用于双电机双离合混合动力车的四轮驱动型动力系统配置的制作方法
【专利摘要】本文公开了用于双电机双离合混合动力车的四轮驱动型动力系统配置配置。一种用于混合动力（HEV）车辆的四轮动力系统，所述动力系统包括：第一驱动轴，所述第一驱动轴机械连接至第一车轴；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并且通过第二离合器机械连接至所述第一驱动轴；电机，所述电机机械连接至第二车轴；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。
【专利说明】用于双电机双离合混合动力车的四轮驱动型动力系统配置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是以下美国专利申请的部分继续(CIP)申请并要求其权益:(1)2013年2月8日提交的申请号为13/762，731且实用新型名称为“用于实施混合动力车所用的动态工作模式和控制策略的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR IMPLEMENTING DYNAMICOPERATING MODES AND CONTROL POLICIES FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLES)” 的美国专利申请；(2) 2013年2月8日提交的申请号为13/762，860且实用新型名称为“用于双电机双离合混合动力车的动力系统配置(POWERTRAIN CONFI⑶RAT1NS FOR TWO-MOTOR, TWO-CLUTCHHYBRID ELECTRIC VEHICLES)”的美国专利申请，因此通过引用将上述专利申请并入。
【技术领域】
[0003]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四轮驱动型动力系统配置。
【背景技术】
[0004]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HEV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。
[0005]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(1L)上运行。希望拥有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行驶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。
[0006]另外，还希望拥有具有一种混合动力的动力系统结构配置，其具有跟常规客车和轻型到重型载重卡车结构配置所用基本相同的形状因子形状因素(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
[0007]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。
[0008]本申请的某些实施例提供了用于混合动力车(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，一种用于混合动力(HEV)车辆的四轮动力系统,所述动力系统包括:第一驱动轴，所述第一驱动轴机械连接至第一车轴；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并且通过第二离合器机械连接至所述第一驱动轴；电机，所述电机机械连接至第二车轴；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。
[0009]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。
[0010]在另一个实施例中，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、常规驱动模式和并联模式。
[0011 ] 在另一个实施例中，所述HEV车辆进一步包括外部充电器。
[0012]在另一个实施例中，所述HEV车辆进一步包括电池管理系统。
