TWI586559B

TWI586559B - 雙無段變速器式車輛動力混合系統

Info

Publication number: TWI586559B
Application number: TW103138499A
Authority: TW
Inventors: 尤正吉; 李育維; 邱麒勳
Original assignee: 國立臺北科技大學
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2017-06-11
Also published as: TW201617242A

Description

雙無段變速器式車輛動力混合系統

本發明涉及混合動力車輛(Hybrid Electric Vehicle,HEV)的技術應用，特別有關一種設有離合器及雙無段變速器之車輛動力混合系統。

隨著科技的進步與時代的演進，車輛已成為你我生活中不可或缺的交通工具，車輛之主要動力源從遠古的獸役拖動演進到近來的內燃機，但內燃機所消耗之石油存量已逐漸消耗減少中，導致油價的攀升；又內燃機所排放的氣體，如CO、CO ₂及NO _X皆造成環境的破壞與人們健康的損害，因此隨著經濟與環保意識的抬頭，人們逐漸的重新思索著新的車輛動力源，於是有人提出電動車的概念。

電動車所需要的電力來源可由許多方式所取得，如天然氣發電、風力發電、水力發電、太陽能發電等利用再生能源發電，且電動車在行駛當中不會排放廢氣，故電動車被視為現今車輛的終極目標。但是以現今科技來說電動車仍有許多問題需要改善，如續航力差、電池價格貴、電池充電時間長等技術瓶頸，因此為了保有電動車的優點且改善其現有缺點，創造出所謂的混合動力車輛(HEV)。混合動力車輛是由傳統內燃機車輛進入純電動車所衍生出來的過渡方法，但其重要性絕對不亞於內燃機車輛與電動車輛。

混合動力車可提升燃油消耗率與降低車輛排放廢氣對環境的污染，為現今內燃機車輛與純電力車輛於過渡期間之最佳解決方案，坊間各家車廠都在致力於這方面之研究，例如TOYOTA、GM、HONDA等車款，其中TOYOTA Prius與GM Volt皆使用行星齒輪機構作為內燃機、驅動馬達與發電機之動力整合機構，為串/並聯式混合動力系統(如圖1a及圖1b所示)。其中：圖1a為美國專利第6155364號專利案中揭露出TOYOTA Prius車款的動力整合機構，其引擎E1連接行星架P1，馬達發電機G1連接太陽輪S1，驅動馬達M1則和環齒輪R1及輸出軸A1連結，以構成一不使用離合器且具單一模式(Mode)之Input-Split Type(減速機構置放於動力輸入端)串並聯式混合動力系統。

圖1b為美國專利第7867124號專利案中揭露出GM Volt車款的動力整合機構，其引擎E2先利用離合器C3與馬達發電機G2連結，再藉由離合器C2與環齒輪R2連結，離合器C1則作為環齒輪R2轉動與否之控制裝置，驅動馬達M2連接太陽輪S2，行星架P2則和輸出軸A2連結，組成一使用三個離合器C1、C2、C3且具四種操作模式之Output-Split Type(減速機構置放於動力輸出端)增程式混合動力系統；其四種操作模式包括(配合表一所示)：

(一)單馬達電動模式：離合器C1作用，環齒輪R2固定，驅動馬達M2之動力由太陽輪S2輸入，並以大減速之方式由行星架P2輸出。

(二)雙馬達電動模式：離合器C2作用，馬達發電機G2之動力由環齒輪R2輸入，提供輸出軸額外的動力，同時調整(降低)太陽輪S2上之驅動馬達M2轉速。

(三)單馬達增程電動模式：離合器C1和離合器C3作用，動力輸出狀況和上述模式一相同，但引擎E2帶動馬達發電機G2發電，為增程模式。

(四)動力混合增程模式：離合器C2和離合器C3作用，引擎E2之動力由環齒輪R2輸入，驅動馬達M2之動力則由太陽輪S2輸入，引擎E2並帶動馬達發電機G2發電，為增程模式。

圖1a所揭的TOYOTA Prius應用具運動二自由度特性之行星齒輪作為動力整合裝置，並藉由發電機轉速之控制連續調整系統的輸出，形成TOYOTA HEV特有之電子式連續無段變速裝置(Electronic Continuously Variable Transmission,E-CVT)，相對於其他HEV仍需搭配變速箱的使用，如Honda Insight使用之機械式連續無段變速裝置CVT、VW使用之DSG(Direct Shift Gearbox)雙離合器自手排變速箱等，行星齒輪裝置同時結合了動力整合與連續變速之功能，使整個HEV傳動系統之尺寸與重量大幅減少。

