用于双电机双离合混合动力车的动力系统配置及双电机双离合混合动力车的制作方法
【专利摘要】本申请公开了用于双电机双离合混合动力车的动力系统配置及双电机双离合混合动力车。该动力系统配置包括：原动机；电机-发电机，所述电机-发电机通过第一离合器机械连接至所述原动机；电机，所述电机通过第二离合器机械连接至所述电机-发电机；电池，所述电池电连接至所述电机-发电机和所述电机，所述电池能够为所述电机-发电机和所述电机提供电能；以及控制器，所述控制器能够为所述原动机、所述第一离合器、所述电机-发电机、所述第二离合器和所述电机提供控制信号以使所述控制器能够动态地实现多种工作模式；其中进一步地所述多种工作模式包括一种分组中的一种，所述分组包括：全电动模式、串联模式、串联-并联模式和并联模式。
【专利说明】用于双电机双离合混合动力车的动力系统配置及双电机双 离合混合动力车
【技术领域】
[0001] 本申请涉及混合动力车，尤其涉及用于双电机双离合混合动力车的动力系统配置 及双电机双离合混合动力车。
【背景技术】
[0002] 在电动车（EV)、混合动力车（HEV)和插电式混合动力车（PHEV)领域内，已有很多 可行的能够实现多种工作模式的动力系统（或动力总成）。例如，仅在JEV领域内，HEV动 力系统可以被构造用于实现串联、并联、串并联的工作模式。另外，这些模式中有一些可以 被构造为根据不同的策略例如电量保持、电量消耗等来工作。
[0003] 这些不同的模式和策略提供了一些优点例如行驶里程扩展、燃料效率、内燃机 (ICE)在其理想工作曲线（IOL)上运行。希望具有一种在可能有的不同行驶状态期间以及 在可能采用的不同策略下能够根据期望的驱动特性量度譬如燃料效率、行驶里程扩展、高 效的电池使用等实现上述多种模式的单一动力系统。
[0004] 另外，还希望具有一种混合动力的动力系统配置，其具有跟常规客车和轻型到重 型载重卡车配置所用基本相同的形状因素 （form factor)。在此情况下，可以通过替换而无 需代价高昂地改造生产线来降低制造高级混合动力车的成本。 实用新型内容
[0005] 以下给出本实用新型的简要概述，目的是为了提供对本文所述某些方面的基本理 解。本概述并非对要求保护的主题内容的详尽综述。本概述既不是意在明确要求保护的主 题内容的关键或决定性要素，也不是意在限定本主题实用新型的保护范围。本概述的唯一 目的是以简化的形式给出要求保护的主题内容中的一些概念以作为随后给出的更详细说 明的序言。
[0006] 本申请的某些实施例提供了用于双电机双离合混合动力车（HEV)和插电式混合 动力车（PHEV)的动力系统配置。在一个实施例中，一种动力系统包括：原动机；电机-发 电机，所述电机-发电机通过第一离合器机械连接至所述原动机；电机，所述电机通过第二 离合器机械连接至所述电机-发电机；电池，所述电池电连接至所述电机-发电机和所述电 机，所述电池能够为所述电机-发电机和所述电机提供电能；以及控制器，所述控制器能够 为所述原动机、所述第一离合器、所述电机-发电机、所述第二离合器和所述电机提供控制 信号以使所述控制器能够动态地实现多种工作模式；其中进一步地所述多种工作模式包括 一种分组中的一种,所述分组包括：全电动模式、高扭矩电动模式、串联模式、高再生模式、 串联-并联模式和并联模式。
[0007] 在另一个实施例中，所述HEV车辆是一种分组中的一种，所述分组包括：混合动力 车和插电式混合动力车。
[0008] 在另一个实施例中，所述HEV车辆是一种分组中的一种，所述分组包括：后轮驱动 式动力系统、如轮驱动式动力系统和全轮驱动式动力系统。
[0009] 在另一个实施例中，所述HEV车辆进一步包括壁式充电器。
[0010] 在另一个实施例中，所述HEV车辆进一步包括电池管理系统。
[0011] 在另一个实施例中，所述动力系统进一步包括壳体，所述壳体机械连接至所述 车辆并且进一步其中所述壳体大小设置为用于容纳所述动力系统的至少一个或多个组件， 所述组件包括一种分组中的一个，所述分组包括：所述原动机、所述第一离合器、所述电 机-发电机、所述第二离合器和所述电机。这样的壳体可以为这些动力系统的组件提供环 境保护、震动保护、电磁干扰保护。
[0012] 在另一个实施例中，所述壳体进一步包括冷却管，所述冷却管能够引导冷却流体 流过一个或多个所述组件。
[0013] 在另一个实施例中，所述壳体进一步包括能够提供电磁兼容性的材料。
[0014] 在另一个实施例中，所述材料包括一种分组中的一种，所述分组包括：铝、铜、镍和 铬。
