CN102039809A - 具有三个或更多个工作模式的单一行星齿轮、单一马达/发电机混合动力系 - Google Patents

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Abstract

具有三个或更多个工作模式的单一行星齿轮、单一马达/发电机混合动力系，具体地一种混合动力系具有发动机、输入构件、输出构件和静止构件，并且包括具有第一、第二和第三构件的单一行星齿轮组。输入构件连接成与发动机一起转动，而输出构件连接成与第二构件一起转动。单一马达/发电机持续地连接成与第三构件一起转动。起动机以可操作方式连接到发动机以便起动发动机。第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将输入构件连接成与第一构件一起转动。第二扭矩传递构件能够选择性地接合以将第一构件固接到静止构件。第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将第三构件固接到静止构件。动力系能够在纯电动工作模式、纯发动机工作模式和电可变工作模式下工作。

Description

具有三个或更多个工作模式的单一行星齿轮、单一马达/发电机混合动力系
技术领域
本发明涉及一种混合动力系，更具体地涉及一种具有单一马达/发电机、带有起动机的发动机和单一行星齿轮组的混合动力系。
背景技术
用于车辆的混合动力系在不同车辆工作条件下使用不同动力源。电动-机械混合动力系通常具有例如柴油发动机或汽油发动机的内燃发动机和一个或多个马达/发电机。不同的工作模式，例如纯发动机工作模式、纯电动工作模式和电可变工作模式通过在不同组合中接合制动器和/或离合器并且控制发动机和马达/发电机来建立。多种工作模式是有利的，因为它们可用于提高燃料经济性。然而，对于混合动力系所需的额外部件例如马达/发电机、制动器和/或离合器等会增加整体车辆成本。
发明内容
提供一种具有最少数量部件的混合动力系但没有牺牲可用工作模式和性能优点。例如，动力系仅具有一个行星齿轮组和一个马达/发电机，并且仍然可以操作在纯发动机模式、纯电动模式和电可变模式。另外，反应扭矩在模式之间的过渡期间没有失去。此外，例如影响马达/发电机的故障等***故障可被检测并且在这种情况下动力系受到控制以保护不损害马达/发电机。
具体地，所述混合动力系具有发动机、输入构件、输出构件和例如变速器壳体的静止构件，并且包括具有第一、第二和第三构件的单一行星齿轮组。优选地，第一构件是环形齿轮构件，第二构件是行星架构件，而第三构件是太阳齿轮构件。输入构件连接成与发动机一起转动，而输出构件连接成与第二构件一起转动。单一马达/发电机持续地连接成与第三构件一起转动。起动机操作地连接到发动机以便起动发动机。包括了第一、第二和第三扭矩传递机构。第一扭矩传递机构能够选择性地接合以将输入构件连接成与第一构件一起转动。第二扭矩传递构件能够选择性地接合以将第一构件固接到静止构件。第三扭矩传递机构能够选择性地接合以将第三构件固接到静止构件。扭矩传递机构以不同的组合进行接合以建立纯电动工作模式、纯发动机工作模式和电可变工作模式。可选地，可设置第四扭矩传递机构以连接输入构件和第三构件，从而在以组合方式分别与第一和第二扭矩传递机构接合时提供二个额外的固定齿轮比。
一个或多个控制器是可操作的，用以监控马达/发电机的工作状况，例如与马达/发电机相关联的部件的故障或马达/发电机本身的故障。在指示这种故障的预定工作条件下，控制器中的一个将响应所监控到的工作状况接合第三扭矩传递机构以制动马达/发电机并且接合第一扭矩传递机构以建立纯发动机工作模式。通过制动马达/发电机并且依靠来自于发动机的动力，防止对马达/发电机的损害。
由下面对实施本发明的最佳实施方式的详细描述并且接合附图，上述特征和优点以及本发明的其他特征和优点会非常清楚。
