適當的控制系統(諸如本發明所描述的實施例)能夠使得傳動速率比在速率比的整個範圍內進行平滑的無縫的移動。此外，因為沒有固定的齒數比，所以控制系統能夠精確地控制組件速度，使得其實質上以給定操作條件下的最佳速度來進行操作。在本發明的實施例中，控制邏輯也允許對於不同條件進行程式化，使得使用者(或者製造商)決定性能和範圍什麼時候是最終期望者。NuVinci® CVT的某些配置很容易封裝在EV上，並不會顯著影響EV的成本或者重量。
此外，使用者需要EV的不同的操作性能。一些使用者關注最大範圍，而其他的使用者卻更多關注性能因素(例如，車輛啟動(vehicle launch)、最大速度以及快速的登山能力(hill climbing at speed))。對於沒有經驗的使用者，則需要最大效率以及範圍，使用者也許操作這樣的EV，其提供較好的性能(例 如，EV具有較快的啟動及/或較高的最大速度)，但是由於高電流牽引以及以效率低的速度操作電力驅動電動機，所以最終使得最大範圍受到很大的影響。然而，如果結合用於最佳動力傳動系統操作的適當的控制系統，則CVT能夠允許EV以理想的模式操作，諸如性能模式(performance mode)或者效率模式(efficiency mode)。在性能模式中，範圍以及效率不如整個性能(outright performance)重要，以及傳動控制系統最佳化例如EV的加速度、最大速度以及快速登山能力。在效率模式中，範圍是最重要的，從而例如，控制系統使得驅動電動機保持其最有效的速度以及加強對電池的電流牽引的限制。
在本發明的一個實施例中，一種控制策略使用電動機效率對電動機速度及電動機扭矩的資料以及電池壽命對電流牽引的資料，以改進整個系統的性能以及效率。分析模型(Analysis model)指出，在EV中採用CVT可以獲得很多優點，以及藉由配置有CVT的EV與基準的普通車輛(benchmark stock vehicle)(固定的齒數比)進行比較的經驗測試(empirical test)，已經證實模型的結果。
EV的典型的工作週期是高度動態的(dynamic)，因為其涉及多個停止和開始、非均勻的形狀(uneven terrain)以及可變的風阻力(wind resistance)。藉由使得驅動電動機的操作更接近於給定的工作週期的寬的範圍上的峰值動力或者峰值效率，具有CVT的動力傳動系統能夠有利於以這些動態速度以及負載條件操作的EV。一般情況下，相較於耦接至固定的齒數比傳動器，耦接至CVT的推進源(propulsion source)能夠 生成更大的扭矩以及更大的速度。相較於固定的齒數比配置，CVT較低齒數比(CVT lower gear ratio)能夠允許更好的啟動感以及更好的登山能力，而CVT較高齒數比(CVT higher gear ratio)能夠允許較高的最大速度。此外，在某種環境下，因為CVT改變了驅動電動機所涉及的有效慣性，增加EV的加速度是可能的。
在本發明一個實施例中，CVT安裝在採用車輪內配置的娛樂型EV中，其中CVT的外殼也形成車輪的輪輻(spoke)以及輪輞(rim)。經由耦接至傳動器的鏈條以及鏈輪，驅動電動機被配置為傳送動力至傳動器。在另一實施例中，將CVT整合到車輛中的方法包括將CVT安裝在底盤(chassis)或者驅動電動機上，或者將車輪、CVT以及驅動電動機整合為一個單元。
請參看圖37，圖37繪示為公知的CVT的系統運動(system kinematics)的示意圖，其中r i 是輸入接頭(input contact)的接觸半徑(contact radius)以及r o 是輸出接頭(output contact)的接觸半徑。藉由球軸(ball axis)的傾斜角(tilt angle)可以決定傳動速率比，球軸的傾斜角可以改變r i 對r o 的比率，從而改變傳動速率比。從而，能夠在整個比率範圍內平滑地進行傳動。
兩個特性允許NuVinci® CVT在小包裝中提供連續的齒數比範圍操作。第一是基於球體的不同接觸半徑的驅動器的幾何配置。在兩個不同的位置接觸旋轉球體可以提供“齒數比”(即，傳動速率比)，基於輸入以及輸出速度的接觸點的位置， 此齒數比能夠在下傳動(underdrive)至超速傳動(overdrive)的範圍內變化。球體處於圓形陣列(circular array)中，此圓形陣列圍繞中心牽引組件(traction component)以及接觸輸入環(input ring)以及輸出環(out ring)。藉由傾斜球體的旋轉軸(rotational axis)(即，改變球體與輸入及輸出環之間的接觸半徑)，可以獲得連續地可變的傳動速率比。這種配置使得輸出以及輸出是同心的(concentric)而且緊密。從而，能夠在整個比率範圍內平滑地傳動該CVT。
NuVinci® CVT所展示的第二特性是牽引流體(traction fluid)。典型的牽引驅動器採用牽引流體，此牽引流體在一般的環境以及壓力下為驅動器提供潤滑(lubrication)。當牽引流體在高接觸壓力下時，則牽引流體進行相變(phase change)並變為牽引固體(tractive solid)。在牽引插線(patch)中，流體的分子堆積並形成固體，經過此固體，剪力(shear)以及扭矩能夠被傳送(transferred)。在本發明的一個實施例中，EV的CVT採用多個球體，以經由多個牽引插線來傳送扭矩。
在本發明的一個實施例中，驅動電動機以及傳動控制器被配置為最佳化EV的動力傳動系統組件。此硬體被配置為與EV的現有的電動機控制器協同工作的附加控制器(add-on controller)，或者被配置為分立的積體控制器。在附加配置的情況下，在本發明的一個實施例中，從速度感測器以及節流位置(在節流以及驅動電動機控制器之間的截取的位置)，能夠決定正確的CVT速率比。對於積體控制器，驅動電動機以及CVT的控制能夠被更緊密地結合，從而增加效率、簡化並減 少成本。控制系統能夠對驅動條件產生反應，以及被配置為使得驅動電動機保持在給定操作條件下的最佳範圍中。在此，術語“操作條件”指車輛的操作參數、環境狀態，和/或使用者選擇、命令或輸入。此外，控制系統能夠考慮充電的電池狀態以及工作週期效率，以有助於管理動力上的消耗。
在本發明的一個實施例中，NuVinci® CVT被安裝在EV中。在本發明的另一實施例中，CVT被整合到EV的後輪(rear wheel)中，以及經由移位致動器(shift actuator)以及電子控制系統(electronic control system)，CVT速率比被自動控制。
在本發明的一個實施例中，具有NuVinci® CVT的EV採用移位致動器以及適當的控制系統，以允許連續的以及最佳化的移位。EV被配置有電子控制器，此電子控制器監視系統操作參數(例如，電池電流、車輪速度、移位位置等等)，以在閉環控制(closed loop control)中控制CVT以及驅動電動機。儘管NuVinci® CVT在此被用作一個示例，本發明的實施例可以採用各種類型的CVT，包括皮帶-輪式(belt-pulley CVT)、鐲環CVT (toroidal CVT)、錐形為主的CVT (cone-based CVT)、Milner CVT、靜水力學CVT (hydrostatic CVT)等等
在本發明的實施例中，基於例如驅動電動機以及CVT效率映射表(map)，控制系統能夠最佳化該驅動電動機速度、電池電流以及傳動速率比。在本發明的一個實施例中，系統使得該驅動電動機的速度保持相對恒定和/或限制電池的最大電流牽引。
在本發明的一個實施例中，移位致動器(shift actuator) 被配置為使傳　動器的速率比移位。在本發明的實施例中，傳動控制系統能夠和電動機控制器整合在一起(每一車輛具有單個的控制單元)，或者能夠和EV中的驅動電動機控制器一起操作。該傳動控制器能夠被配置為讀取該驅動電動機的電流牽引、驅動電動機速度、車輪速度，和/或電池電壓，以決定一給定操作條件下的最好的CVT速率比。這使得驅動組件以該給定的操作條件下(包括考慮已選擇的操作模式)的最佳速度來操作。
在本發明的一個實施例中，Currie IZIP 1000小輪機踏車(scooter)(直接驅動EV)被用於模擬和分析。車輛動態方程式表示了附加在直接驅動EV的CVT的可能的性能優點。縱向運動(longitudinal motion)的方程式為：M v a v =F t -F f -F w 　　　(1)
其中，M v =車輛以及搭車者的質量；a v =車輛以及搭車者的加速度；F t =驅動車輪的牽引力(tractive force)；F f =由於總道路負載而形成的力；F w =由於氣動阻力(aerodynamic drag)而形成的力。
各種力的方程式可以表示為：
其中，T m =驅動電動機的扭矩輸出；=驅動電動機上反射的等量慣性；α m =驅動電動機的角加速度(angular acceleration)；i o =該驅動電動機對CVP的齒數比(電動機速度 /CVP輸入速度)；i cvp =CVP的齒數比(CVP輸入速度/CVP輸出速度)；η cvp =CVP的效率；r d =輪胎(tire)的有效半徑；g =由於重力而產生的加速度；f r =滾動阻力係數(rolling resistance coefficient);slope =藉由距離而劃分的上升高度(elevation divided by distance);ρ=空氣密度；C d =氣動阻力係數；A f =車輛以及搭車者的迎面面積(frontal area)；v =車輛以及搭車者的速率。
該驅動電動機軸(shaft)上反射的等量慣性表示為：
其中I m =電動機的旋轉慣性(rotational inertia)，以及I w =車輪的旋轉慣性。
這些方程式提供了決定加速度、登山能力以及最大速度的架構，從而改進了配置有CVT的Currie IZIP 1000小輪機踏車。
對於車輛啟動，初速度(initial speed)以及氣動阻力是零。起初，車輛的加速度由方程式1-4來決定，且表示如下：
採用表示Currie IZIP 1000小輪機踏車的數值，這種分析指出，藉由將CVT配置到系統中，初始啟動加速度(initial launch acceleration)(a v )可以增加到45%。這個結果假定，EV不是藉由輪胎的牽引能力而限制的牽引，以及加速度是穩定且可控制的。
此外，圖38繪示為代表性的驅動電動機曲線的圖解，CVT使得該驅動電動機以比具有固定的比率配置低的EV速度，達到峰值動力條件。
