專利名稱：混合動力分流系統(tǒng)及其控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明介紹一種混合動力系統(tǒng)及其控制方法，著重介紹一種以機(jī)電無級變速器為動力分流系統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)及其控制方法。該混合動力可廣泛應(yīng)用于各種車輛和動力設(shè)備。
背景技術(shù)：
概述動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)(內(nèi)燃機(jī))和一個由變速器、差速器和傳動軸組成的傳動系統(tǒng)。它的作用是向車輛提供驅(qū)動輪所需的驅(qū)動動力。內(nèi)燃機(jī)有一定的速度和扭矩范圍，并在其中很小的范圍內(nèi)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，這時或是油耗最小，或是有害排放最低，或是倆者皆然。然而，實(shí)際路況千變?nèi)f化，不但表現(xiàn)在驅(qū)動輪的速度上同時還表現(xiàn)在驅(qū)動輪所要求的扭矩上。因此，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，即動力狀態(tài)，與驅(qū)動輪動力狀態(tài)之匹配是變速器的首要任務(wù)。
目前市場上的變速器主要有有級變速器和無級變速器兩大類。有級變速器又細(xì)分為手動和自動兩種。它們大多通過齒輪系或行星輪系不同的嚙合排列來提供有限個離散的輸出輸入速比。兩相鄰速比之間驅(qū)動輪速度的調(diào)節(jié)則依靠內(nèi)燃機(jī)的速度變化來實(shí)現(xiàn)。
無級變速器，無論是機(jī)械式，液壓式，或機(jī)-電式的，都能在一定速度范圍內(nèi)提供無限個連續(xù)可選用的速比，理論上說，驅(qū)動輪的速度變化完全可通過變速器來完成。這樣，內(nèi)燃機(jī)可以盡可能的工作在最佳速度范圍內(nèi)。同時無級變速器和有級變速器相比，具有調(diào)速平穩(wěn)，能充分利用內(nèi)燃機(jī)最大功率等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，無級變速器多年來一直是各國工程師們研究的對象。目前已推向市場的無級變速器有金屬摩擦帶式和球腔摩擦輪式兩種，其中以帶式較為普遍。
與理想要求的工作情況相比，現(xiàn)有的變速器無論是有級的或無級的都不能完全滿足內(nèi)燃機(jī)與驅(qū)動輪之間的動力匹配要求。這是因?yàn)楝F(xiàn)有的變速器只能完成能量的傳送而不能實(shí)現(xiàn)能量的調(diào)節(jié)。變速器的輸入與輸出功率是相同的(不計變速器內(nèi)耗)。因此，這樣的變速器只能對輸入輸出的速比或輸出輸入的扭矩比進(jìn)行單項(xiàng)調(diào)節(jié)，而不能對二者同時進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)。
近年來，電機(jī)混合動力技術(shù)的誕生為實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)與動力輪之間動力的完全匹配開拓了新的途徑。在眾多的動力總成設(shè)計案中，最具代表性的有串聯(lián)混合系統(tǒng)和并聯(lián)混合系統(tǒng)兩種。電機(jī)串聯(lián)混合系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動機(jī)-軸系-驅(qū)動輪組成一條串聯(lián)的動力鏈，動力總成結(jié)構(gòu)極為簡單。其中，發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組合可視為傳統(tǒng)意義下的變速器。當(dāng)與儲能器，如電池，電容等聯(lián)合使用時，該變速器又可作為能量調(diào)節(jié)裝置，完成對速度和扭矩的獨(dú)立調(diào)節(jié)。
電機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)有兩條并行的獨(dú)立的動力鏈。一條由傳統(tǒng)的機(jī)械變速器組成，另一條由電機(jī)-電池系統(tǒng)組成。機(jī)械變速器負(fù)責(zé)完成對速度的調(diào)節(jié)，而電機(jī)-電池系統(tǒng)則完成對功率或扭矩的調(diào)節(jié)。為充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的潛能，機(jī)械變速器還需采用無級變速方式。
串聯(lián)混合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，布局靈活。但由于全部動力通過發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，因此電機(jī)的功率要求高，體積大，重量重。同時，由于能量傳輸過程經(jīng)過兩次機(jī)-電，電-機(jī)的轉(zhuǎn)換，整個系統(tǒng)的效率較低。在并聯(lián)混合系統(tǒng)中，只有部分動力通過電機(jī)系統(tǒng)，因此，對電機(jī)的功率要求相對較低。整體系統(tǒng)的效率高。然而，此系統(tǒng)需兩套獨(dú)立的子系統(tǒng)，造價高。通常只用于弱混合系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所介紹的是一種混合動力分流系統(tǒng)及其控制策略和方法。該系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、變速器、發(fā)動機(jī)控制器和動力系統(tǒng)控制器等主要零部件組成。該系統(tǒng)采用動力分流原理，利用局部的動力變化去控制總系統(tǒng)輸出端的動力狀態(tài)，即輸出端的速度和扭矩組合。動力分流由變速器完成，它由兩部分組成，機(jī)械傳動裝置和動力調(diào)節(jié)裝置?；旌蟿恿ο到y(tǒng)通常還包括儲能器，如電池，電容或氣液壓力罐等。變速器中的動力調(diào)節(jié)裝置可有多種形式，電機(jī)-電動機(jī)組合，油泵-油馬達(dá)組合以及摩擦傳動裝置等等。
本發(fā)明說明書將以機(jī)電混合動力系統(tǒng)為例介紹一種實(shí)用的混合動力分流系統(tǒng)的控制方法。機(jī)電混合動力系統(tǒng)采用電機(jī)-電動機(jī)組合作為變速器的動力調(diào)節(jié)裝置。該動力調(diào)節(jié)裝置相當(dāng)于一個局部電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)。由于分流系統(tǒng)僅將部分動力分送往動力調(diào)節(jié)裝置，因此，動力分流有效地克服了串聯(lián)混合系統(tǒng)的缺點(diǎn)。本發(fā)明介紹的分流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還在于具較高的傳動效率，它能夠在較寬的范圍內(nèi)對速比(輸出/輸入)和動力進(jìn)行連續(xù)和獨(dú)立的調(diào)節(jié)。在控制方法上，具有穩(wěn)定、可靠、易于實(shí)施的特點(diǎn)。
在速度調(diào)節(jié)方面本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從倒退，停止到前進(jìn)的不間斷的無級變速。無需通常的啟動裝置(如離合器或液力耦合器等)。當(dāng)變速器的無級變速與內(nèi)燃機(jī)(Engine)控制有效的配合時，可大幅度的提高整車的燃油效率。