本发明还提供如下方案：
方案1、一种用于车辆的混合动力系，其包括：
发动机；
输入构件、输出构件和静止构件；
具有第一构件、第二构件和第三构件的单一行星齿轮组；其中所述输入构件连接成与所述发动机一起转动；其中所述输出构件连接成与所述第二构件一起转动；
单一马达/发电机，其持续地连接成与所述第三构件一起转动；
起动机，其操作地连接到所述发动机以便起动所述发动机；
第一扭矩传递机构、第二扭矩传递机构和第三扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起转动；其中所述第二扭矩传递构件能够选择地接合以将所述第一构件固接到所述静止构件；其中所述第三扭矩传递机构能够选择地接合以将所述第三构件固接到所述静止构件；并且其中所述扭矩传递机构以不同的组合进行接合以建立纯电动工作模式、纯发动机工作模式和电可变工作模式。
方案2、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，所述第二扭矩传递机构接合并且所述马达/发电机作为马达工作以建立所述纯电动工作模式。
方案3、如方案2所述的混合动力系，其特征在于，在所述纯电动模式期间能够操作起动机以起动所述发动机，所述第一扭矩传递机构接合并且所述第二扭矩传递机构脱离以从所述纯电动工作模式过渡到所述电可变工作模式，在所述电可变工作模式中，所述发动机和所述马达/发电机在所述输出构件处通过所述行星齿轮组提供扭矩。
方案4、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，在所述纯发动机工作模式中所述第一扭矩传递机构和所述第三扭矩传递机构接合并且所述发动机被供能以在所述输出构件处通过行星齿轮组提供扭矩。
方案5、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，所述第一扭矩传递机构接合，所述发动机运行并且所述马达/发电机能够作为马达或发电机工作以建立所述电可变工作模式，在所述电可变工作模式中，所述发动机和所述马达/发电机在所述输出构件处提供扭矩。
方案6、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，其还包括：
第四扭矩传递机构，其能够选择地接合以连接输入构件而与所述第三构件一起转动。
方案7、如方案6所述的混合动力系，其特征在于，所述第一扭矩传递机构和所述第四扭矩传递机构接合并且所述发动机运行，以通过所述行星齿轮组向所述输出构件提供扭矩从而建立直接驱动固定齿轮比。
方案8、如方案6所述的混合动力系，其特征在于，所述第二扭矩传递机构和所述第四扭矩传递机构接合并且所述发动机运行，以通过所述行星齿轮组向所述输出构件提供扭矩从而建立低速传动固定齿轮比。
方案9、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，其还包括：
至少一个控制器，其能够操作以监控所述马达/发电机的工作状况并且接合所述第三扭矩传递机构以制动所述马达/发电机以及接合所述第一扭矩传递机构以响应所监控的工作状况建立所述纯发动机工作模式。
方案10、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，所述第二扭矩传递机构接合并且所述马达/发电机作为马达工作以建立所述纯电动工作模式；其中所述第一扭矩传递机构和所述第三扭矩传递机构接合并且所述发动机运行以建立所述纯发动机工作模式；其中所述第一扭矩传递接合以建立所述电可变工作模式；并且其中在任何所述模式之间的过渡在不损失反作用扭矩的情况下发生。