CVT也可以對在方程式5所定義的電動機軸的已反射的慣性產生顯著的影響。較高的齒數比降低了該驅動電動機所反射的旋轉慣性，從而增加了一給定扭矩的加速度。藉由在驅動電動機軸上調變該等量慣性的能力，則該控制系統能夠採用CVT，以管理驅動週期中的所有部分的加速度。
用於登山能力的合理的度量(metric)被定義為能夠達到給定斜坡的最大恒定狀態的速度。因為存在恒定狀態的度量，所以方程式1的加速度成分是零，以及藉由結合方程式1至4以及解決恒定狀態的速率，我們可以決定一給定斜坡的速度：
另一度量是，以給定的速率，車輛以及搭車者能夠上升的最大斜坡，用於恒定狀態的斜坡(slope)的方程式7為：
採用表示Currie IZIP 1000小輪機踏車的數值，可以發現，配置有CVT的小輪機踏車上升一給定斜坡的恒定狀態的速率理論上可以至少增加69%。需要注意的是，這是因為，在普通的小輪機踏車中，驅動電動機的速度低於其基本速度，其中驅動電動機傳遞較少的動力。同時也可以發現，配置有CVT的EV以及搭車者能夠攀登的最大斜坡增加了至少45%。
此外，後輪(T w )上的恒定狀態的扭矩可以從方程式2定義成如下所示：T w =F t r d =T m i o i cvt η cvt (9)
應用通常用於一些EV中的典型的、已控制的、有電刷的(brushed)DC電動機的一般扭矩曲線(如圖39所示)，以及應用方程式9中的CVT比率，我們能夠決定在增加EV的整個操作範圍中，CVT所產生的影響。圖39繪示，在欠驅動(underdrive)中，CVT增加了傳遞至地面的扭矩以及增加了EV的登山能力。
最大速度被定義為車輛以及搭車者能夠以恒定的狀態，在沒有坡度(grade)的情況下，能夠達到的最大速度。相似於登山能力，在這個條件下，加速度是零，以及不依賴系統慣性。
兩個方面可以定義電力車的最大可能速度。如果驅動電動機能夠自由地旋轉至其最大速度，則這種車輛稱為速度限制的電動機(motor speed-limited)。如果驅動電動機在達到其最大速度前不能克服總道路負載以及空氣動力(aerodynamic force)，則這種車輛稱為動力限制的(power-limited)電動機。
如果車輛屬於速度限制的電動機，則藉由增加CVT，能夠增加EV的最大速度，如圖39所示的過驅動(overdrive)區域所示。車輛能夠被囓合，從而在EV的最大速度，車輪的牽引力完全與道路負載以及氣動阻力相反。這也受方程式7所約束。
Currie IZIP 1000小輪機踏車屬於速度限制的電動機，從而在增加CVT的情況下，其能夠得到改進。藉由將Currie IZIP 1000小輪機踏車的數值代入方程式7中，可以得到EV的最大速度增加了75%。
如果EV的最大速度在固定比率配置中是動力限制的，則CVT的附加可能不會增加EV的最大速度。原因在於，如果超過其基本速度，則電力驅動電動機提供恒定的動力(如圖37所示)。傳動器不會增加動力給系統。因此，如果總道路負載以及氣動阻力達到EV的動力限制，則EV不會再加速。然而，需要注意的是，對於今天市場上的某些EVs的操作範圍(例如，小輪機踏車、鄰近的電車等等)，這種EVs的最大速度不是動力限制者。
很明顯，EV中的CVT增加了各種性能，包括EV的啟動加速度、登山能力以及最大速度。然而，為了增加單個電池充電的操作範圍，控制系統最好考慮電池性能，同時也考慮驅動電動機以及傳動器效率。此外，控制系統最好被配置為使得系統能夠控制所有的組件以設定使整個系統效率為最佳化的條件。
EV的操作範圍是基於驅動週期(例如，停止和開始頻率，以及登山和下坡頻率)而確定的。對於初步分析，在普通的Currie IZIP 1000小輪機踏車上採用驅動週期，此驅動週期不包括停止，而包括四個實質的上升變化(four substantial elevation changes)以及16kph至24kph的速度範圍。
建立動態模擬(dynamic simulation)，以模擬1000W小輪機踏車在已選擇的驅動週期上的性能。這種模擬包括如下特性：(a)動態永久磁鐵(dynamic permanent magnet)DC電動機模型(包括已測量的效率資料)；(b)動態CVT模型(包括已測量的效率資料)；(c)總道路負載以及氣動阻力模型；(d)電池模型，在電池模型中，電壓的下降是電流牽引的函數；以及(e)限流器(current limiter)，其限制該驅動電動機的輸入動力。
當可達到效率改進時，控制過程模擬的CVT的傳動速率比的控制用來移動CVT。否則，控制過程在峰值效率的傳動速率比保持著該CVT。模擬已顯示，對於給定的工作週期，配置有CVT的小輪機踏車大約可與普通小輪機踏車的範圍性能相匹配，但其仍然改進了EV的登山能力、加速度以及最大速度。
為了經驗上評估EV中採用CVT的效果，測試一種普通(即，沒有改變的)EV的基準性能，這是針對配置有CVT以及適當的控制系統的車輛來進行。被測試的EV是2006模型的Currie IZIP 1000小輪機踏車。
NuVinci® CVT被整合到後輪設計中，其符合普通小輪機踏車的結構。採用固定在車輛上的資料獲取系統(data acquisition system)，以執行測試，此資料獲取系統包括資料記錄器(data logger)、供應電池(supply battery)以及各種感測器和接線(wiring)。執行四個測試，包括直立開始加速度(standing start acceleration)、最大速度、登山能力以及範圍 (range)。對於加速度、登山能力以及範圍測試，系統控制軟體限制配置有CVT的小輪機踏車的最大速度，以大約達到普通小輪機踏車的最大速度。執行加速度測試是從平坦的瀝青道路上開始的，使用了預定的開始線以及用於結束線的紅外線光照閘(infrared photogate)，距離是0.2km。速度資料被用於獲得從0kph至16kph以及0kph至19kph的加速時間(acceleration times)，以及完成這段距離的時間。小輪機踏車的最大速度是通過在平坦的瀝青道路上進行單獨的測試而得到的，在這個單獨的測試中，小輪機踏車的速度限制被解除。系統被手動設置到其最大的、可能持久的車輛速度，以及須將速度資料予以記錄。在預定的斜坡(hill)上執行登山基準(hill climb benchmark)，此斜坡的坡度在一固定距離0.75km中靈活地增加。範圍測試(range test)包括在5.15km的環上繼續驅動車輛，直到最大的、持久的車速降低到低於預定的位準。這個過程包括各種坡度(grade)以及兩個停止和開始。除了收集關於車輛性能的資料外，還記錄著驅動週期特性(諸如，GPS資料、上升高度以及斜坡坡度)，以獲得用於交通工具(commuting)的EV的典型的驅動週期的特性。
基準測試的結果可以指出，性能以及登山能力有了顯著的增加。在採用CVT以及控制系統的情況下，0kph至16kph以及0kph至19kph的加速時間表示已分別增加了25%以及24%。此外，完成登山測試的時間則幾乎減少了一半，而平均速度則增加了85%。
在藉由採用控制系統軟體以使速度限制解除的情況 下，配置有CVT的車輛獲得了34kph的最大速度，這比普通的車輛的最大速度增加了61%。這表明，普通車輛的最大速度不是動力限制的，而是電動機速度限制的。
關於配置有CVT的EV的範圍測試的一些因素顯示，配置有CVT的EV最大速度限制被設定為略高於普通的EV，而產生了較高的空氣動力學損失(aerodynamic losses)。此外，驅動電動機允許電池傳遞較大的電流給配置有CVT的EV。需要注意的是，CVT以及控制系統提供實質性的性能改進，並對範圍產生了顯著的影響。這些可實現的有益效果部分是由於控制該驅動電動機以及傳動器所產生的結果。
雖然普通的小輪機踏車顯示出一種在性能資料中的合理的一致性，但是在驅動電動機控制器未過載(overloading)的情況下，其不能爬上10%斜度的山。在有成年搭車者的情況下，則不能獲得普通的小輪機踏車的最大速度。
在本發明的一些實施例中，控制器可以被配置為採用不同的操作模式。在一些情況下，優選的是具有經濟模式(economy mode)以及性能模式(performance mode)，在經濟模式中，EV被用於交通工具；而在性能模式中，EV被用於娛樂。雖然以手動方式來移動傳動器沒有效率，但是以手動方式來移動傳動器能夠為搭車者提供獨特的樂趣。經由外部使用者介面、節流位置，則可以選擇理想的控制器模式；或者藉由分析驅動參數、輸入以及歷史，控制系統可以自動設定理想的控制器模式。
使用再生制動(regenerative braking)的EV也得益於CVT以及控制系統的使用。當在制動(braking)或者下坡期間而需要再生(regeneration)時，則控制系統被配置為命令CVT以使得驅動電動機以其最有效的速度來操作，以生成能量來回送至電池系統。
在下面將描述的實施例中，EV的動力傳動系統整合了用於在各種操作條件和/或理想的操作模式下最佳化EV性能、範圍等的CVT、驅動電動機以及適當的控制器和過程中的一個或者多個配置。在此，動力傳動系統的術語"drivetrain"和"powertrain"可互換；需要注意的是，在一些實施例中，動力傳動系統包括動力源，諸如電池。
請參看圖1，驅動系統10包括耦接至連續性變速傳動器(continuously variable transmission，CVT)14的原動機12，此CVT 14耦接至負載(load)16。在一個實施例中，控制系統18用於接收來自於原動機12、CVT14和/或負載16的資訊。控制系統18也能夠用於提供命令給原動機12和/或CVT14或者啟動原動機12和/或CVT14。原動機12可以是任何的動力源，諸如電力電動機、內燃機、風力機(wind turbine)以及它們的結合等等。電力電動機可以是有電刷的DC電動機(brushed DC motor)、無電刷DC電動機(brushless DC motor)、永久磁鐵電動機(permanent magnet motor)或者任何其他類型的電力電動機。負載16可以是牽引負載(tractive load)，包括車輛和/或操作者和/或貨物和乘客的重量。CVT例如包括球形行星式(ball planetary)CVT、鐲環CVT (toroidal CVT)以及皮帶-輪式CVT (belt-and-pulley CVT)。在一個實施例中，驅動系統10包括NuVinci®連續性變速行星式CVT以及原動機和CVT之間的驅動機制。驅動機制例如包括鏈條和鏈輪驅動器(chain and sprocket drive)、直接齒輪驅動器(direct gear drive)或者其他任何類型的電力傳動齒輪。在本發明的一些實施例中，控制系統18包括如下所述的感測器、致動器、控制硬體、韌體(firmware)以及邏輯。