在動力(power)調(diào)節(jié)方面，本系統(tǒng)可通過儲能器有效的補(bǔ)充動力輪所需的驅(qū)動動力從而更合理地調(diào)配內(nèi)燃機(jī)的動力，保持內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)不受或少受路況的影響。內(nèi)燃機(jī)可始終工作在設(shè)定的最佳狀態(tài)，以提高整車的效率。同時，本系統(tǒng)還可回收制動時的動能，返送回儲能器中。所有這些舉措都大幅度地提高整體車輛的燃油效率。
最后，本發(fā)明所介紹的分流系統(tǒng)在生產(chǎn)和制造方面都比目前的自動變速器簡單。這將為低價高性能產(chǎn)品打下了良好的基礎(chǔ)。


圖1是混合動力系統(tǒng)實(shí)施方案示意框2是機(jī)電無級變速器第一實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意框3是混合動力系統(tǒng)的動力控制流程4是驅(qū)動扭矩與動力踏板位置和車速的關(guān)系示意5是系統(tǒng)動力的調(diào)配流程6是發(fā)動機(jī)動力狀態(tài)以及油耗等值7是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的示意框8是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制流程9是機(jī)電無級變速器第二實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意10是機(jī)電無級變速器第三實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意11是帶減速頭的廣義電機(jī)實(shí)施方式本發(fā)明可以有多種具體的實(shí)施方案或方式。其控制策略和方法不僅限于所介紹的實(shí)施方案。
圖1為本發(fā)明混合動力系統(tǒng)典型實(shí)施方案的示意框圖。該系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)(100)，機(jī)電無級變速器(110)，傳動軸(115)，傳動橋(120)，驅(qū)動軸(125)，驅(qū)動輪(130)，發(fā)動機(jī)控制器ECU(140)動力系統(tǒng)控制器(150)和電池組(160)等主要部件組成。發(fā)動機(jī)的輸出端聯(lián)接于無級變速器的輸入軸(105)。無級變速器的輸出軸與傳動橋通過傳動軸(115)聯(lián)接。這樣，來自動力系統(tǒng)的動力由傳動橋(120)經(jīng)驅(qū)動軸(125)傳至驅(qū)動輪(130)。動力控制器(150)根據(jù)動力踏板或油門(170)，制動踏板(180)，速區(qū)選擇桿(190)，狀態(tài)選擇鈕以及其它傳感器(200)所提供的信息，制定并控制發(fā)動機(jī)(100)和變速器(110)的工作狀態(tài)以及電池的充、放電過程。
機(jī)電無級變速器(110)是該混合動力系統(tǒng)的核心部分。它是一個動力分流系統(tǒng)，起著動力狀態(tài)匹配的作用。圖2所示是機(jī)電無級變速器的第一種實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意框圖。該變速器由兩個行星輪系(PG1，PG2)，兩臺電機(jī)(EM1，EM2)，一個電機(jī)控制器(CTL)及一組離合器(CL1，CL2，CL3)組成。該變速器還包括一個輸入軸(SHin)一個輸出軸(SHout)和三對用于傳遞動力的輸出齒輪(Gout1，gout1；Gout2，gout2；Gout3，gout3)。每個行星輪系分別由一個圈輪(R1或R2)，一個太陽輪(S1或S2)，一組行星輪(P1或P2)，和一個行星輪架(C)組成。圈輪與太陽輪同軸。行星輪位于圈輪和太陽輪之間，與圈輪作內(nèi)嚙合，與太陽輪作外嚙合。每臺電機(jī)則包括一個轉(zhuǎn)子(RT1或RT2)和一個定子(ST1或ST2)。每對輸出齒輪均由一個主動輪和一個從動輪組成，主動輪以大寫的英文字母G表示；從動輪則以小寫的英文字母g表示。
具體地說，第一個行星輪系(PG1)包括第一圈輪(R1)，第一太陽輪(S1)，第一組行星輪(P1)和一個公用行星輪架(C)。第二個行星輪系(PG2)包括第二圈輪(R2)，第二太陽輪(S2)，第二組行星輪(P2)和公用行星輪架(C)。第一組行星輪中的每個行星輪(P1)分別與第二組行星輪中的相應(yīng)的行星輪(P2)連接，組成行星輪對。每一對行星輪中的兩個行星輪具有相同的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)角速度。各對行星輪由行星輪架(C)通過軸承支持，并盡可能均勻地分布在圈輪與太陽輪之間的環(huán)形空間內(nèi)。這樣，兩個行星輪系構(gòu)成一個五分枝速度梯圖系統(tǒng)。第一圈輪(R1)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第一枝，第二圈輪(R2)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第二枝，公用行星架(C)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第三枝，第二太陽輪(S2)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第四枝。第一太陽輪(S1)構(gòu)成五枝系統(tǒng)的第五枝。如此構(gòu)成的五枝系統(tǒng)可表述為R1-R2-C-S2-S1
如上所述的五枝系統(tǒng)的各個分枝與電機(jī)以及輸入、輸出軸之間作如下連接第一個電機(jī)(EM1)通過與第一圈輪(R1)的連接，聯(lián)于五枝系統(tǒng)的第一枝。第二個電機(jī)(EM2)通過與第一太陽輪(S1)連接，聯(lián)于五枝系統(tǒng)的第五枝，即最后的一枝。輸入軸(SHin)通過與公用行星輪架(C)的連接，接入五枝系統(tǒng)的第三枝，即中間的一枝。輸出軸(SHout)則根據(jù)工況需要或連接于五枝系統(tǒng)的第一枝或連接于五枝系統(tǒng)的第二枝或連接于五枝系統(tǒng)的第四枝。輸出軸(SHout)上有三個從動齒輪(gout1，gout2和gout2)，它們分別通過三個離合器(CL1，CL2和CL3)與連接于第一圈輪(R1)，第二圈輪(R2)或第二太陽輪(S2)上的主動齒輪(Gout1，Gout2，或Gout3)耦合以傳遞輸出動力。
當(dāng)輸出軸(SHout)與五枝系統(tǒng)的第一枝(R1)連接時，第一離合器(CL1)嚙合，第二，第三離合器(CL2，CL3)分離。動力由第一圈輪(R1)經(jīng)第一對輸出齒輪(Gout1和gout1)傳送到輸出軸(SHout)。當(dāng)輸出軸(SHout)與五枝系統(tǒng)的第四枝(S2)連接時，第二離合器(CL2)嚙合，第一、第三離合器(CL1，CL3)分離。動力由第二太陽輪(S2)經(jīng)第二對輸出齒輪(Gout2和gout2)傳送至輸出軸(SHout)。當(dāng)輸出軸(SHout)與五枝系統(tǒng)的第二枝(R2)相聯(lián)時，第三離合器(CL3)嚙合，第一、第二離合器(CL1，CL2)分離。動力由第二圈輪(R2)經(jīng)第三對輸出齒輪(Gout3和gout3)傳送至輸出軸(SHout)。
