CN101011932A - 混合动力车辆 - Google Patents

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CN101011932A CNA200610138054XA CN200610138054A CN101011932A CN 101011932 A CN101011932 A CN 101011932A CN A200610138054X A CNA200610138054X A CN A200610138054XA CN 200610138054 A CN200610138054 A CN 200610138054A CN 101011932 A CN101011932 A CN 101011932A
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Abstract

混合动力车辆(1)具有一对驱动轮(3)；具有驱动轴(6)的燃烧发动机(5)；具有机械连接到燃烧发动机(5)驱动轴(6)的第一轴(7)的第一电动马达发电机(8)；具有第二轴(10)的第二电动马达发动机(11)；和电连接到两个电动马达发电机(8，11)并具有存储装置(15)的电源装置(14)；第一电动马达发电机(8)的第一轴(7)的一端连接到燃烧发动机(5)的驱动轴(6)，且相对端以固定的，不可调整的速比连接到驱动轮(3)。

Description

混合动力车辆
技术领域
本发明涉及混合动力车辆(hybrid-drive vehicle)。
背景技术
混合动力车辆是具有至少一个燃烧发动机(通常为内燃机)和至少一个电动马达的车辆，且通常可仅用电动马达(低性能和续航力，但是零污染物排放)行驶，仅使用燃烧发动机(高性能和续航力)，但有显著的污染物排放)行驶，或使用两者行驶。
公知的混合动力车辆以“并联”模式操作，其中内燃机机械连接到可逆电机(reversible electric machine)，并连接到驱动轮，从而直接传输驱动扭矩至驱动轮。当内燃机直接传输驱动扭矩至驱动轮时，可逆电机可关闭，并可作为发电机工作从而给存储装置充电，或可以作为马达工作(短时间段内)从而为高性能加速提供额外动力(赛车模式(racing mode)中最大性能)。
然而，“并联”模式混合车辆要求燃烧发动机和驱动轮之间具有机械或电动机械的速比改变***(velocity ratio variation system)，这意味着要增加轴尺寸，使构造复杂，并在调档(shifting gear)时可导致不连续驱动扭矩传输至驱动轮。“并联”模式混合车辆通常也要求额外电机来启动内燃机。
工作在“串联”模式的混合车辆也是公知的，其中内燃机机械连接到第一可逆电机，而驱动轮机械连接到第二可逆电机，该第二电机电连接到第一可逆电机。在实际使用中，燃烧发动机驱动第一可逆电机，第一可逆电机产生电能驱动第二可逆电机并因此传输驱动扭矩至驱动轮。
在该情形中，由于燃烧发动机和驱动轮从不机械连接，所以在燃烧发动机和驱动轮之间不需要速比改变***。另一方面，在某些操作点，“串联”模式混合车辆的效率由于从机械到电和从电到机械的双能量转换而削弱。
一个混合车辆的例子在专利申请WO0063041A1中描述，其中混合动力***包括内燃机，其具有驱动轴，该驱动轴连接到汽车变速箱的输入轴，并且当中设置有第一离合器；第一电动马达的轴永久连接到汽车变速箱的输入轴；且第二电动马达的轴连接到驱动轴，当中设置有第二离合器。
