专利名称：用于多发动机混合动力驱动系统的直接电连接和传动耦合的制作方法
技术领域：
背景技术：
本发明大体涉及混合动力汽车(hybrid vehicle)，且更特定来说涉及一种串联式混合动力电动汽车传动系(series hybrid electric vehicle power train)。相关技术的描述例如机动车等汽车利用能源来提供功率以操作汽车。虽然基于石油的产品作为主导能源，但替代能源也可用，例如甲醇、乙醇、天然气、氢气、电、太阳能等。混合动力推动的汽车利用能源的组合来为汽车提供动力。此类汽车是理想的，因为其利用了多种燃料源的益处来增强混合动力汽车相对于相当的汽油推动的汽车的性能和范围特性。串联式混合动力汽车将利用安装引擎的发电机所提供的功率来为驱动车轮的发动机提供动力。利用此布置，能量从引擎经由各个预先界定的转换点而传输到车轮。当此系统工作时，每一能量转换点不足100%有效，因此在整个过程中存在能量损失。因此，燃料消耗增加，且可能需要较大较多昂贵的组件来满足功率需求。另外，引擎、发电机和发电机逆变器全部必须经设定大小以应付峰值引擎功率。因此，此项技术中需要一种经由组件之间的直接电连接而减少能量损失且使组件大小最小化的系统和方法。此项技术中进一步需要一种驱动系统，其经由组件之间的直接电连接而减少能量损失，且包含引擎与电机(主要充当发电机)之间的传动装置以通过控制其间的相对速度关系而改进引擎和电机的系统操作效率。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于混合动力汽车的电功率管理的系统，其包含(a)引擎；(b)第一逆变器；(c)耦合到所述引擎和所述第一逆变器的第一电机；(d)耦合在所述引擎与所述第一电机之间的第一传动装置，其中所述第一传动装置具有传动速度比，所述传动速度比可操作使得所述第一电机操作速度独立于引擎操作速度而操作；(e)耦合到第二逆变器和所述汽车的轮轴的第二电机；(f)耦合到所述第一逆变器和所述第二逆变器两者的高电压电池；以及(g)安置在所述第一电机与所述第二电机之间的开关盒。所述开关盒包含开关，所述开关适于断开和闭合以允许从所述第一电机到所述第二电机的直接电连接。本发明的一优点为提供一种混合动力汽车，其包含引擎、电机和安置在其间的传动装置。本发明的另一优点为电机的操作效率得以改进，从而产生减少的燃料消耗。本发明的又一优点为可归因于改进的操作效率而减小引擎和电机的大小。再一优点为通过减少当引擎操作时的AC-DC能量转换损失而改进串联驱动效率。又一优点为当引擎操作时4-N 个齿轮的传动装置的独特的功率分离布置。又一优点为独特的齿轮分离布置针对电力牵引 (electric traction)系统实施2速度低损失传动且将引擎齿轮解耦。本发明的另一优点为其允许缩小与发电机和牵引发动机两者相关联的逆变器。本发明的再一优点为可缩小低温热系统。本发明的又一优点为高速驱动模式下的峰值功率得以改进。本发明的另一优点为可能通过功率要求的10-20%降低而缩小引擎。其它潜在优点为本发明可用于PHEV或 HEV应用，可在PHEV与HEV之间按比例缩放，减少功率电子设备工作循环改进可靠性，增加数目的跛行回家(limp home)模式可用，且所述架构适用于前部、后部或所有车轮驱动应用。将容易了解本发明的其它特征和优点，因为在阅读结合附图考虑的随后描述之后将更好地理解所述其它特征和优点。
图1是混合动力电动汽车的传动系架构的实例。图2A-2B是说明直接连接图1的汽车的电机的系统和相关联操作状态的示意框图。图3说明图2的开关盒的操作状态1的示意功率流分布。图4说明图2的开关盒的操作状态2的示意功率流分布。图5说明图2的开关盒的操作状态3的示意功率流分布。图6是具有离合器的示意框图。图7是具有耦合到前轮和开关盒的第三发动机/发电机的示意框图。图8是具有耦合到前轮和第二逆变器的第三发动机/发电机的示意框图。图9是具有耦合到前轮和第一逆变器的第三发动机/发电机的示意框图。图10是具有耦合到前轮和第一逆变器的第三发动机/发电机以及安置在所述逆变器与所述第三发动机/发电机之间的第二开关盒的示意框图。图11是具有耦合到前轮的第三发动机/发电机以及安置在第一逆变器与所述第三发动机/发电机和第一发动机/发电机之间的第二开关盒的示意框图。图12是具有耦合到前轮的第三发动机/发电机以及安置在第一逆变器与所述第三发动机/发电机和第一发动机/发电机之间的第二开关盒的另一示意框图，其展示再生流。图13说明开关盒的第二实例框图。图14是图13的开关盒的另一说明。图15是图13的开关盒的又一说明。
