專利名稱：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分割式多能源動(dòng)力總成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及以下兩個(gè)領(lǐng)域(1)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的多能源動(dòng)力總成，即把車載儲(chǔ)能器的電能和燃油的化學(xué)能經(jīng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛的裝置或系統(tǒng)；(2)無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)機(jī)械功率勢(shì)變量與流變量(轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速)受控連續(xù)變換及調(diào)節(jié)的裝置或系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
多能源動(dòng)力總成是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵或核心系統(tǒng)，分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等不同的類型，其中混聯(lián)式綜合了前兩大類型的優(yōu)點(diǎn)。最典型的混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)包括基于二自由度行星分匯流機(jī)構(gòu)的分割式(圖1，即功率分流式，典型的例子如豐田公司THS系統(tǒng))，以及可作多種工作模式切換的串并聯(lián)式(如我國(guó)專利申請(qǐng)03247689.2)等等。雖然分割式混聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)被認(rèn)為是目前最先進(jìn)的方案，但現(xiàn)有諸如豐田THS的這類動(dòng)力系統(tǒng)還存在一些缺陷或不足，主要是由于其基于二自由度行星排的功率分匯流與無級(jí)變速機(jī)構(gòu)具有“變速不變矩”的特性，若不采取重大改進(jìn)措施，將難以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比在較大范圍內(nèi)的變化，影響車輛的動(dòng)力性，因而僅適合于工作載荷及其變化不大的輕型混合動(dòng)力轎車，應(yīng)用范圍受到很大的限制。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分割式多能源動(dòng)力總成，適應(yīng)輕、中、重各類型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的使用要求，其分匯流機(jī)構(gòu)既變速又變矩，傳動(dòng)比可在較大范圍內(nèi)連續(xù)變化，適于采用先進(jìn)的優(yōu)化控制策略，以克服現(xiàn)有分割式動(dòng)力系統(tǒng)的不足。
如圖2所示，本實(shí)用新型提出的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分割式多能源動(dòng)力總成，由發(fā)動(dòng)機(jī)E、電機(jī)M1和M2、電池組B、油箱F、新型功率分匯流無級(jí)變速器H、調(diào)制控制器A和傳動(dòng)裝置G等部件，通過機(jī)械、電氣聯(lián)接而組成。與圖1所示的現(xiàn)有基于二自由度單行星排的分割式動(dòng)力系統(tǒng)相比，其主要特征在于采用新型功率分匯流無級(jí)變速器H取代原來的二自由度單行星排機(jī)構(gòu)C。在圖1和圖2中，空心粗箭頭表示電能與燃油化學(xué)能(或功率)的流動(dòng)及方向，實(shí)心細(xì)箭頭表示轉(zhuǎn)軸上機(jī)械能(或功率)的流動(dòng)及方向。
這里發(fā)動(dòng)機(jī)E可以是汽油機(jī)、柴油機(jī)或其它熱機(jī)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的控制單元和執(zhí)行器(如電動(dòng)油門)等部件，其功能是隨時(shí)按控制策略所指定的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速輸出機(jī)械功率。
調(diào)速電機(jī)M1和主電機(jī)M2兩個(gè)電機(jī)中，M1的功能主要是通過圖2虛線框所示分匯流無級(jí)變速器H來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速、穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)E的工作點(diǎn)，兼顧啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)E以及向電池組B和電機(jī)M2供電；M2的功能主要是通過匯流裝置G和系統(tǒng)輸出軸0，和發(fā)動(dòng)機(jī)E一起向車輛驅(qū)動(dòng)橋(車輪)g提供混合驅(qū)動(dòng)力，并在需要時(shí)向電池組B充電及實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再生回饋的“電剎車”。這兩個(gè)電機(jī)可從直流、交流同步或異步、永磁或勵(lì)磁、單相或三相等不同類型中選用，要求各電機(jī)應(yīng)能按優(yōu)化控制策略給其分配功率的大小、正負(fù)及指定轉(zhuǎn)速，作發(fā)電、電動(dòng)等不同工作狀態(tài)的運(yùn)行。