行星齒輪機構雖然具備動力整合與連續變速之功能，但仍存在結構上之缺點與應用上之限制。以圖1a所揭的TOYOTA Prius為例，和環齒輪及輸出軸直接連結之馬達不僅須提供車子起步和低速時之大扭力，在車子高速行駛需要大功率時也必須提供輔助動力，亦即馬達需同時具備低速大扭力及高速運轉等功能，一般而言，具低速大扭力特性之馬達於高速運轉時之效率偏低，這是單模式行星齒輪動力整合裝置結構上之缺點。而用來控制系統輸出之馬達發電機亦有轉速上之限制(避免高速運轉時軸承燒掉)，同樣降低了單一行星齒輪動力整合之效果。

進一步的說，圖1a所揭的TOYOTA Prius之動力整合裝置在正常操作狀態下，引擎產生之機械動力部分分流至發電機產生電力，此電力再藉由馬達轉換成機械能，合併部分引擎動力後一起帶動車輛。但在某些狀態下(如車子高速行駛且引擎低速運轉時)，電氣系統之功率流(Power Flow)可能出現逆流的現象，此係因為引擎低速運轉時，為了符合車輛高速行駛的需求，發電機轉速須控制在逆轉(假設發電時為正轉)，配合引擎輸入之扭力，使馬達發電機轉變為馬達，產生之動力注入行星齒輪；此時若車輛行駛所需之動力不大，則部份動力再回流至驅動馬達進行發電，使驅動馬達之功能轉變為馬達發電機，產生之電力則再送回馬達發電機，此時二電機之功能互換。此種動力流有別於動力整合裝置之正常循環，能量之轉換僅用來進行電氣系統之內部循環，非為驅動車輛之所需，造成不必要之能量損失。

圖1b揭示GM Volt引擎系統雖巧妙利用離合器之配置，於雙馬達電動模式下，藉由環齒輪上之馬達發電機降低驅動馬達的轉速，但是輸入扭力互相干涉下，動力輸出會取決於二輸入源之較小值，動力合成效果受限，且各動力構件為互為連動，若其中一構件故障則整組行星齒輪機構就無法作動。

有鑑於此，本發明捨棄了傳統車輛動力混合系統中所搭載的行星齒輪機構，進而提供一種設有離合器之雙無段變速器式車輛動力混合系統，來解決輸入扭力互相干涉而造成動力合成效果受限的問題。

本發明提供之設有離合器與雙無段變速器之車輛動力混合系統，其技術手段包括：兩組無段變速器CVT1、CVT2；一馬達M，連結驅動該無段變速器CVT1；一馬達發電機G，分別連結該無段變速器CVT2及一引擎E，進而驅動該無段變速器CVT2；其中，馬達發電機G與無段變速器CVT2之間經由一離合器Cb而相互串接，所述兩組無段變速器CVT1、CVT2相互並接一傳動輪組W，該傳動輪組W傳遞動力至一動力需求端O。

在進一步實施上，還包括：所述兩組無段變速器CVT1、CVT2分別具有一動力輸出端CVT1'、CVT2'及一動力輸入端CVT1"、CVT2"，馬達M係串接無段變速器CVT1的動力輸入端CVT1"，該離合器Cb係串接於無段變速器CVT2的動力輸入端CVT2"與馬達發電機G之間，且兩組無段變速器CVT1、CVT2係經其動力輸出端CVT1'及CVT"而相互並接。

所述馬達M係經由一離合器Ca而串接無段變速器CVT1的動力輸入端CVT1"。馬達發電機G經由一離合器Cc而和引擎E相串接。馬達M與馬達發電機G分別電性連接一電池B。

根據上述技術手段，本發明所能產生的技術功效在於：利用兩組無段變速器CVT1、CVT2搭配一至三組離合器連結引擎E、馬達M及馬達發電機G輸出動力至車輛動力需求端O，可有效排除輸入扭力互相干涉現象，提升動力合成效果，並且可以滿足下列需求：

1.當附予馬達啟動電流的作動控制時，僅需使用單一組離合器Cb的配置，即可實現一般混合動力系統的功能；若忽略雙馬達(指馬達及馬達發電機)驅動模式，則使用單一離合器Cb亦可實現增程式混合動力系統的功能。

2.使用二組離合器Ca及Cb的配置，可滿足一般混合動力系統(HEV，例如Toyota Prius車款)的需求；若使用離合器Cb與Cc，則可滿足增程式混合動力系統(E-HEV，例如GM Volt)的需求。

