混合动力传动系以及用于控制混合动力传动系的方法

专利名称：混合动力传动系以及用于控制混合动力传动系的方法
技术领域：
本发明涉及用于例如用于机动车、乘用车、公共汽车、卡车、舟 艇及固定应用设备的混合动力传动系。此外，本发明还涉及控制这样 的传动系的方法，例如关于内燃发动机起动以及换挡。此外，本发明 还涉及包括这样的传动系的车辆、舟艇及类似装置。此外，本发明涉 及可以在计算硬件上运行的用于执行控制这样的传动系的方法的软 件。
背景技术：
近年来，已经在混合系统方面进行了相当多的研究，以提供燃料 经济性的提高以及起动性能的改善。混合系统包括混合动力传动系， 其中，各传动系通常包括内燃发动机、电机装置、电能存储部件、用 于管理传动系的控制单元以及用于至少将电机装置联接至系统负载的传动装置。可选地，电机(electricmachine)被实施为电动机/发电机。表 面上，这样的混合动力传动系看起来会增加复杂性，并且可能增加重 量，这将会对系统性不利。然而，实际上，尤其是在市区的停止-起动 情况下，与非最佳工作的传统的简单的内燃发动机系统相比，采用混 合动力传动系产生若干优点。在当前的混合动力传动系中，能够通过使内燃发动机在热效率最 高的范围工作以及周期性地停止和起动内燃发动机而获得能量经济性 提高。当内燃发动机没有工作时，动力由通过电子控制电路联接至充 电电池的一个或多个电动机提供。当内燃发动机工作时，内燃发动机 能够对充电电池进行充电和/或提供动力。此外，在混合动力传动系的 一些设计中， 一个或多个电动机能够被设置成起到发电机的作用，用 于提供再生制动，其中，在制动时动能被转换以对充电电池进行充电。
实际中遇到的技术问题是，当前较简单的内燃发动机车辆的驾驶 员习惯于高标准的性能，其中，他们的车辆安静地运行，不会强烈地 察觉到来自其发动机的振动。对比之下，设计混合动力汽车使它们的 内燃发动机间歇地启动和停用，易于带来附加的振动以及可用驱动扭 矩的突变，对此，驾驶员认为其是干扰，并且，当试图进行重要的操 作时，例如超越另一车辆时，驾驶员认为其是潜在的风险。这个技术问题事先已经被考虑，并在公开的美国专利US4,533，011中描述的混合动力传动系中被提出。总的来说，描述了如图1所示的传动系。传动系总体由IO表示，并且包括内燃发动机20，所述内燃发 动机20包括排气歧管30。内燃发动机20连接至燃料供给控制装置40， 所述燃料供给控制装置40被设置成提供来自燃料箱50的燃料。内燃 发动机20的输出曲轴通过第一分离离合器60联接至电机70,所述电 机70可运行成起到电动机和发电机的作用。电机70还通过第二分离 离合器80联接至齿轮传动装置90的输入。传动装置90可运行成提供 齿轮传动，所述齿轮传动的传动比通过档位控制装置100控制。传动 装置90的输出通过差速齿轮IIO连接至含传动系10的车辆的车轮120。图1中的传动系10进一步包括充电电池200，充电电池200通过 电子控制单元210联接至电机70;电子控制单元210可运行成控制提 供至电机70的电能以在电机70中产生扭矩，并且控制电机70内的发 电量，所述电机70联接至充电电池200，用于对电池200进行充电。 传动系10进一步包括发动机管理控制装置220，发动机管理控制装置 220与分离离合器60和80、电子控制单元210和燃料供给控制装置40 连通。现在将从总体上描述传动系10的工作。电机70被设计成起到内 燃发动机20的飞轮的作用，以当通过第一离合器60断开电机70和内 燃发动机20时，使内燃发动机20的质量更小，并且具有与其关联的 更小的转动惯量。当第二离合器80断开并且第一离合器60接合时，通过由供给控制装置40向内燃发动机20提供燃料，电机70可运行成 起动内燃发动机20以使内燃发动机20开始工作。当内燃发动机20起 动并且工作时，则第二离合器80接合，以通过传动装置卯将由内燃 发动机20产生的动力以及可选地由电机70产生的动力连接至一个或 多个车轮120，从而驱动传动系10以及与其相关联的车辆。当随后内 燃发动机20停用时，第一离合器60分离，并且燃料供给控制装置40 随后中断至发动机20的燃料供应。由于通过第一离合器60分离使内 燃发动机20被分离，所以含传动系10的车辆的驾驶员感受到最小限 度的振动，并且基本上觉察不到可用扭矩的突变。当从静止状态时起步时，第一离合器60基本上分离，电机70用 于产生初始的相当大的起动扭矩，以便提供车辆平稳、快速的加速。 当车辆已经获得阈值速度时，第一离合器60随后接合，以使由内燃发 动机20提供的扭矩可用于补充由电机70提供的扭矩。当内燃发动机 20停用时，用于驱动车辆的扭矩只由电机70提供。虽然图1中示出的传动系IO在工作中提供了许多技术优势，但是， 由于具有两个离合器60、 80,其具有复杂的结构。此外，即使内燃发 动机20依靠电机70起到飞轮的作用，当内燃发动机20尚在旋转且与 电机70断开时，内燃发动机20在中断其燃料供给时达到旋转静止以 前可能倾向于工作不稳定。因此，传动系IO不具有最佳的传动系结构，能够被进一步改善， 以简化其实施方式，并且提供更优良的振动性能以及平滑扭矩产生性在公开的美国专利US5,755，302中，描述了用于混合动力车辆的 驱动设备。该驱动设备包括内燃发动机和换档传动单元。此外，该驱 动设备包括可旋转的曲轴，所述可旋转的曲轴运转连接至内燃发动机， 并且，可旋转的传动轴运转连接至换档传动单元。此外，该驱动设备 进一步包括可动环形转子，所述转子环绕传动轴环状设置，所述转子 包括用于产生磁场的永磁体和用于将转子连接在传动轴上的连接机 构，以使扭矩在工作过程中在转子和传动轴之间传递。固定的环形定 子可连接至内燃发动机和变速传动单元中的至少一个，并且以电磁作 用关系绕着转子同心地设置并接近该转子。定子包括导电线圈，用于 与转子的磁场电磁感应。此外，该驱动设备只包括一个离合器，该离 合器至少部分地设置在定子的凹口内，所述离合器包括两个连接机构， 用于选择性地将曲轴摩擦连接至传动轴，实现两者之间的扭矩传递， 因此，离合器可在以下两个位置中切换(a) 接合位置，其中扭矩在曲轴和传动轴之间传递；以及(b) 分离位置，其中曲轴和传动轴之间的扭矩传递能够被切断。该驱动设备的电子控制单元可运行成以适当方式改变电负载或由 包括上述的转子和定子的电机产生的扭矩，以便通过扭振减振减小传 动轴上的扭矩波动。在这种操作下，能够实现充分平滑的摩擦接合， 以使离合器的接合不会振动并且磨损减小。传动通过电机进行电制动 以便增档，并且该传动被电加速以减档。然而，在工作中，这样的换 挡同步需要时间来完成。发明内容本发明的一个目的是提供一种改善的混合动力传动系。本发明通过涉及传动系的独立权利要求1和10的技术特征和涉及 控制混合动力传动系的方法的独立权利要求15和20的技术特征描述。 其他从属权利要求包括根据本发明的的混合动力传动系以及控制混合 动力传动系的方法的有利的改进和进一步开发。根据本发明的第一方面，提供了一种混合动力传动系，包括 内燃发动机；
电机装置；变速箱，可运行成接收来自内燃发动机和电机装置中至少一个的 动力，用于提供相应的动力至负载；控制单元，与内燃发动机、电机装置和变速箱连通，用于控制它 们的运行；其中传动系在运行中可配置成使其内燃发动机可在停用状态和启 动状态之间切换，内燃发动机需要被起动，以将其从停用状态切换至 启动状态；其特征在于控制单元包括多个输入和多个输出，所述多个输入用于接收发自 传动系的反馈信号和至传动系的命令信号，所述多个输出用于输出用 于控制传动系工作的输出信号；以及传动系的控制单元进一步包括计算硬件，所述计算硬件可操作成 执行传动系的扭矩仿真，在工作中，所述仿真可用于处理在多个输入 处提供的信息以计算补偿，控制单元可操作成在多个输出处应用补偿， 以减小工作过程中当发动机在启动状态和停用状态之间切换时传动系 内发生的扭矩冲击的幅度。本发明的优点是，对于减小突然的扭矩变化，g卩"冲击"，并且对 于操作的简单、易行，传动系能够提供改善的性能。可选地，在混合动力传动系中，在运行中，至内燃发动机的起动 扭矩的施加通过控制单元控制，以基本上与变速箱中的换挡同时进行。有利地，在传动系中，其中，当变速箱处于空档联接状态时，通 过使电机装置减速至基本上静止、利用旋转联接装置至少部分地可旋 转地将内燃发动机联接至电机装置、施加激励至电机装置以使其旋转 加速并因此将内燃发动机加速至阈值转速、随后提供燃料至内燃发动 机使内燃发动机进入启动状态，内燃发动机可操作成被起动。这样的 方法能够降低联接装置的磨损，还能获得极高的能效，因为在内燃发 动机开始起动之前，回收了能量以对能量储存元件进行充电。