[0013]在所有这些实施例中，两台电机被用于取代连接至标准内燃机(ICE)的机械变速箱供放大扭矩使用。通过本实施例，无需传动装置即可为车辆提供相同的扭矩，因此主电机即牵引电机是高扭矩低角速度(corner speed)电机，并且第二电机即电机/发电机是具有较小的最大扭矩的高角速度(corner speed)电机。应该意识到两台电机在任一时刻都可以被电控用作电机或发电机。用这种方式，双电机混合动力系统仅用电机和电池就能提供齿轮传动变速箱在低车速下的高扭矩并且提供常规内燃机和齿轮传动变速箱系统在高转速下的高功率和较低的扭矩。这些混合动力车内的IC发动机排量相应地能够被最小化以获得最佳的燃料经济性。
[0014]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HEV车辆并且进一步地其中所述壳体的尺寸被设计为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种，所述分组包括:所述原动机、所述第一离合器、所述电机-发电机和所述第二离合器。这样的壳体可以为自身或动力系统内的其他组件提供结构支撑以及为这些动力系统组件提供环境保护、震动保护、电磁干扰保护。
[0015]在另一个实施例中，所述电机通过所述隔板机械配装至所述壳体。
[0016]在另一个实施例中，所述电机机械连接至第二驱动轴，所述第二驱动轴机械连接至所述第二车轴。
[0017]在另一个实施例中，所述HEV车辆包括多轴车辆，所述多轴车辆包括3根或更多根车轴。
[0018]在另一个实施例中，所述第二驱动轴机械连接至差速器，所述差速器机械连接至所述第二车轴。
[0019]在另一个实施例中，所述电机包括:
[0020]第一电机，所述第一电机机械连接至所述第二车轴上的第一车轮；以及
[0021]第二电机，所述第二电机机械连接至所述第二车轴上的第二车轮。
[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。
[0032]图10和图11示出了根据本申请的原理实现的四轮驱动型动力系统的实施例。
[0033]图12示出了根据本申请的原理实现的多轴多轮动力系统的一个实施例。
【具体实施方式】
[0034]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构成控制器。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。
[0035]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。
[0036]前言
[0037]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(HEV)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。
[0038]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(100)的一个可行实施例。如图1所示，车辆100包括双离合的HEV/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。
[0039]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)或者通过可选的外部充电器116获取电力。外部充电器116可以从外部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。
[0040]驱动轴112向主减速器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。另外，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:(I)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 transmiss1n)(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。
[0041]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PM102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。
[0042]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。
[0043]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100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、驱动轴转速、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。