[0015] 在另一个实施例中，所述车辆包括大体在6000-10, 000磅±1000磅范围内的车辆 总重，所述原动机是大体为2. 7L排量的发动机，所述电机包括大体为至少SOkW的峰值功 率和大体为至少900Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括大体为至少50kW的峰值功率和 大体为至少300Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在5-21kWh+/-10kWh范围内的容量。
[0016] 在另一个实施例中，所述车辆包括大体在14, 000-26, 000磅± 1000磅范围内的车 辆总重，所述原动机是大体为4. 5L排量的发动机，所述电机包括大体为至少IlOkW的峰值 功率和大体为至少1，400Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括大体为至少50kW的峰值功 率和大体为至少600Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在5-27kWh+/-10kWh范围内的 容量。
[0017] 在另一个实施例中，所述车辆包括大体在10, 000-14, 000磅± 1000磅范围内的车 辆总重，所述原动机是大体为2. 7L排量的发动机，所述电机包括大体为至少90kW的峰值功 率和大体为至少1200Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括大体为至少50kW的峰值功率 和大体为至少400Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在5-24kWh+/-10kWh范围内的容 量。
[0018] 在另一个实施例中，所述车辆包括小于6000磅±1000磅的车辆总重，所述原动 机是大体为2. OL排量的发动机，所述电机包括大体为至少50kW的峰值功率和大体为至 少500Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括大体为至少50kW的峰值功率和大体为至少 200Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在5-16kWh+/-10kWh范围内的容量。
[0019] 在另一个实施例中，所述车辆包括小于4000磅±1000磅的车辆总重，所述原动机 是大体在0. 5L-2. OL排量范围内的发动机，所述电机包括大体为至少75kW的峰值功率和大 体为至少300Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括大体为至少35kW的峰值功率和大体为 至少200Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在3-16kWh+/-10kWh范围内的容量。
[0020] 在另一个实施例中，所述壳体大小被设置为取代设计用于所需车辆的常规动力系 统的空间。
[0021] 本申请的某些实施例还提供了双电机双离合混合动力车，其包括：车架；内燃机 引擎，其附接至车架；动力系统，该动力系统包括：第一离合器，所述第一离合器附接至内 燃机引擎；第一电机，所述第一电机附接至第一离合器；第二离合器，所述第二离合器附接 至第一电机；第二电机，所述第二电机附接至第二离合器；以及壳体，所述壳体附接至所 述车架并且所述壳体的尺寸适合于容纳所述动力系统。
[0022] 在结合本申请内提供的附图阅读时呈现在以下的【具体实施方式】中的本系统的其 他特征和方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 相关附图示出了示范性的实施例。应该理解本文公开的实施例和附图应被视为说 明性而非限制性的。
[0024] 图1示出了根据本申请的原理实现的插电式混合动力车的一个可行实施例。
[0025] 图2示出了根据本申请的原理实现的插电式混合动力车中动力系统架构的一个 可行实施例。
[0026] 图3A和图3B分别给出了常规动力系统和根据本申请的原理实现的动力系统配置 的并排比较。
[0027] 图4A至4D示出了根据本申请的原理实现的动力系统配置的各种实施例。
[0028] 图5示出了根据本申请的原理实现的一种可行动力系统的截面图。
[0029] 图6示出了根据本申请的原理实现的动力系统及其相关冷却回路的一个实施例。
[0030] 图7示出了用于前轮驱动型车辆的常规动力系统。
