电动无级变速器以及包括它的车辆的制作方法

本发明涉及一种电动无级变速器，以及一种包括该电动无级变速器的车辆。
背景技术：
：通常，混合动力变速器具有电动马达和行星齿轮组，所述混合动力变速器能够对于发动机实现连续可变速比，由此混合动力变速器也被称作电动无级变速器(electricContinuouslyVariableTransmission:eCVT)。电动无级变速器具有多种驱动模式，例如纯发动机驱动、纯电动马达驱动等。丰田混合动力系统(ToyotaHybridSystem:THS)是已知的，其已经被广泛应用到混合动力领域中。该THS是一种高效的混合动力系统，其具有主动力源例如发动机和电动无级变速器。该电动无级变速器包括一个行星齿轮组和两个辅助动力源例如电动马达，一个是电动机，另一个称为发电机。在该THS中，发动机连接到行星齿轮组的行星架，发电机连接到行星齿轮组的太阳轮，且电动机连接到行星齿轮组的齿圈，并且该THS将动力从齿圈输出到车轮。通过两个电动马达的速度调节，发动机能够总是在最高效的区域中运行。然而，上述的THS具有诸多缺陷。具体地，因为THS的结构决定了在高速(车速高于100kph)行驶的情况下发动机必须起动，如果发动机不起动，则发电机将高速旋转并且超速(>9500rpm)运行才可以达到高于100kph的车速(但是发电机是不可以超过设计转速的)，所以THS不能实现高速纯电驱动。因此，对于插电式混合动力车辆和增程式电动车，THS不能满足高速纯电驱动的要求。进一步，THS使用两个电动马达，即一个发电机和一个电动机，两个电动马达的总功率超过100kW，而在单个电动马达情况下，能够使用仅仅20kW的电动马达就能达到电驱动下的相同车辆性能。显见，与单个电动马达相比，THS产生来自于电动马达和功率电子装置的附加的成本。此外，在通常意义上，直接机械能量路径具体地燃料->发动机->车轮的能量效率总是高于路径具体地燃料->发动机->发电机->电动马达驱动装置->车轮的能量效率。但是，在多数驱动情况下THS总是含有一定比例的后一条路径，这明显降低了系统效率。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种高效的混合动力传动系结构，其能够保持发动机和电动马达在不同的运行条件下在高效区域中运行，并且其能够用于从全混合到插电式混合再到增程式电动车的多种车辆动力混合。本发明通过提供一种电动无级变速器实现了上述目的，该电动无级变速器包括：离合器；多个正齿轮组，所述多个正齿轮组分别能够从所述离合器接收动力并输出动力；行星齿轮组，所述行星齿轮组包括太阳轮、行星架和齿圈，所述太阳轮与所述多个正齿轮组中的一个正齿轮组的输出轴保持动力连接，且所述齿圈与所述多个正齿轮组中的另一个正齿轮组的输出轴保持动力连接，所述行星架将动力输出到外部；电动马达，所述电动马达与所述太阳轮保持动力连接；制动器，所述制动器用于锁定或释放所述齿圈；第一换档执行器，所述换档执行器用于将所述离合器的输出轴连接到所述一个正齿轮组或另一个正齿轮组，并且第一换档执行器具有中间位置，其中，所述第一换档执行器与所述多个正齿轮组中的任一个正齿轮组都不连接；和第二换档执行器，所述第二换档执行器用于将所述电动马达的输出轴连接到所 述行星架或连接到所述电动无级变速器的壳体以锁定所述电动马达的输出轴，并且第二换档执行器具有中间位置，其中，所述第二换档执行器与所述行星架和所述电动无级变速器的壳体两者都不连接。由此，本发明中，使用行星齿轮组、离合器和制动器来实现用于发动机驱动和电动马达驱动两者的动力切换，由此实现了纯发动机驱动和纯电驱动两种驱动方式，并且实现了混合动力模式中的连续可变速比。此外，通过本发明的电动无级变速器，能够在没有外部起动器的情况下利用离合器控制实现所有发动机起动，例如停车时的发动机起动和行驶期间的发动机起动。优选地，所述电动无级变速器包括单个的电动马达。本发明中，仅仅使用单个电动马达由此降低了系统成本，并且通过单个电动马达实现大于100kph的高速电驱动，从而满足插电式混合动力车辆和增程式电动车的要求。仅仅使用单个电动马达节省了空间，由此连接到马达的附件能够容易地布置在系统中。优选地，所述多个正齿轮组是两个正齿轮组。进一步，可设置多于两个的正齿轮组。当正齿轮组的数目增加时，在保持发动机速度在较低范围中的同时能够增加行星齿轮组的齿圈的速度范围。