[0044]用于控制器202的其他信号还可以包括以下内容:
[0045](I)外部充电器信息，也就是I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。
[0046](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。
[0047](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。
[0048](4)离合器I的数据，例如打开/闭合、发动机启动/串联运行、温度等。
[0049](5)电机I(Ml)的数据，例如电动或发电、开/关、转速、扭矩、温度等。
[0050](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。
[0051](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。
[0052]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102a、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。
[0053]动力系统配置的实施例
[0054]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切换为生产高级HEV/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。
[0055]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。
[0056]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。
[0057]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HEV/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。
[0058]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。
[0059]以下是根据车辆类型明确的特定动力系统的实施例:
[0060] 车辆类型/(GVW) 发$机fj，~ 牵引电机(W)电机/发电机(kW)
功率，扭矩(kWh)
148L>900Nm 的峰值 >600Nm 的峰值
里巩卜干_ ，>100kW的峰植>75kW的峰植
(14，000-26, 000376kwQ1800rpm,^^ ；^12-200
Τ.Λη,ηΑ.τ Μ1, ηη取大转速取大转速碌)>300Qrpm>3_rpm__
中刑裁章卡本9 3L>650馳的峰值 >300Nm的峰值
(10, 000-14^ 000 294kwS)2000rpin, ^2-150
r^\λπ ca\i mi 1 ηη 最大转速取大转速
石旁)1750Nmm400rpra
>3000rpm>3000rpm
-4^-* \ r>550Nm 的峰值>200Nni 的峰值
轻型载重卡车小于6.7L,,, ,* ,*.w ,,
(rnnn in nnn0Qm 奶Qnn>75kW 的峰值>5OkW 的峰值,ιηη
(6000-10, 000290kwQ2800rpin.2-100
必、11cnw ni,nn最大转速最大转速硬)HSQNmm6OOrpm>3議寧>3000rpm__
轻型载重卡车/小于6 2L>300Nm的峰值>150Nm的峰值
拉土取里丁午/ 』丁 0.儿，>5OkW>25kV
轿车(4000-6000 350kwa4200rpm, ?7；+ ；^1JT1/2 至 100
?,.ΠΑΑ取大转速取大转速
石旁)640NmS6000rpm 、
>4000rpm>4000rpm
I ητ ι,ν $ Q.^ >200Nm的峰值 >150Nm的峰值
超轻载重车辆 Iztl ，>50kw的峰值 >25kW的峰值^
f I λ ηηη χ?^\ 柴油或天然 O， Θ ,-丄从41/2 至 100
(小于4議磅)5。_。。。_或t转速速
更低—4000rpm>4000rpm