[0031] 图8和图9示出了根据本申请的原理实现的前轮驱动型动力系统的实施例。
【具体实施方式】
[0032] 如本文中所用的术语"控制器"、"系统"、"接口"等意在表示跟计算机相关的实体， 硬件、（譬如运行中的）软件和/或固件。例如，控制器可以是在处理器上运行的进程、处 理器、对象、可执行对象、程序和/或计算机。作为举例，服务器上运行的应用程序和服务器 都可以成为控制器。一个或多个控制器可以驻留在进程内并且控制器可以集中于一台计算 机上和/或分布在两台或多台计算机之间。
[0033] 参照附图介绍要求保护的主题内容，其中相同的参考数字始终被用于表示相同的 元素。在以下的说明内容中，为了便于解释，阐述了很多具体的细节以提供对本主题实用 新型的全面理解。然而应该显而易见的是要求保护的主题内容无需这些具体细节也能实 现。在其他的情况下，为了便于介绍本主题实用新型而以框图的形式示出了公知的结构和 设备。
[0034] 前言
[0035] 在一个实施例中，本文提供的动力系统配置包括多种组件，其中可以进一步包括 混合动力车OlEV)和插电式混合动力车（PHEV)等的实体动力系统。例如，在很多实施例中 可以包括汽油发动机、燃料电池或者靠某种形式的燃料（例如气体或液体等）运行的某种 原动机（PM)。另外还可以有一台或多台电机（EM或M)以通过电池、电容、超级电容等内存 储的电能提供驱动功率。
[0036] 例如，图1是多种车辆和/或动力系统可行实施例中的一种车辆和/或动力系统 可行平台（1〇〇)的一个可行实施例。如图1所示，车辆1〇〇包括双离合的ffiV/PHEV，其具 有用作全电动车、混合动力车或插电式混合动力车的能力。发动机（或任意合适的PM) 102 被放置在装有两台电机106和110的公共驱动轴112上。离合器104位于发动机102和电 机106之间且离合器108位于电机106和电机110之间。正如以下要进一步详细介绍的那 样，离合器104和108可以为了实现车辆100不同的工作模式而被致动。
[0037] 电池114利用电量给电机106和110供电。电池114可以通过车载充电（例如利 用发动机102和电机106)、再生制动（例如单独地或者跟电机106相结合地利用电机110) 或者通过可选的壁式充电器116获取电力。壁式充电器116可以从壁式插座获取电能并且 充电器116可以根据用于电网配电的地方标准进行设计。
[0038] 驱动轴112向主减速器（final drive) 120输送以及从主减速器120输出机械动力， 主减速器120随后将这些动力输送至在本实施例中是后轮的车轮122A和122B。主减速器 120可以包括可选地跟例如来自手动变速箱、自动变速箱、机械或电子式无级变速箱（CVT) 或者在丰田普锐斯车内使用的动力分配装置（PSD)的附加传动装置相结合的差速器。另 夕卜，应该意识到前轮驱动或全轮驱动的实施例也是可行的实施例并且也在本申请的保护 范围内。其他可行的实施例可以包括：（1)前置发动机/双电机的前轮驱动配置；（2)前置 发动机/单电机或双电机/可变变速箱（variable transmission)(例如CVT、自动变速箱、 手动变速箱、电子变速箱、行星齿轮变速箱等）的配置；以及（3)前置发动机/单电机变速 箱和后置电机变速箱的配置。
[0039] 在一个实施例中，电机110可以具有比电机106更高的额定功率。两台电机的额 定功率和/或扭矩可以针对车辆的应用进行调节；但是在一个实施例中，电机106可以是 电机110的功率和扭矩的1/2 (或某种其他的比例）并且PM 102可以大致为电机106的功 率。在另一个实施例中，其中全电动模式可以具有比ICE运行时更高的性能，那么ICE和电 机106就可以比电机110小得多。这样的车辆可以在特定的情况下使用，在该情况下，要用 有限的充电设施为全电动运行提供电能。
[0040] 在另一个实施例中，电机106和110都可以为了降低成本/重量而缩小尺寸。在 这样的实施例中，可能需要通过更加频繁地闭合离合器104来操作两个电机106和110,以 使得在车辆发动时有足够的扭矩可用和/或达到所需的等级（例如30%的等级）。这样的 电机尺寸可以具体地根据预想的车辆尺寸、重量和/或预期功能（例如客运车辆、轻型载重 卡车、货运车辆等）进行设计。
[0041] 图2示出了根据图1的原理和/或设计得到的用于车辆和/或动力系统的一种可 行控制系统200的一个实施例。控制器202可以包括硬件、固件和/或软件的适当组合，用 于输入多种系统信号和输出多种控制信号以实现车辆1〇〇的期望操作。信号可以通过本领 域已知的CAN总线架构从传感器和/或致动器输入控制器202内。输入控制器202的可能 的信号输入可以包括：车辆速度、驱动轴转度、曲轴转速、电池的充电状态（SOC)、驾驶员通 过加速踏板和制动踏板的致动下达的要求、离合器滑移状态等。