圖1所示的系統及其所屬的次(sub)組件可以用於任何地面、空中或者水上的運輸機器；工業或者農業的設備；空中飛行器以及設備；以及家用設備等等。
圖2繪示為圖1中的控制系統18的一個實施例的方塊圖。控制系統18包括控制器20，此控制器20與感測器22、資料顯示器及使用者介面24、機械致動器26以及原動機12進行通信。在一個實施例中，控制器20包括與控制邏輯30進行通信的電子硬體(electronic hardware)28。在本發明的一些實施例中，感測器22用於感測原動機12、負載16以及電池32的條件，此電池32能夠提供動力給原動機12。電池32例如是36V電池。
請參看圖3，在一個實施例中，控制器302能夠控制CVT14以及原動機12，以最大化車輛的性能和效率。本實施例可視為一種積體控制，即，用於控制CVT 14以及原動機12的所有控制組件或大多數的控制組件都可以整合到單個的控制器302中，在本發明的一些實施例中，單個的控制器302包括單個的電路板(electronic board)。在一 個實施例中，控制器302可以用於接收節流輸入(throttle input)(可以是電壓源)。
在一個實施例中，控制系統300包括致動器電動機304以啟動CVT14的速率比的移動(即，調整)。CVT 14例如耦接至車輛的驅動車輪組件。在一個實施例中，該系統包括感測器。此感測器可以包括用於感測車輪速度的車輪速度感測器306和/或用於感測驅動電動機的速度的電動機速度感測器308。感測器306和308可以是任何類型的速度感測器，例如，主動磁體感測器(active magnetic sensor)、被動磁體感測器(passive magnetic sensor)或者任何類型的編碼器(encoder)。在本發明的一些實施例中，藉由測量供應至驅動電動機的電流的頻率，則可在控制器302中直接感測該驅動電動機12的速度。同樣，存在一種致動器位置感測器310，此致動器位置感測器310例如是編碼器或者電位計(potentiometer)。在本發明的一些實施例中，根據CVT14的已測量的速率比可以導出致動器位置。根據車輪速度、驅動電動機12的速度以及系統中的齒輪比可以計算出CVT14的速率比。系統300還可以包括節流位置感測器312、電池保險絲開關和/或感測器(battery fuse switch and/or sensor)314以及制動截止開關和/或感測器(brake cut-off switch and/or sensor)316，它們中的任何一個都可以提供訊號至控制器302。
圖4和5繪示為驅動系統400的一個實施例的不同視圖。車輛(例如，小輪機踏車、電力自行車或者摩托車)的 架構(frame)402支撐著驅動電動機404，驅動電動機404經由小齒輪(pinion)408、鏈條410以及鏈輪412以耦接至CVT406。在本實施例中，CVT406被整合到車輛的後輪轂(rear wheel hub)中，以及CVT406經由輪輻(spoke)416來驅動一種輪輞(rim)414。移位致動器418耦接至CVT406。移位致動器418包括移位致動器電動機以及適當的齒輪(例如，減速齒輪(reduction gear))
在本發明的一個實施例中，控制系統18包括圖6所示的使用者介面裝置502。介面裝置502至少顯示該系統10的操作參數中的一部分，系統10的操作參數例如電池電壓、驅動電動機12的速度、車輛506的速度、節流位置、CVT14的速率比或者里程(mileage)。里程能以Watt-hrs/mile的形式或者其他單位來表示。介面裝置502配置有輸入按鈕504，以在停止或者驅動期間選擇不同的操作模式。介面裝置502可與車輛506相整合。在另一實施例中，介面裝置502是可以移動的，其具有附加的硬體，以使得介面裝置502可輕易的移除。介面裝置502可以被配置為記錄該控制器340所生成的或導出的任何訊號的資料。能以週期性的頻率來記錄資料，例如，每50ms讀取所有已測量的或已導出的訊號。
配置有控制系統300的機器具有很多優點，此控制系統可以具有固定比率鏈條驅動或者手動控制的CVT。在本發明的一實施例中，控制器302管理一驅動電動機12的速度和電流、來自於電池的電流牽引以及CVT14的速率比，以最佳化一給定的車輛的效率、加速度、登山能力以及乘車感(ride feel)， 同時最小化雜訊。控制器302可以在多個組態中被安裝以及操作。例如，如圖7所示，控制器302可以包括，用於控制該驅動電動機12的驅動電動機控制器302A以及用於控制CVT14的CVT控制器302B，而這些控制器都被整合到一個電路板中。
在另一實施例中，可以操作該控制器302以僅僅控制CVT 14，並與安裝在一給定車輛上的現有的驅動電動機控制器320協同運行。在這種組態中，如圖8所示，驅動電動機控制器302A在完全整合的組態中是不工作的，以及CVT控制器302B是與分立的電動機控制器320協同運行。在這種組態中，CVT控制器302B可以感測並傳送藉由分立的電動機控制器320而生成的不同的操作參數。
在另一實施例中，基於諸如驅動電動機12的速度、車輛速度、驅動電動機12的電流或者節流訊號之類的多個輸入，控制器302可以控制動力傳動系統。
在本發明的實施例中，控制系統18可以具有多個操作模式。在加速度模式(“短直線距離汽車加速賽(drag race)”)中，在車輛啟動中的整個欠驅動(underdrive)組態中，藉由快速設定CVT14以最大化車輛加速度，從而使得驅動電動機12加速至其最高的動力條件並提供有利於驅動電動機12的機械扭矩。當車輛加速時，控制系統18根據車輛的速度以移位CVT14，從而根據扭矩、電流牽引以及驅動電動機12的速度，在驅動電動機12的峰值動力條件下保持該驅動電動機12的速度。在本發明的一個實施例中，在加速度模式中，控制系統18可以採用多種方法來控制電池 32以及驅動電動機12之間的電流。例如，控制系統18可以限制最大可允許的電流或者大於某一電流位準，例如65Amps (A)，的時間長度。
在範圍(range)模式(“經濟模式”)中，藉由控制車輛的加速度以及最大速度，以最大化單個電池充電上的車輛的操作範圍，從而最小化驅動期間的動力使用。控制器20控制CVT14的速率比，以使得驅動電動機12在一給定的驅動週期中的所有操作條件下都以其最有效的速度來操作。此外，控制器20可以使電池的最大電流牽引以及大於某一電流條件下的操作的時間長度最小化。
在固定比率模擬模式(“階梯形”)中，控制系統18可以控制CVT14以模擬多速度傳動器的操作。例如，在打開的節流加速度期間，控制器20控制CVT14的速率比至一恒定的欠驅動值，例如2:1，以及當車輛加速時，使得驅動電動機12的速度在驅動電動機12的操作範圍內加速，例如從500rpm至3500rpm。控制器20接著在例如小於50ms的範圍內快速地將CVT14移位至更高的速率比，例如1.5:1，而同時使得驅動電動機12的速度快速減小並返回到低的速度，例如500rpm。接著，控制器20重複驅動電動機12的相同的加速度，以及當CVT 14的速率比保持恒定時，繼續車輛的加速。控制器20可以重複CVT 14的任何數量的速率比所需的過程，例如5或6個設定。固定比率模擬模式所描述的操作模式相似於圖9所示的“鋸齒”加速。
在登山模式中，最大化登山時的車輛的性能。在登山 模式中，控制系統18控制CVT14至低的速率比，從而相較於固定比率的車輛動力傳動系統，驅動電動機12具有機械優勢。此外，控制器20可以最佳化驅動電動機12的電流牽引，以管理傳遞到地面的動力，以最大化車輛的登山能力。
在手動模式中，控制系統18使得操作者手動控制CVT14。在手動模式中，使用者可以採用例如使用者介面裝置502上的按鈕，以增加或者減小CVT14的速率比。在一些實施例中，藉由採用使用者介面裝置502，操作者還能另外來選擇模式(例如，經濟、登山等)。
在上述的任何模式中，車輛和驅動電動機12的最大速度可以被控制為CVT14和驅動電動機12的全部操作比率範圍中的任何期望的數值。
相對于傳統的固定比率的驅動系統，上述的操作模式可以改進配置有控制系統18以及CVT14的車輛的性能。圖10繪示了觀看到的性能差異和/或改進的示例的圖解。
圖11繪示為控制系統600的一個實施例的示意圖。控制系統600包括多個子系統(subsystem)，諸如動力控制模組610、USB介面620、測試介面630、控制器640、主驅動器650、使用者介面660、致動器控制模組670、SPI680、com介面690以及動力監視器695。
圖12繪示為動力控制模組610的一個實施例的示意圖。動力控制模組610接收來自於電池32的動力，以及合併電壓調整器(voltage regulator)以及訊號調節器(signal conditioner)，以使輸出電壓調整至多個不同的穩定的位準，例如3V、5V、15V、36V。動力控制模組610可以提供電池電壓的類比診斷訊號至控制器640。在本發明的一個實施例中，動力控制系統610包括兩個連接點TERM5 101以及TERM6 102，其分別代表36V電池的正極線和負極線。在本發明的一些實施例中，動力控制模組10包括6個內置(built-in)連接點，其使得動力控制系統610可與控制系統600上的其他子系統進行通信。連接線VCCP3_3V提供穩定的3.3V電壓至系統中的餘下的組件。連接線VCCP5V提供5V電壓，VCCP15V提供15V電壓，以及VCCP36VO為整個系統提供電池電壓。BAT_VFB是類比電壓訊號，其被傳送至控制器640以監視操作期間的電池32的電壓。
圖13繪示為通用串列匯流排(universal serial bus, USB)介面620的示意圖，此USB介面620使得使用者可以將外部程式化硬體或資料獲取硬體，例如個人電腦，連接到控制系統600以及控制器640上的具有硬體的特定介面。在本發明的一個實施例中，USB介面620包括6個連接點。USB介面620由VCCP5V以及VCCP3_3V提供動力。餘下的四個連接點則是典型的USB介面所共有的連接點。DDn以及DDp線是一對不同的資料線，其賦能控制器640來辨識已耦接至USB埠的裝置。VB線是5V匯流排偵測器。PC線是上拉控制(pull up control)。
圖14繪示為測試介面630的一個實施例的示意圖。 此外，測試介面630允許開發者存取該控制系統600上的硬體，且特別是存取內置於控制器640中的組件。測試介面630具有內置於電路板中的特定的測試點，以測量電壓以及確定各種組件的操作。在一個實施例中，測試介面630用作埠，經由此埠，韌體被下載到控制器640。測試介面630可包括多個接頭或者連接器接腳，從而開發者可以連接外部程式化硬體，例如電腦。
