CN103727189A - 具有单个行星齿轮组和多个操作模式的混合动力变速器 - Google Patents

Abstract

提供了一种动力传动系，其包括混合动力变速器，该混合动力变速器具有输入构件、输出构件和固定构件以及第一和第二电机。仅一个行星齿轮组（其具有第一构件、第二构件和第三构件）操作地连接在输入构件和输出构件之间。第一、第二和第三构件包括环齿轮构件、恒星齿轮构件和齿轮架构件。动力传动系包括第一、第二、第三和第四可选择地接合的扭矩传递机构。扭矩传递机构中的不同的一个或多个的选择性的接合以及一个或全部两个电机的选择性的操作，建立输入构件和输出构件之间的串联操作模式、输入分配操作模式、至少一个纯电动操作模式和至少一个固定齿轮操作模式。

Description

具有单个行星齿轮组和多个操作模式的混合动力变速器

技术领域

本发明总体涉及一种混合动力变速器，其具有仅一个行星齿轮组。

背景技术

已知多种混合动力和电动动力传动系构造，用于管理混合动力车辆中各种原动机（最常见的是内燃发动机和电机）的输入和输出扭矩。一些电动可变变速器（electrically-variable transmission：EVT）通过组合来自串联和并联的混合动力系构造的特征而提供连续可变变速比。EVT可以固定的齿轮操作，所述固定的齿轮具有在内燃发动机和最终的驱动单元之间的直接机械路径，由此实现高的传动效率和成本低且发动机硬件量少的应用。EVT还在发动机与最终的驱动件机械地独立的情况下操作，或以各种机/电分配额（splitcontribution）操作，由此实现高扭矩、无极变速比、电动控制启动、再生制动和发动机停车空转。

一些混合动力车辆使用更大的电池组，增加车辆重量，增大燃料消耗和车辆成本。这些车辆在确定的续驶里程上以纯电动模式运行，且随后当续始超出优选续驶里程之外时，发动机通过电动机/发电机中的一个为电池充电。关于混合动力车辆的续驶里程、耐力和持久性，较低的电池电量状态和在为电池充电时的较高的燃料消耗通常是不被希望的。电池的放电率和发电机功率基于驾驶员命令的油门踏板和车辆速度而被计算。

发明内容

提供了一种相对低容量（content）和重量的混合动力传动系，其具有多个操作模式以降低燃料消耗和电池放电速率。动力传动系包括具有输入构件、输出构件和固定构件的混合动力变速器。该混合动力变速器具有第一和第二电机，该两个电机都可以是电动机/发电机。仅一个行星齿轮组（其具有第一构件、第二构件和第三构件）操作地连接在输入构件和输出构件之间。第一、第二和第三构件包括环齿轮构件、恒星齿轮构件和齿轮架构件。齿轮架构件支撑与恒星齿轮构件和环齿轮构件都啮合的小齿轮。

动力传动系包括第一、第二、第三和第四可选择性地接合的扭矩传递机构。第一扭矩传递机构可选择性地接合，以将第二电机与输出构件操作地连接。第二扭矩传递机构可选择性地接合，以将第二构件与输出构件操作地连接，从而输出构件随第二构件共同旋转。第三扭矩传递机构可选择性地接合，以将第三构件操作地连接到固定构件。第四扭矩传递机构可选择性地接合，以将第二构件操作地连接到固定构件。扭矩传递机构中的不同的一个或多个选择性的接合以及一个或全部两个电机的选择性的操作，建立输入构件和输出构件之间的串联操作模式、输入分配操作模式、纯电动操作模式和固定齿轮操作模式。

动力传动系由此是具有相对低的重量的低容量混合动力传动系，用于提高的燃料经济性和提高的电力续驶里程。动力传动系可用在相对小的车辆上，提供输入分配操作模式和串联模式，输入分配模式实现在相对低速下的高效率，串联模式用于增程。输入分配操作模式具有减速传动和超速传动能力。固定齿轮操作模式可以是减速传动比，且电辅助比可用于牵引目的。在发动机失效的情况中，以及在电机失效的情况中，扭矩传递机构的操作连接提供自我保护（limp home）模式。

本教导的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本教导的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是具有混合动力变速器和发动机的混合动力传动系的杠杆图形式的示意图；