作為電能存儲(chǔ)器的電池組B，由電池單體通過恰當(dāng)電氣聯(lián)接而構(gòu)成，在需要時(shí)分別向電機(jī)M1和M2提供電能，或接受它們的充電。
調(diào)制控制器A是根據(jù)既定控制策略來控制電機(jī)M1、M2和電池組B工作狀態(tài)及它們之間電能流動(dòng)方向與大小的功率電子器件分系統(tǒng)，包含實(shí)現(xiàn)雙向直流-直流(DC/DC)或直流-交流(DC/AC)變換的功率電子裝置、電機(jī)調(diào)速的電子控制單元(ECU)、電池組充放電及均衡管理模塊以及它們之間的電氣聯(lián)接等。
傳動(dòng)裝置G可以是定軸齒輪、撓性鏈、帶或其他形式更為簡(jiǎn)單(如軸3與軸k間的速比等于1時(shí)可使兩者合并為同一根軸)的傳動(dòng)副，用于在電機(jī)M2的轉(zhuǎn)軸3、分匯流無級(jí)變速器H的輸出軸k和系統(tǒng)輸出軸0之間建立所需的固定傳動(dòng)關(guān)系。
監(jiān)控分系統(tǒng)f1是整個(gè)系統(tǒng)的大腦與中樞神經(jīng)，參見附圖3，主要由監(jiān)控(及顯示)器V、通訊總線及接口電路W與分布在各分系統(tǒng)部件內(nèi)的電子控制單元ECU及各種傳感器相聯(lián)接而構(gòu)成。監(jiān)控及顯示器V實(shí)質(zhì)上是個(gè)裝有控制策略及算法軟件的微型計(jì)算機(jī)，通過通訊總線及接口電路W不斷采集各傳感器和各部件ECU的信號(hào)，計(jì)算確定各部件的工作狀態(tài)和功率輸出并加以顯示，按控制策略向各部件ECU發(fā)出協(xié)調(diào)工作的指令。各ECU根據(jù)從網(wǎng)絡(luò)上接收的指令和信息使相應(yīng)的執(zhí)行器動(dòng)作，控制部件的運(yùn)行狀態(tài)、提供要求的功率，并把相關(guān)部件的當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳回給監(jiān)控器。這里通訊網(wǎng)絡(luò)可采用諸如CAN總線一類恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)總線及接口電路；而各種傳感器中包括了反映司機(jī)對(duì)車輪上驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)總功率的需求的油門及制動(dòng)踏板開度傳感器等。
如圖2虛線框所示的分匯流無級(jí)變速器H，由至少包括一個(gè)正向和一個(gè)反向行星排通過部分構(gòu)件相聯(lián)而構(gòu)成的雙向行星排組C0、自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)C1及其換段電子控制單元等組成，是本實(shí)用新型的關(guān)鍵裝置。該裝置利用具有多個(gè)不同固定速比的自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)(可看成一種特殊的機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT)C1，使行星排組C0中的正、反向行星排(或行星排組)平順無沖擊地分段交替工作，在轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的條件下將來自發(fā)動(dòng)機(jī)E以及調(diào)速電機(jī)M1的動(dòng)力向下游輸出，實(shí)現(xiàn)變速兼變矩的特性。其工作原理詳述如下。
對(duì)照?qǐng)D1和圖2，除了圖1中的C與圖2中的H不同之外，其余部分兩者相似。圖1所示現(xiàn)有典型混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)中的三角形C，代表一個(gè)(或一組)二自由度分匯流行星排及其三個(gè)輸入/輸出元件；設(shè)在其一個(gè)輸入元件a上輸入來自發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速na、另一輸入元件b上輸入來自電機(jī)M1輸出端的可變轉(zhuǎn)速nb，則第三或輸出元件c上將產(chǎn)生一個(gè)可變的輸出轉(zhuǎn)速nc，nc與nb呈線性關(guān)系。本實(shí)用新型定義若nc隨nb增大而增大(nc∝nb)，則稱此匯流行星排(組)具有正向傳遞特性，是正向行星排(組)；反之若nc隨nb增大而減小(nc∝-nb)，則稱此行星排(組)具有反向傳遞特性，是反向行星排(組)。
圖2虛線框H中的雙向行星排組C0則包含了一個(gè)正向和一個(gè)反向的C機(jī)構(gòu)。與一般的二自由度行星傳動(dòng)有3個(gè)輸入/輸出端的情形不同，它共有4個(gè)輸入/輸出端，即兩個(gè)輸入軸i、j和兩個(gè)輸出軸1、2，其中1、2也分別是正、反向行星排(組)的輸出軸，均與自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)C1相連。軸1、2的轉(zhuǎn)速n1、n2與電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速nj呈線性關(guān)系，其中n1是nj的增函數(shù)，而n2是nj的減函數(shù)。