可选地，在传动系中，其中，当变速箱处于空档联接状态时，通 过使电机装置维持在旋转状态、利用旋转联接装置至少部分地将内燃 发动机联接至电机装置以将扭矩从其上传递至内燃发动机，因此将内 燃发动机加速至阈值转速、随后提供燃料至内燃发动机使内燃发动机 进入启动状态，内燃发动机可操作成被起动。与将电动机减速至基本 上静止相比，这样的方法可能更加快速，但是，可能潜在地加剧旋转 联接装置的磨损。优选地，在传动系中，旋转联接装置包括滑动离合器，滑动离合 器可操作成在其滑动范围的至少一部分内提供恒定的扭矩联接特性。 这样的恒定的扭矩特性对于过滤突然的扭矩变化即"冲击"是有效的。优选地，在传动系中，电机装置通过离合器和旋转适应性扭矩联 接的串联布置联接至内燃发动机。优选地，在传动系中，旋转联接装置包括离合器，离合器可在内 燃发动机和电机装置之间联接。实际上，这样的结构紧凑、简单并且 坚固。优选地，在传动系中，内燃发动机和电机装置中的一个或多个旋 转轴设置有一个或多个传感器，所述传感器联接至控制单元，用于当 起动内燃发动机并使其工作时确定联接至内燃发动机的扭矩的测量 值，这样的扭矩的测量值通过控制单元进行处理，用于提供对电机装 置的控制，至少部分地补偿发生在传动系内的扭矩的任何突变。扭矩 的测量值的使用能够使控制装置更精确地控制传动系，以避免起动内 燃发动机时在传动系内出现"冲击"。优选地，在传动系中， 一个或多个传感器被实施为转速传感器，
用于测量它们的一个或多个轴的转速，通过控制装置利用传动系的部 件的转动惯量和角加速度计算扭矩的测量值，其中所述角加速度及时 地利用一个或多个测量的转速值计算得到。根据本发明的第二方面，提供了一种混合动力传动系，包括内燃发动机；电机装置；变速箱，其可运行成接收来自内燃发动机和电机装置中的至少一 个的旋转动力，所述变速箱可运行成提供动力至负载；控制单元，与内燃发动机、电机装置和变速箱通信联接，用于控 制它们的工作；其中传动系在工作中可配置成使其内燃发动机可在停用状态和启 动状态之间切换，内燃发动机需要被起动，以将其从停用状态切换至 启动状态；其特征在于在工作中，至内燃发动机的起动扭矩的施加被控制成基本上与接 合变速箱将动力联接至负载同时进行；以及其中，内燃发动机和电机装置中的一个或多个旋转轴设置有一个 或多个传感器，用于当起动内燃发动机并使其工作时确定联接至内燃 发动机的扭矩的测量值，这样的扭矩的测量值利用在工作中在控制单 元的计算硬件上执行的传动系的扭矩仿真进行处理，用于提供对电机装置的控制，至少部分地补偿发生在传动系内的扭矩的任何突变。传动系的这样的结构是有利的，因为维持动力以驱动车辆，同时， 车辆的内燃发动机工作。可选地，在传动系中，当变速箱处于接合联接状态时，通过使电 机装置维持在旋转状态、利用旋转联接装置至少部分地将内燃发动机 联接至电机装置以将扭矩从电机装置传递至内燃发动机，因此将内燃 发动机加速至阈值转速、随后提供燃料至内燃发动机以使内燃发动机
进入启动状态，内燃发动机可操作成被起动。可选地，在传动系中， 一个或多个传感器被实施为转速传感器， 用于测量它们的一个或多个旋转轴的转速，利用传动系的部件的转动 惯量和角加速度计算扭矩的测量值，其中所述角加速度及时地利用一 个或多个测量的转速值计算得到。根据本发明的第三方面，提供了一种控制混合动力传动系的方法, 所述混合动力传动系包括 内燃发动机； 电机装置；变速箱，可操作成接收来自内燃发动机和电机装置中的一个或多 个的旋转动力，并且提供动力至负载；控制单元，与内燃发动机、电机装置和变速箱通信联接，用于控 制它们的工作；并且其中传动系在工作中可配置成使内燃发动机可在停用状态和启动 状态之间切换，内燃发动机需要被起动，以将其从停用状态切换至启 动状态，所述方法的特征在于包括如下步骤在控制单元的多个输入处接收来自传动系的反馈信号和命令信 号，并且在控制单元的多个输出处输出用于控制传动系工作的输出信 号；以及在控制装置内执行传动系的扭矩仿真，所述仿真可在控制单元的 计算硬件上执行，在工作中，所述仿真可用于处理在多个输入处提供 的信息以计算补偿，控制单元可操作成在多个输出处应用补偿，以减 小工作过程中当发动机在启动状态和停用状态之间切换时传动系内发 生的扭矩冲击的幅度。可选地，所述方法包括如下步骤(a)通过降低提供至变速箱的扭矩开始换挡，然后将变速箱置于 其空档状态；(b)控制至内燃发动机的起动扭矩的施加，以基本上与变速箱被 置于空档状态同时进行，至内燃发动机的起动扭矩和燃料供应可操作 成使内燃发动机工作；以及(C)接合开动变速箱，然后增加提供至变速箱的扭矩。可选地，所述方法包括下列附加步骤(d) 当变速箱处于空档联接状态时，通过使电机装置减速至基本 上静止来起动内燃发动机；(e) 通过旋转联接装置至少部分地将内燃发动机联接至电机装置；(f) 施加至电机装置的激励，以使电机装置旋转加速并因此将内 燃发动机加速至阈值转速；然后(g) 施加至内燃发动机的燃料供给以使内燃发动机进入启动状态。可选地，所述方法包括如下附加步骤(h) 当变速箱处于空档联接状态时，通过使电机装置维持在旋转 状态起动内燃发动机。(i) 通过旋转联接装置至少部分地将内燃发动机联接至电机装 置，以将扭矩从电机装置传递至内燃发动机，因此将内燃发动机加速 至阈值转速；然后(j)施加至内燃发动机的燃料供给以使内燃发动机进入启动状态。可选地，在所述方法中，联接装置包括滑动离合器，所述滑动离 合器可操作成在其滑动范围的至少一部分内提供恒定的扭矩联接特 性。根据本发明的第四方面，提供了一种包括根据本发明第一或第二 方面的混合动力传动系的车辆。
优选地，车辆选自组公共汽车、卡车、建筑车辆、厢式货车、 乘用车、舟、船、固定式机器，或者是任何需要在停止-起动驱动模式 具有相对较高的加速性能的车辆。根据本发明的第五方面，提供了一种控制混合动力传动系的方法， 所述混合动力传动系包括 内燃发动机； 电机装置；变速箱，用于接收来自内燃发动机和电机装置中的至少一个的旋 转动力，并且用于提供动力至负载；控制单元，与内燃发动机、电机装置和变速箱通信联接，用于控 制它们的工作；并且其中传动系在工作中可配置成使内燃发动机可在停用状态和启动 状态之间切换，所述内燃发动机需要被起动，以将其从停用状态切换 至启动状态，所述方法包括如下步骤(a) 接合开动变速箱，用于通过其联接扭矩，以提供动力至负载；(b) 施加起动扭矩至内燃发动机，并向内燃发动机联接燃料供应， 以起动内燃发动机，内燃发动机的这样的起动基本上与变速箱的接合 同时进行；并且(c) 其中，内燃发动机和电机装置中的一个或多个旋转轴设置有 一个或多个传感器，用于当起动内燃发动机并使其工作时确定联接至 内燃发动机的扭矩的测量值，这样的扭矩的测量值利用扭矩仿真模块 在控制单元内进行处理，用于提供对电机装置的控制，至少部分地补 偿发生在传动系内的扭矩的任何突变。可选地，所述方法包括如下附加步骤(d) 当变速箱处于接合联接状态时，通过使电机装置维持在旋转 状态起动内燃发动机； (e) 通过旋转联接装置至少部分地将内燃发动机联接至电机装 置，用于将来自电机装置的扭矩传递至内燃发动机，因此将内燃发动 机加速至阈值转速；然后(f) 施加至内燃发动机的燃料供给以使内燃发动机进入启动状态。可选地，在所述方法中， 一个或多个传感器被实施为转速传感器， 用于测量它们的一个或多个轴的转速，通过控制单元利用传动系的部 件的转动惯量和角加速度计算扭矩的测量值，其中所述角加速度及时 地利用一个或多个测量的转速值计算得到。根据本发明的第六方面，提供了一种数据载体上的计算机程序， 所述计算机程序可在计算硬件上执行，用于实施根据本发明第四或第 五方面的方法。根据本发明的第七方面，提供了一种计算机程序，所述计算机程 序包括计算机程序代码装置，当计算机程序在可编程的微型计算机上 运行时，所述计算机程序代码装置适合于执行根据本发明第四或第五 方面的方法或在所述方法中使用。优选地，计算机程序当在联接至国际互连网的计算机上运行时， 适合于被下载至根据本发明的第一或第二方面的传动系或其元件中的 一个或多个。优选地，计算机程序产品存储在计算机可读媒介上，包括上述计 算机程序代码装置。根据本发明的第八方面，提供了用于控制混合动力传动系的方法， 所述混合动力传动系具有内燃发动机、电机装置和变速箱，所述变速 箱可操作成接收来自内燃发动机和电机装置中的至少一个的动力，用