3.使用三組離合器Ca、Cb及Cc的配置，可滿足所有串、並聯式混合動力系統的要求。

以上所述之方法與裝置之技術手段及其產生效能的具體實施細節，請參照下列實施例及圖式加以說明。

CVT1、CVT2‧‧‧無段變速器

CVT1'、CVT2'‧‧‧動力輸出端

CVT1"、CVT2"‧‧‧動力輸入端

Ca、Cb、Cc‧‧‧離合器

E‧‧‧引擎

M‧‧‧馬達

G‧‧‧馬達發電機

W‧‧‧傳動輪組

O‧‧‧動力需求端O

B‧‧‧電池

圖1a及圖1b揭露兩款傳統行星齒輪式混合動力系統的結構配置圖。

圖2是本發明使用三組離合器之第一實施例的系統配置示意圖。

圖3是圖2三組離合器之第二實施例的系統配置示意圖。

圖4是圖2三組離合器之第三實施例的系統配置示意圖。

圖5是圖2三組離合器之第四實施例的系統配置示意圖。

圖6a至圖6e分別是圖2實施例的操作模式示意圖。

圖7是本發明使用二組離合器之第一實施例的系統配置示意圖。

圖8是本發明使用一組離合器的系統配置示意圖。

圖9是本發明使用二組離合器之第二實施例的系統配置示意圖。

為了詳細說明本發明所提供的，設有離合器之雙無段變速式(Continuously Variable Transmission,CVT)車輛動力混合系統的配置架構；首先，請參閱圖2，揭露本發明第一種實施例之系統配置示意圖，說明本發明包括：兩組無段變速器CVT1、CVT2，三組離合器Ca、Cb、Cc，一組內燃機引擎E、一組驅動馬達M與一組馬達發電機G。

其中，所述三組離合器Ca、Cb、Cc可為機械式或電磁式離合器，兩組無段變速器CVT1、CVT2可為傳統機械式或電控式無段變速器，且兩組無段變速器CVT1、CVT2係相互並接一傳動輪組W，該傳動輪組W可傳遞動力至車輛動力需求端O。其中所述相互並接，意旨任一組無段變速器CVT1或CVT2均可獨自的傳遞動力至傳動輪組W，當然也包括兩組無段變速器CVT1、CVT2一起傳遞動力至傳動輪組W。

第一組無段變速器CVT1經由離合器Ca而連接驅動馬達M，第二組無段變速器CVT2經由離合器Cb而連接馬達發電機G。進一步的說，第一組無段變速器CVT1具有動力輸出端CVT1'及動力輸入端CVT1"；同樣的，第二組無段變速器CVT2也具有動力輸出端CVT2'及動力輸入端CVT2"；其中，離合器Ca是串接於無段變速器CVT1的動力輸入端CVT1"與驅動馬達M之間，離合器Cb是串接於無段變速器CVT2的動力輸入端CVT2"與馬達發電機G之間，且兩組無段變速器係經其動力輸出端CVT1'及CVT2"而相互並接。再者，馬達發電機G經由離合器Cc而串接引擎E；依此，使得馬達發電機G經由串聯式佈置的離合器Cb及離合器Cc而分別串接於無段變速器CVT2與引擎E之間；此外，驅動馬達M與馬達發電機G分別和一電池B電性連接。

藉由圖2所示的三組離合器Ca、Cb、Cc的配置架構，可發展出如表二所示的八種不同切換的操作模式，包括並聯式、串聯式及串並聯式等相異的混合動力系統型態。

其中，「○」表示離合器接合，「×」表示離合器切離，「-」表示離合器之離合狀態並不影響系統之操作。

請參閱圖3，揭露本發明第二種實施例之系統配置示意圖，說明將圖2中用於離合無段變速器CVT2與馬達發電機G之間動力的離合器Cb，變更配置於無段變速器CVT2 與車輛動力需求端O之間；進一步的說，使離合器Cb介設於該無段變速器CVT2的動力輸出端CVT2'與傳動輪組W之間。其中，無段變速器CVT2的動力輸入端CVT2"在捨棄離合器Cb之後，係直接軸接馬達發電機G的動力，如此實施，能和圖2產生相同於表二的操作模式。

請參閱圖4，揭露本發明第三種實施例之系統配置示意圖，說明將圖2中用於離合馬達M與無段變速器CVT1之間動力的離合器Ca，變更配置於無段變速器CVT1與車輛動力需求端O之間，進一步的說，使離合器Ca介設於該無段變速器CVT1的動力輸出端CVT1'與傳動輪組W之間。其中，無段變速器CVT1的動力輸入端CVT1"在捨棄離合器Ca之後，係直接軸接馬達M的動力，如此實施，能和圖2及圖3產生相同於表二的操作模式。