在本發明的實施例中，測試介面630包括12個連接點。測試介面為了與控制器640進行通信，測試介面接收來自於提供動力給子系統的VCCP5V以及VCCP3_3V的訊號。經由配置在工業標準功能群組(industry standard functional groups)中的連接點，測試介面30可以用於與控制器640進行通信。SEL、TDI、TMS、TCK、TDO以及NRST線是”標準測試存取埠(Standard Test Access Port)的IEEE標準1149.1以及用於測試印刷電路板(printed circuit boards)的測試存取埠的邊界掃描結構(Boundary-Scan Architecture)”的一部分。此標準又叫做聯合測試行動小組(Joint Test Action Group, JTAG)。TST以及ERASE線分別用於將控制器640設置於不同的模式以及抹除快閃記憶體。DTXD以及DRXD線是被稱作通用非同步接收器/發射器(universal asynchronous receiver/transmitter, UART)的已知的連接類型的一部分，UART是一種在平行介面(parallel interface)以及串列介面(serial interface)之間轉換資料的電腦硬體。這些連接點被用於串列資料通信，UART將資料的位元組轉換為表示為二進位 電脈衝的非同步開始-停止位元流。
圖15繪示為控制器640的一個實施例的示意圖。控制器640包括微控制器、韌體、隨機存取記憶體、快閃記憶體以及其他硬體周邊設備，以使得控制器640與控制系統600的其他子系統之間可進行通信。控制器640保持其本身大部分的控制過程，以用於管理該控制系統600的操作。某些子系統具有用於與控制器640進行通信的多個連接線(connections)。連接線與本發明所揭露的子系統有關。除了這些連接線，還可以包括附加的連接點(connection point)或者接頭，其包含於用於各種用途的控制器640的電路板中。例如，請參看圖11，具有三個接腳TP4、TP1以及TP2。
圖16繪示為主驅動器650的一個實施例的示意圖。主驅動器650可以用於控制驅動電動機12。主驅動器650具有多條動力連接線，主驅動器650從VCCP36V線獲得動力，VCCP36V線直接連接至驅動電動機12上的連接點TERM4。DRV_PWM線表示控制器640所生成的脈衝寬度調變電流信號(pulse width modulated current signal)，以控制經過驅動電動機12的電流，從而控制驅動電動機12施加到系統10的扭矩。BRAKE線傳遞來自於安裝在車輛上而位於制動杆(brake lever)下的制動偵測開關(brake detection switch)的訊號，以偵測操作者何時接合此制動器(brake)。如果制動器已接合，則BRAKE訊號命令主驅動器650關閉，從而防止損壞動力傳動系統或者控制系統600的任何組件。
VCCP5V、VCCP3_3V以及VCCP 15V分別是5V、3.3V以及15V電源電壓線。DRV_IFB線傳遞來自於主驅動器650的電動機電流偵測訊號。DRV_IFB是藉由控制器640而讀取的類比訊號。載入至控制器640上的韌體採用DRV_IFB訊號以回饋該控制驅動電動機並保護正常操作期間產生的過電流(over-current)條件。DRV_POS_A以及DRV_POS_B線可以用於偵測驅動電動機12的方向。在本發明的一些實施例中，DRV_POS_A可以用於測量驅動電動機的速度，以及DRV_POS_B可以用於偵測控制器640的操作模式。
圖17繪示為使用者介面模組660的一個實施例的示意圖。操作者採用使用者介面模組660而與硬體進行通信，從而控制系統600。在本發明的一些實施例中，使用者介面660包括制動器、節流以及電池電壓回饋(Battery Voltage feedback)。使用者介面660可以接收來自於VCCP36V以及VCCP5V的訊號。
圖18繪示為移位致動器控制670的一個實施例的示意圖。移位致動器控制670可以用於控制致動器電動機304(如圖3所示)，此致動器電動機304調整CVT14的速率比。移位致動器控制670是致動器電動機304的物理介面(physical interface)，並接收來自於所有的已調節的電壓線的動力。移位致動器控制670經由ACT_DIR1以及ACT_DIR0而從控制器640接收訊號，控制器640定義該致動器電動機304的旋轉方向。移位致動器670可以經由ACT_PWM以從控制器640接收PWM訊號，此ACT_PWM 定義了流入到致動器電動機304的動力以及電流位準。同樣，ACT_IFB是一種測量訊號，其對控制器640指出一種至致動器電動機304的電流安培量。控制器640包括限制和管理驅動該致動器電動機304的電流的邏輯。移位致動器控制670可以接收來自于諸如正交編碼器(quadrature encoder)或者電位計之類的致動器位置感測器310的訊號，以及經由ACT_POS_A以及ACT_POS_B來發送上述訊號至控制器640。
圖19繪示為串列周邊介面(serial peripheral interface, SPI)680的示意圖。在本發明的一實施例中，SPI 680可以是操作在全雙工模式(full duplex mode)的標準化同步串列資料鏈路(standard synchronous serial data link)。各裝置在主/從模式(master/slave mode)中通信，其中主裝置起動資料框(data frame)。多個從裝置被允許具有各別的從選擇線(slave select line)(晶片選擇線(chip select line))。
圖20繪示為com介面690的一個實施例的示意圖，com介面690是介面模組502的物理介面。圖11的連接器是用於和介面模組502進行通信的習知發射器/接收器(transmitter/receiver)對(pairs)。
圖21繪示為動力監視器695的一個實施例的示意圖，動力監視器695監視該系統600操作，以及在失去控制或者意外事件發生時，藉由將電池線短路並熔斷該系統600的保險絲而關閉系統600。經由D_RWAY以及RUN_AWAY以發送關閉命令。動力監視器695包括第二微控制器，其基於 系統操作而做出決定。動力監視器695監視致動器電流以及A_IFB，並在需要的時候經由A_SHDN而使得致動器電動機喪失動力。在本發明的一個實施例中，動力監視器695經由D_PWM而監視驅動電動機的PWM訊號。動力監視器695可以接收訊號VCCP3_3V。
請參看圖22，控制系統2200包括用於接收輸入的控制器2202，此輸入諸如電池狀態、節流位置、節流率(throttle rate)、車輛速度、驅動電動機2204中的電流、驅動電動機2204的速度、模式選擇以及調節CVT 2208的速率比的致動器2206的位置。基於這些輸入的至少一些部分，控制器2202命令致動器2206運動。控制器2202還可以被用於為提供狀態或者其他指示器(indicator)給例如使用者介面和/或資料儲存裝置。
請參看圖23，控制系統2300可以包括控制器2302，此控制器2302耦接至驅動電動機2304以及致動器電動機2306。在一個實施例中，驅動電動機2304耦接至CVT 2308，此CVT 2308耦接至致動器電動機2306。控制器2302可以用於接收來自於致動器位置感測器2310和/或車輪速度感測器2312的訊號。在本發明的一些實施例中，控制器2302可以用於接收來自於節流位置感測器2314、電池保險絲開關2316和/或制動截止開關2318的訊號。來自於電池的訊號包括指示電池狀態的電壓和/或電流訊號。
請參看圖24，控制系統2400包括耦接至移位致動器電動機2404的傳動控制器2402。移位致動器電動機2404耦接至CVT 2408。傳動控制器2402可以提供命令和/或動力給移位致 動器電動機2404。移位致動器位置感測器2406耦接至移位致動器電動機2404或者CVT 2408的組件。在本發明的一些實施例中，可以耦接至CVT 2408的車輪速度感測器2410提供訊號給控制器2402。在本發明的實施例中，傳動控制器2402接收來自於節流位置感測器2412和/或電池狀態感測器2414的訊號，此電池狀態感測器2414耦接至電池或者電池保險絲開關2416。
在本發明的一些實施例中，傳動控制器2402與耦接至驅動電動機2420的驅動電動機控制器2418協同工作。CVT 2408可以耦接至驅動電動機2402。在本發明的一實施例中，耦接至驅動電動機2420的電動機速度感測器2422發送訊號給傳動控制器2402。制動截止開關2424可以用於提供訊號給驅動電動機控制器2418。在本發明的實施例中，傳動控制器2402提供一節流訊號給驅動電動機控制器2418。
從而，控制系統2400可以配置為，傳動控制器2402被用於控制CVT 2408的速率比；驅動電動機控制器2418被用於控制一驅動電動機2420；以及控制器2402、2418被配置為協同工作以控制諸如圖1所示的驅動系統10之類的驅動系統。
請參看圖25，控制過程和驅動系統2500可以包括多個提供訊號給控制器2504的感測器2502，此控制器2504用於控制傳動器以及驅動電動機的移位致動器。在本發明的一個實施例中，從電池2506提供能量給系統2500，以及此能量最終被轉換為傳動器的移位器機制的機械引動(mechanical actuation)，以及經由驅動電動機以提供動力給車輛的車輪， 從而提供適當的或者理想的車輛速度。
在本發明的一個實施例中，節流輸入被提供給節流位置感測器2508、驅動電動機速度感測器2510以及電動機動力感測器2512。由電動機動力感測器2512、車輛速度感測器2514以及傳動器的速率比感測器2516接收多種車輛輸入。來自於電池的訊號可以被提供至車輛速度感測器2514以及驅動電動機速度感測器2510。
控制器2504可以被配置為，根據節流位置感測器2508、驅動電動機速度感測器2510和/或電動機動力感測器2512所提供的一個或者多個訊號，以在模組2518上決定最佳驅動電動機速度(例如，以rmp為單位)和/或在模組2520上決定最佳電動機動力。控制器2504可以被配置為，根據藉由節流位置感測器2508、速率比感測器2516、車輛速度感測器2514和/或電動機動力感測器2512提供的訊號中的至少一些信號，以在模組2522決定最佳傳動速率比。模組2522也可以採用模組2518以及2520的結果來決定該傳動器的最佳速率比。在本發明的一個實施例中，控制器2504包括模組2524，用於根據來自於電動機動力感測器2512和/或電池動力感測器2526的訊號，以決定電池的使用。