于将相应的动力提供至负载；所述方法包括下列步骤，所述方法包括 起始于通过电机装置驱动负载的传动系的启动状态的以下步骤-减小电机装置至变速箱的输出旋转扭矩，-控制变速箱，以及-通过电机装置起动内燃发动机。所述方法导致负载至少通过内燃发动机驱动的传动系的启动状态。所述方法特别适合于传动系的加速过程，所述传动系包括单个离 合器，其中电机装置可操作地布置在内燃发动机和变速箱之间，并且 单个离合器设置在内燃发动机和电机装置之间。因此，所述方法为省 去第二离合器创造了条件，所述第二离合器存在于许多现有技术方案 中。此外，优选地，在控制变速箱之前，电机装置的输出旋转扭矩减 小至零。扭矩的减小可以是阶跃式的，即，基本上瞬间完成减小，但 是，优选地，输出旋转扭矩以一定的斜率减小，g卩，以平缓、连续的 方式减小。此外，所述方法步骤不必按按时间顺序执行。 优选地，所述方法包括如下步骤-在减小电机装置的输出旋转扭矩之后，将变速箱换至空档， -在将变速箱换至空档状态之后，在变速箱内接合档位， -在变速箱内的档位接合之后，斜线增加至变速箱的输出旋转扭矩，-通过至少斜线增加内燃发动机的输出旋转扭矩(通过喷射燃料至 发动机实现)，斜线增加至变速箱的输出旋转扭矩，以及 -在发动机的预定速度下开始喷射燃料至发动机。 斜线增加阶段可以利用来自电机装置的动力的贡献来执行。优选地，所述方法还包括如下步骤在斜线增加内燃发动机的输 出旋转扭矩之前，同步内燃发动机的输出速度。优选地，所述方法包括如下步骤起动设置在内燃发动机和电机 装置之间的联接装置，以便通过电机装置起动内燃发动机。这可以以 多种方式执行。根据第一实例，所述方法包括如下步骤在同时地部 分地接合联接装置的同时，维持电机装置的特定转速。根据第二实例， 所述方法包括如下步骤在通过电机装置起动内燃发动机之前，将电 机装置减速至静止状态，并且全部地接合联接装置。优选地，所述方法包括如下同步步骤检测电机装置的输出速度 和内燃发动机的输出速度，并且当检测到的电机装置的输出速度和检 测到的内燃发动机的输出速度处于预定速度范围时，全部地接合联接 装置。优选地，所述方法包括如下步骤增加附加扭矩至电机装置，以 便补偿起动内燃发动机所需的扭矩。优选地，所述方法包括如下步骤 检测传动系的多个表征扭矩的工作参数，并且基于检测到的传动系工 作参数，计算附加扭矩的大小。优选地，所述方法包括如下步骤当变速箱处于空档状态时，通 过电机装置起动内燃发动机。优选地，所述方法包括如下步骤当变速箱处于接合状态时，通 过电机装置起动内燃发动机。这样，用于起动内燃发动机和从发动机 输出扭矩至变速箱的程序所用的总体时间可以縮短。因此，优选地， 当变速箱的输入轴接合至负载时，通过电机装置起动内燃发动机。在
本申请中，优选地，所述方法包括如下步骤在减小电机装置至变速 箱的输出旋转扭矩期间，或者，可选地，在斜线增加至变速箱的输出 旋转扭矩期间，通过电机装置起动内燃发动机。在斜线下降的最后阶段，在电机内存在可用扭矩(即，电机不在 其最大输出旋转扭矩或接近其最大输出旋转扭矩工作)，并且，在此阶 段，可以增加此可用扭矩的至少一部分。类似地，在斜线增加的开始 阶段，在电机内存在可用扭矩(即，电机不在其最大输出旋转扭矩或 接近其最大输出旋转扭矩工作)，并且，在此阶段，可以增加此可用扭 矩的至少一部分。因此，在这两种情况下，在电机内还存在可用扭矩， 其可以用来起动发动机。因此，在斜线增加或斜线减小的限定部分的 一个期间，电机装置的输出扭矩基本上增加(优选地增加至最大输出) 一个短的时间间隔，以便起动发动机。优选地，所述方法包括如下步骤在内燃发动机的输出旋转扭矩 同步后，通过电机装置起动内燃发动机。优选地，所述方法包括如下步骤当电机装置处于基本上不同于 电机装置在输出最大旋转扭矩工作的启动状态时，通过电机装置起动 内燃发动机。优选地，所述方法包括如下步骤在从通过电机装置驱动负载切 换至通过内燃发动机驱动负载期间，改变的变速箱(500)的档位。可以预料到的是，本发明的各特征易于被组合在不背离本发明范 围的任何组合中，本发明的范围由所附的权利要求书限定。


现在将参照附图描述本发明的实施例，其仅仅举例描述，附图中图1是公开的美国专利US4,533,011中描述的混合动力传动系的 示意图；图2是根据本发明的混合动力传动系的示意图；图3所示的图线示出了图2所示的混合动力传动系中使用的内燃 发动机的起动过程；图4所示的图线示出了图2的传动系中使用的离合器的扭矩联接特性；图5所示的示意图示出了图2的传动系中产生及存在的各种扭矩； 图6是包括在图2的混合动力传动系中的反馈环的示意图，其用于减小传动系工作中发生的扭矩冲击的振幅；图7是图2的混合动力传动系的中央控制单元中使用的控制功能的示意图，控制功能可运行成减少混合动力传动系工作中的扭矩冲击的发生；以及图8是如图7所示的中央控制单元内执行的数学计算的描述。
具体实施方式
下面将先描述根据本发明的混合动力传动系的实施例。然后，将 描述混合动力传动系的工作。随后将描述混合动力传动系的可选的实 施方式。虽然下面本发明以用于车辆的混合动力传动系的实施例来举例说 明，但是这并不对本发明的应用领域构成任何限制。相反地，本发明 还用于许多其他的应用领域，举例来说，可以用于火车、舟艇、船舶 和固定应用场合的混合动力传动系内。参照图2，其示出了总体上由300表示的混合动力传动系。传动 系300被设计成包括用于确保增强可靠性和紧凑性的相对少的部件。 此外，它的许多部件与当今世界上的车辆中使用的使用良好的部件相 匹配。然而，在若干重要的方面，混合动力传动系300不同于已知的 传动系，稍后将对其进行描述。
传动系300包括内燃发动机310，内燃发动机310具有与其相关 联的排气歧管320。内燃发动机310可以是自然进气式或涡轮增压式。 可选地，内燃发动机310是柴油发动机、生物燃料发动机或汽油发动 机。内燃发动机310的发动机扭矩输出曲轴340，简称为输出曲轴340， 可旋转地连接至离合器330的第一盘。离合器330的第二盘通过另一 根轴350可旋转地连接至电机装置360。优选地，离合器330是滑动式 离合器，其提供扭矩连接特性，下面将参照图4对其进行描述；从完 全分离至完全接合，离合器330是连续可调的，两者之间连接的扭矩 大小是连续可调的。电机装置360包括至少一个电机370，电机370不但可以在由电 能激励时运行成产生旋转的机械功率并因此产生驱动力矩，并且，当 被设置成提供再生制动并因此提供制动扭矩时，其还可运行成起到发 电机的作用；电机370因此能够既起到电动机的作用，又起到发电机 的作用。可选地，电机370被实施为感应装置或开关磁阻装置或基于 永磁技术的装置。电机装置360进一步包括电动机扭矩输出轴380，简 称为输出轴380，扭矩输出轴380可旋转地连接至电机370并且还可通 过离合器330连接至内燃发动机310的输出曲轴340，如图所示。此外， 电机装置360包括电机控制单元390和功率电子单元400，用于响应电 机装置360作为驱动电动机或发电机，将大电流切换进电机370以及 切换出电机370。传动系300还包括能量储存组件450，所述能量储存组件450包 括能量储存元件460，所述能量储存元件460电连接至能量储存控制器 470，用于管理能量储存元件460的放电和充电。可选地，能量储存元 件460被实施为充电电池，例如，采用镍金属化合物(NiMH)电池技 术、先进铅酸充电电池技术、锂离子充电电池技术或锂聚合物充电电 池技术。此外还可以使用超级电容作为能量储存元件460。然而，还有 更多的选择，例如，能量储存元件460可以利用如下技术实施液压 能存储技术、旋转飞轮动量存储技术或任何适当的能量转换装置(未
示出)组合而成的任何其他类型的机械能存储技术(i) 由电机370 (起到发电机的作用)产生的电能被转换成适合 于储存在所述能量储存元件460内的能量形式；以及(ii) 存储在所述能量储存元件460中的能量被转换为用于在电 机370 (起到电动机的作用)中使用的电能。然而，可选地，能量储存元件460可以被实施为若干这样的能量 储存技术的组合，以最佳地利用这些技术的充、放电特性。传动系300以及车辆具有与其相关联的电辅助装置480，例如一 个或多个电热器、风扇、安全设备和车辆空调装置。这些电力辅助装 置480电联接至能量储存元件460，如图2所示。上述的电动机扭矩输出轴380可旋转地联接至变速箱500。变速 箱500可运行成从电动机扭矩输出轴380到末级输出轴510之间提供 若干不连续的传动比和空档联接。末级输出轴510通过差速器520可 旋转地联接至系统的负载530，所述负载530在图2中被举例描述为车 辆(系统)的驱动轴的车轮(负载)，传动系300安装在所述车辆内。图2中所示的不同的输出轴340、 350、 380、 510也被称为"旋转 轴"或"旋转输出轴"。可选地，系统是乘用车、舟、船、重型车辆，比如公共汽车、 卡车、建筑车辆、厢式货车，或者是任何需要在停止-起动驱动模式具 有相对较高的加速性能的其他车辆。然而，本发明并不限制于这样的 车辆。负载530可以包括车轮、螺旋桨或类似物，这取决于系统的特 性。传动系300还设置有中央控制单元490，中央控制单元490电联 接至与离合器330相连的致动器组件(未示出)、电机控制单元390、