[0042] 用于控制器202的其他信号还可以包括以下内容：
[0043] (1)外部充电器信息，也就是1级、2级以及其他特征例如充电时间、电网到车辆、 车辆到电网、充电历史等。
[0044] (2)电池管理系统信息，例如充电状态（SOC)、电池组和个体电池的温度、健康状 态（SOH)、SOC和温度历史、瞬时功率容量等。
[0045] (3)发动机控制器数据，例如S0H、燃料的使用、速度、节气门、温度等。
[0046] (4)离合器1的数据，例如打开/闭合、发动机启动/串联运行、温度等。
[0047] (5)电机I(Ml)的数据，例如电动或发电、开/关、转速、扭矩、温度等。
[0048] (6)离合器2的数据，例如打开/闭合、M1+M2电机、发动机+M1+M2并联、发动机 +Ml跟M2串联运行温度等。
[0049] (7)用M2电机驱动包括的数据，例如单电机驱动、双电机驱动、串联运行、并联运 行温度等。
[0050] 其他的系统信号和/或控制信号可以通过各种接口和/或子系统控制器例如发动 机控制器l〇2a、离合致动器104a和108a、电机控制器106a和IlOa以及电池管理系统119a 连接至控制器202。应该意识到控制器202可以从其他的传感器和/或致动器输入其他的 信号并发送控制信号。
[0051] 动力系统配置的实施例
[0052] 如图1和图2所示，HEV/PHEV内的双电机双离合配置可以提供用于这种高级车辆 的期望驱动和高效运行。期望的是图1所示的动力系统具有跟常规动力系统基本相同的形 状因素。那样的话，如果用于从常规车辆转换为生产高级ffiV/PHEV车的改变量最小，那么 此类车辆生产商就能够实现成本的节约。
[0053] 图3A和图3B分别示出了常规动力系统和根据本申请的原理实现的高级动力系统 的并排比较。图3A示出的常规动力系统300包括发动机302以及常规的自动（或者例如 手动/CVT/电子等其他类型的）变速箱304。驱动轴306出现在变速箱304尾部并且进一 步向后延伸以驱动后轮。
[0054] 仅仅是为了进行说明，这种常规动力系统的长度尺寸可以在60英寸左右。该尺寸 是多种不同类型车辆的典型值。正如可以看到的那样，自动变速箱具有大约跟发动机302 相同的横截面积。通常，从发动机跟变速箱相接的位置看，变速箱展示了延伸到具有中间截 面的中部310的微小渐缩段308。
[0055] 图3B示出了根据本申请的原理实现的动力系统配置。动力系统350可以包括发 动机302,发动机302用于动力系统350时可以与用于动力系统300时尺寸不同。在一个实 施例中，用于ffiV/PHEV的发动机可以在功率以及尺寸方面缩小规模，原因是例如若将动力 系统350放在跟动力系统300同样的车体内作为替代，那么电机跟发动机一起提供足够的 峰值功率和/或扭矩。
[0056] 正如在图3B中可以看到的那样，高级HEV/PHEV动力系统350在动力系统配置中 取代了（例如自动或手动的）常规变速箱300。如果高级动力系统350被设计用于取代针 对特定车辆和/或卡车设计的常规动力系统300,那么期望的是将动力系统350设计为恰好 装配也就是装在车辆的底盘上，其中可以在动力系统300上找到的所有适用的装配件用于 将动力系统350充分地固定就位。
[0057] 以下是根据车辆类型明确的特定动力系统的实施例：
[0058]
【权利要求】
1?用于双电机双离合混合动力车的动力系统配置，其中所述动力系统包括： 原动机； 电机-发电机，所述电机-发电机通过第一离合器机械连接至所述原动机； 电机，所述电机通过第二离合器机械连接至所述电机-发电机； 电池，所述电池电连接至所述电机-发电机和所述电机，所述电池能够为所述电机-发 电机和所述电机提供电能；以及 控制器，所述控制器能够为所述原动机、所述第一离合器、所述电机-发电机、所述第 二离合器和所述电机提供控制信号以使所述控制器能够动态地实现多种工作模式； 其中进一步地，所述多种工作模式包括一种分组中的一种，所述分组包括：全电动模 式、高扭矩电动模式、串联模式、高再生模式、串联-并联模式和并联模式。
2. 如权利要求1所述的动力系统配置，其中所述混合动力车是一种分组中的一种，所 述分组包括：混合动力车和插电式混合动力车。
3. 如权利要求2所述的动力系统配置，其中所述混合动力车是一种分组中的一种，所 述分组包括：后轮驱动式动力系统、如轮驱动式动力系统和全轮驱动式动力系统。