图2是图1的混合动力传动系和混合动力变速器的一个实施例的符号图形式的示意图；

图3是显示了图1和图2的混合动力传动系的操作模式的图表。

具体实施方式

参考附图，图1显示了用于车辆的混合动力传动系10。混合动力传动系10包括原动机，比如内燃发动机12，其标记为E，与混合动力变速器14连接。也可以使用其他类型的原动机（比如燃料电池、压缩空气发动机等）替代内燃发动机12。混合动力变速器14包括两个附加的动力源：第一电机16和第二电机18。发动机12和电机16以及18可经由单个的行星齿轮组20和扭矩传递机构C1、C2、C3、C4的选择性的接合而相互连接，以提供这里所讨论的各种操作模式。

行星齿轮组20包括第一构件22、第二构件24和第三构件26。构件22、24和26包括（按任何顺序）恒星齿轮构件、环齿轮构件和齿轮架构件。齿轮架构件可旋转地支撑与恒星齿轮构件和环齿轮构件都啮合的小齿轮。在图2中所示的一个实施例中，第一构件22是恒星齿轮构件，第二构件24是齿轮架构件，第三构件26是环齿轮构件。多个小齿轮27与恒星齿轮构件22和环齿轮构件24二者啮合。本领域技术人员将理解简单的行星齿轮组20的结构，该齿轮组20仅示意性地以杆系图的形式显示在图1中。

混合动力变速器14具有输入构件30和输出构件32。发动机12的驱动构件34（比如曲轴）与输入构件30连接，从而驱动构件34与输入构件30共同旋转（即，以与输入构件30相同的速度）。如这里所使用的，“共同旋转”意思是以相同速度旋转，包括零速度（例如当固接到固定构件时）。可选地，到发动机曲轴的比率倍增连接部（比如齿轮连接部，或一一系列滑轮和链轮）可以操作地连接曲轴34和输入构件30。可选地，减振器可定位在驱动构件34和输入构件30之间。输入构件30被连续地连接，用于与第一构件22共同旋转。输出构件32未与行星齿轮组20的任何构件或者电机16或18的任一个连续操作地连接。输出构件32通过最终驱动机构（未示出）连接到车辆车轮（也未示出），以将牵引功率提供给车轮，从而推进车辆。行星齿轮组20是唯一的操作地连接在或可连接在输入构件30和输出构件32之间的行星齿轮组。混合动力变速器14和动力传动系12由此具有仅一个行星齿轮组20。

输出构件32选择性地通过第一扭矩传递机构C1的接合与第二电机18操作地连接，且选择性地通过第二扭矩传递机构C2的接合与行星齿轮组20的第二构件24操作地连接。具体地，在扭矩传递机构C1接合时，从输出构件32延伸的轮毂33被连接，用于与从齿轮系62的第二齿轮64延伸的轮毂35共同旋转。在第二扭矩传递机构C2被接合时，从第二构件24延伸的轮毂37被连接，用于与输出构件32共同旋转。当扭矩传递机构C1和C2都未接合时，输出构件32未与第一电机16、第二电机18或发动机12操作地连接。

行星齿轮组20的第三构件26选择性地通过第三扭矩传递机构C3的接合与固定构件40操作地连接。固定构件40是不可旋转的构件，比如变速器壳体。因此，当第三构件26被连接到固定构件40时，第三构件26不旋转。行星齿轮组20的第二构件24选择性地通过第四扭矩传递机构C4的接合与固定构件40操作地连接。

第一电机16包括转子50A，其被连续地连接，用于与行星齿轮组20的第三构件26共同旋转。第一电机16还包括定子52A，其径向地围绕转子50A。定子52A固接到固定构件40，或固接到不同的固定构件，比如第一电机16的电机外壳。

第二电机18包括转子50B和径向地围绕转子50B的定子52B。定子52B固接到固定构件40，或固接到不同的固定构件，比如第二电机18的电机外壳。电机16、18二者都可以是电动机/发电机，其可选择性地既以电动机操作，又以发电机操作。

转子50B被连接用于与齿轮系62的第一齿轮60共同旋转。第一齿轮60与第二齿轮64啮合。第二齿轮64通过扭矩传递机构C1的接合而与输出构件32操作地连接。第一齿轮60配置为具有比第二齿轮64更小的直径和更少的齿。因此，当扭矩从电机18传递到输出构件32时，进行减速。即，当扭矩传递机构C1被接合时，转子50B比输出构件32旋转得快。当扭矩传递机构C1接合时，如这里所讨论的，减速能够实现电动启动。齿轮系62还可被称为直齿轮或配置为在平行的轴之间传递扭矩的一对齿轮。在其它实施例中，如果特定的应用需要，则第一齿轮60可配置为具有比第二齿轮64更大的直径和更多的齿，以通过齿轮系62实现速度倍增。