能量储存元件控制器470和致动器装置(未示出)，所述致动器装置连接至变速箱500。中央控制单元490可运行成提供多个输入接口至车辆 的驾驶员，例如，中央控制单元490被联接成接收来自驾驶员的加速 度、制动和换档命令。此外，虽然图2中没有示出，但是传动系300 包括位于传动系300内不同目标位置的传感器，用于测量扭矩，或者 是测量允许随后计算或估计扭矩的参数信号，如图5所示；有利地， 传感器实施为转速传感器，例如，实施为光学式或感应式代码器的转 速计，其可操作成产生信号；从所述信号中，根据式1 (Eq.l)能够由 角加速度"^4得到测量的扭矩Eq.l其中7=扭矩；以及 /=转动惯量。中央控制单元490可操作成执行各种功能，稍后将对其进行描述， 所述功能涉及内燃发动机310、离合器330、电机装置360和变速箱500 之间的相互作用。此外，有利地，中央控制单元4卯被实施为使用包 括一个或多个计算机的计算硬件。通常，现有技术中公知的混合动力传动系容易在工作中出现扭矩 的突变，即扭矩"冲击"。对于减小这样的不希望的冲击影响， 一种可能 的解决方案是采用上述公开的美国专利US4，533，011中公开的两个不 相连的离合器。然而，这样的可能方案是不期望的，特别是在如公共 汽车和卡车的大型车辆的情况中。上述的公开的美国专利US4,533，011 涉及个人车辆，比如个人的机动车辆、小汽车等。在用于大型混合动 力车辆的典型的传动系的情况中，内燃发动机能够提供好几百千瓦的 机械功率；类似地，设定电动机提供100kW、可能达到200kW或更大 的级别的机械功率输出。因此，由于在使用过程中可能失效的对应于 更多的项目的更多的部件，所以，实施公开的美国专利US4,533,011中 描述的技术方案导致增加成本、增加重量、增加传动系的尺寸，并且
降低传动系的可靠性。因此，总之，在图2中示出的根据本发明的传动系300具有与美国专利US4,533，011中公开的结构不同的结构。现在将参照图2描述传动系300的工作。中央控制单元490被编 程为周期性地起动内燃发动机310，以便使其在其热操作状态的效率最 高的部分工作，从而使内燃发动机310能为传动系300提供更高的燃 料经济性。有利地，内燃发动机310具有合适的设计。因此，存在内 燃发动机310处于不被提供燃料的停用状态的时间段。当内燃发动机 310处于停用状态时，有利地，离合器330通过中央控制单元4卯被驱 动成处于分离状态。如先前的描述，当内燃发动机310处于被提供燃 料的启动状态时，离合器330至少部分地接合以传递来自内燃发动机 310的扭矩。中央控制单元490被编程成控制电机370、离合器330和 内燃发动机310的运行，以使发生于传动系300内的内燃发动机310 的停止和运行基本上不会导致明显的扭矩冲击。当传动系300用于运 输站立乘客的公共汽车时，这样的特点特别重要，在市区环境，公共 汽车要求平稳、快速地加速，以免过度地影响交通流量，并且使燃料 消耗尽可能地符合燃料经济性和排放要求。参照图4，当处于对于为其离合器盘选择的给定滑动的滑动状态 时，离合器330可运行成提供通过其的基本上恒定的扭矩传递。在图4 中，横坐标轴600表示通过离合器330的增加的联接K，从左至右联 接K增加。此外，在图4中，还包括纵坐标轴610，纵坐标轴610表 示在上述的轴340、 350之间通过离合器330传递的扭矩；沿着纵坐标 轴610自下至上，扭矩T增加。作为联接K的函数的通过离合器330 传递的扭矩T通过曲线620表示，并被包括在中间区域630内。当联 接K是0。/。时，两根轴340、 350彼此断开。此外，当联接K是100。/。 时，轴340、 350联接在一起，并且彼此角度同步旋转。在联接K的中 间区域630，离合器330可在其滑动模式运行，其中，对于联接K的 给定对应值，离合器330可运行成联接恒定的扭矩值T，如图所示。这 样的特征是非常有利的，因为，内燃发动机310的起动与离合器330
在区域630内的运行一致，内燃发动机310在起动时产生扭矩冲击， 使离合器330对于扭矩突变起到过滤装置的作用。此特征有利地用于 本发明中，以使得当内燃发动机310开始其启动状态时，传动系300 能平稳地输送动力至车轮530。当通过离合器330连接的扭矩发生突变 时，例如在响应内燃发动机310从该扭矩表现为阻力扭矩的停用状态 变化为该扭矩表现为驱动扭矩源的启动状态时，扭矩的阶跃变化易于 通过传动系300传播为扭矩冲击。当这样的阶跃变化使得离合器330 从滑动状态骤变为同步状态时，离合器330不再提供其扭矩变化过滤 特性，因此导致通过传动系300传播的扭矩的阶跃变化，即可能的冲 击；然而，本发明可运行成减少这样的冲击的传播。中央控制单元490可运行成选择性地采用两个不同的程序来起动 内燃发动机310，同时使得很大程度地减小(不希望有的)冲击影响或 减小在传动系300的输出轴510处的可用驱动扭矩的中断。第一程序 将参照图3进行描述，其中横坐标轴700从左至右表示经过的时间， 纵坐标轴710表示通过变速箱500传递至车轮530的扭矩。曲线720 表示在变化阶段Pl至P7期间通过变速箱500提供的驱动扭矩r。在第一程序中，执行下列步骤(a) 在阶段P1，内燃发动机310处于停用状态，电机370接收 来自能量储存元件460的能量，以通过变速箱500提供驱动扭矩至负 载530;(b) 在阶段P2期间，从能量储存元件460提供至电机370的电 能逐渐地以斜线方式减小，以便减小包括在变速箱500内的齿轮承受 的扭矩；(c) 在阶段P3，中央控制单元490命令连接至变速箱500的致 动器使变速箱500换至空档，以便断开轴380、 510;(d) 在阶段P4，离合器330至少部分地接合，随后电能施加至 电机370，以在一定的时长内起动内燃发动机310，该时长典型地为50 毫秒至2秒，更可选地为0.25秒至1秒；在此期间，供给至内燃发动 机310的燃料开始令内燃发动机310进入启动状态；当内燃发动机310以稳定的方式工作时，可选地，离合器330则完全地接合，即联接 K=100%;(e) 在阶段P5期间，中央控制单元490可运行成调节至内燃发 动机310的燃料供给率和提供至电机370的电能中的至少一个，以便 同步轴380、 510相互之间的转速，随后，变速箱500接合成运行状态；(f) 在阶段P6期间，中央控制单元490可运行成增加来自电机 370和内燃发动机310中的至少一个的输出扭矩；以及(g) 在阶段P7期间，传递至变速箱500的扭矩响应接收自中央 控制单元490处的驾驶员的命令而发生变化。在步骤(d),可选地，离合器330的部分接合能够用于至少部分 地过滤在内燃发动机310和电动机370之间传递的扭矩冲击。第一程序能够以不同的方式予以实施。在对应于阶段P4的步骤 (d)中(i) 利用接收来自中央控制单元490命令的电机控制单元390， 电机370能够以特定的转速旋转。离合器330随后部分地接合，以使 联接K小于100%，从而传递适当的扭矩来使内燃发动机310的输出轴 340加速。当内燃发动机310的输出轴340已经获得充分高的速度时， 供给至内燃发动机310的燃料开始使内燃发动机310进入其启动状态。 可选地，离合器330随后被调节成通过其来提供完全的扭矩联接，即 联接&=10()%;或者可选地(ii) 使电机370静止，例如，通过再生制动使得其旋转能被传 递以对能量储存元件460进行充电。接下来，离合器330完全地接合， 以使联接K=100%。电机370随后用于提供扭矩来起动内燃发动机310 的输出轴340，并因此使内燃发动机310的输出轴340加速。当输出轴 340以充分高的转速旋转时，燃料提供至内燃发动机310以启动内燃发 动机310。