4. 如权利要求2所述的动力系统配置，其中所述混合动力车进一步包括壁式充电器。
5. 如权利要求4所述的动力系统配置，其中所述混合动力车进一步包括电池管理系 统。
6. 如权利要求2所述的动力系统配置，其中所述动力系统进一步包括壳体，所述壳体 机械连接至所述混合动力车并且进一步其中所述壳体大小设置为用于容纳所述动力系统 的至少一个或多个组件，所述组件包括一种分组中的一个，所述分组包括：所述原动机、所 述第一离合器、所述电机-发电机、所述第二离合器和所述电机。
7. 如权利要求6所述的动力系统配置，其中所述壳体进一步包括冷却管，所述冷却管 能够引导冷却流体流过一个或多个所述组件。
8. 如权利要求6所述的动力系统配置，其中所述壳体进一步包括能够提供电磁兼容性 的材料。
9. 如权利要求8所述的动力系统配置，其中所述材料包括一种分组中的一种，所述分 组包括：铝、铜、镍和铬。
10. 如权利要求1所述的动力系统配置，其中所述混合动力车包括大体在6000-10, 000 镑±1000镑范围内的车辆总重，所述原动机是大体为2. 7L排量的发动机，所述电机包括 大体为至少80kW的峰值功率和大体为至少900Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括大 体为至少50kW的峰值功率和大体为至少300Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在 5-21kWh+/-10kWh范围内的容量。
11. 如权利要求1所述的动力系统配置，其中所述混合动力车包括大体在 14, 000-26, 000镑± 1000镑范围内的车辆总重，所述原动机是大体为4. 5L排量的发动机， 所述电机包括大体为至少110kW的峰值功率和大体为至少l,400Nm的峰值扭矩，所述电 机-发电机包括大体为至少50kW的峰值功率和大体为至少600Nm的峰值扭矩，并且所述电 池包括大体在5-27kWh+/-10kWh范围内的容量。
12. 如权利要求1所述的动力系统配置，其中所述混合动力车包括大体在 10, 000-14, 000磅± 1000磅范围内的车辆总重，所述原动机是大体为2. 7L排量的发动 机，所述电机包括大体为至少90kW的峰值功率和大体为至少1200Nm的峰值扭矩，所述电 机-发电机包括大体为至少50kW的峰值功率和大体为至少400Nm的峰值扭矩，并且所述电 池包括大体在5-24kWh+/-10kWh范围内的容量。
13.如权利要求1所述的动力系统配置，其中所述混合动力车包括小于6000磅± 1000 镑的车辆总重，所述原动机是大体为2. 0L排量的发动机，所述电机包括大体为至少50kW的 峰值功率和大体为至少500Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括大体为至少50kW的峰值 功率和大体为至少200Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在5-16kWh+/-10kWh范围内 的容量。 14?如权利要求1所述的动力系统配置，其中所述混合动力车包括小于4000磅 ±1000镑的车辆总重,所述原动机是大体在0. 5L-2. 0L排量范围内的发动机，所述电机包 括大体为至少75kW的峰值功率和大体为至少300Nm的峰值扭矩，所述电机-发电机包括 大体为至少35kW的峰值功率和大体为至少200Nm的峰值扭矩，并且所述电池包括大体在 3-16kWh+/-10kWh范围内的容量。
15.如权利要求6所述的动力系统配置，其中所述壳体大小被设置为取代设计用于所 需车辆的常规动力系统的空间。 16?双电机双离合混合动力车，包括： 车架； 内燃机引擎，其附接至车架； 动力系统，包括： 第一离合器，所述第一离合器附接至内燃机引擎； 第一电机，所述第一电机附接至第一离合器； 第二离合器，所述第二离合器附接至第一电机； 第二电机，所述第二电机附接至第二离合器；以及 壳体，所述壳体附接至所述车架并且所述壳体的尺寸适合于容纳所述动力系统。
【文档编号】B60K6/26GK204136757SQ201420058406
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年2月7日 优先权日:2013年2月8日
【发明者】安德鲁·弗兰克, 约尔格·费尔绍, 莱昂哈德·法勒丁, 胡里奥·拉佐, 克利希纳·库马尔, 安东尼·塞拉 申请人:高效动力传动系统公司