优选地，所述电动无级变速器具有两个纯电驱动模式，并且在所述两个纯电驱动模式中的第一模式中，所述离合器脱开，所述第一换档执行器和所述第二换档执行器处于中间位置，所述制动器处于锁定位置，并且在所述两个纯电驱动模式中的第二模式中，所述离合器脱开，所述第一换档执行器处于中间位置，所述制动器处于释放位置，且所述第二换档执行器接合到所述行星架。由此获得的混合动力变速器能够实现2个档位的纯电动驱动，这通过电动马达实现。优选地，所述电动无级变速器具有三个发动机驱动模式，并且在所述三个发动机驱动模式中的第一模式中，所述离合器接合，所述第一换档执行器接合到所述一个正齿轮组，所述制动器处于锁定位置，并且所述第二换档执行器处于中间位置，在所述三个发动机驱动模式中的第二模式中，所述离合器接合，所述第一换档执行器接合到所述另一个正齿轮组，所述制动器处于释放位置，并且所述第二换档执行器接合到所述电动无级变速器的壳体壁，并且在所述三个发动机驱动模式中的第三模式中，所述离合器接合，所述第一换档执行器接合到所述另一个正齿轮组，所述制动器处于释放位置，并且所述第二换档执行器接合到所述行星架。由此获得的混合动力变速器能够实现3个档位的直接发动机驱动，这通过发动机和离合器元件来实现。在电池的荷电状态极低或者电动部件故障时，这是特别有利的。优选地，所述电动无级变速器具有两个混合动力驱动模式，并且在所述两个混合动力驱动模式中的第一模式中，所述离合器接合，所述第一换档执行器接合到所述一个正齿轮组，所述制动器处于锁定位置，且所述第二换档执行器处于中间位置，并且在所述两个混合动力驱动模式中的第二模式中，所述离合器接合，所述第一换档执行器接合到所述另一个正齿轮组，所述制动器处于释放位置，且所述第二换档执行器接合到所述行星架。由此获得的混合动力变速器能够实现2个档位的混合动力驱动。优选地，所述电动无级变速器具有电动无级变速模式，并且在所 述电动无级变速模式中，所述离合器接合，所述第一换档执行器接合到所述另一个正齿轮组，所述制动器处于释放位置，并且所述第二换档执行器处于中间位置。由此获得的混合动力变速器能够实现带有负载点转移的无级变速驱动。。优选地，所述电动无级变速器具有停车发电模式，并且在所述停车发电模式中，所述离合器接合，所述第一换档执行器接合到所述一个正齿轮组，所述制动器处于释放位置，并且所述第二换档执行器处于中间位置。优选地，所述电动无级变速器具有空档模式，在所述空档模式中，所述离合器脱开，所述第一换档执行器和所述第二换档执行器处于中间位置，所述制动器处于释放位置；或者所述电动无级变速器具有驻车模式，在所述驻车模式中，所述离合器脱开，所述第一换档执行器处于中间位置，所述制动器处于锁定位置，且所述第二换档执行器接合到所述行星架。本发明还提供一种车辆，所述车辆包括如上所述的电动无级变速器。附图说明本发明的这些和其它目的以及优点从结合附图的以下描述将更完全地体现出来，其中所有附图中用相同的附图标记表示相同的或相似的部件，且其中：图1是示出了包括根据本发明的电动无级变速器的混合动力结构的示意图。图2至2-1示出了发动机I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图3至3-1示出了发动机II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图4至4-1示出了发动机III档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图5至5-1示出了电动马达I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图6至6-1示出了电动马达II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图7至7-1示出了混合驱动I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图8至8-1示出了混合驱动II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图9至9-1示出了eCVT模式时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图10至10-1示出了停车发电时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈处的转矩和转速。图11示出了车辆处于空档时离合器和制动器以及换档执行器的操作。图12示出了驻车时离合器和制动器以及换档执行器的操作。具体实施方式将在下文中参考附图详细地描述根据本发明的电动无级变速器的实施例。