方案11、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，所述车辆可通过如下方式发动：滑动所述第一扭矩传递机构以使用来自所述发动机的扭矩发动所述车辆，以及可替代地通过接合所述第二扭矩传递机构以使用来自所述马达/发电机的扭矩发动所述车辆。
方案12、如方案1所述的混合动力系，其特征在于，所述第一构件是环形齿轮构件，所述第二构件是行星架构件，以及所述第三构件是太阳齿轮构件。
方案13、一种用于车辆的混合动力系，其包括：
发动机；
输入构件、输出构件和静止构件；
具有环形齿轮构件、太阳齿轮构件和行星架构件的单一行星齿轮组；其中所述输入构件连接成与所述发动机一起转动；其中所述输出构件连接成与所述行星架构件一起转动；
单一马达/发电机，其持续地连接成与所述太阳齿轮构件一起转动；
起动机，其操作地连接到所述发动机以便起动所述发动机；
第一扭矩传递机构、第二扭矩传递机构和第三扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择地接合以将所述输入构件连接成与所述环形齿轮构件一起转动；其中所述第二扭矩传递构件能够选择地接合以将所述环形齿轮构件固接到所述静止构件；以及其中所述第三扭矩传递机构能够选择地接合以将所述太阳齿轮构件固接到所述静止构件。
方案14、如方案13所述的混合动力系，其特征在于，其还包括：
至少一个控制器，其能够操作以监控所述马达/发电机的工作状况并且操作地连接到所述扭矩传递机构以接合所述第三扭矩传递机构从而制动所述马达/发电机以及接合所述第一扭矩传递机构，由此响应所监控的工作状况建立所述纯发动机工作模式。
附图说明
图1是混合动力系的第一实施方式的示意图；以及
图2是混合动力系的第一实施方式的示意图。
具体实施方式
现在参考附图，在全部几个视图中类似的附图标记指代类似的部件，图1示出了车辆的混合动力系10。动力系10包括作为一个动力源的发动机12。发动机12可以是柴油发动机、汽油发动机、空气发动机、燃料电池或者除了马达/发电机之外的其他类型的动力源。动力系10还包括马达/发电机14。马达/发电机14是用来向动力系10提供扭矩的唯一马达/发电机。因此，动力系10可称为“单一马达”或“单一马达/发电机”动力系。包括了传统的起动机16，用于起动发动机12，其或者用于车辆启动或者用于发动机起动/停止模式，这在下面将进一步描述。然而，起动机16不能作为发电机操作，并且其尺寸没有构造成向动力系10供应驱动扭矩(即供应到最终驱动和车轮的扭矩)。
动力系10包括具有太阳齿轮构件22、环形齿轮构件24和行星架构件26的单一行星齿轮组20。行星架构件26以可旋转方式支撑与太阳齿轮构件22和环形齿轮构件24均相啮合的多个小齿轮(未示出)，这对于本领域普通技术人员来说是已知的。本领域普通技术人员将容易理解行星齿轮组的功能和操作。在这里所使用的环形齿轮构件24称为行星齿轮组20的第一构件，行星架构件26称为行星齿轮组20的第二构件，而太阳齿轮构件22称为行星齿轮组20的第三构件。行星齿轮组20的构件可以不同方式设置而不偏离本发明的范围。此外，可使用复合行星齿轮组来代替简单行星齿轮组20，或者可使用差动齿轮组来代替行星齿轮组。
发动机12具有发动机输出构件，例如曲轴，其连接成与输入构件30一起转动。输出构件32连接成与行星架构件26和变速器齿轮装置34一起转动，变速器齿轮装置可以是最终驱动装置或者是具有额外的互相啮合的齿轮和扭矩传递机构(未示出)的变速箱。
提供了三个扭矩传递机构，包括第一转动型离合器C1；第二静止型制动器C2，也称为制动器；和第三静止型制动器C3，也称为制动器。离合器C1能够选择性地接合以连接输入构件30(并由此连接发动机12)，用于与环形齿轮构件24一起转动。这里使用的“一起转动”是指以相同的速度转动，包括零速度或者不转动。制动器C2能够选择性地接合以将环形齿轮构件24固接到静止构件35，静止构件35可以是变速器壳体或者其他不转动构件。制动器C3能够选择性地接合以将太阳齿轮构件22(并且由此将马达/发电机14)固接到静止构件。