选项(i)可能需要更少的时间来使内燃发动机310开始工作。选项(ii)可能具有更高的能效。重要的是，过程Pl至P7有利地与变速箱500内的换挡操作同时 执行，比如，对应于阶段P3的步骤(c)需要变速箱500置于空档。 与内燃发动机310未启动的相应的简单换档操作相比，涉及换挡的第 一程序的实施方式可能使换挡稍微后延。然而，实际上，延后不是问 题，特别是对于较大的系统，比如卡车、公共汽车、舟、船等。在要求传动系300工作的某些情况下，在内燃发动机310启动期 间，不中断至负载530例如至车轮的动力传输是有利的。例如，当公 共汽车行驶在市区环境受到严格的排放控制时，以及当公共汽车需要以平滑的方式加速以适应城市交通而不使公共汽车内的乘客感受到可 能表现出安全问题的冲击时，这样的情况出现。发明人考虑到了两个重要的问题，艮P:(a) 处于其滑动范围630内的离合器330易于提供扭矩冲击的过 滤；以及(b) 电动机370能够被非常精确地控制，其比通过燃料供给来控 制内燃发动机310更为精确，因此，电动机370的扭矩和旋转动量能 够快速地改变。当描述根据本发明的用于启动内燃发动机310的第二程序时这样 的考虑是重要的；内燃发动机310从停用并产生阻力扭矩变换到启动 并产生驱动扭矩能够导致通过离合器330连接的扭矩的突变，例如使 离合器330迅速地实现通过其的同步。首先，为描述第二程序，将首先描述传动系300内的扭矩平衡。 参照图5，扭矩r^表示当变速箱500接合开动时希望传递至变速箱500 的扭矩。扭矩7\￡^表示通过电机370传递的扭矩，所述电机370直接 连接至变速箱500，如图2和5所示；"EM"是"电机"的縮写。然而，当 内燃发动机310处于停用状态并且离合器330至少部分地接合产生阻 力扭矩T^时，例如在图4中的区域630，等式2 (Eq.2)描述了变速箱500的输入处的可用扭矩rrfM。= ;w - L Eq.2因此，当离合器330完全地分离以使连接&=0%时，等式3(Eq.3) 描述了传动系300中纯电驱动的状态T血=Eq.3为了在变速箱500接合开动时实现内燃发动机310的平滑起动， 中央控制单元4卯可操作成精确控制对电机370的激励，以便实现等 式4 (Eq.4)限定的扭矩设定点r械服^w',m三;w = + ^:丄 Eq.4发明人已考虑到尽管通过离合器330连接的扭矩r^:能够通过用于实施本发明的扭矩传感器进行测量，其中，"CX"是"离合器"的縮写，但是，高精度的扭矩传感器趋于昂贵。此外，发明人已考虑到尽管扭矩7^还能够通过限定离合器330的盘之间的滑动程度的上述连接K来估计；然而，这样的估计难以精确确定并且易于随着离合器330的磨损趋于出现偏差。为了提供测量通过离合器330连接的扭矩rCi的更佳方法，发明人已考虑到如果已知转动惯量，能够采用等式l (Eq.l) 中的关系，也就是通过测量角加速度^^4。因此，利用等式2至4，可以导出等式5 (Eq.5):<formula>formula see original document page 36</formula>其中37^,/a表示内燃发动机310的内摩擦；以及 ^"wa表示内燃发动机310提供的扭矩， 其中"ICE"是"内燃发动机"的縮写。
因此，通过已知的内燃发动机310的转动惯量、内燃发动机310 内的摩擦阻力和内燃发动机310传递的机械功率，能够计算出扭矩ro:， 使得中央控制单元490能够选择性地根据等式4施加激励给电机370， 以补偿在起动内燃发动机310时出现的任何扭矩冲击，例如，当发动 机310被启动工作以从其提供驱动扭矩时由离合器330的突然同步所 造成的扭矩冲击。可选地，第二程序还可以在换挡期间应用，以实现传动系300在 启动其内燃发动机310时的非常平滑的特性。虽然上面已经描述了用于启动内燃发动机310的第一和第二程 序，但是，内燃发动机310的停用也能导致振动，这是因为其轴的旋 转频率跨过内燃发动机310的不同机械共振模式。可选地，变速箱500 被设置于空档，电机370能用于施加强再生制动力，以使在已经中断 至内燃发动机310的燃料供给之后，内燃发动机310的输出轴340或 多或少地迅速进入静止状态，因此縮短能产生上述振动模式的启动状 态至停用状态的过渡时段。这样的输出轴340的旋转的快速减速能涉 及使用通过电机370回收的能量来对能量储存元件460进行充电。如上所述，中央控制单元490可运行成利用根据等式5 (Eq.5)的 扭矩平衡的仿真来计算在传动系300中出现的扭矩冲击的大小，并且 利用引起这样的扭矩冲击的不平衡扭矩值得出适当的控制信号，用于 确定传递至电机370的基本上为负的瞬时功率，因此避免这样的扭矩 冲击。可选地，控制单元490还可运行成提供扭矩衰减，如图6示意 性地示出，其中，上述传动系300的变型通过1000表示。变型的传动 系1000包括位于输出轴380上的用于检测转速"￡^的轴转速传感器和 位于末级输出轴510上的用于检测驱动输出轴转速"做的轴转速传感 器。当内燃发动机310处于启动、开始工作和停用中的一个或多个状 态时，理想地，在末级输出轴510上提供的扭矩j;,^将不会承受急剧
的扭矩改变，不管变速箱500是否连接，以及离合器330的连接状态是否提供完全平滑的动力传输特征。可选地，包括与离合器330串联的角度适应扭簧1010。扭簧1010 在轴340、 350之间呈现出角度差Ae， Ae与扭矩7Vc^和7^，認之间的 瞬时差成比例。由于通过电机370产生的扭矩几，￡7(/响应向其施加的电 能快速地变化，转速能够例如利用光学转速计或感应式转速传感 器被检测，并且，在控制单元490内通过反馈函数F1负反馈，使得电 机370响应通过离合器330提供的来自内燃发动机310的扭矩rWC￡的 突变，仍然相对平滑地改变转速"em。可选地，函数Fl是成比例-积分 -微分(PID)反馈函数，虽然还可以使用其他的反馈函数。当采用PID 反馈函数，函数F1具有比例、积分和微分系数O、 CV和Czj时，这些 系数能够在中央控制单元4卯内分别控制，并且，可选地，能够响应传动系1000的工作条件动态地改变。由于用于测量转速"em的传感器安装在与电机370的转子的相同的轴上，基本上不会产生瞬时反冲和 旋转延迟。可选地，为了进一步增加响应传动系1000的平滑性，包含 有另一个转速传感器以监测转速"OT， "OT通过反馈函数F2负反馈， 以使电机370在响应通过离合器330由内燃发动机310提供的扭矩 几,k7e的突变时保持相对平滑地改变转速"￡m。由于在变速箱500内可 能出现反冲，所以有利地，反馈函数F2被设置成比反馈函数F1具有 更长的时间常数。可选地，函数F2也是比例-积分-微分(PID)反馈函 数，虽然还能使用其他的反馈函数。当采用PID反馈函数，函数F2具 有比例、积分和微分系数C>、 C,和C^时，这些系数能在中央控制单 元4卯内分别控制，并且，可选地，能够响应传动系1000的工作条件 动态地改变。可选地，利用可在中央控制单元490的计算硬件上执行的软件实 施反馈函数Fl、 F2中的一个或多个。更可选地，用于实施函数Fl、 F2中的一个或多个的反馈系数，即增益因子，响应内燃发动机310的 起动和停止和/或响应变速箱500内的换档动态地变化。因此，通过使
用图6所示的反馈装置，由内燃发动机310的起动和停止引起的扭矩冲击能够至少部分地由电机370予以补偿，同时避免引起轴转速内动态振荡的任何倾向。如上所述，参照等式5 (Eq.5)，中央控制单元490可运行成使用 扭矩平衡计算式Mexp来确定将由电机370提供的最适当的瞬时扭矩， 以至少部分地补偿由于内燃发动机310的起动和停止引起的扭矩冲击， 可选地，通过离合器330内发生的滑动来辅助。这样的利用基于等式5 中(Eq.5)描述的扭矩平衡计算出的补偿能够通过反馈来补充，以补偿 图6中所示的突然的扭矩变化，并且，如上所述，用于获得极好的性 能。参照图7，中央控制单元490被设置成实施基本上如图所示的反 馈控制函数；图8通过示例方式提供了控制函数的一种可选方案。至 控制单元490的输入参数Pi可以包括下列参数中的一个或多个(a) 传动系300、 1000的操作者限定的动力需求；例如，当传动 系300、 1000安装在车辆内用于驱动车辆时，动力需求对应于车辆的 驾驶员压下车辆的加速踏板的程度；(b) 操作者选择的传动比，例如，优选的档位和/或升高或降低 变速箱500的档位的指令；(c) 传动系300、 IOOO驱动的负载；例如，当传动系300、 1000 被安装以驱动车辆时，通过车辆运输的负载，例如，公共汽车内运载 的人数(即公共汽车是满载还是轻载)，是控制单元490使用的有用的 操作参数；(d) 地形，当传动系300、 IOOO被设置成驱动车辆时，车辆在所 述地形上行驶；可选地，车辆设置有全球定位传感器(GPS)， GPS可 操作成确定车辆在地球表面上的GPS位置，控制单元490设置有通向 地图数据库的通路，用于根据GPS位置确定车辆行驶路面的坡度情况 和/或指示车辆在不久之后要求采取的转向操作；有利地，控制单元490 被编程为预测换挡和/或自动停止或起动内燃发动机310的需求，以便 为车辆提供最佳平滑驱动扭矩特性至其车轮，基本上不存在由于停止 和起动内燃发动机310所导致的任何扭矩冲击；可选地，控制单元490可操作成在规定间隔监测GPS位置，以例如通过参照数据库确定GPS位置是否对应于任何特殊条件或限制，比如清洁空气区域，其中在所述清洁空气区域，传动系300、 1000被限制成只能使用电机370起作 用，内燃发动机310处于停用状态；(e) 当传动系300、 IOOO安装在车辆上以驱动车辆时的车辆转向角；(f) 当传动系300、 1000安装在车辆上以驱动车辆时的制动需求， 制动需求用于降低车辆的速度；可选地，这样的制动被实施为再生制 动，该再生制动将车辆的动能存储为能量储存元件460中的存储能量； 控制单元490可操作成控制从电机370到能量储存元件460的能量流。