電機(jī)(發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的通稱)的零功率點(diǎn)稱為電機(jī)的零點(diǎn)。電機(jī)的零點(diǎn)可以是由電機(jī)的零轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的也可以是由電機(jī)的零扭矩而產(chǎn)生的。前者稱為速度零點(diǎn)，后者則稱為扭矩零點(diǎn)。由電機(jī)及儲能器組成的電動鏈的動力變化調(diào)控著整個分流系統(tǒng)的動力裝態(tài)，其中包括變速器輸出與輸入軸之間的轉(zhuǎn)速比的變化。當(dāng)電動鏈中某一電機(jī)處于零點(diǎn)狀態(tài)時，相應(yīng)的動力分流系統(tǒng)(變速器)的輸出與輸入軸之間的轉(zhuǎn)速比稱為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)分為速度節(jié)點(diǎn)和扭矩節(jié)點(diǎn)，它們分別對應(yīng)于速度零點(diǎn)和扭矩零點(diǎn)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)按其所對應(yīng)的輸出輸入速比大小的遞增順序依次定義為第一，第二和第三節(jié)點(diǎn)等等。
圖2所示的動力分流系統(tǒng)(機(jī)電無級變速器)可提供四個速度節(jié)點(diǎn)，其中包括一個自然速度節(jié)點(diǎn)(轉(zhuǎn)速比為零的速度節(jié)點(diǎn))和三個非自然速度節(jié)點(diǎn)，和四個速度區(qū)，其中三個為前行區(qū)，一個為逆行區(qū)。第一個前行區(qū)為低速區(qū)，采用的是輸出動力分流方式。第二和第三個前行區(qū)分別為中速和高速區(qū)，采用的均為復(fù)合動力分流的方式。逆行區(qū)則采用純電力傳動。各速區(qū)銜接于速度節(jié)點(diǎn)，平穩(wěn)，連續(xù)無動力間斷。
下面先介紹三個前行區(qū)，分別稱為第一、第二和第三速區(qū)。
第一速區(qū)第一速區(qū)含蓋自然速度節(jié)點(diǎn)至第一速度節(jié)點(diǎn)之間的低速區(qū)。第一離合器(CL1)嚙合，使第一圈輪(R1)與輸出軸(SHout)耦合。第二、第三離合器(CL2，CL3)分離，使第二圈輪(R2)和第二太陽輪(S2)脫離輸出軸(SHout)。動力由第一圈輪(R1)經(jīng)第一對輸出齒輪(Gout1和gout1)傳至輸出軸(SHout)。此時，第二行星輪系(PG2)處于空載狀態(tài)。動力分流由第一行星輪系(PG1)單獨(dú)完成。原來的五枝系統(tǒng)蛻變?yōu)橛傻谝恍行禽喯?PG1)組成的三枝系統(tǒng)。該三枝系統(tǒng)中的三個分枝分別為原五枝系統(tǒng)的第一、第三和第五枝。三枝系統(tǒng)的第一枝(R1)與第一電機(jī)(EM1)相聯(lián)；第二枝(C)與輸入軸(SHin)相聯(lián)；第三枝(S1)與第二電機(jī)(EM2)相聯(lián)。輸出軸(SHout)則耦合于第一電機(jī)所在的第一枝(R1)。第一速區(qū)采用的是輸出動力分流的形式。
在車輛起動前，第一電機(jī)(EM1)處于零轉(zhuǎn)速狀態(tài)。第而電機(jī)(EM2)處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速方向內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)動方向相同。車輛起動時，控制器發(fā)出指令，第一電機(jī)(EM1)提供起動扭矩。除少量內(nèi)耗外，第一電機(jī)(EM1)并不消耗能量。此時，由于車輛仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，驅(qū)動輪尚無動力要求，僅有扭矩要求。驅(qū)動輪所需的起動扭矩完全來自第一電機(jī)(EM1)。內(nèi)燃機(jī)此時不提供任何起動扭矩，因此無能量(動力)輸出。
隨著電機(jī)扭矩的增加，車輛由靜到動，向前起步。第一電機(jī)(EM1)并隨之開始轉(zhuǎn)動。而第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速則逐漸減小以滿足車輛增速的需要。此時，第一電機(jī)(EM1)開始消耗電能。這份消耗的電能由第二電機(jī)(EM2)通過電力控制器(CTL)全部或部分提供。為平衡第二電機(jī)(EM2)的扭矩載荷，內(nèi)燃機(jī)此時提供必要的扭矩。車輛啟動后，驅(qū)動輪的扭矩由內(nèi)燃機(jī)和第一電機(jī)(EM1)分擔(dān)，從而使第一電機(jī)(EM1)的扭矩逐漸降低。
隨著車輛速度的提高，第一電機(jī)(EM1)的轉(zhuǎn)速不斷提高而其扭矩則不斷下降。相反，第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速不斷降低，直至減小到零。此時，第二電機(jī)(EM2)到達(dá)其速度零點(diǎn)。相應(yīng)地，變速器到達(dá)其第一個速度節(jié)點(diǎn)(非自然速度節(jié)點(diǎn))。如果電動鏈中無電力的輸入或輸出，即儲能器無凈能量交換，第一電機(jī)(EM1)的扭矩零點(diǎn)將與第二電機(jī)(EM2)的速度零點(diǎn)重合。電動鏈所傳送的動力與變速器輸入軸動力的比值PR由以下函數(shù)表示。
PR=1-(K1K1+1)(1Kout_1)·SR]]>0≤SR≤SR1SR1=(K1+1K1)Kout_1]]>其中SR為變速器輸出與輸入軸的轉(zhuǎn)速比。K1為第一行星輪系的特征速比，即第一行星輪系圈輪直徑(或齒數(shù))與太陽輪直徑(或齒數(shù))之比。Kout_1為第一對輸出齒輪中主動齒輪(Gout1)與從動齒輪(gout1)的齒數(shù)比。SR1為第一速度節(jié)點(diǎn)。
第二速區(qū)第一速度節(jié)點(diǎn)是第一速區(qū)和第二速區(qū)的分界點(diǎn)。位于第一和第二速度節(jié)點(diǎn)之間的中速度區(qū)稱為第二速區(qū)。在第二速區(qū)，變速器改用復(fù)合動力分流的方式。當(dāng)變速器的速比達(dá)到第一節(jié)點(diǎn)值時，第二離合器(CL2)嚙合，使第二太陽輪(S2)與輸出軸(SHout)耦合。緊隨第二離合器的嚙合，第一離合器(CL1)開始分離，使第一圈輪(R1)脫離輸出軸(SHout)。動力由第二太陽輪(S2)經(jīng)第二對輸出齒輪(Gout1和gout1)傳至輸出軸(SHout)。
為保證第二離合器(CL2)嚙合時，從動齒輪(gout2)與輸出軸(SHout)轉(zhuǎn)速同步，第一和第二對輸出齒輪(Gout1，gout1和Gout2，gout2)的齒數(shù)比之間應(yīng)滿足如下關(guān)系Kout_2Kout_1=K12-1K1(K1-K2)]]>Kout_2為第二對輸出齒輪中主動齒輪(Gout2)與從動齒輪(gout2)的齒數(shù)比。從五枝系統(tǒng)各分枝的連接情況來看，五枝系統(tǒng)的第一枝(R1)仍聯(lián)于第一電機(jī)(EM1)，第二枝(R2)處于空載狀態(tài)，第三枝(C)聯(lián)于輸入軸(SHin)，第四枝(S2)聯(lián)于輸出軸(SHout)。第五枝(S1)則聯(lián)于第二電機(jī)(EM2)。
隨著車輛速度的提高，變速器的速比進(jìn)一步增加，超越第一速度節(jié)點(diǎn)值。第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速由零開始向與內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向相同的方向回升。第一電機(jī)(EM1)的轉(zhuǎn)速則開始下降。如果電動鏈無電力輸入或輸出，第一電機(jī)(EM1)的扭矩應(yīng)該由零向反方向增加。此時，第一電機(jī)(EM1)起著發(fā)電機(jī)的作用，向第二電機(jī)(EM2)或系統(tǒng)提供電能。第二電機(jī)(EM2)則起電動機(jī)的作用，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