马达/发电机14具有定子和转子。定子通过功率逆变器38与例如电池36等能量存储设备相连接，当马达/发电机14用作马达时，功率逆变器38将电池36供应的直流电转换为用于为马达/发电机14供电的交流电，当马达/发电机14用作发电机时，功率逆变器38将来自定子的交流电转换为直流电以存储在电池36中，这对于本领域的普通技术人员来说是众所周知的。如果液压或气动腔被用来替代电池而作为马达/发电机的能量存储设备，动力系10的优点也可以实现。
马达控制处理器40连接到马达/发电机14以根据存储的算法和车辆工作状况来控制马达/发电机14的定子和电池36的转子之间的电能流从而控制马达/发电机14用作马达还是发电机并且控制扭矩量和其转子的速度，这对于本领域的普通技术人员来说是众所周知的。马达/发电机14可构造成能够由电网再充电，从而动力系10可以是插电式混合动力系。
发动机控制模块(ECM)37以可操作方式与发动机12和其他车辆部件例如加速器位置传感器、轮速传感器等连接以根据存储的算法控制发动机12的工作(例如发动机速度、起动或者停止)。混合控制处理器(HCM)39以可操作方式连接到ECM 24并且连接到马达控制处理器40。
ECM 37用来控制起动机16和发动机12的其他部件。可以是包括阀体和螺线管阀的变速器电-液压控制模块(TEHCM)的一部分的变速器控制模块(TCM)41用来控制扭矩传递机构、离合器C1和制动器C2和C3的接合，例如通过致动控制用于接合扭矩传递机构C1、C2和C3的液压流体的阀。ECM 37、HCM 39、CONT 40和TCM 41中的一些或者全部可集成为单一控制器。
动力系10可以几种不同模式工作。对具有动力系10的车辆的发动可使用由处于纯电动工作模式的马达/发电机14供应的动力完成，或者可替代地使用处于纯发动机工作模式的发动机12供应的动力完成。为了建立纯电动工作模式，制动器C2被接合以在环形齿轮构件24处提供反作用扭矩，并且控制马达/发电机14以使其作为马达工作，从而向太阳齿轮构件22提供扭矩，该扭矩通过行星齿轮组20提供给输出构件32以推进车辆。纯电动工作模式可用于发动车辆以获得更好的燃料经济性，因为发动机摩擦在车辆发动时非常高。纯电动工作模式还在再生过程中使用，以在车辆减速和制动过程中捕获能量。
可替代地，车辆的发动可在纯发动机工作模式中进行。制动器C3被接合以在太阳齿轮构件22处提供反作用扭矩。起动机16或者马达/发电机14可被用来起动发动机12。如果使用起动机16起动发动机12，离合器C1滑动以向环形齿轮构件24提供扭矩，直至环形齿轮构件24以与发动机曲轴相同的速度转动，扭矩通过行星齿轮组20以在输入构件30和输出构件32之间的固定齿轮比传递到输出构件32，所述齿轮比取决于环形齿轮构件24和太阳齿轮构件22的齿计数。当电池36的温度在预定可接受温度范围之外时(即，当电池对于供应电力来说被认为过冷或者过热时)可选择纯发动机工作模式。另外，如果电池36处于完全荷电状态，并且车辆以相对高速巡航，则以纯发动机工作模块工作比电池36放电工作更有效率，因为电磁损失较高并且电-机械路径不那么有效率。在高速巡航期间，当扭矩需求低时，固定档位的纯发动机工作模式是有效率的。
如果动力系10在纯电动工作模式中发动，则其可以保持处于该模式，直至车速要求马达/发电机14的峰值动力并且/或者电池荷电状态由于大量使用而下降到低于特定最低荷电状态为止。发动机12可随后通过控制起动机16以转动发动机12并且一旦发动机12获得起动速度就释放制动器C2而在发动机起动/停止工作模式中起动。由于马达/发电机14在起动/停止模式中不用来起动发动机12，所以在输出构件32上不损失推进(动力)。一旦发动机12起动，来自发动机12的扭矩可通过以受控滑动接合离合器C1而增加到输出构件32，受控滑动接合发生在完全接合之前，从而建立电可变工作模式，其中来自发动机12和马达/发电机14的扭矩通过行星齿轮组20在输出构件32处结合而满足来自驾驶员的较高加速命令。在电可变工作模式过程中，马达/发电机14可受控而以发电机工作，从而将来自太阳齿轮构件22的扭矩转换为电池36中的存储电能而使输出构件32减速，例如在车辆制动过程中。