具体实施例方式本发明提供一种用于多发动机混合动力驱动系统的与分离的齿轮传动(e_分离 (e-Split))组合的直接电连接(e_直接(e-Direct))的系统和方法。参看图1，说明混合动力汽车10。在此实例中，汽车10可为由内燃机20和可操作以在车外充电的电池16提供动力的插电式(Plug-in)混合动力汽车。引擎20和电池16两者可充当汽车10的动力源。汽车10可由每一动力源独立地或协作提供动力。使用串联式配置(例如，引擎驱动发电机，且所述发电器将电功率提供到驱动发动机)的混合动力汽车可利用此架构。汽车10 可为客车、卡车、越野设备等。汽车10还包含操作地控制汽车的移动的驱动系11。以机械方式驱动移动汽车的车轮的汽车的轮轴的发动机24由动力源(S卩，电池、引擎和/或发电机)提供动力。在图1 的实例中，汽车10是后轮驱动汽车，其后轮由发动机M以机械方式驱动。发动机M和发电机12可称为电机。在一实例中，术语“发动机”和“发电机”导向能量流，因为每一者可相反地操作以实现相反功能。因此，电机可通过以负轴扭矩操作(即，发电机)而产生功率或通过产生正轴扭矩(即，发动机)而分布功率。在图加-12中，电机称为发动机/发电机 (“MG”)。因此，汽车可包含耦合到引擎20的MGl 12和耦合到车轮W的MG2 24。选择性地确定驱动系的架构，例如驱动系组件的串联式、并联式或并联-分离式布置。在此实例中，驱动系包含MGl 12和MG2 24。各种类型的MG可用，例如电动机或发电机、永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine)、感应式电机(induction machine)等。MGl 12可包含外壳、安置在外壳中的静止的定子，和围绕中心轴旋转的包含永久磁铁的转子。MGl 12将从引擎20接收的机械能转换为电能，用以向车轮W提供动力、 为车载电池16充电，或为辅助汽车组件提供动力。通常，MGl 12的输出是A/C功率，其在逆变器22A中转换为D/C功率。D/C功率可接着递送到电池16或另一逆变器22B以在为任何驱动发动机提供动力之前转换回到A/C功率。此类MG和逆变器的典型特征是，每一者具有对应于给定速度/扭矩带的预定操作效率。在此实例中，驱动系11还包含汽油提供动力的引擎20，其在某些操作条件下当需要时提供补充动力。引擎20例如经由引擎输出轴操作地耦合到MGl 12。因此，当引擎20 运行时，MGl 12通常由于其彼此的啮合而运行。引擎20还可具有对应速度/扭矩带下的预定操作效率。然而，引擎速度效率相对于发电机速度效率的比率在特定速度/扭矩带内可能不是最佳的。电机的典型特征是，每一者具有对应于给定速度/扭矩带的预定操作效率。然而，引擎速度效率相对于发电机速度效率的比率在特定速度带内可能不是最佳的。通过使用e-分离传动布置，引擎的独特缩小是可行的，其中功率要求对应地降低(即，150kW到 125kff-120kff)。驱动系11包含安置在MGl 12与引擎20之间的传动装置14A。在一实例中，传动装置14A提供与引擎输出轴成一直线的引擎20与MGl 12之间的机械链路。传动装置14A 可为任何类型的传动装置，例如电子、机械或机电传动装置，且可为多速或连续可变传动装置等以提供可选的有效齿轮比。传动装置变动齿轮比以促进将引擎功率传递到发电机。举例来说，可能需要以3000rpm运行引擎20且以4500rpm运行MGl 12。定位在引擎20与MGl 12之间的传动装置14A可允许引擎20和MGl 12中的每一者在所要速度和/或针对对应速度带的扭矩下独立地操作。引擎20和MGl 12可各自界定不同的扭矩/速度效率分布曲线。允许每一者以不同速度操作可通过调整传动比选择以以接近于可从所测量效率图中识别的对应速度来操作每一组件而实现优化。可利用各种类型的传动装置14A，例如多速传动装置或连续可变传动装置等。传动装置14A可在引擎20或MGl 12之间并入有多个齿轮组。类似地，传动装置14A可利用行星齿轮。引擎20与MGl 12之间的传动装置14A的布置可以许多不同的混合动力传动系架构并入。传动装置14A允许与无传动装置的标准传动系相比更有效的系统操作。由于增强的效率的缘故，可产生过多功率且在停放汽车时其被供应到外部组件。在一实例中，汽车可存储过多功率且将所述功率分布到例如输电网或外部能量存储装置等外部源。MGl 12操作速度可独立于引擎20操作速度。因此，在其间使用传动装置14A来经由不同传动比控制功率的传递，可增强系统的效率。操作效率分布曲线向引擎设计师提供增加的自由度来选择与预定汽车操作条件对应的各种引擎操作点。因此，可选择具有较低扭矩特性的电机，因为仍可利用电机的恒定功率操作区借此仍展现相同性能。引擎与发电机之间的可变速度可使发电机的最大效率与引擎的当前操作点对准。在一实例中，系统还可包含第二传动装置14B，其操作地定位在邻近于逆变器22B 处，所述逆变器22B位于耦合到MG2 M的后部驱动轴处。另一传动装置14B的添加实现以待描述的方式依据汽车的操作模式选择驱动齿轮。