在附图说明中，相同或者相应的部分由相同的数字和符号表示，并且将省略重复的说明。以下描述中，表示方向的术语“上”、“下”、“左”、“右”等仅仅用于描述附图，而不构成对本发明的实质性限定。图1是示出了包括根据本发明的电动无级变速器的混合动力结构的示意图。如图1所示，本发明的混合动力结构包括主动力源例如发动机3和电动无级变速器即eCVT。该eCVT布置在车辆的发动机3和车轮(未示出)之间，并且在输入侧连接到发动机3且在输出侧连接 到车轮。eCVT包括单个的电动马达(ElectricMotor:EM)1、行星齿轮组2、离合器C0、制动器B1、两个换档执行器A1和A2，以及两个正齿轮组5和6。eCVT还可以包括差速器4。行星齿轮组2包括太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5。行星齿轮组2接收来自正齿轮组的动力，并且行星架2.3带有齿部以与差速器4的齿圈接合。离合器C0布置在发动机3和两个正齿轮组中之间，具体地，发动机3固定连接到离合器C0的输入轴，并且离合器C0的输出轴穿过两个正齿轮组并可旋转地支撑该两个正齿轮组中的每组中的相应一个正齿轮51,61。离合器C0能够连通或者断开发动机3和两个正齿轮组之间的动力连接。电动马达1固定连接到行星齿轮组2的太阳轮2.1，太阳轮2.1的旋转轴固定连接到该两个正齿轮组中的一正齿轮组5中的另一个正齿轮52并可旋转地支撑该两个正齿轮组中的另一正齿轮组6中的另一个正齿轮62。由此，电动马达1与太阳轮2.1以及该两个正齿轮组中的一组中的另一个正齿轮52能够一体旋转。第一换档执行器A1布置在该两个正齿轮组之间，并用作同步器，其在两侧能够以不同的传动比连接到该两个正齿轮组中的每个正齿轮组。具体地，第一换档执行器A1能够连接到每个正齿轮组5或6中的相应一个正齿轮51或61，以驱动相应另一个正齿轮52或62。制动器B1相对于车身，具体地相对于eCVT的壳体固定，并且能够锁定或释放行星齿轮组2的齿圈2.5，从而允许齿圈2.5的锁定或转动。齿圈2.5固定连接到正齿轮组6的另一个正齿轮62。第二换档执行器A2布置在相对于车身固定的eCVT的壳体和行星齿轮组2的行星架2.3之间，并且也用作同步器，其在两侧能够分别连接到eCVT的壳体和行星齿轮组2的行星架2.3。具体地，第二换档执 行器A2在一侧能够连接到eCVT的壳体以锁定电动马达1，而在另一侧能够连接到行星架2.3以使得电动马达1与行星架2.3一起旋转。此外，第二换档执行器A2还具有空档位置，其中第二换档执行器A2既不与eCVT的壳体连接也不与行星架2.3连接。第一正齿轮组5与行星齿轮组2的太阳轮2.1保持动力连接，由此能够将来自发动机3的动力传递到太阳轮2.1。第二正齿轮组6与行星齿轮组2的齿圈2.5保持动力连接，由此能够将来自发动机3的动力传递到齿圈2.5。发动机3是任何类型的消耗燃料的发动机，例如内燃机、天然气发动机等。电动马达1不限于内转子类型，只要该电动马达既能作为电动机又能作为发电机即可。根据本发明的eCVT能够实现11种操作模式。下面的表1中示出了各种操作模式下离合器C0、制动器B1和第一换档执行器A1以及第二换档执行器A2的操作状态。表1模式状态描述C0A1A2B11发动机I档XLNX2发动机II档XRR3发动机III档XRL4电动马达I档NNX5电动马达II档NL6混合驱动I档XLNX7混合驱动II档XRL8eCVT混合驱动XRN9停车发电XLN10空档NN11驻车锁定NLX其中，*离合器和制动器*换档执行器X:接合L:接合(同步)到左侧R:接合(同步)到右侧N:中间位置下面将参考附图详细描述本发明的eCVT的各种工作模式及其具体操作。图2至2-1示出了发动机I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图2所述，当采用发动机I档时，离合器C0接合，第一换档执行器A1接合到左侧即接合到第一正齿轮组5，制动器B1接合即其处于锁定位置，并且第二换档执行器A2处于中间位置。由此，发动机3发出的动力依次经过离合器C0、第一正齿轮组5、太阳轮2.1、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。如图2-1所示，发动机3运行时，由于制动器B1接合即其处于锁定位置，齿圈2.5的转速为0，从太阳轮2.1到行星架2.3转速降低；并且太阳轮2.1的转矩Tsun与发动机的转矩Tice相等，且与行星架2.3的转矩Tr方向相反。齿圈2.5处的转速和转矩都为0。