动力系10设计成使得在任何模式之间的过渡过程中不存在反作用扭矩损失。例如，在从纯电动工作模式过渡到电可变工作模式时，通过控制即将脱离的制动器C2和即将接合的离合器C1，在环形齿轮构件24处的反作用扭矩可得到维持。当从电可变工作模式过渡到纯电动工作模式时，离合器C1脱离，同时制动器C2接合。当从纯电动工作模式过渡到纯发动机工作模式时，制动器C3接合，同时离合器C1接合并且制动器C2脱离。当从纯发动机工作模式过渡到纯电动工作模式时，离合器C1接合，同时制动器C2脱离并且制动器C3接合。当从纯发动机工作模式过渡到电可变工作模式时，制动器C3脱离。当从电可变工作模式过渡到纯发动机工作模式时，制动器C3接合以提供反作用扭矩。
此外，动力系10设计成：在发生与马达相关的故障时，例如发生马达控制处理器40故障时，在发动机12关闭时马达的用于向扭矩传递机构C1、C2和C3提供润滑流体流的辅助泵故障，或者发生马达接触器控制故障时，过渡到纯发动机工作模式。在发生这种故障时，其可以通过构造成感知车辆工作状况的各种传感器指示给ECM 37、HCM39、CONT 40或TCM 41，TCM 41提供控制信号以引起制动器C3接合，如果马达/发电机14在故障发生期间工作则制动马达/发电机14以保护其免于可能发生的损害。动力系10还进一步受到控制以接合离合器C1从而在发生这种故障期间建立纯发动机工作模式。
与其他混合动力系构造相比，动力系10降低了成本，因为其仅需要单一马达/发电机14、一个行星齿轮组20和仅仅一个旋转离合器C1。与具有两个马达/发电机的混合动力系相比，整体重量也降低。使用了相对便宜的起动机16替代额外的马达/发电机以在起动/停止模式中起动发动机12。由于反作用扭矩可在横向齿轮构件22处得到，所以动力系10可在发生与马达相关的故障时以纯发动机工作模式工作。由于仅使用了一个马达/发电机，所以相对于构造成为两个马达/发电机供电的电池，电池36的尺寸得到减少。由于可得到纯发动机工作模式和电可变工作模式，仍然为动力系10的期望电动范围和燃料经济性提供了低成本设计。电动范围与具有两个马达/发电机的其他现有架构相当，因为单一马达/发电机14连接到太阳齿轮组22以提供较高的扭矩并由此提供较高的电动范围。由于纯发动机工作模式与电可变工作模式相比同样有效率，所以所获得的燃料经济性应该保持与具有两个马达/发电机架构的燃料经济性相当。
参考图2，图中示出了动力系100的可替代实施方式。与关于图1的动力系10所描述的构造和功能相同的构造和功能以相同的附图标记指代。动力系100构造成类似于动力系10，区别在于增加了额外的转动型离合器C4。离合器C4在TCM 41的控制下，与ECM 37通信，能够选择性地接合以连接发动机12而与太阳齿轮构件22一起转动。增加的离合器C4提供了两个额外的固定比工作模式。通过接合离合器C1和C4建立直接驱动工作模式。来自发动机12的扭矩提供给环形齿轮构件24和太阳齿轮构件22，导致行星齿轮组20的所有部件以及输入构件30和输出构件32以相同的速度转动。通过接合离合器C4和制动器C2提供了高扭矩、固定档位工作模式。来自发动机12的扭矩被提供给太阳齿轮构件22。使用在环形齿轮构件24处的反作用扭矩，扭矩通过行星齿轮组倍增以在行星架构件26和输出构件32处提供大于在太阳齿轮构件22处的扭矩。该模式增强了车辆性能，因为其能够以相对高速使用并且提供了扭矩倍增。