在此实例中，逆变器22B具有150kW的功率容量。可针对第一或第二传动装置利用各种类型的传动装置，例如多速传动装置或连续可变传动装置等。所述传动装置可在引擎和/或电机之间并入有多个齿轮组。类似地，所述传动装置可利用行星齿轮。引擎与电机之间的传动装置的布置可以许多不同的混合动力传动系架构并入。由于传动装置放置的增强的效率的缘故，可将过多功率在停放汽车时供应到外部组件。参看图加-12，说明多发动机混合动力驱动系统的与分离(e_分离)的传动组合的直接电连接(e_直接)的示范性系统和方法。汽车10包含控制汽车的操作的传动系。在这些实例中，所述传动系是插电式混合动力的，且包含至少两个电机。所述系统包含能量存储装置16 (例如，电池16)，其与在汽车系统内添加或减少功率的组件连通。各种类型的电池可用，例如铅酸或锂离子电池等。第一逆变器22A操作地与第二逆变器22B连通，且第二逆变器22B将DC电功率转换回到AC电功率。第二逆变器22B操作地与第二电机MG2 24连通。MG2 24将AC电功率转换为可在汽车的操作中使用的机械能。在此实例中，将机械能传输到驱动轴以便控制车轮W (即，前轮或后轮)的操作。应了解，能量转换过程的效率不足100%，从而在整个系统中产生损失。在一实例中，逆变器上的损失的范围为约3%到10%。第一电机(MGl 12)与第二电机(MG2 24)直接电连通，使得来自第一电机的AC功率直接向第二电机提供动力。应了解，第一电机可在一速度和负载下操作，其中功率可直接传递到第二电机。图加-12中描述本发明的各种不同实例和说明。图加说明汽车10的实例示意系统，其包含允许MGl 12与MG2 M之间的直接AC/ AC连接的开关盒21。开关盒21上的损失相对较低且比逆变器少得多。在此实例中，引擎 20耦合到MGl 12，所述MGl 12可将电功率递送到逆变器22A，所述电功率将由电池16、另一逆变器22B或开关盒21接收。能量接着可传递到MG2 24，且接着传递到车轮W。能量接着可在如其它图所示的任一方向上流动。图加中进一步展示盒21的各种操作状态的分解图。在此实例中，开关盒21可在由状态1 QlA)、状态2 QlB)和状态3(21C)表示的三种操
7作状态中操作。图4-12中展示针对不同开关盒模式的能量流的各种模式。下表1说明与每一操作状态相关联的各种特性。表 1
模式引擎电池 ^ MGl 开关逆变器2 MG2描述
模式1关闭状态1 DC到AC AC到机械 EV-驱动
模式2用H功，&到AC到机械状态！ DC到AC AC到机械驱
功率输 HEV-引擎到车模式3 功率入/输机械到AC状态1 DC到AC AC到机械轮，电池升压或 ___Λ________充电(必要时)
模式如功率机械到AC状态2AC到机械皿^^^肖申
HEV-引擎到车
模式4b功率功$输D^lj机械到AC状态2 DC到AC AC到机械^^吏1
_________器的电池升压
HEV-引擎到车
模式4c功率功=输Ag，机械到AC状态2 AC到DC AC到机械吏1
_________器的电池升压
HEV-使用AC
功率输和DC功率的引
模式4d功率入/输机械到AC状态2 DC到AC AC到机械擎到车轮，电池出/无充电/升压(视
_________需要)
制动-使用一个或两个逆变器
. c 自旋功率输AC到ApiftltnuiΛ ^ll ^ 的车轮功率到
牛旲式5 (可能)入 DC AC到机械状态2机械到AC电池。如果额外
功率可用，则引
_________擎可自旋
模式6a功率机械到AC状态3AC到机械
= Π 动发动机向后 Illl____ 自旋
权利要求
1.一种用于混合动力汽车的电功率管理的系统，其包括(a)引擎；(b)第一逆变器；(c)耦合到所述引擎和所述第一逆变器的第一电机；(d)耦合在所述引擎与所述第一电机之间的第一传动装置，其中所述第一传动装置具有传动速度比，所述传动速度比可操作使得所述第一电机操作速度独立于引擎操作速度而操作；(e)耦合到第二逆变器和所述汽车的轮轴的第二电机；(f)耦合到所述第一逆变器和所述第二逆变器两者的高电压电池；(g)安置在所述第一电机与所述第二电机之间的开关盒，所述开关盒具有开关，所述开关适于断开和闭合以允许从所述第一电机到所述第二电机的直接电连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关盒包含允许汽车在多个操作状态中操作的多个开关。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述开关在第一操作状态中全部断开，从而防止所述第一电机与所述第二电机之间的电连接。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述开关在第二操作状态中全部闭合，从而形成所述第一电机与所述第二电机之间的电连接。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述开关在第三操作状态中全部闭合，从而形成所述第一电机与所述第二电机之间的电连接使得所述电机中的一者可相反地操作。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述电机可操作以在负扭矩方向上自旋时作为发电机，且在相反的正扭矩方向上自旋时作为发动机。