在本發明的一些實施例中，控制器2504包括驅動命令模組2528，驅動命令模組2528接收來自最佳電動機速度模組2518以及電池使用模組2524的訊號。驅動命令模組2528管理從驅動電動機12至車輛的車輪的動力的傳送。驅動命令模組2528也可以被配置為提供回饋訊號 (feedback signal)至電動機速度感測器2510。控制器2504也可以包括命令移位致動器模組(command shift actuator module)2530，用於至少一部分基於最佳速率比模組2522所產生的結果以管理一傳動器的移位機制的致動(actuation)。
請參看圖25A，一驅動和控制系統2550包括CVT致動器和控制器2552，用以接收來自于諸如電池2554之類的電源的動力。基於節流輸入2556以及車輛輸入2560，致動器和控制器2552可以建立適當的車輛速度2558。
請參看圖26，驅動和傳動控制系統2600可以包括微處理器2602，諸如Atmel ARM7晶片，用於與多個軟體模組或過程協同工作。一應用程式介面(application programmer interface)2603與脈衝寬度調變模組2604進行通信，脈衝寬度調變模組2604與電動機控制模組2606協同工作。一驅動電動機控制模組2608是與電動機控制模組2606以及驅動系統控制模組2610進行通信。電動機控制模組2606與位置控制模組2612進行通信，位置控制模組2612與傳動控制模組(transmission control module)2614進行通信。主控制模組2616與驅動系統控制模組2610、顯示輸出模組2618、節流位置模組2620、電池燃料表模組(battery fuel gauge module)2622和/或車輪速度模組2624進行通信。
請參看圖27，圖27繪示為過程2700的流程圖。過程2700控制原動機和/或傳動器。過程2700在狀態(state) 2702開始。過程2700移動至狀態2704，其中初始化常式(initialization routine)運行多個過程。一個過程包括載入系統參數以及預設(default)，諸如最大車輛速度、傳動移位限制、車輪脈衝計數(wheel pulse count)、車輪尺寸等等。
過程2700接著執行各個子(sub)過程。子過程包括類比至數位轉換子過程(analog-to-digital converter subprocess)2706、記憶體讀取/寫入子過程2708、顯示器IO子過程2710、測試子過程2712、電動機控制和節流子過程2714以及道路速度計算子過程2716。
請參看圖28，電動機控制和節流子過程2714可以被配置為循環(loop)，此循環例如以每5毫秒重複(200Hz更新)一次。在本發明的一個實施例中，電動機控制和節流子過程2714包括驅動控制模組2802以及傳動控制模組2804。在本發明的一些實施例中，驅動控制模組2802可以是任何合適的脈衝寬度調變電動機控制方案。在本發明的一個實施例中，傳動控制模組2804包括位置控制伺服回饋循環(position control servo feedback loop)。因此，電動機控制和節流子過程可以提供驅動電動機控制以及致動器電動機位置控制。
在本發明的一些實施例中，電動機控制和節流子過程2714在狀態2800開始。過程2714接著實質上同時執行該驅動電動機控制模組2802以及傳動控制模組2804。在決定狀態2806，子過程2714決定是否在其循環中繼續執行子過程2714。如果決定繼續執行，則子過程2714恢復(resume)執 行各模組2802和2804。如果決定不繼續執行，則子過程在狀態2808結束。在本發明的一些實施例中，由於系統發出例如終止訊號(off signal)或制動訊號，則在決定狀態2806時決定不再繼續執行子過程2714。
在本發明的一個實施例中，該驅動控制模組2802處理車輛速度要求以及調變一驅動電動機的輸出。驅動控制模組2802也可以整合軟啟動常式(soft-start routine)，以在需要高的速度(即，快節流ON)期間，使車輛的陡峭的震動(abrupt shock)最小化。在本發明的一個實施例中，藉由調整該驅動電動機可以拉升的最大電流以及藉由延遲節流訊號值並消除即時啟動(instant-on)影響，則驅動控制模組2802可以達成軟啟動。
請參看圖29至圖31，在本發明的實施例中，傳動控制模組2804的初始化包括致動器歸向常式(actuator homing routine)，以將傳動器配置在理想的狀態(例如，牽引滾輪(traction roller)的傾斜角度或者動力調節器被設定為欠驅動組態)，以開始一驅動週期。在本發明的一個實施例中，啟動狀態下的傳動控制模組2804驅動該移位致動器電動機成為欠驅動，同時經由致動器電動機的軸上的編碼器而來的計數而讀取移位杆(shift rod)的位置。當讀取過程停止了改變(例如，當致動器電動機繞移位杆旋轉直到內部的移位器組件針對一移位停止而運行時)，則致動器控制過程3104停止驅動該致動器電動機，並從移位器子過程2902讀取初始的移位位置參數。在本發明的一個實施例 中，致動器控制過程3104初始化時設定傳動速率比至剛好超過整個欠驅動(例如，將欠驅動調整為17度伽馬；其中整個欠驅動範圍為18度伽馬)。在本發明的一個實施例中，致動器控制過程3104採用編碼器計數作為位置的指示。在致動器歸向後，致動器控制過程3104繼續其他操作。
在狀態2900開始的傳動控制過程2804，從處理多種輸入的當前狀態的移位器過程2902以及具有傳動器的速率比的規定的輸出值的查詢表，以決定所需要的傳動速率比(即，牽引行星(traction planet)的傾斜角度)。傳動控制過程2804接著傳遞已輸出的設定點(set point)至致動器過程2904，此致動器過程2904經由致動器電動機驅動模組2906以施加動力給致動器電動機，直到達到設定點才停止。
在本發明的一個實施例中，傳動控制過程2804接收一組輸入以描述車輛的狀態。在本發明的一個實施例中，這些輸入包括車輛速度、驅動電動機電流以及描述車輛的狀態的其他參數。在本發明的一些實施例，也決定控制器的模式。經由手按開關(toggle switch)或按鈕可以手動來選擇模式。在本發明的一些實施例中，模式包括性能(運動)模式或經濟模式。在本發明的其它實施例中，模式可以是已模擬的4-速度傳動“鋸齒”模式。控制器可以將模式表儲存在記憶體中。模式表是一組資料，此資料包括輸入參數(例如，車輛速度、電動機電流等等)以及作為輸出參數的理想的傳動速率比。輸入值可以被用於參考一模式表並 生成一輸出值。輸出值接著被傳遞到致動器過程2904。
致動器過程2904可以是比例控制回饋循環(proportional control feedback loop)，此比例控制回饋循環採用傳動器的速率比的設定點作為輸入，採用致動器杆編碼器作為回饋訊號。致動器電動機驅動模組2906可以包括雙向(反向(reversing))常式2908、電動機驅動常式2910以及適當的脈衝寬度調變(pulse width modulation, PWM)常式2912。傳動器控制過程2804接著在狀態2914結束。
圖30繪示為移位器過程2902的一個實施例的示意圖。移位器過程2902在狀態3000開始。車輛速度3002、驅動電動機電流3004和/或其他參數3006在監視器車輛狀態模組3008中被接收。移位器過程2902接著移動至模式選擇狀態3010，其中可以接收移位模式輸入3012。移位器過程2902接著進入決定狀態3014，其中移位器過程2902決定採用哪個移位模式。如果已選擇的移位模式是運動模式，則在狀態3016時移位器過程2902輸入一種運動模式查詢表3018。如果已選擇的移位模式是經濟模式，則在狀態3020時移位器過程2902輸入一種經濟模式查詢表3022。如果已選擇的移位模式是另一模式，則在狀態3024時移位器過程2902輸入適當的用於已選擇的模式的查詢表3026。
基於車輛狀態以及已選擇的模式，移位器過程2902在狀態3028時決定用於CVT的最佳的速率比。在本發明的一個實施例中，決定用於CVT的最佳的速率比包括：決 定用於CVT的移位杆的位置。在本發明的一些實施例中，決定用於CVT的最佳的速率比包括：決定用於啟動CVT的移位器機制的編碼器計數的數量，此移位器機制可以是移位杆。
圖31繪示為致動器過程2904的一個實施例的示意圖。請參看圖31，致動器過程2904在狀態3100開始，並接著執行致動器控制過程3104。致動器過程2904接著執行致動器硬體以及驅動模組3106。如果實際CVT位置3108與藉由移位器過程2902而決定的最佳CVT位置實質上相同，則接著結束致動器過程2904。
請參看圖32，移位器過程2902所採用的查詢表可以圖32所示的每一曲線來表示。根據車輛的速度，可以選擇傳動器的速率比(這相當於選擇傳動器的移位機制的位置，諸如移位杆的位置，此位置可以用編碼器的計數來表示)。曲線3202表示用於“短直線距離汽車加速賽(drag race)”或者快速加速度模式的查詢表。曲線3204表示用於經濟("econ")模式的查詢表。曲線3206表示用於固定比率模擬(或者“階梯形”)模式的查詢表。曲線3208表示用於性能(或者“登山”)模式的查詢表。圖33繪示為導出圖32所示的圖表的資料表。MPH指車輛速度；RPM指驅動電動機的速度；GR指CVT的速率比。Act Pos指編碼器計數中的移位杆的位置。
在本發明的一個實施例中，提供了在經濟模式以及性能模式下控制EV的動力傳動系統的方法。在經濟模式 中，控制系統被配置為以如下的方式來控制該驅動電動機。控制系統允許驅動電動機的電流具有初始最大電流峰值(即，電流限制)，例如30Amps。此初始最大電流峰值可以被保持一預定長度的時間(例如2秒)，在一些情況中，此預定長度的時間較佳為足夠長，以允許該驅動電動機達到其基本速度，此基本速度是指該驅動電動機的一種速度，超過此種速度時電動機在增加驅動電動機速度以及減小驅動電動機扭矩時將產生恒定的動力，其中該驅動電動機典型地在較低的驅動電動機速度下以較高的效率而操作。接著，控制系統管理該驅動電動機的電流，從而傳遞到驅動電動機的電流只被增加到預定的電流極限(例如，25Amps)，此預定的電流極限只要例如節流命令(或者使用者輸入)需要就可以被保持著。在本發明的一些實施例中，施加到電力驅動電動機的動力(或者電流)是節流位置以及電池電壓的函數。在經濟模式中，控制系統被配置為以如下方式來控制CVT，即，控制系統允許電力電動機盡可能快地達到其基本速度，接著該控制系統控制CVT，以便在用於給定的操作條件的峰值效率的傳動速率比(例如，在某些CVT中，峰值效率被發現在1:1的傳動速率比)時保持著CVT。