US6380640B1揭示一种控制功率输出设备的方法，该设备包括发动机，驱动轴，第一和第二电动马达和连接装置。当混合车辆从静止启动时，ECU仅通过一个电动马达操作从而以EV模式行驶车辆；当驱动轴的操作点超过将低档(underdrive)区域和超速档(overdrive)区域分开的边界，并进入超速档区域时，燃料开始供应到发动机以便启动发动机，且对连接装置进行控制以便第二电动马达的转轴(rotary shaft)的连接从第一连接状态切换到第二连接状态，在该第一连接状态中转轴与驱动轴连接，在该第二连接状态中转轴与发动机的输出轴连接。切换后，利用发动机和第一及第二电动马达，ECU操作从而以HV模式行驶车辆。
发明内容
本发明的目的是提供混合动力车辆，其被设计来消除前述缺陷，并便宜并易于制造。
按照本发明，提供了混合动力车辆，其包括：
至少一对驱动轮；
具有驱动轴的燃烧发动机；
具有第一固定定子和单个第一转轴的第一电机，所述第一转轴一端连接到燃烧发动机的驱动轴，并在相对端通过机械连接的装置以固定的，不可调整的速比可脱开地连接到驱动轮；
电连接到两个电机并具有存储装置的电源装置；和
第一离合器，其插置在第一电机的第一轴和连接装置之间，用于将第一电机从驱动轮上脱开，并安装在第一电机的第一轴和连接装置之间；
混合动力车辆特征在于包括第二电机，其具有固定的第二定子和单个第二转轴，其以固定的不可调整速比永久连接到驱动轮。
附图说明
本发明非限制性实施例将通过例子参考附图说明，其中：
图1示出按照本发明的混合动力车辆的示意图；
图2示出图1中车辆传动***的操作的曲线图，该曲线图是驱动轮处驱动扭矩的函数和车辆速度的函数。
具体实施方式
图1中数字1指示混合动力车辆整体，其包括用于经差速器(differential)4施加驱动扭矩至两个驱动轮3的传动***2。
传动***2包括燃烧发动机5(具体地，是内燃机或ICE)，其具有轴6，该轴经由离合器(CL)9限定的分离***(decouplingsystem)机械连接到可逆电动马达发电机(EMG)8的轴7。可逆电动马达发电机8的轴7又经由离合器12限定的分离***机械连接到可逆电动马达发电机(EMG)11的轴10。换句话说，可逆电动马达发电机8位于燃烧发电机5和可逆电动马达发电机11之间，可逆电动马达发电机8的轴7一端装配在离合器9上，而校对端装配在离合器12上。
可逆电动马达发电机11的轴10以固定速比与差速器4的输入端永久连接，从而传输动力至驱动轮3。更具体地，可逆电动马达发电机11的轴10通过级联齿轮(cascade gears)13连接到差速器4的输入端。
在没有示出的可替换实施例中，消除了离合器9和12中的一个。换句话说，离合器9可消除，在该情形中，燃烧发电机5的轴6永久连接到可逆电动马达发电机8的轴7；或离合器12可以消除，在该情形中，可逆电动马达发电机8的轴7永久连接到可逆电动马达发电机11的轴10。
在可替换实施例中，电动马达发电机8和11中的一个不是可逆的。换句话说，电动马达发电机8可以是不可逆发电机，或电动马达发电机11可以是不可逆马达。
传动***2包括用于供应电能的电源装置14，该电源装置14包括电能存储装置15(通常是电池组)。在某些实施例中，电源装置14可包括发电机。可逆电动马达发电机8通过电能转换器16电连接到电源装置14，且可逆电动马达发电机11通过电能转换器17电连接到电源装置14。转换器16和17为电源装置14电连接至可逆电动马达发电机8和11而提供。
应该注意到燃烧发动机5的飞轮可以非常小甚至可以消除，这是由于在离合器9啮合时，飞轮功能由可逆电动马达发电机8的转子执行。
在没有示出的可替换实施例中，燃烧发动机5和可逆电动马达发电机8被机械连接到(如前)驱动轮3，可逆电动马达发电机11机械连接到其他(如后)驱动轮，离合器12显然可以消除。
通过调整离合器9和12的位置并操作可逆电动马达发电机8和11作为马达或发电机，车辆1可以传动***2的不同操作模式行驶。