在電動鏈無電力輸入或輸出的情況下，電動鏈與輸入軸的動力分流比PR為，PR=(K1-1)(K1+1)(K2-1)·SRKout_2-(K1K2-1)+(K1-K2)(K1+1)(K2-1)+K1K2(K1-K2)(K12-1)(K2-1)·Kout_2SR]]>SR1≤SR≤SR2SR2=(K1K2-1K1-1)Kout_2]]>其中K2為第二行星輪系的特征速比。SR2為第二速度節(jié)點(diǎn)。
在第一節(jié)速度節(jié)點(diǎn)SR1和第二速度節(jié)點(diǎn)SR2的幾何平均值點(diǎn)，PR取得最大值。此最大值為PRmax=φ2-1φ2+1]]>其中φ2為第二速度節(jié)點(diǎn)與第一速度節(jié)點(diǎn)的比值，稱為第二速區(qū)的跨度或節(jié)間距。
φ2=SR2SR1=K1K2-1K1-K2]]>當(dāng)?shù)谝浑姍C(jī)(EM1)的轉(zhuǎn)速隨車輛速度的進(jìn)一步增加而下降至零時，變速器的速比到達(dá)其第二個速度節(jié)點(diǎn)。從上述PR的表達(dá)式可看出，在第二速度節(jié)點(diǎn)，電動鏈動中的分流動力為零，全部動力由機(jī)械鏈傳送。
第三速度區(qū)第二速度節(jié)點(diǎn)是第二速度區(qū)和第三速度區(qū)的分界點(diǎn)。第二節(jié)點(diǎn)以上高速區(qū)是第三速度區(qū)。第三速度區(qū)變速器仍采用復(fù)合動力分流的方式。與第二速度區(qū)不同的是輸出軸由原來所在的五枝系統(tǒng)的第四枝改接至五枝系統(tǒng)的第二枝。為此，在變速器的第二速度節(jié)點(diǎn)，第三離合器〔CL3〕嚙合，第一、第二離合器(CL1、CL2)分離。動力由第二圈輪(R2)經(jīng)第三對輸出齒輪(Gout3和gout3)傳送至輸出軸(SHout)。
為保證第三離合器(CL3)嚙合時，從動齒輪(gout3)與輸出軸(SHout)轉(zhuǎn)速同步，第二和第三對輸出齒輪(Gout2，gout2，Gout3，gout3)的齒數(shù)比之間應(yīng)滿足如下關(guān)系Kout_3Kout_2=K2(K1K2-1)K1-K2]]>這個比值正是五枝系統(tǒng)第二枝到第五枝的距離與第四枝到第五枝的距離之比。即Kout_3Kout_2=L2→5L4→5]]>上式中Kout_3為第三對輸出齒輪主動輪(Gout3)與從動輪(gout3)的齒數(shù)比。
在第二速度節(jié)點(diǎn)或第二速度節(jié)點(diǎn)附近，第一電機(jī)(EM1)的扭矩?fù)Q向。車輛速度繼續(xù)增加時，第一電機(jī)(EM1)轉(zhuǎn)速重新開始上升；而第二電機(jī)(EM2)的轉(zhuǎn)速則開始下降，直至降零值。此時變速器到達(dá)其第三個速度節(jié)點(diǎn)(SR3)。在電動鏈無電力輸入或輸出的情況下，第三速度區(qū)的電力分流比PR為，PR=-(K1-1)K2(K1+1)(K2-1)·SRKout_3+(K1K2-1)+(K1-K2)(K1+1)(K2-1)-(K1-K2)(K1K2-1)K2(K2-1)(K12-1)·Kout_3SR]]>SR2≤SR從上方程式中不難看出，第三速度節(jié)點(diǎn)位于SR3=(K1K2-1)Kout_3K2(K1-1)]]>
同樣地，在第二速度節(jié)點(diǎn)SR2和第三速度節(jié)點(diǎn)SR3的幾何平均值點(diǎn)，PR達(dá)最大值。
PRmax=φ3-1φ3+1]]>其中φ3為第三速度節(jié)點(diǎn)于第二速度節(jié)點(diǎn)的比值，稱為第三速度區(qū)的跨度。
φ3=SR3SR2=K1K2-1K1-K2≡φ2]]>兩個復(fù)合動力分流速度區(qū)(即第二和第三速度區(qū))的總跨度為φ=φ2φ3=(K1K2-1K1-K2)2]]>逆行區(qū)自然節(jié)點(diǎn)SR0＝0以下的速區(qū)稱為逆行區(qū)。第一離合器(CL1)嚙合。第二和第三離合器(CL2，CL3)分離。動力由第一圈輪(R1)經(jīng)第一對輸出齒輪(Gout1和gout1)傳送至輸出軸(SHout)。
逆行區(qū)可延用第一速區(qū)的輸出動力分流方式。為了限制電動鏈動力分流比PR，避免動力回流或動力內(nèi)循還，逆行區(qū)還可采用純電力驅(qū)動的方式轉(zhuǎn)遞動力。為此，第一電機(jī)(EM1)在動力系統(tǒng)控制器(150)的控制下從儲能器(160)中獲取電能，經(jīng)第一對輸出齒輪(Gout1，gout1)向輸出軸(SHout)提供扭矩和動力。
實(shí)際上，純電力驅(qū)動的方式也可用于前行區(qū)。
空擋和泊車變速器第一實(shí)施方案還可提供包括空擋在內(nèi)的其他工作狀態(tài)。顯然，當(dāng)所有的離合器均處于分離狀態(tài)時，變速器處于空擋狀態(tài)。泊車則可通過同時嚙合第一、第二和第三離合器(CL1，CL2和CL3)來完成。(如表一所示)。
其他工作狀態(tài)此外，變速器第一實(shí)施方案還可用于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火啟動。內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火啟動可由兩臺電機(jī)中的任何一個或兩個來完成。例如，當(dāng)變速器處于空擋時，兩臺電機(jī)可配合啟動內(nèi)燃機(jī)。而當(dāng)變速器處于純電力驅(qū)動時，可用第二電機(jī)(EM2)來啟動內(nèi)燃機(jī)。
可見，當(dāng)配備儲能裝置時，本發(fā)明所介紹的混合動力系統(tǒng)不但可提供機(jī)電混合動力驅(qū)動狀態(tài)還可以提供純電力驅(qū)動狀態(tài)。并且，在機(jī)電混合動力驅(qū)動工作狀態(tài)中，兩電機(jī)之間所傳遞的動力(電力)不需保持平衡。一個電機(jī)所轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能可能會多于或少于另一電機(jī)所轉(zhuǎn)換消耗的電能。此時，一個電機(jī)的速度零點(diǎn)不再是另一電機(jī)的扭矩零點(diǎn)。電機(jī)扭矩零點(diǎn)所對應(yīng)的變速器速比節(jié)點(diǎn)的位置發(fā)生變化，但電機(jī)速度零點(diǎn)所對應(yīng)的速比節(jié)點(diǎn)位置不變。由于此時電機(jī)同時承擔(dān)速度調(diào)節(jié)和動力調(diào)節(jié)的功能，電機(jī)的額定功率應(yīng)Peng_rat不小于電動鏈最大動力分流比與輸入軸額定功率的乘積，即Peng_rat≥Pem_ref=(SRi+1SRi(1+|Pe_pto|Pin)-1)2SRi+1SRi-1Pin]]>在儲能器無能量輸入或輸出的條件下，電機(jī)的額定功率與其實(shí)際工作動力(功率)之差稱為負(fù)載能力儲備DPem即Pem_ref＝Pem+ΔPem負(fù)載能力儲備量的大小反映了電機(jī)對系統(tǒng)的動力調(diào)節(jié)能力，即混合動力系統(tǒng)中機(jī)電混合程度。表一列出了變速器的工作狀態(tài)及其對應(yīng)的離合器嚙合組合和電機(jī)工作狀態(tài)。
不難看出，在各個速度區(qū)的銜接點(diǎn)進(jìn)行速區(qū)變換時，相應(yīng)的離合器的嚙合或分離均在自然轉(zhuǎn)速同步的狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，該變速器可采用簡單嚙合式離合器，而無需較為復(fù)雜的磨擦式離合器。