雙向行星排組C0的動(dòng)力來源為兩路一路是來自發(fā)動(dòng)機(jī)E的功率被傳遞到H的輸入軸i上，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的方向不可改變；另一路來自電機(jī)M1的功率被傳遞到H的另一輸入軸j上，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的大小和方向均可能改變，具體根據(jù)穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)E工作點(diǎn)(轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩)的實(shí)際需要來確定，并會(huì)導(dǎo)致裝置輸出軸k的轉(zhuǎn)速nk在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化。
自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)C1在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)機(jī)械自動(dòng)變速器AMT有某些相似之處，它接受其換段電子控制單元ECU根據(jù)工況給出的調(diào)控指令，可按IIIIIIIV…的段位順序，依次、不跳段地實(shí)施段位往復(fù)變化，交替選擇正、反向行星排(組)的輸出軸1或2，將其轉(zhuǎn)速連續(xù)變化著的功率以每段不同的固定速比傳遞給輸出軸k。對(duì)應(yīng)于工作段位IIIIIIIV…的從低到高排列，C1的固定速比也被設(shè)計(jì)成按一定規(guī)律從小到大變化；但根據(jù)第I段被設(shè)計(jì)成是由正向還是反向行星排工作(即軸1還是軸2輸出)的不同情況，相應(yīng)地可按“正向反向正向反向…”或“反向正向反向正向…”的順序進(jìn)行傳遞方式交替。順帶說明，第一，在本實(shí)用新型中“速比”定義為所論傳動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速之比；第二，對(duì)應(yīng)于C1的每個(gè)固定速比，軸i到軸k的速比iik隨電機(jī)D01轉(zhuǎn)速的變化而在一定范圍(段)內(nèi)線性地連續(xù)變化，而不像常規(guī)機(jī)械式自動(dòng)變速器那樣是個(gè)固定值，故采用術(shù)語“段”或“段位”，而不是“檔”或“檔位”來表述，以示概念上的區(qū)別。
以下參照?qǐng)D2敘述分匯流無級(jí)變速器H的工作機(jī)理，為方便計(jì)，均假設(shè)C1被設(shè)計(jì)成按段位依次作“正向反向正向反向…”的傳遞方式交替。
車輛在起步階段，通常要求傳動(dòng)系統(tǒng)有較小的速比(即較大的減速比)，以便獲得較大的低速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此后速比和運(yùn)轉(zhuǎn)速度逐步提高，轉(zhuǎn)矩逐步減小。對(duì)應(yīng)地，自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)C1首先工作在正向傳遞的第I段，以最小速比、最大轉(zhuǎn)矩把正向軸1的功率傳遞到輸出軸k并讓反向軸2空轉(zhuǎn)；在此過程中，電機(jī)M1接受其自身電控單元的指令，轉(zhuǎn)速nj從規(guī)定的最小值逐漸提高、不斷靠近規(guī)定的最大值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n1和nk隨nj升高而升高。當(dāng)nj達(dá)到規(guī)定最大值時(shí)，自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)C1根據(jù)其電控單元的指令切入反向傳遞的第II段工作，使軸1空轉(zhuǎn)并以適當(dāng)?shù)妮^大速比、較小轉(zhuǎn)矩把軸2的功率傳遞到輸出軸k，與此同時(shí)電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速nj也被控制著從規(guī)定最大值逐漸下降，向規(guī)定最小值逼近，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n2升高，nk則以上一段最大值為起點(diǎn)隨nj的降低而繼續(xù)不斷升高。若需要的調(diào)速范圍較大，還可以設(shè)第III、第IV或更多的工作段，例如在第II段nj達(dá)到最小值時(shí)切入正向匯流的第III段，讓2軸空轉(zhuǎn)并以適當(dāng)?shù)母笏俦?、更小轉(zhuǎn)矩把1軸的功率傳遞到輸出軸k，而nj又從最小向最大變化，使轉(zhuǎn)速n1上升，nk則以上一段最大值為起點(diǎn)隨nj的升高而更進(jìn)一步不斷上升……。當(dāng)然，若采取相反的步驟，也可使變速器的速比及輸出轉(zhuǎn)速nk由高向低地連續(xù)變化、輸出轉(zhuǎn)矩逐段地升高。