請參閱圖5，揭露本發明第四種實施例之系統配置示意圖，說明整合圖3及圖4中的配置，亦即使圖2中的離合器Ca變更配置於圖4所示的無段變速器CVT1與車輛動力需求端O之間；進一步的說，離合器Ca是介設於該無段變速器CVT1的動力輸出端CVT1'與傳動輪組W之間；同時，並使圖2中的離合器Cb變更配置於圖3所示的無段變速器CVT2與車輛動力需求端O之間；進一步的說，離合器Cb是介設於無段變速器CVT2的動力輸出端CVT2'與傳動輪組W之間。依此，使圖5所示實施例能和圖2、圖3及圖4產生相同於表二的操作模式。

在實施上述表二所示的混合動力模式時，各構件之間的轉速和扭力關係可表示如式(1)，使其具備二輸入軸轉速、二輸入軸扭力可控之特性，其中ω_e、ω_m和ω_O分別為引擎、馬達和輸出軸的轉速，T _e、T _m、T _g、T _O分別為引擎輸出、馬達輸出以及作用在馬達發電機與輸出軸上的扭力，n ₁、n ₂分別為無段變速器CVT1與無段變速器CVT2之減速比。

藉由上述兩組無段變速器CVT1、CVT2的控制，可以依式(1)所描述，調合引擎E和馬達M的轉速並合成引擎E和馬達M的扭力，而不會滋生傳統行星齒輪裝置在雙動力源輸入時所發生的干涉現象。

接著，以圖2所示配置為例，進一步參閱圖6a至圖6e所示的操作示意圖，其中「-．．-線」表示動力供應路徑，「-----線」表示電力供應或回充路徑，如圖所示，進一步說明表二的操作模式如下：如圖6a所示，說明表二的模式1中，離合器Ca接合而離合器Cb及Cc切離，可由電池B供電馬達M而驅動車輛純電行駛；在模式2中，離合器Cb接合而離合器Ca及Cc切離，可改由電池B供電馬達發電機G而驅動車輛純電行駛；再者，在模式4狀態，亦可由電池B供電馬達M及馬達發電機G，而同時驅動車輛純電行駛。

如圖6b所示，說明在模式5狀態，電池B供應馬達M或馬達發電機G的電力不足，可改由引擎E供應動力而驅動車輛行駛(即純引擎行駛模式)；此狀態下，引擎E可同時驅動馬達發電機G對電池B充電。

如圖6d所示，說明在模式6狀態，引擎E驅動馬達發電機G發電以供應電池B電力，電池B並供電馬達M而驅動車輛行駛。

如圖6c所示，說明在模式7狀態，引擎E提供驅動車輛的動力，並驅動馬達發電機G發電供應電池B電力，同時電池B供電馬達M提供驅動車輛動力，以形成混合動力模式。

如圖6d所示，可附加說明在模式3狀態，引擎E怠速運轉，可驅動馬達發電機G怠速發電，並對電池B充電。

如圖6e所示，說明遇及車輛煞車時，模式1、6、7之任一狀態，馬達M可回充電力至電池B蓄存；模式2狀態，馬達發電機G可回充電力至電池B蓄存；再者，在模式4狀態，亦可由電馬達M及馬達發電機G同時回充電力至電池B蓄存。

附帶說明的是，例如模式3之離合器Ca及模式8之所有離合器Ca、Cb、Cc，在當車子靜止時，該等離合器之離合狀態並不影響系統之操作。此外，由於離合器Cb和離合器Cc為串聯式配置，在同時須斷開之狀態下(如模式1)，離合器Cc之離合狀態並不影響系統之操作。

請續參閱表三，說明在上述表二所列出的模式1至模式8之中，模式1、3、5、7四種操作模式下，引擎E皆不需使用離合器Cc和馬達發電機G切離，因此，在實施上，本發明可以省略圖1至圖5中所示離合器Cc之使用，而形成只需使用二組離合器Ca及Cb之雙無段變速器式車輛動力混合系統(如圖7所示)。

其中「○」表示離合器接合，「×」表示離合器切離，「-」表示離合器之離合狀態並不影響系統之操作。表三中特別值得一提的是，當離合器(Cb)接合且離合器(Ca)切離時，仍可提供純引擎行駛模式(模式5)。

此外，依通常知識可知，一般可管制馬達電流的輸入與否，來控制馬達M的作動及不作動；依此，本發明在實施上亦可捨棄離合器Ca不用，而形成只應用單一組離合器Cb之雙無段變速器串並聯式車輛動力混合系統(如圖8所示)。請一併參閱表四，說明單離合器Cb應用下之四種操作模式。