7.根据权利要求1所述的系统，其中功率可从所述引擎传递到所述电池且从所述电池传递到所述引擎和所述轮轴。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括机械啮合装置，所述机械啮合装置安置在所述引擎与所述第一电机之间且适于选择性地将所述引擎从所述第一电机解耦。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述机械啮合装置是离合器。
10.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括耦合到所述汽车的第二轮轴和所述开关盒的第三电机。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述开关盒允许所述第一和第二电机两者与所述第三电机之间的直接电连接。
12.根据权利要求10所述的系统，其进一步包括机械啮合装置，所述机械啮合装置安置在所述第二轮轴与所述第三电机之间且适于选择性地将所述轮轴从所述第三电机解耦。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述第三电机直接耦合到所述第二逆变器和所述第二电机。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述第三电机直接耦合到所述第一逆变器和所述第一电机。
15.根据权利要求10所述的系统，其进一步包括第二开关盒，所述第二开关盒安置在所述第三电机与所述第一电机和第一逆变器之间且适于允许选择性地连接所述第三电机与所述第一电机和所述第一逆变器。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二开关盒进一步安置在所述第一电机与所述第一逆变器之间。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关盒包含具有电力-电子和机械接触器的多个开关。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传动装置包含多个速度比，所述速度比允许所述弓I擎和所述第一电机在对应于所述传动速度比的不同速度下操作。
19.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括安置在发动机与所述第二电机之间的第二传动装置，其中所述第二传动装置具有传动速度比，所述传动速度比可操作使得所述第二电机操作速度独立于发动机操作速度而操作。
20.一种操作混合动力汽车的方法，其包括以下步骤(a)将引擎耦合到第一电机，所述引擎适于使所述电机自旋以产生功率；(b)在所述引擎与所述第一电机之间提供传动装置；(c)选择引擎速度与电机速度的预定传动速度比，并在第一速度下操作所述引擎且根据所述传动速度比操作所述第一电机；(d)将功率从所述第一电机递送到开关盒且递送到第一逆变器，其中所述第一逆变器耦合到第二逆变器和高电压电池，且所述第二逆变器进一步耦合到第二电机，所述第二电机耦合到所述汽车的轮轴；以及(e)选择性地断开和闭合安置在所述第一电机与所述第二电机之间的所述开关盒中的多个开关，其中当所述开关闭合时，功率可从所述第一电机直接传递到所述第二电机。
全文摘要
一种用于混合动力汽车的电功率管理的系统包含引擎、第一逆变器、耦合到所述引擎和所述第一逆变器的第一电机，以及耦合在所述引擎与所述第一电机之间的第一传动装置。所述第一传动装置具有传动速度比，其可操作使得所述第一电机操作速度独立于引擎操作速度而操作。第二电机耦合到第二逆变器和所述汽车的轮轴。高电压电池耦合到所述第一逆变器和所述第二逆变器两者。开关盒安置在所述第一电机与所述第二电机之间。所述开关盒包含开关，所述开关适于断开和闭合以允许从所述第一电机到所述第二电机的直接电连接。
文档编号B60K6/20GK102481835SQ201080037945
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者J·阿克塞尔·拉德马赫尔, 乌代·德什潘德, 保罗·博什科维奇, 米夏埃多·格勒尼 申请人:菲斯科汽车公司