[0061]如上所述，高级动力系统350可以包括多个组件例如电机、离合器、致动器、无级变速箱(CVT)、行星齿轮变速箱等。具体地，图4A至4D分别公开了四种特定的高级动力系统400，450，460和470。这四个实施例中的共同组件包括发动机402、离合器I (414)、电机Ml (416)、离合器2 (418)、电机M2 (412)和驱动轴406。应该意识到任一离合器I (414)和/或离合器2 (418)可以是现代自动变速箱中常见的装有锁止离合器的扭矩转换器。
[0062]正如在共同拥有的申请号为13/762，731、实用新型名称为“用于实施混合动力车所用的动态工作模式和控制策略的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR IMPLEMENTINGDYNAMIC OPERATING MODES AND CONTROL POLICIES FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLES)”的专利申请中可以看到和进一步讨论的那样，这些组件机械配合并且可以通过一组稳健(robust)工作模式进行控制。这些稳健工作模式(例如全电动模式、并联混合动力模式、串联混合动力模式以及其间的过渡)使车辆具有充足的动力、行程、加速度、燃料经济性，由此提供充分的顾客满意度，例如匹配或超过常规的动力传动系统统性能。
[0063]例如，这些驱动模式包括:电动驱动、并联混合动力驱动和串联混合动力驱动以及可以通过一台或多台电机、发电机和离合系统的组合实现的任意模式组合，所述一台或多台电机、发电机和离合系统的组合能够通过借助软件控制施加电力以及打开和闭合离合器(可以由致动器415或其他机构完成)以作为EV、并联混合动力或串联混合动力或其组合运行，所述软件控制是在中央动力传动系统监督控制器的控制下或者在变速箱控制器的控制下提供的。
[0064]两台电机都能够在任意给定的时刻例如根据行驶周期、车辆状态和驾驶员的动力/扭矩要求而用作牵引电机(也就是高扭矩电动模式)或者可选地用作发电机(也就是高再生模式)。它们可以组合操作为牵引电机或者一台或多台可以被用作用于典型充电需求的单发电机或用于快速充电需求的多发电机。离合器可以由软件控制以使系统能够有驾驶员参与或者无驾驶员参与地在EV、并联、串联或全充电模式之间自动切换。离合器可以是干式或湿式离合器并且可以用机电、液压、机械和/或手动方式致动。
[0065]控制系统可以包括用于电机和发电机转速匹配的算法和方法，目的是为了最大化离合器和离合器材料的寿命并且通过减小扭矩瞬变或返回给车辆和/或驾驶员的其他触觉事件来提升最佳的驾驶体验。控制系统还可以包括用于控制电机和发电机转速以及在接合离合器系统之前将这些转速接近地匹配的算法。转速同步可以通过软件指令或者通过使用内部转速检测和/或控制部件来实现。所述系统还可以通过自动离合同步来手动控制。
[0066]除了拥有共同组件以外，四个动力系统的实施例试图以跟常规动力系统基本相同的尺寸装到车辆平台上。另外，可能还期望高级动力系统具有基本类似的几何形状。因此，高级动力系统可以被设计为具有跟常规内燃机和变速箱的组合相同的总体尺寸和形状。这样就会有助于以现有的车辆设计生产高级动力系统而无需对这些车辆做出重大修改。因此，这些高级动力系统就会节约推向市场的时间，降低研发成本并且可以允许将现有的常规车辆改装或重配动力以使其拥有EV、并联HEV和串联HEV的功能。
[0067]现有多种可行的几何形状可供使用。例如，在图4A的实施例中，可能期望壳体包括渐缩段和/或钟形壳408、中间部分410以及末端部分413。该壳体可以覆盖离合器1、Ml、离合器2并且如果需要还可以覆盖M2。中间部分410也可以易于释放Ml罩壳上的应变。图4B示出的壳体没有渐缩段但是在壳体的外表面上装有致动器415 (例如单独安装或集成至壳体)。在图4C中可以有通用的渐缩段/钟形壳408a，408b。可选地，也可以例如图4D所示没有渐缩段并且所有组件都装在一个或多个区段内。
[0068]一个实施例
[0069]图5示出了根据本申请的原理实现的高级动力系统500的一个可行实施例的截面图。动力系统500包括各种组件例如EM1、EM2、离合器1、离合器2。从左向右开始看，转接轴532可以从壳体520伸出并且被用于将动力系统500配装至发动机(图5中未示出)。离合器I可以包括飞轮530、离合器片/压力板528、分离轴承534、分离轴承座536。转接轴532被机械配装至EMl (504)内的贯通轴538。在一个实施例中，EMl可以通过本领域已知的任何手段(例如螺栓、焊接等)配装至壳体526。EMl可以通过三相端口(502)电配装至动力系统。为了进行冷却，冷却流体也可以流过端口 502。