圖3為混合動力系統(tǒng)動力控制流程圖，包括若干個環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中控制系統(tǒng)按照預(yù)定的時間間隔重復(fù)執(zhí)行此流程，保證發(fā)動機(jī)和變速器工作在既定的工作狀態(tài)。每一個流程循環(huán)開始時動力系統(tǒng)控制器執(zhí)行第一個環(huán)節(jié)(S100)，接受各傳感器信號，包括車速(驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速，Wveh)、動力踏板位置(PSacc)以及制動踏板位置(PSbrk)信號，并將這些信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理或運(yùn)算，為系統(tǒng)決策提供依據(jù)。
接著，控制系統(tǒng)執(zhí)行第二環(huán)節(jié)(S200)，根據(jù)第一環(huán)節(jié)所提供的信息確定車輛所需的驅(qū)動扭矩(Tveh)和驅(qū)動動力(Pveh)。驅(qū)動扭矩與動力踏板位置和車速的關(guān)系可以以函數(shù)或圖表的形式給出，如圖4所示。驅(qū)動軸扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積即為驅(qū)動動力。驅(qū)動扭矩以函數(shù)形式表述可寫為，Tveh＝Cacc·PSacc-Cbrk·PSbrk-Ccst其中Cacc，Cbrk，Ccst為比例系數(shù)。Cacc由最大許可扭矩確定。當(dāng)車速較低時，它為常數(shù)。當(dāng)車速較高時，它為變數(shù)，隨車速的增加而減小。這是因?yàn)樽畲笤S可扭矩受最大許可動力(功率)的限制，隨車速的增加而減小。Cbrk由極限扭矩確定，Ccst可取為常數(shù)或與車速有關(guān)的變量。所需驅(qū)動動力可寫為，Pveh＝Tveh·Wveh
當(dāng)驅(qū)動動力為負(fù)值時，車輛將減速，部分或全部動能將以制動能量的形式通過電機(jī)回受(Regnerative Braking)，返送到儲能器中。
控制流程的第三個環(huán)節(jié)(S300)，是確定動力系統(tǒng)的總動力要求P0。總動力包括驅(qū)動動力Pveh、分動動力(POWER-TAKE-OFF)以及其它非機(jī)械動力要求，如空調(diào)、照明、儀表和視聽設(shè)備等。計算動力系統(tǒng)總動力要求時應(yīng)考慮并計入動力傳輸過程中各環(huán)節(jié)的能量(動力)損耗。
系統(tǒng)動力控制流程的第四個環(huán)節(jié)是系統(tǒng)動力資源調(diào)配(S400)。控制器根據(jù)系統(tǒng)總動力要求以及動力總成當(dāng)前的工作狀態(tài)對各動力資源進(jìn)行合理的調(diào)配以達(dá)到系統(tǒng)希望的工作狀態(tài)。系統(tǒng)希望的工作狀態(tài)通常以最佳油耗，最佳排放或最佳加速性能為目的。控制器依照預(yù)定的動力調(diào)配策略設(shè)定發(fā)動機(jī)輸出動力(Peng_set)，儲能器輸出、輸入能量(Pe_pto)，和制動器制動動力(Pbrk)。系統(tǒng)動力調(diào)配策略有兩套準(zhǔn)則可供選用以判據(jù)為基礎(chǔ)的靜態(tài)決策準(zhǔn)則和以實(shí)時計算為依據(jù)的動態(tài)決策準(zhǔn)則。為了縮短動態(tài)決策時間，實(shí)時計算可以用圖表的形式代替。即將實(shí)時計算的結(jié)果以圖表的形式存入控制器可讀內(nèi)存中，供決策時查取。系統(tǒng)動力的調(diào)配過程包括如圖5所示的幾個主要步驟1.輸入系統(tǒng)總動力要求(S410)；2.輸入儲能器能量狀態(tài)，能量交換效率，電機(jī)工作效率，車速，以及動力踏板和制動踏板的位置信息(S420)；3.判定總動力及車速范圍，選取動力調(diào)配準(zhǔn)則(S430)；4a.啟用以判據(jù)為基礎(chǔ)的動力調(diào)配準(zhǔn)則(S440A)。該準(zhǔn)則主要針對下列幾種情況(1)動力回收。當(dāng)動力要求小于零時，P0＜0，可進(jìn)行動力回收。最大可回收動力取決于儲能器的能量狀態(tài)，或電池的充電狀態(tài)(SOC)，和電機(jī)負(fù)載能力的儲備量DPem等諸因素。未能回收的剩余動力(負(fù)值)則由制動器吸收并以摩擦熱的形式消耗。此時，發(fā)動機(jī)設(shè)定的輸出動力為零。
Peng_set＝0；Pe_pto＝max[-ΔPem，-(1-SOC)Pbat_max，P0]Pbrk＝P0-Pe_ptoPbat_max為電池最大輸入功率。
(2)純電力驅(qū)動。當(dāng)動力要求大于零，但小于某一個設(shè)定值時，0＜P0＜Pmin，如果儲能器能量狀態(tài)許可，可采用純電力驅(qū)動。此時，Peng_set＝0Pe_pto＝P0Pbrk＝0如果儲能器的能量狀態(tài)低于預(yù)設(shè)值時，發(fā)動機(jī)啟動，提供系統(tǒng)所需動力并酌情向儲能器補(bǔ)充能量(充電)。
Pe_Pto＝-min[(Pmin-P0)，(1-SOC)Pbat_max]Peng_set＝P0-Pe_ptoPbrk＝0(3)動力補(bǔ)助。當(dāng)總動力要求大于發(fā)動機(jī)所能提供的最大許可動力Peng_max時，P0＞Peng_max，儲能器向動力系統(tǒng)提供補(bǔ)助動力。系統(tǒng)總動力由發(fā)動機(jī)的燃油動力和儲能器的電力輸出兩部分承擔(dān)。根據(jù)儲能器的能量狀態(tài)，總動力要求將全部或部分得到滿足。此時，Peng_set＝Peng_max；Pe_pto＝min[SOC·Pbat_max，，ΔPem，(P0-Peng_max)]；Pbrk＝0Pbat_max為電池最大輸出功率。
4b.啟用動態(tài)動力調(diào)配準(zhǔn)則(S440B)。動態(tài)動力調(diào)配準(zhǔn)則著眼于瞬時動力的優(yōu)化調(diào)度，通過對各相關(guān)參數(shù)實(shí)時計算、比較，找出最適合當(dāng)前情況的動力調(diào)配方案。此方案或以最低油耗為目的，或以最小排放為目的，或二者兼顧。以最低油耗為例，動態(tài)動力調(diào)配準(zhǔn)則計算比較各種可能的動力分配方案下系統(tǒng)的不可逆能量損耗和瞬間系統(tǒng)綜合燃油總效率。選擇能耗最低，總效率最高的動力調(diào)配方案設(shè)定發(fā)動機(jī)的燃油動力輸出和儲能器的電力輸入或輸出。
假定系統(tǒng)的總動力要求為P0，系統(tǒng)按如下方式分配動力發(fā)動機(jī)提供燃油動力Peng，儲能器提供或獲取動力Pe_pto。
P0＝Peng+Pe_pto發(fā)動機(jī)的每一種轉(zhuǎn)速和扭矩組合(Weng，Teng)代表一種動力狀態(tài)(圖6)，以Peng(Weng，Teng)表示。即使在相同的動力要求下，不同的動力狀態(tài)對應(yīng)著不同的燃油效率。假定發(fā)動機(jī)在動力要求Peng下的最高燃油效率為1m，儲能器以及電機(jī)的綜合能量轉(zhuǎn)換、傳輸效率為f，＝bat·em其中bat為電池充或放電效率；em為電機(jī)工作效率。
在上述動力分配方式下，動力系統(tǒng)不可逆的能量總損耗為， 式中λm為Peng的函數(shù)；為Pe_pto的函數(shù)，在給定P0的條件下，亦可改寫成Peng的函數(shù)。這樣，ΔP可表述為以Peng為變量的函數(shù)。動力系統(tǒng)的綜合效率為