在热操作模式中，离合器9和12接合，传动***2仅采用燃烧发电机5为驱动轮3产生驱动扭矩，同时可逆电动马达发电机8和11不再被赋能或用作发电机来给电源装置14的存储装置15充电。在短时间段内，可逆电动马达发电机8和11中至少一个可用作马达以提供额外的驱动扭矩，为了高性能的加速(赛车模式中最大性能)，该驱动扭矩增加到由燃烧发动机5发生的驱动扭矩中。在后者的情形中，当驱动轮3的驱动扭矩由燃烧发动机5和可逆电动马达发电机8和11两者提供时，***以“并联”混合模式操作。
在电动操作模式中，燃烧发动机5关闭并与驱动轮3断开(离合器9和/或离合器12释放)，且驱动轮3的驱动扭矩仅由至少一个可逆电动马达发电机8，11发生，可逆电动马达发电机8，11都由存储在电源装置14的存储装置15中的电能驱动。应该注意，当车辆1的操作条件要求高驱动扭矩(如在启动)时，离合器9使得可逆电动马达发电机8和11能够以电操作模式来为驱动轮3产生驱动扭矩。
在“串联”混合操作模式中，燃烧发动机5关闭，从驱动轮3断开(离合器9啮合而离合器12释放)，并驱动可逆电动马达发电机8，该可逆电动马达发电机8用作发电机；由可逆电动马达发电机8产生的电能被电源装置14供应到可逆电动马达发电机11，该可逆电动马达发电机11用作马达并为驱动轮3产生驱动扭矩。
在“串联”混合操作模式中，燃烧发动机5以基本恒定的速度行驶，并通过不与驱动轮3机械连接而控制在“固定最优点”；然而，在“并联”混合和热操作模式中，燃烧发动机5以可变速度行驶，并通过与驱动轮3机械连接而动态控制。使燃烧发动机以基本恒定的速度运转并将其控制在“固定最优点”，可以消除低驱动扭矩燃烧发动机的动态操作的缺陷。
在所有上述操作模式中，在减速时，可逆电动马达发电机8，11显然可用作再生性刹车(regenerative braking)的发电机。换句话说，刹车扭矩被可逆电动马达发电机8，11用来发生电能，其被存储在电源装置14的存储装置15中。显然，再生性刹车仅在电源装置14的存储装置15没有完全充电，即可存储进一步的电能的时候才是可能的。
燃烧发动机5通常通过啮合离合器9，释放离合器12启动，并使用可逆电动马达发电机8作为启动马达。当启动燃烧发动机5时，车辆1可以是静止的，或可以是移动的，由可逆电动马达发电机11驱动。
车辆1从静止状态的启动通常首先以电操作模式执行从而加速车辆1(仅用可逆电动马达发电机11，或可逆电动马达发电机8和11)至操作状态，其中燃烧发动机5产生的功率是必须的或便利的；在该点，燃烧发动机5可通过啮合离合器9，释放离合器12启动，并使用可逆电动马达发电机8作为启动马达。当启动燃烧发动机5时，由可逆电动马达发电机8发生的驱动扭矩与驱动轮3断开，并可由暂时过载的可逆电动马达发电机11补偿。
上面的操作模式是根据驾驶员的偏好选择的(例如，驾驶员在驶过有交通限制的历史城镇中心时可选择电动操作模式)；根据电源装置14的存储装置15的电量选择，和根据车辆1的行驶状态选择。显然，如果电源装置14的存储装置15耗尽，电动操作模式不再是一个选项，燃烧发动机5必须操作，且可逆电动马达发电机8，11中的至少一个必须作为发电机工作以给存储装置15充电。
一个按照车辆1的行驶状况的选择操作模式的例子在图2的曲线中示出，其中y轴示出车辆1的速度，而x轴是驱动轮3上的驱动扭矩。驱动轮3的扭矩/车辆1速度面积被划分为4个区域I-IV：区域I涉及电动操作模式；区域II涉及“串联”混合操作模式；区域III涉及“并联”混合操作模式；和区域IV涉及热操作模式。
换句话说，在低功率时，优选电动操作模式(区域I)；在中低功率时，优选“串联”混合操作模式(区域II)；在中高功率时，优选“并联”混合操作模式(区域III)；和在高功率时，优选热操作模式(区域IV)。