电机16和18的定子52A、52B操作地连接到能量存储装置80，所述能量存储装置可以是一个或多个电池，在图1中标记为B。具有存储电功率和分配电功率能力的其他电存储装置可被使用以替代所述电池。控制器82（在图1中标记为C）操作地连接到电机16和18，并监视转子50A和50B的速度。控制器82还从独立的发动机控制器或通过连接到发动机12接收有关发动机速度的信息。基于这个和其他车辆操作情况，比如驾驶员加速命令，控制器82可操作为通过功率转换器84（在图1中标记为I）将电能从能量存储装置80提供到电机16和18之一或二者，以使得电机16或18用作电动机，将扭矩增加到变速器14。当电功率被提供到电机16和/或18时，功率转换器84将直流电流转换为交流电流。

如果由控制器82接收的信息指示电机16或18应作为发电机操作，以将机械能转换为电能，则控制器82可操作为使得转换器84将从电机16或18提供的交流电流转换为存储在能量存储装置80中的直流电流。图1和2中连接电机16、18、能量存储装置80、控制器82、转换器84和定子52A、52B的定子线圈88的线代表用于在部件之间传送电流或信号的传输导体。

可选地，替代单个的控制器82，每个电机16、18可以具有独立的一体式控制器和转换器，其中电机16、18的独立的控制器操作地连接到彼此。

扭矩传递机构C1、C2、C3和C4可以由相同的控制器82控制，或可以由与控制器82及独立的发动机控制器操作地连接的独立变速器控制器（未示出）控制。扭矩传递机构C1、C2、C3和C4可以以任何适当的方式被促动，比如液力、电力或电磁促动。扭矩传递机构C1和C2是离合器，扭矩传递机构C3和C4是制动器。

图3是表示每个扭矩传递机构C1、C2、C3和C4的接合状态以及发动机12的操作状态（运行或停车（即燃料切断））的图表，以建立本文所述的八种不同的向前推进模式以及空档模式和空档充电模式。在图3中，“X”表示所在列代表的扭矩传递机构被接合。空的表格表示由所在列代表的相应扭矩传递机构未被接合（即“断开”）。“O”表示发动机12运行。代表发动机12的列中具有两段虚线“--"的表格表示发动机12停车（即燃料被切断）。

在图3中，标记为EV1的行表示第一纯电动操作模式。“纯电动”操作模式是这样的模式：其中发动机12停车（即燃料被切断），且输出构件32处的所有扭矩经由一个或全部两个电机16、18使用来自能量存储装置80存储的能量提供。在电动操作模式EV1中，扭矩传递机构C1被接合，以操作地连接第二电机18和输出构件32。第二电机18可被控制以作为电动机操作，使用来自能量存储装置80的存储的能量以在输出构件32处沿向前方向或后退方向提供扭矩。齿轮系62降低第二齿轮64相对于齿轮60的速度，由此使从电机18到输出构件32的扭矩增倍。第一纯电动操作模式EV1可以被用于启动具有动力传动系10的车辆。发动机12未被驱动（即燃料切断），且电机16可以未被驱动，但是二者可在都未操作地连接到输出构件32（因为第二扭矩传递机构C2没有被接合）时旋转。第二电机18可以是电动机/发电机，从而其也可以作为发电机操作，比如在车辆减速期间，以捕获再生能量和为能量存储装置80充电。

图3中标记为EVT的行代表电动可变操作模式，其中扭矩传递机构C1和C2被接合，发动机12运行。来自发动机12和第一电机16的扭矩通过行星齿轮组20被分配，且由于接合的扭矩传递机构C2而被提供在输出构件32处。EVT是输入分配操作模式。第二电机18被控制，以通过齿轮系32在与输出构件32的速度成比例的速度下将扭矩提供在输出构件32处。在电动可变操作模式中，电机16被控制为作为电动机或作为发电机操作，以便在输出构件32处提供被命令的扭矩。发动机12可以以预定的有效操作参数（速度和扭矩）操作，以提高燃料经济性，同时电机16的速度被改变，以满足输出构件62的速度要求。电机16、18的扭矩可以被改变，以满足输出构件32的扭矩要求。在EVT模式期间可行的速度范围包括减速传动和超速传动速比。