求解系統(tǒng)綜合效率的極大值點(diǎn)Peng*，即獲得發(fā)動機(jī)動力的最佳設(shè)置Peng_set＝Peng*。
ηeft(Peng*)=max[1-ΔPP0]]]>由此可得出儲能器的能量(動力)輸出或輸入Pe_pto＝P0-Peng*。
由于動態(tài)動力調(diào)配針對動力輸出情況，P0＞0，因此，Pbrk＝0。
綜上所述，動態(tài)動力調(diào)配準(zhǔn)則給出的最佳動力配置為Peng_set＝Peng*Pe_pto＝P0-Peng*Pbrk＝0為加速動態(tài)動力調(diào)配的決策過程，實(shí)時計算可以以查閱圖表的形式取代。設(shè)計者可預(yù)先根據(jù)總動力要求和儲能器以及電機(jī)綜合效率等參數(shù)的變化范圍，以總動力要求P0和儲能器、電機(jī)的綜合效率自變量，發(fā)動機(jī)最佳動力設(shè)置Peng_set為因變，計算并建立一整套數(shù)據(jù)圖表，并將此圖表存入控制器的可讀內(nèi)存中。動態(tài)動力調(diào)配程序執(zhí)行時只需根據(jù)當(dāng)時的總動力要求和儲能器、電機(jī)的綜合效率從內(nèi)存的圖表中讀出或插值計算出相應(yīng)的發(fā)動機(jī)動力設(shè)置，Peng_set。然后按前面所述的方法計算儲能器的能量輸出或輸入Pe_pto，設(shè)定制動動力Pbrk。
5.系統(tǒng)動力調(diào)度、分配和確認(rèn)(S450)。系統(tǒng)控制器對決策結(jié)果進(jìn)行必要認(rèn)證或修正，確保各參數(shù)均在安全許用的范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地運(yùn)行。
系統(tǒng)動力調(diào)配完成后動力控制流程進(jìn)入另一個重要環(huán)節(jié)設(shè)置發(fā)動機(jī)的動力狀態(tài)，監(jiān)控儲能器的能量傳輸以及工作狀態(tài)，監(jiān)控制動器的執(zhí)行過程(圖3)。它們由如下三個子環(huán)節(jié)(S500A)、(S500B)和(S500C)完成。
(S500A)發(fā)動機(jī)動力狀態(tài)的設(shè)置是指在給定發(fā)動機(jī)動力要求的條件下，選擇發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩的組合，使其工作在希望的工作狀態(tài)下，以保證油耗、排放最低或綜合指標(biāo)最佳。圖6所示的是發(fā)動機(jī)在各動力狀態(tài)下的油耗等值圖。圖中細(xì)實(shí)線表示油耗等值線。細(xì)虛線代表動力等值線。粗實(shí)線為目標(biāo)工作狀態(tài)線。粗虛線代表極限扭矩線。當(dāng)希望的工作狀態(tài)是以油耗最低為目的時，目標(biāo)工作狀態(tài)線與每一條動力等值線的交點(diǎn)(Pm)應(yīng)取在該動力等值線上的最低油耗點(diǎn)(λm)。目標(biāo)工作狀態(tài)線可以以發(fā)動機(jī)動力要求為自變量，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩為因變量預(yù)先存入控制器的可讀內(nèi)存中。在執(zhí)行過程中，控制器只需根據(jù)動力要求分別讀出或查值計算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。
(S500B)儲能器和其相應(yīng)的控制電路根據(jù)動力調(diào)配環(huán)節(jié)中的設(shè)定目標(biāo)值輸出或輸入動力，并監(jiān)控包括充、放電電流，電壓，溫度和反映工況的其它參數(shù)如能量狀態(tài)，能量轉(zhuǎn)換效率等。儲能器同時將這些信息反饋到系統(tǒng)控制器中為實(shí)時控制提供依據(jù)。此外，儲能器能量傳輸和控制環(huán)節(jié)(電路)還對最大許可輸入、輸出動力加以限制，以保證系統(tǒng)安全、可靠地工作。
(S500C)制動器控制和執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)制動動力和車速確定制動扭矩的大小，并指令各車輪制動執(zhí)行裝置產(chǎn)生相應(yīng)的制動扭矩。
當(dāng)發(fā)動機(jī)的動力狀態(tài)設(shè)定后，動力控制系統(tǒng)立即執(zhí)行兩個控制程序以控制發(fā)動機(jī)的速度和扭矩，保證發(fā)動機(jī)盡可能地工作在設(shè)定的動力狀態(tài)。發(fā)動機(jī)的速度控制是通過調(diào)控變速器中的電機(jī)的扭矩來實(shí)現(xiàn)的，其具體步驟在子環(huán)節(jié)(S600A)中描述。發(fā)動機(jī)的扭矩控制則主要由發(fā)動機(jī)控制器(ECU)通過控制空氣燃油混合比，進(jìn)氣量，電噴或點(diǎn)火時間等來實(shí)現(xiàn)(S600B)。
(S600A)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制由一個包括發(fā)動機(jī)，電機(jī)，傳動裝置，速度傳感器以及電機(jī)驅(qū)動及控制電路在內(nèi)的閉環(huán)控制、執(zhí)行系統(tǒng)來完成。圖7為該控制、執(zhí)行系統(tǒng)的示意框圖，其控制部分包括直饋和反饋兩部分。圖8所示為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程的流程圖。首先，控制器輸入相關(guān)的系統(tǒng)工況參數(shù)(S710)，然后根據(jù)變速器輸出軸和輸入軸的速度信息判定變速器當(dāng)前的工作速度區(qū)及相應(yīng)的動力分流狀態(tài)(S720)，據(jù)此，控制器設(shè)定或保持各離合器控制器的工作狀態(tài)(S730)。同時，控制器根據(jù)發(fā)動機(jī)設(shè)定的動力狀態(tài)計算出各電機(jī)扭矩的穩(wěn)態(tài)值，向系統(tǒng)提供直饋信息(S740)?？刂破鬟€根據(jù)速度傳感器提供的速度信息解算出發(fā)動機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，并與發(fā)動機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較得出速度誤差信號?？刂破髟俑鶕?jù)速度誤差，按照相關(guān)的控制理論計算出電機(jī)扭矩修正值，作為系統(tǒng)的反饋值(S750)。電機(jī)的總扭矩，即工作扭矩，為穩(wěn)態(tài)扭矩與修正扭矩之合(S760)?？刂破鲗⒏鶕?jù)電機(jī)工作扭矩通過電力電子驅(qū)動電路對電機(jī)的扭矩進(jìn)行監(jiān)控(S770)。
第一速區(qū)變速器工作在輸出動力分流狀態(tài)。第一電機(jī)(EM1)工作扭矩的設(shè)定值為，Tem1＝Tem1_ff+Tem1_fb其中Tem1_ff為穩(wěn)態(tài)條件下，為保證系統(tǒng)各部件之間的扭矩平衡，電機(jī)EM1應(yīng)該提供的扭矩，即所謂穩(wěn)態(tài)扭矩或直饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為Tem1_ff=Pe_ptoWem1+(Wem2Wem1)(TengK1+1)]]>Tem1_fb為動態(tài)條件下，為控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)扭矩的修正值，即所謂速差修正扭矩或反饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，