图3至3-1示出了发动机II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图3所述，当采用发动机II档时，离合器C0接合，第一换档执行器A1接合到右侧即接合到第二正齿轮组6，制动器B1处于释放位置，并且第二换档执行器A2接合到右侧即接合到eCVT的壳体。由此，发动机3发出的动力依次经过离合器C0、第二正齿轮组6、齿圈2.5、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。当采用发动机II档时，如图3-1所示，发动机3输出动力而电动马达1不输出动力；由于第二换档执行器A2接合到右侧即接合到eCVT 的壳体，太阳轮2.1转速为0；且从发动机3到齿圈2.5再到行星架2.3转速先增加再减小。图4至4-1示出了发动机III档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图4所述，当采用发动机III档时，离合器C0接合，第一换档执行器A1接合到右侧即接合到第二正齿轮组6，制动器B1处于释放位置，并且第二换档执行器A2接合到左侧即接合到行星架2.3。由此，发动机3发出的动力依次经过离合器C0、第二正齿轮组6、太阳轮2.1和齿圈2.5、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。当采用发动机III档时，如图4-1所示，发动机3输出动力而电动马达1不输出动力，发动机3驱动太阳轮2.1、齿圈2.5和行星架2.3一起旋转。图5至5-1示出了第一种纯电驱动模式，即电动马达I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图5所述，当采用电动马达I档时，离合器C0脱开，第一换档执行器A1和第二换档执行器A2处于中间位置，制动器B1接合即处于锁定位置。由此，电动马达1发出的动力依次经过太阳轮2.1、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。并且，在车辆进行再生制动时，动力可以从车轮以颠倒的顺序到达电动马达1。当采用电动马达I档时，如图5-1所示，发动机3不输出动力而电动马达1输出动力；从太阳轮2.1到行星架2.3转速降低，且由于制动器B1接合，齿圈2.5的转速为0。图6至6-1示出了第二种纯电驱动模式，即电动马达II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图6所述，当采用电动马达II档时， 离合器C0脱开，第一换档执行器A1处于中间位置，制动器B1处于释放位置，且第二换档执行器A2接合到左侧即接合到行星架2.3。由此，电动马达1发出的动力经过行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。当采用电动马达II档时，如图6-1所示，发动机3不输出动力而电动马达1输出动力；太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5转速相同；并且仅电动马达1的转矩Tem导致了行星架2.3的转矩Tr。图7至7-1示出了混合动力I档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图7所示，当采用混合动力I档时，离合器C0接合，第一换档执行器A1接合到左侧即接合到第一正齿轮组5，制动器B1处于锁定位置，且第二换档执行器A2处于中间位置。由此，发动机3发出的动力依次经过离合器C0、第一正齿轮组5、太阳轮2.1、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。电动马达1发出的动力经过太阳轮2.1、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。发动机3发出的动力和电动马达1发出的动力在太阳轮2.1处耦合到一起。当采用混合动力I档时，如图7-1所示，发动机3到太阳轮2.1转速保持不变，从太阳轮2.1到行星架2.3转速降低，且由于制动器B1接合即其处于锁定位置，齿圈2.5的转速为0；并且太阳轮2.1的转矩Tsun即电动马达1的转矩Tem和发动机转矩的转矩Tice共同导致了行星架2.3的转矩Tr。