在优选实施例中，区域I-IV之间的边界可按照多个参数，如电源装置14的存储装置15的电量改变。
传动***2的所有操作模式总结在下面的表中，其中ICE指示燃烧发动机5，CL 9指示离合器9，CL 12指示离合器12，EMG 8指示可逆电动马达发电机8，和EMG 11指示可逆电动马达发电机11。燃烧发动机5可呈状态0，对应于燃烧发动机5关闭，或呈状态1，对应于燃烧发动机5运行。每个离合器9，12可呈状态0，对应于离合器9，12释放，或呈状态1，相应于离合器9，12啮合。每个可逆电动马达发电机8，11可呈状态-1，对应于可逆电动马达发电机8，11作为发电机而工作；呈状态0，对应于可逆电动马达发电机8，11不工作；呈状态1，对应于可逆电动马达发电机8，11在额定条件下作为马达而工作；以及呈状态2，对应于可逆电动马达发电机8，11在过载条件下作为马达而工作(在短时间段内是强制性的)。
ICE  CL9  EMG8  CL12  EMG11 描述 操作模式
0  0  0  0  -1 再生性刹车 并联混合
0  0  0  0  0 空档 -
0  0  0  0  1 电动驱动 并联混合
0  0  0  0  2 电动驱动 并联混合
0  0  -1  1  -1 再生性刹车 并联混合
0  0  -1  1  0 再生性刹车 并联混合
0  0  1  1  1 巡航 电动
0  0  1  1  2 巡航 电动
0  0  2  1  1 巡航 电动
0  0  2  1  2 巡航 电动
0  1  1  0  2 启动 -
0  1  2  0  2 冷启动 -
0  1  2  0  1 冷启动 -
0  1  1  0  1 启动 -
  1   1   1   1   1   巡航   并联混合
  1   1   -1   0   1   巡航   串联混合
  1   1   -1   0   2   巡航   串联混合
  1   1   0   1   0   巡航   热
如上所述，车辆1具有许多优点。通过不采用连接到燃烧发动机5的机械或机电速比变化***，传动***2极其紧凑，因此不仅简化***机械，而且消除控制速比变化***的必要性。应该强调，减小传动***2的轴尺寸在带有卧式燃烧发动机(transversecombustion engine)的车辆的情形中是极其重要的。
而且，传动***2可以不同的模式操作，其可选择来在任何条件下优化性能和效率。例如，在低中速度和低中扭矩时，燃烧发动机5不管车辆1速度如何，均以恒定速度操作，因此具有高效率和低水平的污染物排放(“串联”操作模式)，然而，在高速和高扭矩时，燃烧发动机5直捷供应驱动扭矩至驱动轮3，无需机械-电、电-机械功率的双转换(“并联”和热操作模式)。
在所有时间，所要求的驱动扭矩都被传输到驱动轮3，甚至没有短时间间断，因此极大提高驾驶舒适度。这是通过永久连接到驱动轮3的可逆电动马达发电机11实现的，从而保持连续的传递到地面的扭矩(ground-transmitted torque)。在某些情形(如当启动燃烧发动机5时)，可逆电动马达发电机11的过载能力也可利用。
使用两个电动马达发电机8和11使得不需要其他燃烧发动机5点火***，且对驾驶舒适度没有不利影响。

Claims (14)

1.一种混合动力车辆(1)，其包括：
至少一对驱动轮(3)；
具有驱动轴(6)的燃烧发动机(5)；
第一电机(8)，具有第一固定定子和单个第一转轴(7)，所述转轴一端连接到所述燃烧发动机(5)的驱动轴(6)，且相对端以固定的，不可调整的速比通过机械连接装置(13)可脱开地连接到所述驱动轮(3)；
电源装置(14)，电连接到两个电机(8，11)并具有存储装置(15)；和