在本發明的性能模式中，控制系統被配置為允許驅動電動機達到預定的初始最大電流極限(例如，60Amps)。初始最大電流極限可以被保持一預定長度的時間(例如，5秒)，此預定長度的時間至少一部份藉由電路溫度規格、 電路壽命週期等等來決定。在此一控制策略下，EV動力傳動系統在車輛啟動時被配置有高的動力。控制系統接著控制CVT以產生高的加速度以及在短的期間內達到EV的最大速度。在性能模式中，控制系統可以被配置為，在已經達到初始最大電流極限後，動力傳動系統可被提供一種增加到預定的最大電流極限的電流(例如，45Amps)。
在本發明的一些實施例中，在性能模式和經濟模式的其中之一中，或者在性能模式和經濟模式此二者中，一種與最大節流成定時線性斜坡(timed linear ramp)的函數被提供給控制系統，與最大節流成定時線性斜坡的函數可以被用於確保EV能夠平滑地啟動，而不會突然改變而達到一種點，在此點時將使得EV的前端脫離地面。在各種操作條件下，與最大節流成定時線性斜坡的函數也可以被用於管理施加到驅動電動機的動力(例如，在經濟模式中減小電流牽引)。
在本發明的一個實施例中，控制系統被配置為使EV的動力傳動系統的整個效率最佳化。動力傳動系統的整個效率是驅動電動機的效率、CVT的效率、控制系統本身的效率和/或在某些操作條件下電池壽命如何受到影響的指示的函數。因此，在本發明的一些實施例中，控制系統被配置為基於某些輸入而調變電動機的動力(或者電流)以及調變CVT的傳動速率比(較佳的情況是，與動力調變相結合)，該些輸入包括以下成分中的一個或者多個：節流位置、節流位置變換率(相對於時間)、控制系統模式(例 如，經濟、性能、手動、階梯形傳動器的模擬等等)、平均或暫態(instantaneous)電池電壓、電池充電的平均狀態或暫時的狀態、指示電池壽命對電流牽引隨時間而變的資料、平均或暫態的驅動電動機電流牽引、平均或暫態的車輛速度、CVT的傳動速率比、指示CVT的效率對EV的速度和/或傳動速率比的資料、該驅動電動機的速度、指示該驅動電動機的效率相對於扭矩和/或該驅動電動機的速度的資料，以及控制系統的效率(諸如指示藉由用於移位致動器和/或驅動電動機的控制電路所使用的動力的資料)。在本發明的某些實施例中，控制系統被配置為控制CVT的傳動速率比，此CVT的傳動速率比是EV的速度、電力驅動電動機的速度、電池電壓以及電流牽引(即，提供至驅動電動機的電流，在某些情況下，此電流是基於節流位置而決定的)中的一個或者多個的函數。
請參看圖34，自行車後輪轂(rear wheel hub)整合一種可連續變化的CVT 4700。CVT 4700以及其等效的組件可以被用於自行車以外的設備，其包括但不限於，其它人力車輛、光電車輛、人力電力或內燃動力混合車輛、工業設備、風力渦輪機(wind turbine)等等。需要在輸入源與輸出負載之間進行機械動力傳送器的調變的任何技術應用都可以在其動力傳動系統中實施CVT 4700的實施例。CVT 4700的實施例以及相關的CVT可以參看2006年10月3日提交的名稱為"Continuously Variable Transmission"的美國專利申請第11/543,311號，該專利申請案所揭露之內容藉由參考而完整 結合於本說明書中。
如圖34所示，CVT 4700包括耦接至一覆蓋(cover)或外殼覆蓋(cover)4704的外殼(shell)或輪轂外殼4702。外殼4702以及外殼覆蓋4704形成用於包圍CVT 4700的大部分組件的殼。主軸(main shaft)4706為CVT 4700的其他組件提供軸向和徑向定位以及支撐。CVT 4700可以包括如細部C所示的變速器(variator)組件4708以及如細部G所示的移位杆和/或移位器介面組件4716。
請參看圖35，移位器介面4716用於在其它事件之間與移位機制(諸如控制系統，包括上述的移位致動器電動機)協同工作而啟動移位杆4816，以改變CVT 4700的速率比。移位器介面4716也用於保持移位杆4816並約束移位杆4816的軸向移位(axial displacement)。在本發明的實施例中，移位器介面4716包括移位杆護圈螺帽(retainer nut)6502，用於接收移位杆4816以及用於沿主軸(main axle)4706而固定。移位器介面4716也可以包括螺帽6504，用於螺捲在移位杆護圈螺帽6502上，以便在其它事件之間將主軸4706耦接至自行車的失靈組件(dropout)(圖未示)並在移位器機制的操作期間防止移位杆護圈螺帽6502從主軸4706上脫落(unthread off)。
請參看圖36，在本發明的一實施例中，變速器組件4708包括多個牽引動力滾輪4802，其被配置為與輸入牽引環4810、輸出牽引環4812以及支援組件或惰輪(idler)4814相接觸。移位杆4816螺捲到移位杆螺帽4818中，移 位杆螺帽4818位於中間位置並被用於與移位凸輪(shift cam)4820接合。藉由主軸4706以及具有移位杆螺帽4818的介面而引導一惰輪套管(idler bushing)4832。移位杆螺帽軸環(shift rod nut collar)4819被同軸固定在主軸4706上並位於各移位凸輪4820之間。移位凸輪4820與凸輪滾輪4822相接觸。多個腳(leg)4824中的每一個都耦接在凸輪滾輪4822的一個末端上。每一腳4824的另一端耦接至動力滾輪軸4826，動力滾輪軸4826提供可以傾斜的旋轉軸給動力滾輪4802。
請參看圖40，在本發明的一個實施例中，控制器5001可以包括控制器外殼5006，控制器外殼5006具有一組驅動電纜5002以及一組動力源電纜5003。驅動電纜5002可以被配置為將控制器5001電性連接至驅動電動機。動力源電纜5003可以被配置為將控制器5001電性連接至動力源，諸如電池。在本發明的一些實施例中，驅動電纜5002以及動力源電纜5003是10AWG線。控制器5001還可以包括致動連接器5004，致動連接器5004可以被配置為連接至機械致動器的配合連接器，此機械致動器被配置為調整一CVT的傳動速率比。控制器5001設有通信埠5005(例如，USB埠)，用於支援控制器5001與電腦或者任何其他資料或程式化輸入或輸出裝置之間的通信。顯示器連接器5014可以被配置為用於支援控制器5001以及使用者介面之間的諸如理想的操作模式之類的使用者命令的電性通信。在本發明的一個實施例中，控制器5001包括節流-制 動-充電器連接器(throttle-brake-charger connector)5015，被配置為連接至車輛的各種感測器，諸如節流感測器、制動感測器和/或充電感測器。在本發明的一些實施例中，控制器5001也可以包括串列通信埠5016。串列通信埠5016可以被配置為藉由採用諸如公知的閃光(flashing)之類的過程以使控制器5001程式化。為了原型和開發(prototype and development)目的，通常情況下採用串列通信埠5016。在本發明的一個實施例中，致動連接器5004、通信埠5005、顯示器連接器5014、節流-制動-充電器連接器5015以及串列通信埠5016都被配置在控制器外殼5006的一個側面上。在本發明的一些實施例中，控制器外殼5006通常可以是具有內部空腔的矩形金屬片封閉體(sheet metal enclosure)，其填充有裝瓶(potting)5007。裝瓶5007可以是塑膠或者樹脂材料。
請參看圖41和圖42，在本發明的一個實施例中，控制器5001包括控制器電路板組件5008，此控制器電路板組件5008位於控制器外殼5006中並被裝瓶5007所包圍。控制器電路板組件5008附接於控制器外殼5006。在本發明的一個實施例中，驅動電纜5002、動力源電纜5003、致動連接器5004、通信埠5005、顯示器連接器5014、節流-制動-充電器連接器5015以及串列通信埠5016都耦接至控制器電路板組件5008。裝瓶5007被配置為曝露上述的連接，但包圍控制器電路板組件5008的主要部分。在本發明的一些實施例中，多個熱墊(thermal pad)5009位於控制 器電路板組件5008以及控制器外殼5006之間。熱墊5009可以位於多個控制器主體突出部5010上。控制器主體突出部5010可以形成在控制器外殼的內部空腔上。
請參看圖43，在本發明的一個實施例中，控制器電路板組件5008可以包括電動機控制電路板5011以及傳動器控制電路板5012。電動機控制電路板5011優選為包括被配置為有利於控制一驅動電動機的電路(即，積體電路、記憶體電路、韌體等等)。傳動器控制電路板5012優選為包括被配置為有利於控制諸如CVT之類的傳動器的電路(即，積體電路、記憶體電路、韌體等等)。交越連接器(crossover connector)5013被配置為將電動機控制電路板5011電性連接至傳動器控制電路板5012。在本發明的一些實施例中，電動機控制電路板5011以及傳動器控制電路板5012被配置為，電動機控制電路板5011位於控制器外殼5006中的傳動器控制電路板5012的下面。交越連接器5013可以包括雌連接主體(female connection body)5013A以及雄連接主體(male connection body)5013B。雌連接主體5013A可以附接於電動機控制電路板5011。雄連接主體5013B可以附接於傳動器控制電路板5012。在安裝的時候，雌連接主體5013A與雄連接主體5013B對齊，以便於電動機控制電路板5011與傳動器控制電路板5012之間進行電性通信。在本發明的一些實施例中，可以使控制電路板5011去能(disabled)，從而控制器5001可與已經設有EV的分立的驅動電動機控制器協同使用。在這種情況下，該 控制電路板5011未被採用，以及傳動器控制電路板5012被配置為與分立的驅動電動機控制器進行通信。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧驅動系統
12‧‧‧原動機
14‧‧‧連續性變速傳動器
16‧‧‧負載
18‧‧‧控制系統
20‧‧‧控制器
22‧‧‧感測器
24‧‧‧資料顯示器及使用者介面
26‧‧‧機械致動器
28‧‧‧電子硬體
30‧‧‧控制邏輯
32‧‧‧電池
300‧‧‧控制系統
302‧‧‧控制器
304‧‧‧致動器電動機