可見，若如此使電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速nj在其高效區(qū)內(nèi)逐段往復(fù)變化，并由自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)C1平滑、無沖擊地逐段改變固定速比及輪換正、反向傳遞方式相配合，就能使整個(gè)無級(jí)變速器H的速比或輸出轉(zhuǎn)速nk在要求的較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)地逐段變化，從而獲得變速兼變矩的特性。
本實(shí)用新型整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理，除了分匯流無級(jí)變速器H自身的控制及其與整個(gè)系統(tǒng)控制的協(xié)調(diào)之外，其余部分與現(xiàn)有分割式動(dòng)力系統(tǒng)的相似。下面還將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)此做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，包括說明其不同的工作模式。
本實(shí)用新型通過在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分割式動(dòng)力系統(tǒng)中采用分匯流無級(jí)變速器，有效地解決了現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)中存在的“變速不變矩”的問題，還因其分流、分段工作和段位可增減等特點(diǎn)，帶來了傳動(dòng)效率較高、許用傳遞功率和無級(jí)調(diào)速范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。這樣就使整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)能適應(yīng)輕、中、重各類型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的使用要求，適于采用先進(jìn)的優(yōu)化控制策略，便于實(shí)現(xiàn)超低排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性等混合動(dòng)力電動(dòng)汽車整車性能優(yōu)化的目標(biāo)。


圖1是現(xiàn)有典型的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分割式多能源動(dòng)力總成示意圖；圖2是本實(shí)用新型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分割式多能源動(dòng)力總成示意圖；圖3是本實(shí)用新型分割式多能源動(dòng)力總成的監(jiān)控分系統(tǒng)圖；圖4是本實(shí)用新型分割式多能源動(dòng)力總成的一個(gè)具體實(shí)施例；圖5是圖4中正、反向行星排速比i+、i-隨電傳動(dòng)速比iME變化的規(guī)律；圖6是圖4中總速比連續(xù)變化的規(guī)律曲線圖。
具體實(shí)施方式
圖4為分割式多能源動(dòng)力總成的一個(gè)具體實(shí)施方案，虛線框內(nèi)為對(duì)應(yīng)于圖2中H的分匯流無級(jí)變速器，包括由正向行星排k2和反向行星排k1組成的行星排組、具有四個(gè)前進(jìn)段和一個(gè)倒車段的自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)。該方案還包括電池組cell、調(diào)速電機(jī)M1和主電機(jī)M2及其調(diào)制控制器MO、以及電子控制單元ECU1和ECU2等。其主要零部件的聯(lián)接和工作關(guān)系敘述如下。
包含燃油箱等組件的發(fā)動(dòng)機(jī)組Engine group，其輸出軸4上固接有齒輪Z1，與固接在套軸5(相當(dāng)于圖2中i軸)上的齒輪Z2相嚙合。圖中虛線框內(nèi)的分匯流無級(jí)變速器，其雙向行星排組由反向正向兩行星排構(gòu)成，反向行星排由太陽輪t1、行星架j1、齒圈q1及行星齒輪x1等組成，行星排特性參數(shù)為k1；正向行星排由太陽輪t2、行星架j2、齒圈q2及行星齒輪x2等組成，行星排特性參數(shù)為k2；它們都滿足一般單行星排的構(gòu)件相互聯(lián)接關(guān)系。此外，反向行星排的行星架j1在其左側(cè)與軸5相聯(lián)(如通過花鍵或平鍵等聯(lián)接方式)并同軸旋轉(zhuǎn)，在其右側(cè)與正向行星排齒圈q2相連成為一體，構(gòu)件q1通過花鍵或平鍵與反向輸出套軸7相聯(lián)，套軸7相當(dāng)于圖2中的軸2，其上固接有主動(dòng)齒輪Z3、Z5；構(gòu)件j2(通過花鍵或平鍵等)與正向輸出軸8相聯(lián)，軸8相當(dāng)于圖2中的軸1，可相對(duì)套軸7轉(zhuǎn)動(dòng)并固接有主動(dòng)齒輪Z7、Z9、Z11。軸9相當(dāng)于圖2中的軸k，其上的從動(dòng)齒輪Z4、Z6、Z8、Z12對(duì)應(yīng)地與主動(dòng)齒輪Z3、Z5、Z7、Z11相嚙合，形成I～I(xiàn)V前進(jìn)段；從動(dòng)齒輪Z10則通過一個(gè)中間齒輪(惰輪)與軸8上的主動(dòng)齒輪Z9相嚙合，形成R倒車段。