控制单元490包括多参数微分计算功能1020，用于接收输入参数 Pi，并且，用于在时态空间对输入参数Pi进行第一矩阵变换Kl，以生成如式7 (Eq.7)所描述的相应的第一中间参数Pmi，t:k"H她")] Eq.7此外，控制单元4卯在计算功能1020中包括用Rk表示的反馈参 数的输入。反馈参数Rk包括下列中的一个或多个(g) 轴340、 350、 380、 510中的一个或多个的转速；(h) 内燃发动机310是否处于工作中并消耗燃料；(i) 离合器330涉及通过其的联接以及在其内发生的滑动的调节； (j)传递至电机370的功率的大小，或由电机370产生的功率的大小；以及(j)轴510传递的扭矩，例如，通过利用安装在其上的扭矩传感 器检测得到的扭矩。多参数微分计算功能1020还可操作成在时态空间对反馈参数Rk 进行第二矩阵变换K2，以生成如式8 (Eq.8)所述的相应的第二中间参 数R,<formula>formula see original document page 41</formula>第一和第二中间参数随后被提供至等式5 (Eq.5)的模型表示，即 扭矩仿真，等式5 (Eq.5)的模型表示描述了传动系300、 1000内的扭 矩平衡。利用上述的扭矩平衡等式(Eq.5),通过多参数微分减功能1050 生成偏差参数Qi，如式9 (Eq.9)所示<formula>formula see original document page 41</formula>偏差参数Qi用于驱动变速箱500、电机370、离合器330、内燃发 动机310，可选地，还用于作为时间t的函数的反馈减振参数，如图6 所示。通过在中央控制单元4卯内采用这样复杂的反馈控制，能够相当 大程度地提高传动系300、 1000的性能，特别对于更精确地抑制内燃 发动机310周期性地启动以及随后停用时产生的扭矩冲击。现在将举例描述包括传动系300、 1000中的一个的车辆的工作。在第一实例中，车辆沿着路面基本上水平的路行驶，所述车辆只 由电机370驱动，电机370所需的能量由能量储存元件460提供。车 辆的驾驶员进一步压下车辆的加速踏板，使得控制单元490施加更多 的能量至电机370。当电机370接近其最大容许转速时，控制单元490 断开变速箱500和电机370，然后使用电机起动内燃发动机310，以使 内燃发动机310进入其启动状态。其后，控制单元490命令变速箱500 调高档位，然后接合电机370，现在，电机370通过离合器330可旋转 地连接至处于其启动状态的内燃发动机310。由于利用电机370起动内 燃发动机310，同时变速箱500是未接合的，所以车辆的驾驶员基本上 不会感觉到扭矩冲击。
在涉及车辆的第二实例中，车辆沿着上坡路面行驶，同时车辆只 由电机370驱动。车辆的驾驶员进一步压下加速踏板。利用车辆的GPS位置，控制单元4卯根据参照地图数据库的GPS位置确定车辆正接近 上坡路面的最高点，随后将会有一个长下坡。控制单元490计算出有 利的是继续只利用电机370驱动车辆，并且响应加速踏板的进一步压 下将变速箱500向上增加一个档位。不久，车辆接近坡道的最高点， 随后在下坡路面上加速，以控制单元490利用电机370进行再生制动， 用于对能量储存元件460进行充电，因此防止车辆由于重力作用而出 现超速。当车辆接近山坡的下坡路面的较低的区域时，控制单元4卯 则最后选择利用车辆下坡行驶获得的动量起动内燃发动机310，而电机 370可运行成补偿当内燃发动机310实现其启动状态时出现的任何瞬时 扭矩冲击。因此，当接近山坡的顶部以及随后的下坡行驶时，控制单 元490不需要操作内燃发动机310。因此，本发明不仅能降低内燃发动机310的磨损，而且能降低车 辆总的燃料消耗。虽然通过启动内燃发动机310同时使变速箱500脱 离电机370十分有效地避免扭矩冲击，但是可以预料到的是，当内燃 发动机310通过离合器330起动同时通过变速箱500连接驱动以驱动 车辆时，控制单元490还能减小察觉到的扭矩冲击的幅度；通过基于 扭矩计算进行扭矩补偿实现所述幅度，其中，所述扭矩计算基本上根 据上述的式5 (Eq.5)进行。车辆的重量也是确定上坡行驶时需要承受 的负载以及确定通过施加再生制动可以获得的能量的重要因素，因此， 也是被提供输入至控制单元490的一个有用的参数。有利地，通过与 车辆的悬挂装置相连的应变传感器能够确定车辆的重量。尽管上面相对于传动系300、 1000对本发明进行了描述，但是， 可以预料到的是，本发明并不限于在这样的结构中使用，并适合于用 在传动系的其他结构。因此，对上述的本发明的实施例的修改能够不 超出由所附权利要求书限定的本发明的范围。
参照上面的描述，如图2至8所示，中央控制单元490被实施为 一个或多个计算机的结构，所述计算机连接在传动系300、 1000内。 可选地，控制单元4卯对应于在空间上环绕传动系300、 1000布置的 数据处理器阵列，处理器阵列通过通信网络相互连接，例如，通过CAN 总线等。此外，中央控制单元490可运行成执行用于实施本发明的一 个或多个软件产品。此外，有利地，控制单元390包括用于从传动系 300、 1000外部源接收这样的一个或多个软件产品的接口，因此，中央 控制单元490能够远程地更新所述一个或多个软件产品的最新版本。 接口能被实施为电连接器，用于接收起到所述一个或多个软件产品的 数据载体作用的固态只读存储器(ROM)、光盘、磁盘。可选地，或附 加地，接口包括无线通信链路，该无线通信链路使得一个或多个软件 产品能通过包含数据的无线信号被下载至中央控制单元490，例如，通 过专用的蓝牙或移动电话(蜂窝电话)通信网络。可选地， 一个或多 个软件产品能通过数据通信网络下载至中央控制单元490，例如通过国 际互连网。尽管上面相对于车辆例如公共汽车和卡车对传动系300、 1000进 行了描述，但是，可以预料到的是，其还能够用于其他类型的系统， 例如乘用车、有轨电车、火车、舟艇、船舶和固定动力运输系统。用于描述和限定本发明的表述如"包括"、"包含"、"含有"、"由…… 组成"、"具有"、"是"意在非排他性的解释，S卩，允许存在没有明确描 述的项目、元件或部件。文中引用的单数也可以理解为表示复数。所附的权利要求书中的括号内的数字是用来帮助理解权利要求， 并不会对由这些权利要求限定的主题构成任何方式的限定。
权利要求
1. 一种混合动力传动系(300，1000)，包括-内燃发动机(310)；-电机装置(360)；-变速箱(500)，该变速箱可运行成接收来自内燃发动机(310)和电机装置(360)中的至少一个的动力，以提供相应的动力至负载(530)；-控制单元(490)，该控制单元与内燃发动机(310)、电机装置(360)和变速箱(500)连通，以控制它们的运行；-其中传动系(300，1000)在运行中可配置成使其内燃发动机(310)可在停用状态和启动状态之间切换，所述内燃发动机(310)需要被起动，以从停用状态切换至启动状态，其特征在于-所述控制单元(490)包括多个输入和多个输出，所述多个输入用于接收来自传动系(300，1000)的反馈信号和至传动系(300，1000)的命令信号，所述多个输出用于输出控制传动系(300，1000)运行的输出信号；以及-所述控制单元(490)进一步包括计算硬件，所述计算硬件可运行成执行传动系(300，1000)的扭矩仿真，在运行中，所述仿真可用于处理在所述多个输入处提供的信息以计算补偿，所述控制单元(490)可运行成在所述多个输出处应用所述补偿，以减小运行过程中当所述发动机(310)在启动状态和停用状态之间切换时传动系(300，1000)内发生的扭矩冲击的幅度。
2. 如权利要求1所述的混合动力传动系(300， 1000)，其中，在 运行中，至内燃发动机(310)的起动扭矩的施加由控制单元(490) 控制，以基本上与变速箱(500)中的换档同时进行。
3. 如权利要求2所述的传动系(300， 1000)，其中，当变速箱(500)处于空档联接状态时，通过使电机装置(360)减速至基本上静止、利 用旋转联接装置(330)至少部分地可旋转地将内燃发动机(310)联 接至电机装置(360)、施加激励至电机装置(360)以使其旋转加速并 因此将内燃发动机(310)加速至阈值转速、随后提供燃料至内燃发动 机(310)使内燃发动机(310)进入启动状态，内燃发动机(310)可 运行成被起动。