Tem1_fb=-(Wem2Wem1)·ψ1(Weng_set-Weng)]]>ψ1為第一速區(qū)速差反饋函數(shù)，ψ1(Weng_set-Weng)＝C0+C1·(Weng_set-Weng)+C2·∫(Weng_set-Weng)dt式中C0，C1，C2為常數(shù)。
第一速區(qū)，第二電機(jī)(EM2)的工作扭矩設(shè)定值為，Tem2＝Tem2_ff+Tem2_fb其中Tem2_ff為穩(wěn)態(tài)扭矩或直饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，Tem2_ff=-TengK1+1]]>Tem2_fb為速差修正扭矩或反饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，Tem2_fb＝ψ1(Weng_set-Weng)第二速區(qū)，變速器工作在復(fù)合動力分流狀態(tài)。第一電機(jī)(EM1)工作扭矩的設(shè)定值為，Tem1＝Tem1_ff+Tem1_fb其中Tem1_ff為穩(wěn)態(tài)扭矩或直饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，Tem1_ff=(K1-K2)Pe_pto-(K2-1)Wem2·Teng(K1-K2)Wem1+(K2-1K1)Wem2]]>Tem1_fb速差修正扭矩或反饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，Tem1_fb=Wem2·ψ2(Weng_set-Weng)(K1-K2)Wem1+(K2-1K1)Wem2]]>
ψ2為第二速區(qū)速差反饋函數(shù)，ψ2(Weng_set-Weng)＝C0′+C1′·(Weng_set-Weng)+C2′·∫(Weng_set-Weng)dt式中C0’，C1’C2’為常數(shù)。
第二速區(qū)，第二電機(jī)(EM2)工作扭矩的設(shè)定值為，Tem2＝Tem2_ff+Tem2_fb其中Tem2_ff為穩(wěn)態(tài)扭矩或直饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，Tem2_ff=(K2-1K1)Pe_pto+(K2-1)Wem1·Teng(K1-K2)Wem1+(K2-1K1)Wem2]]>Tem2_fb為速差修正扭矩或反饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為Tem2_fb=-Wem1·ψ2(Weng_set_Weng)(K1-K2)Wem1+(K2-1K1)Wem2]]>第三速區(qū)，變速器工作在另一個復(fù)合動力分流狀態(tài)。第一電機(jī)(EM1)工作扭矩的設(shè)定值為，Tem1＝Tem1_ff+Tem1_fb其中Tem1_ff為穩(wěn)態(tài)條件下，為滿足系統(tǒng)各部件扭矩平衡條件，電機(jī)EM1應(yīng)該提供的扭矩，即所謂穩(wěn)態(tài)扭矩或直饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，Tem1_ff=(K1-1K2)Pe_pto+(1-1K2)Wem2·Teng(K1-1K2)Wem1+(1K2-1K1)Wem2]]>Tem1_fb為動態(tài)條件下，為控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)扭矩的修正值，即所謂速差修正扭矩或反饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，
Tem1_fb=-Wem2·ψ3(Weng_set-Weng)(K1-1K2)Wem1+(1K2-1K1)Wem2]]>ψ3為第三速區(qū)速差反饋函數(shù)，ψ3(Weng_set-Weng)＝C0″+C1″·(Weng_set-Weng)+C2″·∫(Weng_set-Weng)dt式中C0”，C1”，C2”為常數(shù)。
第三速區(qū)，第二電機(jī)(EM2)工作扭矩的設(shè)定值為，Tem2＝Tem2_ff+Tem2_fb其中Tem2_ff為穩(wěn)態(tài)扭矩或直饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為，Tem1_ff=(1K2-1K2)Pe_pto+(1-1K2)Wem1·Teng(K1-1K2)Wem1+(1K2-1K1)Wem2]]>Tem2_fb為速差修正扭矩或反饋扭矩。對于圖2所示的實(shí)施方案，其值為Tem2_fb=-Wem1·ψ3(Weng_set_Weng)(K1-1K2)Wem1+(1K2-1K1)Wem2]]>可見，復(fù)合分流狀態(tài)下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制由兩個電機(jī)協(xié)同完成。其特點(diǎn)是其中一個電機(jī)的反饋扭矩與另一個電機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，包含另一電機(jī)的轉(zhuǎn)速為乘數(shù)因子，并隨另一電機(jī)接近其速度零點(diǎn)而消失。
電機(jī)扭矩控制由電力電子驅(qū)動和控制電路實(shí)現(xiàn)，并在一個子控制循環(huán)(S770)中完成?？刂破靼搭A(yù)定時間間隔反復(fù)執(zhí)行此子控制循環(huán)。電機(jī)扭矩的控制方法以及相應(yīng)的電力電子驅(qū)動電路根據(jù)電機(jī)構(gòu)造的不同會有所變化。以同步永磁電機(jī)為例，電機(jī)扭矩控制將通過相關(guān)理論轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓控制，并以脈寬調(diào)制方法(PWM)實(shí)現(xiàn)。
至此，我們以圖2所示的動力分流系統(tǒng)為變速器的實(shí)施方案，介紹了圖1所示的混合動力系統(tǒng)的控制策略和具體的控制方法。事實(shí)上，上述混合動力分流系統(tǒng)的控制策略和方法，還適用于以其它動力分流系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))為變速器實(shí)施方案的混合動力系統(tǒng)。圖9為變速器的第二種實(shí)施方案。它代表了功能相同，結(jié)構(gòu)相異的另一種動力分流系統(tǒng)。該動力分流系統(tǒng)由三個行星輪系(PG1，PG2和PG3)，二臺電機(jī)(EM1，EM2)以及輸入、輸出軸(SHin，SHout)和離合器組成，其詳細(xì)介紹參見江兵等的專利申請(2004100212783)。就控制策略和方法而言，本發(fā)明所介紹的動力控制策略和方法完全適用。圖10為變速器的又一種實(shí)施方案。它代表了功能相似，結(jié)構(gòu)相異的又一種動力分流系統(tǒng)，與圖9所示的動力分流系統(tǒng)相比，圖10所示的動力分流系統(tǒng)省去了第三行星輪系(PG3)以及輸出齒輪對，其動力直接由中心軸(SHctr)輸出。相應(yīng)地，該動力分流系統(tǒng)的前行區(qū)只提供兩個速區(qū)，即一個輸出動力分流的低速區(qū)和一個復(fù)合動力分流的高速區(qū)。同樣地，本發(fā)明所介紹的動力控制策略和方法亦適用于以圖10所示的動力分流系統(tǒng)為變速器的混合動力系統(tǒng)。
可見，本發(fā)明介紹的動力控制策略和方法有廣泛適用性。它可部分或全部應(yīng)用于由發(fā)動機(jī)和其它動力分流變速器等所組成的混合動力系統(tǒng)。其中變速器可以采用不同的動力分流系統(tǒng)，包括輸出動力分流系統(tǒng)、復(fù)合動力分流系統(tǒng)或輸出分流-復(fù)合分流組合成的動力分流系統(tǒng)等。