[0070]EMl的贯通轴538可以通过离合器2机械配装至转接轴506。离合器2自身可以包括飞轮524、离合器片/压力板522、分离轴承508和分离轴承座510。在本实施例中，离合器2也被容纳在壳体520中。离合器2的轴506和离合器I的轴532均可具有分别安装在飞轮524和530内的密封长效“导向”轴承。这些轴承可以被用于对正并且不必承载径向负荷。EM2如图5所示可以通过本领域已知的任何手段机械配装至壳体520。EM2(512)可以包括贯通轴518并且可以通过三相端口 514电配装至动力系统。来自动力系统500的动力可以通过接至驱动轴(未示出)的转接法兰516进一步送往后方。
[0071]各种壳体实施例
[0072]在本文公开的很多实施例中设置了各种组件例如EM、离合器、致动器等机械配装至其上的壳体。在一个实施例中，适用的壳体可以包括提供适当的固定、互连、环保、安装和操作功能的管状结构。壳体可以被设计为符合传统的车身类型以使高级动力系统可以装配到现有和/或常规的变速箱通道和/或车架内。
[0073]在很多实施例中，壳体可以提供物理保护和组件加强的结构，设计用于针对道路危险、水情、爆炸(例如用于军事应用)提供保护。壳体还可以用作系统的结构部件，由此最小化电机、发电机、离合器系统上可能由于车辆动力学、车架或车身转弯或掉头等而经受的应力。另外，壳体还可以延长电机、发电机和离合器组件的寿命和耐用性。壳体还可以允许使用更加轻型的组件，通过这些组件的自身设计就可以不必设计为要承受全部的车辆扭转和动力学。
[0074]壳体可能需要允许组件例如离合器组件、飞轮、电机、发电机相对于彼此径向和轴向地对齐以便于组装和长期可靠，并且还可以包括用于内燃机和传动轴或其他动力传输设备的物理安装接口。
[0075]在另一些实施例中，壳体可以通过管状的形状和加强肋(未示出)来进行结构上的加强，目的是为了最小化组装中的挠曲并降低系统重量。另外，壳体可以为软件控制的离合致动器提供合适的接口，所述离合致动器可以是本领域已知的任何装置例如机械式、电子式、气动式或其任意组合。
[0076]在一个实施例中，壳体可以是模块式设计，由此壳体可以不必是整体式设计(也就是容纳动力系统所有或基本上所有的各种组件)。应该可行的是壳体包括不同的部分，其中一部分可以内置或以其他方式容纳动力系统的一个或多个组件(并且可以不用考虑任意组件是否配备其单独的壳体结构)。应该可行的是各个部分覆盖并保护一个或多个这样的动力系统组件。另外，这些部分中的每一个都可以(例如通过螺栓、螺钉、焊接等)机械配装到彼此。可选地，每一个部分都可以机械配装至车辆自身并且各部分被放置使得每一个部分都为动力系统的一个或多个组件提供保护。
[0077]电磁兼容性(EMC)
[0078]动力系统的一个或多个组件可共用的壳体的另一个方面是提供一定程度EMC的能力。电力电子学领域内已知电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)问题潜在地存在于这样的动力系统设计中。
[0079]因此，在本申请的很多实施例内，可能需要将壳体用作可以为电机和发电机以及需要有对地的低阻抗路径的其他电子元件提供高度集成的公共电气接地的结构和为其他组件提供公共接地。为了提供可行的EMC，壳体可以包括使用使电场和磁场辐射衰减的材料。例如，一个实施例可以使用铝，其自身可以覆盖有铜和镍或铬。其他的实施例可以包括另外的分层可能性或材料以提供合适的EMC配置。另外，分接至壳体结构的电子和控制电缆可以包括有效接地的总电缆护套以最小化来自辐射的干扰。
[0080]冷却系统和管理
[0081]图6示出了根据本申请的原理实现的冷却和/或热管理系统的一个实施例。冷却系统可以接合在壳体610中，壳体610包括通过电机I (612)、经过离合器2的冷却剂歧管618并且通过电机2(608)这一路线输入和输出冷却流体的冷却入口 /出口 616。可能的情况是电机I和/或2可以具有由生产商内置的冷却歧管，如果真是这样，那么本实用新型的冷却系统可以力图使用这些现有的歧管。如果不是这样，那么另外的歧管可以为了提供充分的冷却而被构造为跟电机热连通。
[0082]正如可以看到的那样，冷却剂歧管618可以为了从离合器带走热量而被构造为跟离合器2热连通。应该意识到另一条冷却剂歧管也可以类似地被构造用于冷却离合器I。
[0083]在这样的实施例中，可能需要包括冷却通道以为电机-发电机和其他组件一起提供散热从而在系统关闭并且不再泵送冷却流体流过各个组件时减小整个系统内的热梯度并促进更好的冷却。这样的冷却通道和冷却歧管可以包括管路和/或管道(或其他这样的水管装置)以连接至一个或多个散热器(未示出)以消除系统的过剩热。