4. 如权利要求2所述的传动系(300， 1000)，其中，当变速箱(500) 处于空档联接状态时，通过使电机装置(360)维持在旋转状态、利用 旋转联接装置(330)至少部分地将内燃发动机(310)联接至电机装 置(360)以将扭矩传递至内燃发动机(310)从而将内燃发动机(310) 加速至阈值转速、随后提供燃料至内燃发动机(310)使内燃发动机(310)进入启动状态，内燃发动机(310)可运行成被起动。
5. 如权利要求3或4所述的传动系(300， 1000)，其中旋转联接 装置(330)包括滑动离合器(330)，所述滑动离合器(330)可运行 成在其滑动范围(630)的至少一部分内提供恒定的扭矩联接特性。
6. 如上述权利要求中任何一项所述的传动系(300， 1000)，其中 传动系(300)的旋转联接装置(330)包括离合器(330)，离合器(330) 可联接在内燃发动机(310)和电机装置(360)之间。
7. 如权利要求6所述的传动系(300， 1000)，其中电机装置(360) 经由离合器(330)和旋转适应扭矩联接件(1010)的串联布置连接至 内燃发动机(310)。
8. 如上述权利要求中任何一项所述的传动系(300)，其中内燃发 动机(310)和电机装置(360)中的一个或多个旋转轴(340， 350， 380)设置有一个或多个传感器，所述传感器联接至控制单元(490)， 用于当起动内燃发动机(310)并使其运行时确定联接至内燃发动机(310)的扭矩的测量值，这样的扭矩的测量值通过控制单元(490) 进行处理，以提供对电机装置(360)的控制，用于至少部分地补偿发 生在传动系(300)内的扭矩的任何突变。
9. 如权利要求8所述的传动系(300)，其中一个或多个传感器被 实施为转速传感器，用于测量它们的一个或多个轴(340， 350， 380) 的转速，通过控制单元(490)利用传动系(300)的部件的转动惯量 和角加速度来计算所述扭矩的测量值，其中所述角加速度利用一个或 多个测量的转速即时计算得到。
10. —种混合动力传动系(300)，包括 -内燃发动机(310);-电机装置(360);-变速箱(500)，该变速箱可运行成接收来自内燃发动机(310) 和电机装置(360)中的至少一个的旋转动力，变速箱(500)可运行 成提供动力至负载(530);-控制单元(490)，该控制单元与内燃发动机(310)、电机装置(360) 和变速箱(500)连通，以控制它们的运行；-其中传动系(300)在运行中可配置成使其内燃发动机(310)可 在停用状态和启动状态之间切换，所述内燃发动机(310)需要被起动， 以从停用状态切换至启动状态；其特征在于-在运行中，至内燃发动机(310)的起动扭矩的施加被控制成基 本上与变速箱(500)被接合以将驱动功率联接至传动系(300)的负 载(530)同时进行；以及-其中内燃发动机(310)和电机装置(360)中的一个或多个旋转 轴(340， 350， 380)设置有一个或多个传感器，用于当起动内燃发动 机(310)并使其运行时，确定联接至内燃发动机(310)的扭矩的测 量值，这样的扭矩的测量值利用在运行中在控制单元(490)的计算硬 件上执行的传动系(300,1000)的扭矩仿真来进行处理，以提供对电机 装置(360)的控制，用于至少部分地补偿发生在传动系(300)内的 扭矩的任何突变。
11. 如权利要求IO所述的传动系(300)，其中，当变速箱处于接合 联接状态时，通过使电机装置(360)维持在旋转状态、利用旋转联接 装置(330)至少部分地将内燃发动机(310)联接至电机装置(360) 以将扭矩从电机装置(360)传递至内燃发动机(310)从而将内燃发 动机(310)加速至阈值转速、随后提供燃料至内燃发动机(310)以 使内燃发动机(310)进入启动状态，内燃发动机(310)可运行成被 起动。
12. 如权利要求10所述的传动系(300),其中一个或多个传感器 被实施为转速传感器，用于测量它们的一个或多个旋转轴(340， 350， 380)的转速，利用传动系(300)的部件的转动惯量和角加速度计算 所述扭矩的测量值，其中所述角加速度利用一个或多个测量的转速值 即时计算得到。
13. —种车辆，包括如上述权利要求中任何一项所述的混合动力传 动系(300)。
14. 如权利要求13所述的车辆，所述车辆是下列装置中的一种公共汽车、卡车、建筑车辆、厢式货车、乘用车、舟、船、固定式机 器，或者是任何需要在停止-起动驱动模式具有相对较高的加速性能的 车辆。
15. —种控制混合动力传动系(300)的方法，所述混合动力传动 系(300)包括-内燃发动机(310);-电机装置(360);-变速箱(500)，该变速箱可运行成接收来自内燃发动机(310) 和电机装置(360)中的一个或多个的旋转动力，并且提供动力至负载 (530);-控制单元(490)，该控制单元与内燃发动机(310)、电机装置(360) 和变速箱(500)连通，以控制它们的运行；并且-其中传动系(300)在运行中可配置成使内燃发动机(310)可在 停用状态和启动状态之间切换，所述内燃发动机(310)需要被起动， 以从停用状态切换至启动状态；其特征在于，所述方法包括如下步骤-在所述控制单元(490)的多个输入处接收来自传动系(300， 1000) 的反馈信号以及命令信号，并且在所述传动系(300， 1000)的多个输 出处输出用于控制传动系(300， 1000)运行的输出信号；以及-在所述控制单元(490)执行传动系(300， 1000)的扭矩仿真， 所述扭矩仿真可在控制单元(4卯)的计算硬件上执行，在运行中，所 述仿真可用于处理在所述多个输入处提供的信息以计算补偿，所述控 制单元(490)可运行成在所述多个输出处应用所述补偿，以减小运行 过程中当所述发动机(310)在启动状态和停用状态之间切换时传动系 (300， 1000)内发生的扭矩冲击的幅度。
16. 如权利要求15所述的方法，所述方法包括如下步骤(a) 通过降低提供至变速箱(500)的扭矩并且然后将变速箱(500) 置于其空档状态来开始换挡，；(b) 控制至内燃发动机(310)的起动扭矩的施加，以基本上与 变速箱(500)被置于空档状态同时进行，至内燃发动机(310)的起 动扭矩和燃料供应可运行成使内燃发动机(310)启动；以及(c) 接合变速箱(500)，然后增加提供至变速箱(500)的扭矩。
17. 如权利要求16所述的方法，所述方法包括如下附加步骤(d) 当变速箱(500)处于空档联接状态时，通过使电机装置(360) 减速至基本上静止来起动内燃发动机(310);(e) 通过旋转联接装置(330)至少部分地将内燃发动机(310) 联接至电机装置(360);(f) 施加激励至电机装置(360)，以使电机装置(360)旋转加速并因此将内燃发动机(310)加速至阈值转速；然后(g) 施加燃料供给至内燃发动机(310)以使内燃发动机(310) 进入启动状态。
18. 如权利要求17所述的方法，所述方法包括如下附加步骤(h) 当变速箱(500)处于空档联接状态时，通过使电机装置(360) 维持在旋转状态来起动内燃发动机(310);(i) 通过旋转联接装置(330)至少部分地将内燃发动机(310) 联接至电机装置(360)，以将来自电机装置(360)的扭矩传递至内燃 发动机(310)，从而将内燃发动机(310)加速至阈值转速；然后(j)施加燃料供给至内燃发动机(310)以使内燃发动机(310) 进入启动状态。
19. 如权利要求18所述的方法，其中联接装置(330)包括滑动离 合器(330)，所述滑动离合器(330)可运行成在其滑动范围(630) 的至少一部分内提供恒定的扭矩联接特性。
20. —种控制混合动力传动系(300)的方法，所述混合动力传动 系(300)包括-内燃发动机(310); -电机装置(360);-变速箱(500)，该变速箱用于接收来自内燃发动机(310)和电 机装置(360)中的至少一个的旋转动力，并且提供动力至负载；-控制单元(4卯)，该控制单元与内燃发动机(310)、电机装置(360) 和变速箱(500)连通，以控制它们的运行；并且-其中传动系(300)在运行中可配置成使其内燃发动机(310)可 在停用状态和启动状态之间切换，所述内燃发动机(310)需要被起动， 以从停用状态切换至启动状态，所述方法包括如下步骤-(a) 接合变速箱(500)，用于通过其联接扭矩，以提供动力至负载(530);以及(b) 施加起动扭矩至内燃发动机(310)，并向内燃发动机(310) 联接燃料供应以启动内燃发动机(310)，内燃发动机(310)的这样的 启动基本上与变速箱(500)的接合同时进行，(c) 其中内燃发动机(310)和电机装置(360)中的一个或多个 旋转轴(340， 350， 380)设置有一个或多个传感器，用于当起动内燃 发动机(310)并使其运行时确定连接至内燃发动机(310)的扭矩的 测量值，这样的扭矩的测量值利用扭矩仿真模块在控制单元(490)内 进行处理，以提供对电机装置(360)的控制，用于至少部分地补偿发 生在传动系(300)内的扭矩的任何突变。