其中「○」表示離合器接合，「×」表示離合器切離，「-」表示離合器之離合狀態並不影響系統之操作。由表四可知，可藉由電流控制馬達M的作動及不作動，而取代表三中離合器Ca的配置，換言之，表四中當馬達(M)切斷電流的輸入而不作動時，可提供純引擎行駛模式(即模式5)。

另外，相較於傳統增程式混合動力系統(例如GM Volt車款)，由於是在行星齒輪構件或系統元件間加裝離合器，因此可以產生傳統行星齒輪式混合動力系統(例如Toyota Prius車款)所無法形成的串聯式操作，並降低馬達的轉速，但是，傳統增程式混合動力系統提供所謂的雙馬達驅動模式(即藉由環齒輪上之馬達發電機降低驅動馬達的轉速)，易迫使各自的輸入扭力之間造成互相干涉，而使得動力合成效果受限。相較於本發明，採用兩組無段變速器CVT1、CVT2，根據上述式(1)來調合引擎E和馬達M的轉速，並合成引擎E和馬達M的扭力，因此不會在雙動力源輸入時發生干涉現象。

進一步的說，相較於傳統增程式混合動力系統，本發明亦具備增程動力混合的五種操作模式(如表五所示)；請回復參閱圖6，其中由圖6a可知電池B可供電啟動單馬達M、或同時驅動馬達發電機G與馬達M，因此圖6a可供實施單馬達M電動模式、或由馬達發電機G與馬達M共同驅動之雙電動模式；由圖6d中可進一步確知本發明可實施串接式混合動力的單馬達增程模式，即當引擎E單獨驅動馬達發電機G運轉而不將動力傳遞至無段變速器CVT2時，馬達發電機G持續發電蓄存於電池B，使電池B可持續供電啟動馬達M輸出動力。此外，圖6c所示可提供混合動力增程模式，而怠速充電及煞車回充則依序參照圖6d及圖6e所示，其細節參照上述，而不再贅述。

其中「○」表示離合器接合，「×」表示離合器切離，「-」表示離合器之離合狀態並不影響系統之操作。

根據上述，本發明相較於傳統配置有行星齒輪的動力整合系統(例如Toyota Prius車款)，當傳統行星齒輪式引擎一旦運轉，部分動力定會藉由行星齒輪傳遞到車輪，整個系統無法形成串聯式操作，亦即引擎運轉時無法將所有動力用來帶動發電機發電，再利用電力驅動馬達而帶動車輛，反觀本發明上述創作，則無此顧忌。

由表五中可得知，任何操作狀態下馬達M皆不需利用離合器Ca和輸出軸切離，因此可省略離合器Ca之使用，而形成如圖9所示只使用二組離合器Cb及Cc之雙無段變速器式增程混合動力系統，並執行五種操作模式如表六所示：

為了降低馬達之轉速及減少馬達的損耗，傳統增程式混合動力系統(例如GM Volt)提供所謂的雙馬達驅動模式，但本發明已配置兩組無段變速器CVT1、CVT2來調節馬達轉速，因此不需應用雙馬達驅動模式。基於此因，本發明可從表六中得知，若剔除模式4，於任何操作狀態下引擎皆不須利用離合器Cc和發電機切離，因此可省略離合器Cc之使用，形成如圖9所示的僅使用一組離合器之雙無段變速器式增程動力混合系統，其四種操作模式如表七所示。

其中「○」表示離合器接合，「×」表示離合器切離，「-」表示離合器之離合狀態並不影響系統之操作。因此，表七中當離合器(Cb)切離時，可提供單馬達純電行駛、怠速發電與串聯式增程的操作模式，當離合器(Cb)接合時，可提供動力混合模式。

綜上所述，本發明利用兩組無段變速器CVT1、CVT2搭配三組離合器連結引擎E、馬達M及馬達發電機G輸出動力至車輛動力需求端O，可以滿足所有串、並聯式混合動力系統的要求。本發明若僅搭配二組離合器Ca及Cb使用，亦可滿足一般混合動力系統(HEV，如Toyota Prius)的需求；若使用離合器Cb與離合器Cc，則可滿足增程式混合動力系統(EREV，例如GM Volt)的需求。若再配合馬達啟動電流的作動控制，則僅需使用一組離合器Cb，即可實現一般混合動力系統的功能；若忽略雙馬達驅動模式，僅使用離合器Cb亦可實現增程式混合動力系統的功能。

然而，以上實施例僅為表達了本發明的較佳實施方式，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。因此，本發明應以申請專利範圍中限定的請求項內容為準。