图3中标记为S的行表示混合动力串联操作模式，其中第一和第四扭矩传递机构C1和C4被接合，发动机12运行。电机18通过齿轮系62操作地连接到输出构件32，且被控制为用作电动机，以在输出构件32处提供被命令的扭矩。功率由电机16被提供到电机18，所述电机16被控制为用作发电机，并以负速度运转，将由发动机12供应的扭矩通过行星齿轮组20转换为提供到电机18的电功率。电机16产生的电机18不需要用来满足输出构件32处的所需扭矩的任何功率都被用来为能量存储装置80充电。类似地，如果由电机16产生的功率小于为满足输出构件32处所需扭矩而要求的功率，则电机18从能量存储装置80提取其余的必要功率。在发动机12驱动电机16以用作发电机的情况下，具有动力传动系10的车辆的续驶里程相比于纯电动操作模式的续驶里程被扩展，所述纯电动操作模式的续驶里程受能量存储装置80的电量状态所限制。另外，该操作模式使得发动机12能够以预定的有效操作参数（速度和扭矩）操作，因为发动机12从输出构件32机械地脱开。

在图3中标记为FG1的行代表第一固定齿轮操作模式，其具有从输入构件30到输出构件32的第一固定齿轮比。在FG1模式中，第二和第三扭矩传递机构C2、C3被接合，发动机12运行。电机16和18未被驱动。转子50A通过接合的扭矩传递机构C3被保持静止，所述扭矩传递机构C3保持第三构件26静止。电机18未操作地连接到输出构件32，因为扭矩传递机构C1未被接合。扭矩通过行星齿轮组20以第一固定齿轮比从发动机12提供到输出构件32，所述第一固定齿轮比取决于行星齿轮组20的环齿轮构件和恒星齿轮构件的齿数。在图2的实施例中，FG1模式是减速传动模式。第一固定齿轮FG1是机械点，因为所有从输入构件30向输出构件32的功率流都沿着机械功率路径。在沿着车辆（其上安装有动力传动系10）的速度范围的中间速度下巡行时，第一固定齿轮FG1是合适的。在电机16、18的任一个失效的情况下，或在能量存储装置80的电量状态低于预定的最小电量状态（“电池电量耗尽”）的情况下，第一固定齿轮FG1也可以被用作自我保护模式（limp home mode）。通过在扭矩传递机构C2保持与运行的发动机12接合时释放扭矩传递机构C1并接合扭矩传递机构C3，动力传动系10可从电动可变模式EVT切换到第一固定齿轮模式FG1。

图3中标记为FG2的行表示从输入构件30到输出构件32的第二固定齿轮比，其中第一、第二和第三扭矩传递机构C1、C2、C3被接合，且发动机12运行。电机16未被驱动。转子50A通过接合的扭矩传递机构C3被保持静止，所述扭矩传递机构C3保持第三构件26静止。由于扭矩传递机构C1被接合，因此电机18被操作地连接到输出构件32。扭矩通过行星齿轮组20以固定齿轮比从发动机12提供到输出构件32，所述固定齿轮比取决于行星齿轮组20的环齿轮构件和恒星齿轮构件的齿数。如果行星齿轮组20如图2的实施例中所示的那样布置，则FG2的固定齿轮比是减速传动比。扭矩还通过第二电机18提供，且可以被用来以比第一固定齿轮FG1的略高的速度巡行，或可以用来增加输出构件32处的扭矩，以辅助牵引。由第二电机18提供的扭矩在输出构件32处提供电辅助比，建立接近机械点的固定的齿轮比FG2。在第三构件26静止的情况下，由行星齿轮组20提供的比率被配置为与由齿轮系62提供的比率匹配，以实现扭矩传递机构C1和C2的长使用期限。在行星齿轮组20如图2中那样布置时，第一固定齿轮FG1是减速传动比。

图3中标记为eTC的行代表电动扭矩转换模式，其中第二扭矩传递机构C2被接合，发动机12运行。第一电机16被控制为用作电动机，且发动机12运行。第一电机16为发动机12提供平衡扭矩，从而第一电机16和发动机12通过行星齿轮组20提供扭矩到输出构件32。由于扭矩传递机构C1未被接合，因此第二电机18没有被操作地连接到输出构件32。