虽然已经详细描述了实施本发明的最佳实施方式，熟悉本发明相关领域的技术人员将设想出在所附权利要求范围内实施本发明的多种可选设计和实施方式。

Claims (10)

1.一种用于车辆的混合动力系，其包括：
发动机；
输入构件、输出构件和静止构件；
具有第一构件、第二构件和第三构件的单一行星齿轮组；其中所述输入构件连接成与所述发动机一起转动；其中所述输出构件连接成与所述第二构件一起转动；
单一马达/发电机，其持续地连接成与所述第三构件一起转动；
起动机，其操作地连接到所述发动机以便起动所述发动机；
第一扭矩传递机构、第二扭矩传递机构和第三扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择地接合以将所述输入构件连接成与所述第一构件一起转动；其中所述第二扭矩传递构件能够选择地接合以将所述第一构件固接到所述静止构件；其中所述第三扭矩传递机构能够选择地接合以将所述第三构件固接到所述静止构件；并且其中所述扭矩传递机构以不同的组合进行接合以建立纯电动工作模式、纯发动机工作模式和电可变工作模式。
2.如权利要求1所述的混合动力系，其特征在于，所述第二扭矩传递机构接合并且所述马达/发电机作为马达工作以建立所述纯电动工作模式。
3.如权利要求2所述的混合动力系，其特征在于，在所述纯电动模式期间能够操作起动机以起动所述发动机，所述第一扭矩传递机构接合并且所述第二扭矩传递机构脱离以从所述纯电动工作模式过渡到所述电可变工作模式，在所述电可变工作模式中，所述发动机和所述马达/发电机在所述输出构件处通过所述行星齿轮组提供扭矩。
4.如权利要求1所述的混合动力系，其特征在于，在所述纯发动机工作模式中所述第一扭矩传递机构和所述第三扭矩传递机构接合并且所述发动机被供能以在所述输出构件处通过行星齿轮组提供扭矩。
5.如权利要求1所述的混合动力系，其特征在于，所述第一扭矩传递机构接合，所述发动机运行并且所述马达/发电机能够作为马达或发电机工作以建立所述电可变工作模式，在所述电可变工作模式中，所述发动机和所述马达/发电机在所述输出构件处提供扭矩。
6.如权利要求1所述的混合动力系，其特征在于，其还包括：
第四扭矩传递机构，其能够选择地接合以连接输入构件而与所述第三构件一起转动。
7.如权利要求6所述的混合动力系，其特征在于，所述第一扭矩传递机构和所述第四扭矩传递机构接合并且所述发动机运行，以通过所述行星齿轮组向所述输出构件提供扭矩从而建立直接驱动固定齿轮比。
8.如权利要求6所述的混合动力系，其特征在于，所述第二扭矩传递机构和所述第四扭矩传递机构接合并且所述发动机运行，以通过所述行星齿轮组向所述输出构件提供扭矩从而建立低速传动固定齿轮比。
9.如权利要求1所述的混合动力系，其特征在于，其还包括：
至少一个控制器，其能够操作以监控所述马达/发电机的工作状况并且接合所述第三扭矩传递机构以制动所述马达/发电机以及接合所述第一扭矩传递机构以响应所监控的工作状况建立所述纯发动机工作模式。
10.一种用于车辆的混合动力系，其包括：
发动机；
输入构件、输出构件和静止构件；
具有环形齿轮构件、太阳齿轮构件和行星架构件的单一行星齿轮组；其中所述输入构件连接成与所述发动机一起转动；其中所述输出构件连接成与所述行星架构件一起转动；
单一马达/发电机，其持续地连接成与所述太阳齿轮构件一起转动；
起动机，其操作地连接到所述发动机以便起动所述发动机；
第一扭矩传递机构、第二扭矩传递机构和第三扭矩传递机构；
其中所述第一扭矩传递机构能够选择地接合以将所述输入构件连接成与所述环形齿轮构件一起转动；其中所述第二扭矩传递构件能够选择地接合以将所述环形齿轮构件固接到所述静止构件；以及其中所述第三扭矩传递机构能够选择地接合以将所述太阳齿轮构件固接到所述静止构件。
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