分匯流無級(jí)變速器的自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)，則由圖4中的軸7、軸8和輸出軸9上的多對(duì)定軸式換段齒輪Z3～Z12、電磁或液壓作動(dòng)的自動(dòng)換段執(zhí)行器r、s、t等組成。電磁或液壓作動(dòng)的自動(dòng)換段執(zhí)行器(嚙合套或離合器等)r、s、t，由換段電控單元ECU2來控制。r、s兩個(gè)執(zhí)行器有左中右三個(gè)工作位，處于左或右位時(shí)將聯(lián)接其左或右側(cè)的相應(yīng)從動(dòng)齒輪與軸9同軸旋轉(zhuǎn)，處于中位時(shí)兩側(cè)的從動(dòng)齒輪將套在軸9上空轉(zhuǎn)；執(zhí)行器t有中、右兩個(gè)工作位，處于右位時(shí)將聯(lián)接從動(dòng)齒輪Z12與軸9同軸旋轉(zhuǎn)，處于中位時(shí)從動(dòng)齒輪Z12空轉(zhuǎn)。電控單元ECU2可與ECU1實(shí)施部分信息交換或共享，也可將兩者制成一體。圖4中雙點(diǎn)劃線箭頭代表電控單元的指令走向，而指各電控單元的虛線箭頭，代表來自各傳感器的信號(hào)。
自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)的段位總數(shù)目和各段速比值分配的確定方法，首先可借鑒一般車用變速器確定速比范圍的方法，確定最低段速比iI、最末段速比in及倒檔速比iR，此后再根據(jù)能平滑無沖擊地實(shí)現(xiàn)換段的連續(xù)性條件以及其他附加準(zhǔn)則(例如各段速比按等比級(jí)數(shù)分布等)，確定中間段數(shù)目和速比。按電機(jī)M1的工作轉(zhuǎn)速范圍(最高、最低轉(zhuǎn)速)選取或確定的方式不同，速比分配方法可以有所不同，但必須滿足能平滑無沖擊地實(shí)現(xiàn)換段的連續(xù)性條件，即當(dāng)電機(jī)M1轉(zhuǎn)速往復(fù)變化至其規(guī)定最大值或最小值需換段時(shí)，使輸出軸(如本例之軸9)上對(duì)應(yīng)于相關(guān)兩相鄰段的兩個(gè)從動(dòng)齒輪(如本例中III換段時(shí)的Z8和Z6、或IIIII換段時(shí)的Z6和Z12、或IIIIV換段時(shí)的Z12和Z4)，恰好能達(dá)到轉(zhuǎn)速相等或轉(zhuǎn)速差趨于零。現(xiàn)具體通過本實(shí)施例對(duì)此加以說明。
設(shè)當(dāng)電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速達(dá)最大值時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸(軸4)到正向輸出軸(軸8)的速比記為i+max、到反向輸出軸(軸7)的速比記為i-max；當(dāng)電機(jī)M1轉(zhuǎn)速達(dá)最小值時(shí)，對(duì)應(yīng)的速比記為i+min和i-min；下標(biāo)+號(hào)表示正向(k2)行星排工作、-號(hào)表示反向(k1)行星排工作，下標(biāo)max、min表電機(jī)M1輸出轉(zhuǎn)速達(dá)最高或最低。則滿足連續(xù)性條件就是滿足下列等式im·i+max＝im+1·i-max， m＝I，III，V…(奇數(shù)段)im·i-min＝im+1·i+min， m＝II，IV，VI…(偶數(shù)段)(1)式中下標(biāo)m是段位號(hào)。式(1)適合于圖4這類首(第I)段為正向行星排工作者(即按正向反向正向反向…交替者)。而對(duì)于首(第I)段為反向行星排工作者(即按反向正向反向正向…交替者)，其連續(xù)性條件表為im·i-min＝im+1·i+min，m＝I，III，V…(奇數(shù)段)(2)im·i+max＝im+1·i-max，m＝II，IV，VI…(偶數(shù)段)在行星排參數(shù)等已合理確定的前提下，利用式(1)或者(2)可從iI逐個(gè)遞推確定II、III、IV…等各段齒輪對(duì)的速比iII、iIII、iIV…，直至段位數(shù)目足以覆蓋iI～in的范圍。
在本實(shí)施例中，設(shè)已知下列參數(shù)為i54＝Z4/Z5＝1、反向行星排特性參數(shù)k1＝2.6、正向行星排特性參數(shù)k2＝1.9、iI＝Z8/Z7＝0.4?？紤]避免調(diào)速電機(jī)M1運(yùn)轉(zhuǎn)在低效率區(qū)，其工作轉(zhuǎn)速控制在0.3ne≤nM1≤1.4ne范圍內(nèi)，ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；相當(dāng)于在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸4和電機(jī)樞軸6之間設(shè)置了一個(gè)“無級(jí)電傳動(dòng)速比”iME＝nM1/ne，其變化范圍為0.3～1.4。由行星排理論可得，隨iME的變化，正向行星排的速比i+＝n5/n8表為i+＝(iME+k2)/(1+k2) (3)反向行星排的速比i+＝n5/n7則表為i-＝(1+k1-iME)/k1(4)i+和i-隨iME變化的規(guī)律如圖5所示。利用式(1)可得自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)的各段速比iI＝0.4000，iII＝0.5379，iIII＝0.8999，iIV＝1.2102；若增設(shè)一前進(jìn)段V，則iV＝2.0247。圖4虛線框所示分匯流無級(jí)變速器的總速比i94隨iME變化的規(guī)律如圖6(a)所示；將其按段位展開成圖6(b)，清楚地顯示出該總速比隨段位近似按雙曲線規(guī)律連續(xù)變化，圖中單點(diǎn)劃線還給出了iME的相應(yīng)往復(fù)變化情況。在上述參數(shù)下，總速比i94的變化區(qū)域?yàn)?.3034～1.5359(在增設(shè)速比為iV的前進(jìn)段時(shí)擴(kuò)大為0.3034～2.3039，如圖6中虛線所示)，變速范圍Rb≈5.06(增設(shè)iV時(shí)擴(kuò)大到7.59)，滿足一般車輛的使用要求范圍。由計(jì)算知，本例調(diào)速電機(jī)M1的速比在0.3≤iME≤1.4范圍內(nèi)時(shí)，該調(diào)速電傳動(dòng)分路所傳遞功率占變速器傳遞總功率的比例在29％～43％內(nèi)變化。