图3中标记为N的行代表空档模式，其中扭矩传递机构C1、C2、C3和C4都未被接合，发动机12停车（即燃料被切断）。因为扭矩传递机构C1、C2、C3和C4都未被接合，所以功率源（发动机12、电机16、18）都未操作地连接到输出构件32。

图3中标记为NC的行代表空档充电模式，其中发动机12运转，第四扭矩传递机构C4被接合。因为扭矩传递机构C1或扭矩传递机构C2都未被接合，所以功率源（发动机12、电机16、18）都未被操作地连接到输出构件32。在第四扭矩传递机构C4被接合的情况下，发动机12的扭矩可以被从第一构件22通过行星齿轮组20传递到第三构件26。控制器82可控制电机16用作发电机，从而在第三构件26处提供的扭矩被转换为存储在能量存储装置80中的电能。

图3中标记为EV2的行是第二纯电动操作模式，其中扭矩传递机构C2被接合，且发动机12停车（即燃料被切断）。电机16可被控制为用作电动机，以通过行星齿轮组20提供到输出构件32达到这样的程度的扭矩：使得发动机12可用作制动器，通过处于停车状态的发动机12的摩擦阻止第一构件22旋转。电机18也被控制为用作电动机。

类似地，图3中标记为EV3的行是第三纯电动操作模式，其中扭矩传递机构C1和C2被接合，同时发动机12停车（即燃料切断），且两个电机16、18被控制为用作电动机，以在输出构件32处提供扭矩。电机18的转子50B通过齿轮系62以与输出构件32的速度成比例的速度旋转。第三纯电动操作模式被提供达到这样的程度：使得发动机12可以用作制动器，通过处于停车状态的发动机12的摩擦力，阻止第一构件22旋转。第三纯电动操作模式可被用作发动机12的启动期间的过渡范围状态。

尽管已经对执行本发明的最佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员将意识到在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的多个替代方面。

Claims (10)

1.一种动力传动系，包括：

输入构件；

输出构件；

固定构件；

第一和第二电机；

仅一个行星齿轮组，其可操作地连接在输入构件和输出构件之间，且具有第一构件、第二构件和第三构件；其中第一、第二和第三构件包括环齿轮构件、恒星齿轮构件和齿轮架构件，所述齿轮架构件支撑与恒星齿轮构件和环齿轮构件都啮合的小齿轮；

第一、第二、第三和第四可选择地接合的扭矩传递机构；其中第一扭矩传递机构可选择性地接合，以将第二电机与输出构件操作地连接；其中第二扭矩传递机构可选择性地接合，以将第二构件与输出构件操作地连接，从而输出构件随第二构件共同旋转；其中第三扭矩传递机构可选择性地接合，以将第三构件操作地连接到固定构件；其中第四扭矩传递机构可选择性地接合，以将第二构件操作地连接到固定构件；和

其中扭矩传递机构中的不同的一个或多个选择性的接合以及一个或全部两个电机的选择性的操作建立输入构件和输出构件之间的串联操作模式、输入-分离操作模式、纯电动操作模式和固定齿轮操作模式。

2.如权利要求1所述的动力传动系，进一步包括齿轮系，其在第一扭矩传递机构被接合时，操作地将第二电机与输出构件连接。

3.如权利要求1所述的动力传动系，其中在串联操作模式中，第一和第四扭矩传递机构被接合，第一电机作为发电机操作，且第二电机作为电动机操作。

4.如权利要求1所述的动力传动系，其中在输入分配操作模式中，第一和第二扭矩传递机构被接合，第一电机作为电动机或作为发电机操作，且第二电机作为电动机操作。

5.如权利要求1所述的动力传动系，其中在纯电动操作模式中，第一扭矩传递机构被接合，且第二电机作为电动机操作。

6.如权利要求1所述的动力传动系，其中在纯电动操作模式中，第二扭矩传递机构被接合，且第一电机作为电动机操作。

7.如权利要求1所述的动力传动系，其中在纯电动操作模式中，第一扭矩传递机构和第二扭矩传递机构被接合，且第一和第二电机都作为电动机操作。

8.如权利要求1所述的动力传动系，其中在固定操作模式中，第二和第三扭矩传递机构被接合。

9.如权利要求1所述的动力传动系，其中第一、第二和第三扭矩传递机构在固定操作模式中被接合，且第二电机在输出构件处增加扭矩。

10.如权利要求1所述的动力传动系，其中在电动扭矩转换器操作模式中，第二扭矩传递机构被接合，且第一电机作为电动机或作为发电机操作。

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