[0084]在另一些实施例中，可能需要包括冷却通道以确保组件温度对于最优运行来说不会过低。热管理(也就是冷却或加热组件)可以应用于电池、电机、离合器、电子控制器以及任何其他的发热或热敏元件。期望让所有这样的组件都在最高效的温度范围内工作，所述的最高效温度范围可以彼此不同。在这样的情况下，可能需要从需要冷却的组件向需要加热的组件送去热量。
[0085]其他的配置和实施例
[0086]除了先前附图中示出的后轮驱动配置以外，还期望将这种动力系统用于给前轮驱动(FWD)或全轮驱动(AWD)配置提供动力。
[0087]图7示出了常规的动力系统，其包括发动机702、FffD变速箱704以及跟车轮708机械连通的差速器706。为了跟这种常规的动力系统做对比，图8示出了可以适用于FWD应用的动力系统的一个实施例。发动机802可以配装至离合器I (810)、电机I (812)、离合器2(814)和传动装置804。传动装置804可以提供合适的从车辆中后部到前轮的传动。传动装置804可以如图所示通过齿轮818和820实现。传输的动力和/或扭矩可以随后输送至差速器806并由此输送至前轮808。应该意识到齿轮组818，820可以用传动链条和链轮代替。这种替换可以取决于组件的旋转方向。
[0088]图9是FWD配置的又一个实施例。可以看出发动机902被连接至离合器1(910)，离合器1(910)可以连接至贯通轴式电机Ml (912)，其轴可以被连接至链轮和链条组以通向连接至离合器2 (914)的另一个链轮。离合器2 (914)可以安装在电机M2 (916)上，电机M2 (916)的贯通轴被连接至差速器齿轮组906。应该意识到所述的链轮和链条组可以用如图8所示的齿轮代替。另外，离合器2 (914)可以安装在电机Ml而不是电机M2上以提供相同的功能。
[0089]本文中的很多实施例可以将其壳体设计用于物理保护容纳在其中的组件并且壳体还可以是设计用于针对道路危险、水情、爆炸(例如军事或民用的保护应用)提供保护的加强结构。而且，壳体还可以用作系统的结构部件，由此最小化电机、发电机、离合器系统上可能由于车辆动力学、车架或车身转弯或掉头等而经受的应力。采用坚固的壳体，这样的设计就易于延长电机、发电机和离合器组件的寿命和耐用性和/或允许使用更加轻型的组件，通过这些组件的自身设计就可以不必设计为要承受全部的车辆扭转和动力学。另外，壳体可以设计为不透水以用于水陆两栖应用或允许使用成本更低的非环保组件。
[0090]四轮驱动型配置
[0091]常规的四轮驱动型(4WD)车辆系统通常由发动机、(自动或手动)变速箱以及承接变速箱输出轴并将输出加至前轴或后轴的分动箱。这些分动箱由离合器、齿轮或链条以及差速器构成，用于分解扭矩以使前轮和后轮接受相等或略有不同的扭矩。
[0092]之所以使用差速器是因为前轮通常会以跟后轮略有不同的速度转动。这种速度差由施加的扭矩、道路状况以及车辆从前到后的负载分配情况决定。
[0093]因此如果(例如像60年前的4WD军用卡车那样)不用中央差速器齿轮系统，那么前轴和后轴之间的差速就会导致驱动轴扭振(wind up)直至轮胎打滑。这会导致很差的可控性和方向稳定性以及在干燥路面上非常高的动力传输损耗。但是，在越野型路面例如泥地、松土地或冰雪路面上，这可能不是太严重的问题。该问题只能通过让其间没有机械连接的前轴和后轴都装备独立扭矩控制来解决。通过本实用新型很多实施例中的两台电机，应该可行的是提供前轴和后轴的独立扭矩控制并且基本去除前轮和后轮之间的任何机械连接，由此为前轴和后轴提供精度大大提高的扭矩控制并且甚至可以补偿因负载分配而得到的操作特性。
[0094]在一个实施例中，这可以通过如果检测到车轴负载就自动地根据前后负载按比例分配扭矩来完成。
[0095]在图10中示出了包括双电机双离合系统的四轮驱动型(4WD)动力系统的实施例。该4WD系统通过分离两台电机来实现这种配置，一台电机驱动一组车轮(例如前轮)并且另一台电机驱动另一组车轮(例如后轮)。具体地，在图10中，公共驱动轴1016负责发动机1002、离合器I 1022(和相关致动器1004)、电机I 1020、离合器2 1018(和相关致动器1010)。电机I以及离合器I和2如上所述装在壳体1006内。另外，隔板1008和1014可以有助于安装电机2。
[0096]正如本实施例中可以看到的那样，电机2通过驱动轴1024和前轮轴上的差速器驱动前轮，而电机I通过相同的离合机构以及驱动轴1016和后轮轴差速器驱动后轮。在一个实施例中，可能只需要增加在前轮轴上安置差速器的追加成本。在一个实施例中，两台电机的控制在4WD配置中可以跟在2WD配置中相同，原因是电机I和电机2之间的轴杆可以有效地替换为前轴和后轴之间的路面。应该可行的是使用现货供应的这种轴机构。应该意识到驱动轴的长度可以调节以适应任何特定的情况。