圖4中的齒輪傳動(dòng)副Z13/Z14對(duì)應(yīng)于圖2中的傳動(dòng)裝置G1，把主電機(jī)M2與系統(tǒng)輸出軸9并聯(lián)起來。主電機(jī)M2和調(diào)速電機(jī)均通過導(dǎo)線與調(diào)制控制器MO電氣聯(lián)結(jié)，根據(jù)電控單元ECU1的指令在電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)下工作，當(dāng)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)由電池組cell提供能量，當(dāng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)向電池組cell充電。
為應(yīng)對(duì)車輛的不同實(shí)際運(yùn)行工況，圖4所示分割式多能源動(dòng)力總成可以采取不同的工作模式。具體如何應(yīng)對(duì)，取決于寫入ECU1及ECU2的控制策略(軟件)，而本實(shí)用新型為各種控制策略的靈活應(yīng)用提供了硬件平臺(tái)。以下僅就一種可能的控制策略及相應(yīng)的各工作模式做粗略的描述。
1、常規(guī)電動(dòng)起步模式車輛在普通平路起步時(shí)，根據(jù)油門踏板狀態(tài)，自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)處于I段，電池組向主機(jī)M2供電使之處于電動(dòng)狀態(tài)，以純電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)車輛起步，此時(shí)調(diào)速電機(jī)M1不通電處于無負(fù)荷空轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火處于制動(dòng)狀態(tài)，功率的流向?yàn)殡姵?cell)→電機(jī)M2→齒輪13→齒輪14→輸出軸9至驅(qū)動(dòng)橋及驅(qū)動(dòng)輪。而在車輛達(dá)到一定車速后，電機(jī)M1呈電動(dòng)狀態(tài)，快速拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)入發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)混聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式。這樣可避免起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速高油耗、高排放的缺點(diǎn)。
2、純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式車輛行駛在對(duì)排放要求特別高的地區(qū)(如風(fēng)景區(qū)，人口高密集區(qū))或車內(nèi)電池高于一定設(shè)定值或發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，車輛即轉(zhuǎn)入純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。該模式與上述起步模式轉(zhuǎn)入混聯(lián)驅(qū)動(dòng)前的情況類似。
3、純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式僅在電機(jī)M2或電池組出現(xiàn)嚴(yán)重故障或人為干預(yù)時(shí)，車輛轉(zhuǎn)入純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。在該模式下有兩種情況，一是電機(jī)M2停止工作，車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)M1仍交替在電動(dòng)與發(fā)電狀態(tài)下工作，與分匯流無級(jí)變速器共同完成調(diào)速、變矩任務(wù)；二是電機(jī)M1、M2均停止工作，且M1處于機(jī)械制動(dòng)狀態(tài)，分匯流無級(jí)變速器停止換段，車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)應(yīng)急驅(qū)動(dòng)。