图8至8-1示出了混合动力II档时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图8所示，当采用混合动力II档时，离合器C0接合，第一换档执行器A1接合到右侧即接合到第二正齿轮组6，制动器B1处于释放位置，且第二换档执行器A2接合到左侧即接合到行星架2.3。由此，发动机3发出的动力依次经过离合器C0、第二正齿轮组6、太阳轮2.1、 行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。电动马达1发出的动力经过太阳轮2.1、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。发动机3发出的动力和电动马达1发出的动力在行星架2.3处耦合到一起。如图8-1所示，发动机3输出动力且电动马达1也输出动力；太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5转速相等；发动机转矩的转矩Tice和电动马达1的转矩Tem共同导致了行星架2.3的转矩Tr。上述的两种混合动力模式，即混合动力I档和混合动力II档中，发动机和电动机同时提供动力即并联驱动，因此上述两种混合动力模式都不是本发明意义上的电动无级变速模式，即是非eCVT模式。图9至9-1示出了混合驱动eCVT模式时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图9所示，当采用混合驱动eCVT模式时，离合器C0接合，第一换档执行器A1接合到右侧即接合到第二正齿轮组6，制动器B1处于释放位置，并且第二换档执行器A2处于中间位置。发动机3和电动马达2都输出动力。发动机3发出的动力依次经过离合器C0、第二正齿轮组6、齿圈2.5、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。电动马达1发出的动力经过太阳轮2.1、行星架2.3以及差速器4最终到达车轮。发动机3发出的动力和电动马达1发出的动力在行星架2.3处耦合到一起。如图9-1所示，当采用eCVT模式时，由于制动器B1脱开，从齿圈2.5到行星架2.3转速降低而从太阳轮2.1到齿圈2.5转速升高；并且电动马达2的转矩Tem和发动机转矩的转矩Tice共同导致了行星架2.3的转矩Tr。当采用eCVT模式时，通过调节电动马达2的转矩Tem，能够实现对发动机的转矩Tice的调节，从而使得发动机在最优工况或者最高效区 域运行，即实现了发动机的负载点转移。图10至10-1示出了停车发电时动力在eCVT中的流动以及行星齿轮组2的太阳轮2.1、行星架2.3和齿圈2.5处的转矩和转速。具体地，如图10所示，当采用停车发电时，离合器C0接合，第一换档执行器A1接合到左侧即接合到第一正齿轮组5，制动器B1处于释放位置，并且第二换档执行器A2处于中间位置。由此，发动机3发出的动力依次经过离合器C0、第一正齿轮组5、太阳轮2.1最终到达电动马达1用于发电。如图10-1所示，在停车发电模式中，行星架2.3和齿圈2.5的转速都为0，且发动机3和电动马达1的转速相同；发动机转矩的转矩Tice导致了电动马达1的转矩Tem。图11示出了车辆处于空档时离合器和制动器以及换档执行器的操作。具体地，如图11所示，当车辆处于空档时，离合器C0脱开，第一换档执行器A1和第二换档执行器A2处于中间位置，制动器B1处于释放位置。图12示出了驻车时离合器和制动器以及换档执行器的操作。具体地，如图12所示，当驻车锁定时，离合器C0脱开，第一换档执行器A1处于中间位置，制动器B1处于接合位置即锁定位置，且第二换档执行器A2接合到左侧即接合到行星架2.3。在驻车锁定模式中，由于制动器B1处于接合位置即锁定位置，行星齿轮组2的齿圈2.5被锁定。以上具体描述了根据本发明的eCVT的11种操作模式。此外，本发明还提供一种车辆，所述车辆包括如上所述的电动无级变速器。由此，所述车辆能够降低系统成本并且实现大于100kph的高速电驱动。然而，能力理解的是，本发明中的正齿轮组的数目不限于2个，例如可以是大于2个。当正齿轮组的数目增加时，在保持发动机速度在较低范围中的同时能够增加行星齿轮组的速度范围。在eCVT模式期间，这拓展了特别地用于发电的eCVT运行范围。并且，本发明的eCVT不限于在车辆上使用，而且可以应用到例如在空气中飞行的飞机以及在水中航行的船舶等。上面已经参照附图详细描述本发明的具体实施例。然而，可以预期的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种变形和修改。当前第1页1 2 3