21. 如权利要求20所述的方法，所述方法包括如下附加步骤-.(d) 当变速箱(500)处于接合的联接状态时，通过使电机装置 (360)维持在旋转状态来起动内燃发动机(310);(e) 通过旋转联接装置(330)至少部分地将内燃发动机(310) 联接至电机装置(360)，用于将来自电机装置(360)的扭矩传递至内 燃发动机(310)，因此将内燃发动机(310)加速至阈值转速；然后(f) 施加燃料供给至内燃发动机(310)以使内燃发动机(310) 进入启动状态。
22. 如权利要求20或21所述的的方法，其中一个或多个传感器被 实施为转速传感器，用于测量它们的一个或多个轴(340， 350， 380) 的转速，通过控制单元(490)利用传动系(300)的部件的转动惯量 和角加速度计算所述扭矩的测量值，其中所述角加速度利用一个或多 个测量的转速值即时计算得到。
23. —种数据载体上的计算机程序，所述计算机程序可以在计算硬 件上执行，用于控制如权利要求16至22中任何一项所述的方法。
24. —种计算机程序，包括计算机程序代码装置，当所述计算机程 序在可编程的微型计算机上运行时，所述计算机程序代码装置适合于执行如权利要求16至22中至少一项所述的方法或在所述方法中使用。
25. 根据权利要求24所述的计算机程序，所述计算机程序当运行 在连接至国际互连网的计算机上时，适合于被下载至根据权利要求1 或IO所述的传动系或其部件的一个或多个。
26. 存储在计算机可读媒介上的计算机程序产品，包括如权利要求 24所述的计算机程序代码装置。
27. —种混合动力传动系(300， 1000)，包括 -内燃发动机(310);-电机装置(360);-变速箱(500)，该变速箱可运行成接收来自内燃发动机(310) 和电机装置(360)中的至少一个的动力，用于提供相应的动力至负载(530);-控制单元(490)，该控制单元与内燃发动机(310)、电机装置(360) 和变速箱(500)连通，以控制它们的运行；-其中传动系(300， 1000)在运行中可配置成使其内燃发动机(310) 可在停用状态和启动状态之间切换，所述内燃发动机(310)需要被起 动，以从停用状态切换至启动状态，其特征在于-所述控制单元(490)包括多个输入和多个输出，所述多个输入 用于接收来自传动系(300， 100)的反馈信号和至传动系(300， 1000) 的至少一个命令信号，所述多个输出用于输出控制传动系(300， 100) 运行的输出信号；以及-所述控制单元(490)进一步包括计算硬件，所述计算硬件可运 行成执行传动系(300， 1000)的扭矩仿真，在运行中，所述仿真可用于处理在所述多个输入处提供的信息以计算补偿，所述控制单元(490) 可运行成应用所述补偿至所述多个输出中的至少一个，以减小运行过程中当所述发动机(310)在启动状态和停用状态之间切换时传动系 (300， 1000)内发生的扭矩冲击的幅度。
28. 根据权利要求27所述的混合动力传动系，其中所述控制单元 (490)可运行成应用所述补偿至电机装置。
29. —种用于控制混合动力传动系的方法，所述混合动力传动系具 有内燃发动机(310)、电机装置(360)和变速箱(500)，所述变速箱(500)可运行成接收来自内燃发动机(310)和电机装置(360)中的 至少一个的动力，用于提供相应的动力至负载(530);所述方法包括 起始于通过电机装置(360)驱动负载的传动系运行状态的以下步骤-减小电机装置(360)至变速箱的输出旋转扭矩，-控制变速箱(500)，以及-通过电机装置(360)起动内燃发动机(310)。
30. 根据权利要求29所述的方法，包括如下步骤通过斜线下降 减小电机装置的输出旋转扭矩。
31. 根据权利要求29或30所述的方法，包括如下步骤在减小电 机装置的输出旋转扭矩之后，将变速箱(500)换至空档状态。
32. 根据权利要求31所述的方法，包括如下步骤在将变速箱(500) 换至空档状态之后，在变速箱(500)内接合档位。
33. 根据权利要求32所述的方法，包括如下步骤在变速箱内的 档位接合之后，斜线增加至变速箱的输出旋转扭矩。
34. 根据权利要求33所述的方法，包括如下步骤通过至少斜线增加内燃发动机的输出旋转扭矩，斜线增加至变速箱的输出旋转扭矩。
35. 根据权利要求34所述的方法，包括如下步骤通过喷射燃料 至发动机，斜线增加内燃发动机的输出旋转扭矩。
36. 根据权利要求34或35所述的方法，包括如下步骤在斜线增 加内燃发动机的输出旋转扭矩之前，同步内燃发动机的输出速度。
37. 根据权利要求35所述的方法，包括如下步骤在发动机的预 定速度下开始喷射燃料至发动机。
38. 根据权利要求29-37中任何一项所述的方法，包括如下步骤 起动设置在内燃发动机(310)和电机装置(360)之间的联接装置(330)， 以便通过电机装置起动内燃发动机(310)。
39. 根据权利要求38所述的方法，包括如下步骤在同时地部分 地接合联接装置(330)的同时，维持电机装置的特定转速。
40. 根据权利要求38所述的方法，包括如下步骤在通过电机装 置起动内燃发动机(310)之前，将电机装置减速至静止状态，并且全 部地接合联接装置(330)。
41. 根据权利要求38-40中任何一项所述的方法，包括如下步骤 检测电机装置的输出速度和内燃发动机(310)的输出速度，并且当检 测到的电机装置的输出速度和检测到的内燃发动机(310)的输出速度 处于预定速度范围时，全部地接合联接装置(330)。
42. 根据权利要求29-41中任何一项所述的方法，包括如下步骤 增加附加扭矩至电机装置，以便补偿起动内燃发动机(310)所需的扭 矩。
43. 根据权利要求42所述的方法，包括如下步骤检测传动系的 多个表征扭矩的运行参数，并且基于检测到的传动系运行参数，计算 附加扭矩的大小。
44. 根据权利要求31所述的方法，包括如下步骤当变速箱处于 空档状态时，通过电机装置起动内燃发动机。
45. 根据权利要求29-43中任何一项所述的方法，包括如下步骤当变速箱处于接合状态时，通过电机装置起动内燃发动机。
46. 根据权利要求29-43中任何一项所述的方法，包括如下步骤-当变速箱的输入轴接合至负载时，通过电机装置起动内燃发动机。
47. 根据权利要求45或46所述的方法，包括如下步骤在减小电 机装置(360)至变速箱的输出旋转扭矩期间，通过电机装置起动内燃 发动机。
48. 根据权利要求33、 45或46中任何一项所述的方法，包括如下 步骤在斜线增加至变速箱的输出旋转扭矩期间，通过电机装置起动 内燃发动机。
49. 根据权利要求36、 45或46所述的方法，包括如下步骤在内 燃发动机的输出旋转扭矩同步后，通过电机装置起动内燃发动机。
50. 根据权利要求29-43中任何一项所述的方法，包括如下步骤 当电机装置处于基本上不同于电机装置在输出最大旋转扭矩工作的启 动状态时，通过电机装置起动内燃发动机。
51. 根据权利要求29-50中任何一项所述的方法，包括如下步骤 　在从电机装置驱动负载切换至通过内燃发动机驱动负载期间，改变变 速箱(500)的档位。
全文摘要
本发明提供了一种混合动力传动系(300)，包括内燃发动机(310)；电机装置(360)；变速箱(500)，可操作成接收来自内燃发动机(310)和电机装置(360)中的至少一个的动力，用于提供动力至传动系(300)的负载(530)；并且，传动系(300)在工作中可配置成使其内燃发动机(310)可在停用状态和启动状态之间切换，内燃发动机(310)需要被起动，以将其从停用状态切换至启动状态。在工作中，控制至内燃发动机(310)的起动扭矩的施加，以基本上与变速箱(500)中的换挡同时进行。
文档编号B60W10/10GK101400535SQ200780008427
公开日2009年4月1日 申请日期2007年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者拉尔斯·卡尔汗玛尔, 斯莞特·卡尔森, 赫勒内·帕纳格波罗斯 申请人:沃尔沃技术公司