最后需要說明的是，本發(fā)明所述變速器的各個實(shí)施方案中，電機(jī)可以直接連接于行星輪系(PG1，PG2，PG3)的相應(yīng)齒輪，正如所介紹的那樣；此外，電機(jī)還可通過中介齒輪或減速器間接地連接于行星輪系(PG1，PG2，PG3)中的相應(yīng)齒輪。這樣不但可以平衡、調(diào)整電機(jī)的工作區(qū)域，還可調(diào)整系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局。
另外，本發(fā)明所述電機(jī)應(yīng)理解為廣范意義上的電機(jī)，即可以是普通電機(jī)，也可以是帶減速器(減速頭)的減速頭(gear-head)電機(jī)。圖11是一種減速頭電機(jī)的實(shí)施方案。
說明書附表表一電機(jī)、離合器工作狀態(tài)一覽表

權(quán)利要求
1.一種向驅(qū)動軸提供動力的混合動力系統(tǒng)，包括一臺發(fā)動機(jī)，一臺變速器，一個動力系統(tǒng)控制器和一個發(fā)動機(jī)控制器。其特征是變速器至少包括兩個同軸行星輪系，兩臺(廣義)電機(jī)和相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動電路，該變速器至少可提供一個復(fù)合動力分流的工作狀態(tài)。動力控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動軸的動力要求和系統(tǒng)其它的動力要求設(shè)置系統(tǒng)總動力并調(diào)配系統(tǒng)動力資源，設(shè)置發(fā)動機(jī)輸出動力和動力狀態(tài)。動力系統(tǒng)控制器還進(jìn)一步設(shè)置各電機(jī)的工作扭矩，并通過驅(qū)動電路控制兩臺電機(jī)的工作扭矩以實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，同時，動力系統(tǒng)控制器還通過發(fā)動機(jī)控制器控制發(fā)動機(jī)扭矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特征是變速器還包括至少一個離合器。變速器可工作在輸出動力分流、復(fù)合動力分流等不同的動力分流工作狀態(tài)。動力系統(tǒng)控制器根據(jù)變速器輸出、輸入軸速比的大小，判定速度區(qū)，設(shè)置離合器相應(yīng)的工作狀態(tài)，確定動力分流狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特征是電機(jī)工作扭矩包括直饋扭矩和反饋扭矩兩部分。反饋扭矩中包含速差反饋函數(shù)為乘數(shù)因子。當(dāng)變速器工作在復(fù)合動力分流狀態(tài)時，其中一個電機(jī)的反饋扭矩包含另一個電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為乘數(shù)因子，并隨另一電機(jī)轉(zhuǎn)速趨近于零值而減小為零。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是混合動力系統(tǒng)還包括儲能器。動力系統(tǒng)控制器以瞬間最低不可逆能量損耗、最低油耗、最大綜合效率、最低排放或最佳綜合指標(biāo)為準(zhǔn)則調(diào)配發(fā)動機(jī)、儲能器和制動器的輸出或輸入動力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是混合動力系統(tǒng)還包括儲能器，動力系統(tǒng)以判據(jù)為準(zhǔn)則調(diào)配發(fā)動機(jī)、儲能器以及制動器的輸出或輸入動力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是包括至少兩個速區(qū)，不同速區(qū)的銜接點(diǎn)為變速器的速度節(jié)點(diǎn)?？刂破髟诓煌乃賲^(qū)利用不同的計算公式計算、設(shè)置電機(jī)工作扭矩和反饋扭矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是電機(jī)的額定功率不小于Pem_ref，即Pem≥Pem_ref=[SRi+1SRi(1+|Pe_ptoPin)]2SRi+1SRi-1·Pin]]>其中SRi+1，SRi分別為變速器兩個相鄰的速度節(jié)點(diǎn)，SRi+1＞SRi.|Pe_pto|為儲能器輸入或輸出動力的絕對值，Pin為變速器輸入軸輸入動力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是兩同軸行星輪系組成一個具有二自由度的復(fù)合行星輪系。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是動力系統(tǒng)控制器按最低油耗、最低排放或最佳綜合指標(biāo)的原則設(shè)置發(fā)動機(jī)的工作扭矩和轉(zhuǎn)速，即動力狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合動力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是當(dāng)變速器工作在復(fù)合動力分流狀態(tài)時，電機(jī)工作扭矩中的反饋扭矩為，Tem1_fb=c1·Wem2·ψa·Wem1+b·Wem2;]]>Tem2_fb=c2·Wem1·ψa·Wem1+b·Wem2]]>其中Tem1_fb，Tem2_fb分別為第一、第二電機(jī)的反饋扭矩；Wem1，Wem2為第一、第二電機(jī)的轉(zhuǎn)速；ψ發(fā)動機(jī)速差反饋函數(shù)；a，b，c1，和c2常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明介紹一種混合動力系統(tǒng)及其動力控制策略和方法。該混合動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)(內(nèi)燃機(jī))、變速器，儲能器，制動器、發(fā)動機(jī)控制器和動力系統(tǒng)控制器等主要零部件。變速器是一個由動力傳輸裝置和動力調(diào)節(jié)裝置組成的動力分流系統(tǒng)，它利用局部分流動力去調(diào)控動力系統(tǒng)輸出端的速度和扭矩即動力狀態(tài)。動力分流系統(tǒng)至少可提供一個復(fù)合動力分流的工作狀態(tài)。動力系統(tǒng)控制器根據(jù)系統(tǒng)工作情況調(diào)配發(fā)動機(jī)的輸出動力，儲能器的能量傳輸和制動器的制動動力。并進(jìn)一步設(shè)定發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)(扭矩和轉(zhuǎn)速)。系統(tǒng)控制器根據(jù)發(fā)動機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際工作轉(zhuǎn)速的誤差信號，通過設(shè)置并控制電機(jī)工作扭矩來實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時，還通過發(fā)動機(jī)控制器調(diào)控發(fā)動機(jī)扭矩。
文檔編號F16H63/00GK1800681SQ20051000007
公開日2006年7月12日 申請日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者江兵, 艾曉嵐 申請人:薛忠和, 艾曉林