306‧‧‧車輪速度感測器
308‧‧‧電動機速度感測器
310‧‧‧致動器位置感測器
312‧‧‧節流位置感測器
314‧‧‧電池保險絲開關和/或感測器
316‧‧‧制動截止開關和/或感測器
400‧‧‧驅動系統
402‧‧‧架構
404‧‧‧驅動電動機
406‧‧‧連續性變速傳動器
408‧‧‧小齒輪
410‧‧‧鏈條
412‧‧‧鏈輪
414‧‧‧輪輞
416‧‧‧輪輻
418‧‧‧移位致動器
502‧‧‧使用者介面裝置
506‧‧‧車輛
504‧‧‧輸入按鈕
302A‧‧‧驅動電動機控制器
302B‧‧‧CVT控制器
320‧‧‧驅動電動機控制器
600‧‧‧控制系統
610‧‧‧動力控制模組
620‧‧‧通用串列匯流排介面
630‧‧‧測試介面
640‧‧‧控制器
650‧‧‧主驅動器
660‧‧‧使用者介面
670‧‧‧致動器控制模組
680‧‧‧串列周邊介面
690‧‧‧com介面
695‧‧‧動力監視器
101、102‧‧‧連接點
2400、2300、2200‧‧‧控制系統
2302、2202‧‧‧控制器
2304、2204‧‧‧驅動電動機
2408、2308、2208‧‧‧連續性變速傳動器
2206‧‧‧致動器
2306‧‧‧致動器電動機CVT，
2310‧‧‧致動器位置感測器
2312‧‧‧車輪速度感測器
2314‧‧‧節流位置感測器
2316‧‧‧電池保險絲開關
2318‧‧‧制動截止開關
2402‧‧‧傳動控制器
2404‧‧‧移位致動器電動機
2406‧‧‧移位致動器位置感測器
2410‧‧‧車輪速度感測器
2412‧‧‧節流位置感測器
2414‧‧‧電池狀態感測器
2416‧‧‧電池保險絲開關
2420‧‧‧驅動電動機
2418‧‧‧驅動電動機控制器
2420‧‧‧驅動電動機
2422‧‧‧電動機速度感測器
2424‧‧‧制動截止開關
2500‧‧‧驅動系統
2502‧‧‧感測器
2504‧‧‧控制器
2506‧‧‧電池
2508‧‧‧節流位置感測器
2510‧‧‧驅動電動機速度感測器
2512‧‧‧電動機動力感測器
2514‧‧‧車輛速度感測器
2516‧‧‧速率比感測器
2518、2520、2522‧‧‧模組
2528‧‧‧驅動命令模組
2524‧‧‧電池使用模組
2530‧‧‧命令移位致動器模組
2526‧‧‧電池動力感測器
2550‧‧‧驅動和控制系統
2552‧‧‧CVT致動器和控制器
2554‧‧‧電池
2556‧‧‧節流輸入
2560‧‧‧車輛輸入
2558‧‧‧車輛速度
2600‧‧‧驅動和傳動控制系統
2602‧‧‧微處理器
2603‧‧‧應用程式介面
2604‧‧‧脈衝寬度調變模組
2606‧‧‧電動機控制模組
2608‧‧‧驅動電動機控制模組
2610‧‧‧驅動系統控制模組
2612‧‧‧位置控制模組
2614‧‧‧傳動控制模組
2616‧‧‧主控制模組
2618‧‧‧顯示輸出模組
2620‧‧‧節流位置模組
2622‧‧‧電池燃料表模組
2624‧‧‧車輪速度模組
2700‧‧‧過程
2702、2704‧‧‧狀態
2706‧‧‧類比至數位轉換子過程
2708‧‧‧記憶體讀取/寫入子過程
2710‧‧‧顯示器IO子過程
2712‧‧‧測試子過程
2714‧‧‧電動機控制和節流子過程
2716‧‧‧道路速度計運算元過程
2802‧‧‧驅動控制模組
2804‧‧‧傳動控制模組
2800‧‧‧開始狀態
2802‧‧‧驅動電動機控制模組
2804‧‧‧傳動控制模組
2806‧‧‧決定狀態
2808‧‧‧結束狀態
2900‧‧‧開始狀態
2902‧‧‧移位器過程
2904‧‧‧致動器過程
2906‧‧‧致動器電動機驅動模組
2908‧‧‧雙向常式
2910‧‧‧電動機驅動常式
2912‧‧‧脈衝寬度調變常式
2914‧‧‧結束狀態
3000‧‧‧開始狀態
3002‧‧‧車輛速度
3004‧‧‧驅動電動機電流
3006‧‧‧其他參數
3008‧‧‧監視器車輛狀態模組
3010‧‧‧模式選擇狀態
3012‧‧‧移位元模式輸入
3014‧‧‧決定狀態
3016、3020、3024、3028‧‧‧狀態
3018‧‧‧運動模式查詢表
3022‧‧‧經濟模式查詢表
3026‧‧‧查詢表
3100‧‧‧開始狀態
3104‧‧‧致動器控制過程
3106‧‧‧致動器硬體以及驅動模組
3108‧‧‧實際CVT位置
3202‧‧‧表示用於"drag race"或者快速加速度模式的查詢表的曲線
3204‧‧‧表示用於經濟("econ")模式的查詢表的曲線
3206‧‧‧表示用於固定比率模擬(或者“階梯形”)模式的查詢表的曲線
3208‧‧‧表示用於性能(或者“登山”)模式的查詢表的曲線
MPH‧‧‧車輛速度
RPM‧‧‧驅動電動機速度
GR‧‧‧CVT的速率比
Act Pos‧‧‧編碼器計數中的移位杆的位置
4700‧‧‧CVT
4704‧‧‧外殼覆蓋
4702‧‧‧外殼
4706‧‧‧主軸
4708‧‧‧變速器組件
4716‧‧‧移位器介面組件
4816‧‧‧移位杆
6502‧‧‧移位杆護圈螺帽
6504‧‧‧螺帽
4708‧‧‧變速器組件
4802‧‧‧牽引動力滾輪
4810‧‧‧輸入牽引環
4812‧‧‧輸出牽引環
4814‧‧‧惰輪
4818‧‧‧移位杆螺帽
4819‧‧‧移位杆螺帽軸環
4820‧‧‧移位凸輪
4832‧‧‧惰輪套管
4822‧‧‧凸輪滾輪
4824‧‧‧腳
4826‧‧‧動力滾輪軸
r i ‧‧‧輸入接頭的接觸半徑
r o ‧‧‧輸出接頭的接觸半徑
5001‧‧‧控制器
5006‧‧‧控制器外殼
5002‧‧‧驅動電纜
5003‧‧‧動力源電纜
5004‧‧‧致動連接器
5005‧‧‧通信埠
5014‧‧‧顯示器連接器
5015‧‧‧節流-制動-充電器連接器
5016‧‧‧串列通信埠
5007‧‧‧裝瓶
5008‧‧‧控制器控制器電路板組件
5009‧‧‧熱墊
5010‧‧‧控制器主體突出部
5011‧‧‧電動機控制電路板
5012‧‧‧傳動器控制電路板
5013‧‧‧交越連接器
5013A‧‧‧雌連接主體
5013B‧‧‧雄連接主體
圖1繪示為能夠實施本發明所揭露的控制系統以及方法的驅動系統的方塊圖。
圖2繪示為用於圖1的驅動系統的控制系統的一個實施例的方塊圖。
圖3繪示為具有積體控制器的驅動控制系統的方塊圖。
圖4繪示為用於車輛中的驅動控制系統的透視圖。
圖5繪示為圖4中的驅動控制系統的第二透視圖。
圖6繪示為用於圖2所示的控制系統的使用者介面的一個實施例的透視圖。
圖7繪示為用於圖1所示的驅動系統的積體傳動器以及驅動電動機控制器的一個實施例的示意方塊圖。
圖8繪示為用以同分立的驅動電動機控制器協同工作的傳動器以及驅動電動機控制器的一個實施例的示意方塊圖。
圖8A繪示為用以同分立的驅動電動機控制器協同工作的CVT控制器的一個實施例的示意方塊圖。
圖9繪示為藉由本發明所揭露的傳動器及/或原動機控制器的實施例而模擬的典型的鋸齒狀的車輛加速度(saw tooth vehicle acceleration)的圖表。
圖10繪示為相較於某些習知的固定比率的驅動系統，藉由採用本發明所揭露的傳動器及/或原動機控制器而獲得的顯著的差異和優點的資料表。
圖11繪示為根據本發明的系統以及方法的傳動器及/或原動機控制系統的一個實施例的示意圖。
圖12繪示為用於圖11所示的控制系統的動力控制模組的示意圖。
圖13繪示為用於圖11所示的控制系統的通用串列匯流排介面(universal serial bus interface)的示意圖。
圖14繪示為用於圖11所示的控制系統的測試介面(test interface)的示意圖。
圖15繪示為用於圖11所示的控制系統的控制器的示意圖。
圖16繪示為用於圖11所示的控制系統的主驅動模組的示意圖。
圖17繪示為用於圖11所示的控制系統的使用者介面模組(user interface module)的示意圖。
圖18繪示為用於圖11所示的控制系統的移位致動器控制模組(shift actuator control module)的示意圖。
圖19繪示為用於圖11所示的控制系統的串列周邊介面(serial peripheral interface)的示意圖。
圖20繪示為用於圖11所示的控制系統的com介面模組(com interface module)的示意圖。
圖21繪示為用於圖11所示的控制系統的動力監視器模組(power monitor module)的示意圖。
圖22繪示為用於圖1所示的驅動系統的控制系統的方塊圖。
圖23繪示為用於圖1所示的驅動系統的另一控制系統的一個實施例的方塊圖。
圖24繪示為用於圖1所示的驅動系統的另一控制系統的一個實施例的方塊圖。
圖25繪示為用於圖1所示的驅動系統的另一控制系統的一個實施例的方塊圖。
圖25A繪示為用於圖1所示的驅動系統的另一控制系統的一個實施例的方塊圖。
圖26繪示為用於圖1所示的驅動系統的另一控制系統的一個實施例的方塊圖。
圖27繪示為用於圖1所示的驅動系統的控制過程(control process)的一個實施例的流程圖。
圖28繪示為用於圖27所示的過程的傳動及/或原動機控制子過程(subprocess)的流程圖。
圖29繪示為用於圖28所示的子過程的傳動控制子過程的流程圖。
圖30繪示為用於決定CVT的速率比的子過程的流程圖，此子過程可以用於圖29所示的傳動控制子過程。
圖31繪示為用於控制CVT的移位致動器的子過程的流程圖，此子過程可以用於圖29所示的傳動控制子過程。
圖32繪示為用於圖30的子處理的CVT的速率比對車輛速度的查詢表的圖表，此查詢表決定CVT的速率比。
圖33-1至圖33-4繪示為導出圖32所示的圖表用的資料表。
圖34繪示為用於本發明的控制系統的CVT的橫截面圖。
圖35繪示為用於本發明的控制系統以及方法的CVT的移位機制的橫截面圖。
圖36繪示為用於調整CVT的速率比的CVT變速器機制(variator mechanism)的橫截面圖，此CVT變速器機制可以採用圖35所示的移位機制。
圖37繪示為球形行星式(ball planetary)CVT的某種運動關係(kinematic relationships)的示意圖。
圖38繪示為當配置有CVT以及固定比率驅動時傳遞至EV的車輪的動力位準的資料的圖表。
圖39繪示為當配置有CVT以及固定比率驅動時EV的扭矩對速度的關係(torque versus speed relationship)的資料的圖表。
圖40繪示為用於本發明的EV動力傳動系統的示例控制器的透視圖。
圖41繪示為圖40所示的控制器的某些組件的分解透視圖。
圖42繪示為圖40所示的控制器的某些組件的部分橫截面圖。