4、混聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式在一般車況下，電控單元根據(jù)既定控制策略的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、實(shí)際車況功率需求和電池組荷電狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)供油量、變速器傳動(dòng)比、電流及電壓，并使發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)電機(jī)在并聯(lián)和混聯(lián)(串并聯(lián))工作模式之間不斷切換，從而實(shí)時(shí)地控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)(主要是電機(jī)M2)之間的功率分配，在隨時(shí)滿足驅(qū)動(dòng)輪上要求提供的總功率、保證動(dòng)力性的前提下，達(dá)到諸如大幅度減少油耗和排放等優(yōu)化目標(biāo)。
5、能量回饋制動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式在除純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式之外的上述任何工作模式下，且車輛需要制動(dòng)減速或下坡限速時(shí)，根據(jù)制動(dòng)踏板信號(hào)，向電機(jī)M2發(fā)出負(fù)力矩給定信號(hào)，使其處于反拖發(fā)電狀態(tài)，向車輛提供制動(dòng)力并向電池組回饋電能；同時(shí)減少向發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量、調(diào)節(jié)速比以及使電機(jī)M1成為發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載。當(dāng)制動(dòng)踏板信號(hào)繼續(xù)增大時(shí)，使機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)也介入工作，以確保滿足制動(dòng)安全性的需要。
權(quán)利要求1.一種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分割式多能源動(dòng)力總成，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、主電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、電池組、燃油箱、二自由度行星分匯流機(jī)構(gòu)、監(jiān)控分系統(tǒng)和傳動(dòng)裝置構(gòu)成，其特征在于用功率分匯流無級(jí)變速器替代所述二自由度行星分匯流機(jī)構(gòu)；所述功率分匯流無級(jí)變速器由至少一個(gè)具有正向傳遞特性和一個(gè)具有反向傳遞特性的行星排組成的雙向行星排組、以及一個(gè)結(jié)構(gòu)與常規(guī)機(jī)械自動(dòng)變速器AMT相似的自動(dòng)換段機(jī)構(gòu)通過機(jī)械、電氣聯(lián)結(jié)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分割式多能源動(dòng)力總成，其特征在于其中發(fā)動(dòng)機(jī)選自汽油機(jī)、或柴油機(jī)；電機(jī)選自直流、交流同步或異步、永磁或勵(lì)磁、單相或三相電機(jī)；電池組采用動(dòng)力蓄電池或超級(jí)電容儲(chǔ)能器；傳動(dòng)裝置采用定軸齒輪傳動(dòng)副、鏈或帶撓性傳動(dòng)副。
專利摘要一種用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分割式多能源動(dòng)力總成，由發(fā)動(dòng)機(jī)、主電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、電池組、燃油箱、新型功率分匯流無級(jí)變速器、監(jiān)控分系統(tǒng)和傳動(dòng)裝置等部件組成。這種動(dòng)力系統(tǒng)采用機(jī)電一體化的新型功率分匯流無級(jí)變速器替代二自由度行星分匯流機(jī)構(gòu)，有效地解決了現(xiàn)有分割式動(dòng)力系統(tǒng)中存在的“變速不變矩”等問題。因其功率分流、分段連續(xù)無級(jí)變速、段位可靈活增減、相鄰段之間切換平順迅速等特性，帶來了傳動(dòng)效率較高、許用傳遞功率和速比調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，使之適應(yīng)輕、中、重各類型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的使用要求，適于采用先進(jìn)的優(yōu)化控制策略在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)最佳的功率分配，便于實(shí)現(xiàn)低油耗、低排放和高動(dòng)力性等整車性能優(yōu)化的目標(biāo)。
文檔編號(hào)B60L15/20GK2657969SQ0327348
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2003年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
發(fā)明者黃向東, 趙克剛, 羅玉濤, 柳文斌, 胡紅斐 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)