第一离合器(12)，其置于所述第一电机(8)的第一轴(7)和所述连接装置(13)之间以将第一电机(8)的第一轴(7)与所述驱动轮(3)脱开，并安装在第一电机(8)的第一轴(7)和连接装置(13)之间；
所述混合动力车辆(1)特征在于包括第二电机(11)，所述第二电机具有固定的第二定子和单个第二转轴(10)，所述第二转轴以固定的不可调整速比永久连接到所述驱动轮(3)。
2.根据权利要求1所述的混合动力车辆(1)，其中两个电机(8，11)中的至少一个是可逆的，且可作为马达和发电机而工作。
3.根据权利要求1所述的混合动力车辆(1)，其中所述两个电机(8，11)是可逆的，并可作为马达和发电机而工作。
4.根据权利要求1所述的混合动力车辆(1)，其中所述第一电机(8)的第一轴(7)通过第一离合器(12)连接到第二电机(11)的第二轴(10)；所述连接装置(13)连接到第二电机(11)的第二轴(10)。
5.根据权利要求1所述的混合动力车辆(1)，其中所述第二离合器(9)被置于所述第一电机(8)的第一轴(7)和燃烧发动机(5)的驱动轴(6)之间，并安装在所述第一电机(8)和燃烧发动机(5)之间。
6.根据权利要求5所述的混合动力车辆(1)，其中所述燃烧发动机(5)是通过接合第二离合器(9)，释放第一离合器(12)，并使用第一电机(8)作为启动马达而启动的。
7.根据权利要求5所述的混合动力车辆(1)，在正常条件下，车辆(1)首先通过使用电动操作模式加速车辆(1)至与燃烧发动机(5)相匹配的速度，并在车辆(1)到达与燃烧发动机(5)速度相匹配的速度时，仅通过启动燃烧发动机(5)而启动。
8.根据权利要求7所述的混合动力车辆(1)，其中所述燃烧发动机(5)是通过接合所述第二离合器(9)，释放第一离合器(12)，并使用第一电机(8)作为启动马达而启动的。
9.根据权利要求8所述的混合动力车辆(1)，其中在启动所述燃烧发动机(5)时，所述第二电机(11)暂时过载，以补偿由第一电机(8)产生的驱动扭矩的欠缺。
10.根据权利要求5所述的混合动力车辆(1)，其包括：热操作模式，其中两个离合器(9，12)接合，且燃烧发动机(5)启动从而产生用于驱动轮(3)的驱动扭矩；
“并联”混合操作模式，其中两个离合器(9，12)啮合，所述燃烧发动机(5)启动以产生用于驱动轮(3)的驱动扭矩，并且两个电机(8，11)中的至少一个作为马达或发动机而工作；
电动操作模式，其中第二离合器(9)释放，燃烧发动机(5)关闭，且驱动轮(3)的驱动扭矩仅由两个电机(8，11)中的至少一个产生；
“串联”混合操作模式，其中所述第二离合器(9)接合，第一离合器(12)释放，燃烧发动机(5)启动并驱动第一电机(8)，该第一电机作为发电机而工作，而第二电机(11)作为马达而工作并产生驱动轮(3)的驱动扭矩。
11.根据权利要求10所述的混合动力车辆(1)，其中在“串联”混合操作模式中，燃烧发动机(5)以基本恒定的速度操作，并且是“固定点”控制的，然而，在“并联”混合操作模式和热操作模式中，燃烧发动机(5)以可变速度操作并且是动态控制的。
12.根据权利要求10所述的混合动力车辆(1)，其中操作模式是按照驾驶员偏好，按照电源装置(14)的存储装置(15)的电量，以及按照所述车辆(1)的行驶特征选择的。
13.根据权利要求12所述的混合动力车辆(1)，其中电操作模式在低功率时是优选的，“串联”混合操作模式在中低功率时是优选的，“并联”混合操作模式在中高功率时是优选的，而热操作模式在高功率时是优选的。
14.根据权利要求1所述的混合动力车辆(1)，其包括机械连接到燃烧发动机(5)、并连接到第一电机(8)的第一对驱动轮(3)；和机械连接到第二电机(11)的第二对驱动轮。
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