圖43繪示為配置為用於圖40所示的控制器的致動器控制電路板以及驅動電動機控制電路板的分解組件圖。
10‧‧‧驅動系統
12‧‧‧原動機
14‧‧‧連續性變速傳動器
16‧‧‧負載
18‧‧‧控制系統

Claims (27)

  1. 一種驅動系統，包括：連續性變速傳動器，具有多個球形行星，所述球形行星呈放射狀地配置在所述傳動器的縱軸的周圍；以及耦接至所述連續性變速傳動器的控制系統，所述控制系統包括：耦接至所述連續性變速傳動器的機械致動器；配置為與所述機械致動器進行電性通信的控制器，所述控制器還被配置為對所述連續性變速傳動器提供多個操作模式且至少一部分基於一被選擇的操作模式及指出傳動速率比以及車輛速度而控制所述機械致動器；配置為與所述控制器進行電性通信的資料顯示器，透過所述資料顯示器所述被選擇的操作模式可以藉由所述連續性變速傳動器的使用者來選擇；以及耦接至所述控制器的多個感測器，所述多個感測器包括被配置為提供車輛速度資料的感測器，所述多個感測器更包括被配置為提供有關所述連續性變速傳動器的傳動速率比的資料的感測器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動系統，其中所述被配置為提供車輛速度資料的感測器包括車輛速度感測器，所述被配置為提供有關所述連續性變速傳動器的傳動速率比的資料的感測器包括傳動速率比感測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之驅動系統，其中所述多個感測器包括被配置為提供有關電池電壓的資料的感測 器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之驅動系統，其中所述多個感測器包括被配置為提供有關施加到電力驅動電動機的電流位準的資料的感測器。
  5. 一種用於連續性變速傳動器的控制系統，所述控制系統包括：控制器，所述控制器被配置為提供用於連續性變速傳動器的多個操作模式；使用者介面，通信地耦接至所述控制器，該些操作模式可以透過所述使用者介面藉由所述連續性變速傳動器的使用者來選擇；致動器電動機，耦接至所述連續性變速傳動器以及與所述控制器進行電性通信；驅動電動機，耦接至所述連續性變速傳動器以及與所述控制器進行電性通信，所述控制器被配置為提供電流至所述驅動電動機有關從該些操作模式中被選擇出的一操作模式；以及致動器位置感測器，耦接至所述致動器電動機以及與所述控制器進行電性通信，其中所述致動器位置感測器被配置為提供所述連續性變速傳動器的傳動速率比的指示。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之用於連續性變速傳動器的控制系統，其中所述操作模式包括經濟模式以及性能模式。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之用於連續性變速傳動 器的控制系統，其中所述操作模式包括登山模式。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之用於連續性變速傳動器的控制系統，其中所述控制器被配置為提供所述電流至所述驅動電動機還基於電池電壓。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之用於連續性變速傳動器的控制系統，其中所述控制器被配置為提供所述電流至所述驅動電動機還基於節流位置。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之用於連續性變速傳動器的控制系統，其中所述控制器被配置為提供所述電流至所述驅動電動機還基於與所述驅動電動機的效率對電流牽引有關的資料。
  11. 一種用於具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，所述控制系統包括：控制器，其具有微控制器、隨機存取記憶體以及快閃記憶體，所述控制器可操作的去對所述連續性變速傳動器提供多個操作模式，該些操作模式可以被所述連續性變速傳動器的使用者選擇；動力控制模組，配置為與動力源以及所述控制器進行電性通信，所述動力控制模組用於調節電壓；通信介面，操作時耦接至所述動力控制模組以及所述控制器，所述通信介面被配置為連接至外部程式化硬體或資料獲取硬體；主驅動模組，被配置為與所述控制器進行通信，所述主驅動模組還被配置為對施加到所述驅動電動機的電力進 行調變；以及致動器控制模組，被配置為與所述控制器進行通信，以及所述致動器控制模組操作時耦接至所述連續性變速傳動器。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之用於具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，還包括測試介面，所述測試介面操作時耦接至所述動力控制模組以及所述控制器，所述測試介面被配置為存取所述微控制器、所述隨機存取記憶體以及所述快閃記憶體。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之用於具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，還包括使用者介面，所述使用者介面被配置為與所述控制器進行通信，其中該些操作模式透過所述使用者介面呈現給所述使用者。
  14. 一種用於具有連續性變速傳動器、致動器電動機以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，所述控制系統包括：使用者介面，用以呈現多個操作模式給使用者且接收有關一操作模式的指令；傳動控制器模組，配置為至少一部分基於所述使用者所選擇的所述操作模式與所述致動器電動機進行通信；驅動電動機控制器模組，配置為至少一部分基於所述使用者所選擇的所述操作模式與所述傳動控制器模組以及所述驅動電動機進行通信； 節流位置感測器，配置為至少一部分基於所述使用者所選擇的所述操作模式與所述傳動控制器進行通信；制動截止開關，配置為與所述驅動電動機控制器進行通信；車輪速度感測器，配置為與所述傳動控制器進行通信；以及致動器位置感測器，配置為與所述傳動控制器進行通信。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之用於具有連續性變速傳動器、致動器電動機以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，其中所述驅動電動機控制器模組配置為至少一部分基於所述使用者所選擇的所述操作模式調變一施加到所述驅動電動機的電流位準。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之用於具有連續性變速傳動器、致動器電動機以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，其中至少一部分基於所述節流位置感測器的訊號以決定所述電流位準。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之用於具有連續性變速傳動器、致動器電動機以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，其中至少一部分基於所述致動器位置感測器的訊號以決定所述電流位準。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之用於具有連續性變速傳動器、致動器電動機以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，其中至少一部分基於所述車輪速度感測器的 訊號以決定所述電流位準。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之用於具有連續性變速傳動器、致動器電動機以及驅動電動機的動力傳動系統的控制系統，其中所述傳動控制器模組配置為，至少一部分基於所述致動器位置感測器的訊號以控制所述致動器電動機。
  20. 一種控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法，所述方法包括：經由一使用者介面裝置接收有關多個操作模式中的一操作模式的指令；感測一車輪速度以及電池電壓；至少一部分基於所述被選擇的操作模式、所述已感測的車輛速度以及電池電壓，以決定所述連續性變速傳動器的最佳傳動速率比；以及至少一部分基於所述最佳傳動速率比，以命令所述連續性變速傳動器的移位致動器。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法，其中所述動力傳動系統包括耦接至所述連續性變速傳動器的致動器電動機，其中所述方法包括至少一部分基於所述被選擇的操作模式，控制器配置為與所述致動器電動機以及所述驅動電動機進行通信。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法， 還包括感測一節流位置、所述連續性變速傳動器的速率比、驅動電動機速度、驅動電動機動力以及電池動力。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法，還包括所述控制器基於所述被選擇的操作模式、所述已感測的節流位置、驅動電動機速度以及驅動電動機動力以決定最佳驅動電動機速度。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法，還包括所述控制器基於所述被選擇的操作模式、所述已感測的節流位置、驅動電動機速度以及驅動電動機動力以決定最佳驅動電動機動力。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法，還包括至少一部分基於所述已感測的節流位置、所述速率比、所述驅動電動機速度以及所述驅動電動機動力以決定所述連續性變速傳動器的最佳傳動速率比。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法，還包括基於所述已感測的驅動電動機動力以及電池動力以決定電池使用。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之控制具有連續性變速傳動器以及驅動電動機的車輛的動力傳動系統的方法，還包括基於所述最佳驅動電動機速度以及所述電池使用以命令所述驅動電動機。
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