[0097]另一个实施例/另一种配置可以包括额外的安装板以保持电机2和用于来自离合元件2的后方万向节的轴承。另一个实施例/另一种配置可以在前轮上使用两台电机，并且动力系统可以相应地变为三电机驱动系统。这种配置可以实现前方方向向量控制，对车轴上的右轮和左轮提供略有不同的扭矩。
[0098]在另一个实施例/另一种配置中，可以通过其他的方式在每一个前轮使用两台电机并且代替前驱动轴和前差速器组件以电控左右扭矩。图11示出了一个这样的实施例。图11中的动力系统可以包括:发动机1102、致动器1104和1110、离合器I和2(1122和1118)、电机I (1120)、壳体1112、隔板1108以及(例如在前轴或后轴连接至差速器的)驱动轴1116。
[0099]正如可以看到的那样，两台附加的电机(M2和M3，分别标记为1128和1126)可以连接至前轴(或可选地连接至后轴)以提供对车轮的驱动。在另一个实施例中，如果车轴机械连接至两个车轮，那么车轴上可以安装单台发动机以提供对车轮的驱动。
[0100]在一种配置中，用于车轮的前轴和后轴减速齿轮比不必相同，原因是电机现在可以彼此独立地运行而不是像2WD系统内的发动机那样连接到同一根轴杆上。如上所述，两台电机之间的连接可以通过路面提供。在一个可选实施例中，4WD配置可以通过增加分动箱来实现。
[0101]另外，用于前轴和后轴组件的比例不同就可以利用跟先前公开的2WD系统中所用相同的电机得到更高的性能，即使是两组电机具有基本相同的动力和扭矩能力也不例外。
[0102]轴和后轴之间的滑移控制可以被精确控制以在绝大多数或所有的道路状况下用这种4WD动力系统保持通过机械式4WD系统目前可能还无法实现的良好的车辆稳定性。这样就可以有助于得到鲁棒性大大提高的稳定且可控的4WD系统。
[0103]在另一个实施例中可以实现一种越野式4WD配置。在该配置中，(具有例如图10和/或图11或其他配置的)动力系统可以包括市场上现有的双速车轴。当车辆在车轴处停止时，这些车轴可以被换至低档或高档。双速车轴可以一起或单独换档而且所述配置可以检测出差异并补偿。这就可以赋予4WD用低速缓行和跨越石块的能力并且能够通过4WD用高速在冰雪路面上巡行。
[0104]在另一些实施例中，可能期望获得一种多轮驱动型动力系统配置。图12是这种配置的一个实施例。如前所述，动力系统可以包括:发动机1202、致动器1204和1210、离合器I和2(1222和1218)、电机I 1220、壳体1212、隔板1208。动力系统的这一部分可以通过第一驱动轴1216机械连接至第一车轴(如图所示通过可选的第一差速器连接)。电机2(1224)可以通过单独的驱动轴和可选的差速器连接至(例如多轴车辆譬如3根或更多根车轴车辆的)另一根车轴。电机2可以如上所述由来自控制器(图12中未示出)的信号控制。
[0105]上介绍的内容包括本主题实用新型的多个示例。为了介绍要求保护的主题内容而描述出组件或方法的每一种可能的组合当然是不可能的，但是本领域技术人员应该意识到本主题实用新型有很多进一步的排列组合都是可行的。因此，应该认定要求保护的主题内容包含所有这些落入所附权利要求实质和保护范围内的可选方案、修改和变形。
[0106]特别地并且通过上述组件、设备、电路、系统等实现的各种功能，除非另有说明，否则用于介绍这些组件的术语(包括对“手段”的引用)应该理解为对应于执行所述组件具体功能(例如功能等同)的任何组件，即使结构上跟公开的结构并不等同，只要执行了要求保护的主题内容的示范性应用在本文中所述的功能即可。就此而言，还应该意识到本实用新型包括一种系统以及具有计算机可执行指令的计算机可读取介质，用于执行要求保护的主题内容中各种方法的动作和/或事件。
[0107]另外，尽管可能已经参照若干种实施方式中的仅仅一种公开了本主题实用新型的特定特征，但是这样的特征也可以针对任何指定或特定的应用根据可能的需要并且有利地跟另一些实施方式中的一种或多种其他的特征相结合。而且，就【具体实施方式】或权利要求中使用的术语“包含”及其变形而言，这些术语应理解为以类似于术语“包括”的方式包含在内。
[0108]目前现有的混和动力动力总成系统(Powertrain)，一般是内含变速箱单元或使用复杂的动力耦合机构，尤其在四轮驱动动的情况下，往往有成本过高或提供运行模式有限或体积大的缺点。
[0109]本发明目的之一是提供一种能用于HEV(混合动力电动车)或PHEV(插入式混合电动车)上的四轮驱动动力总成系统，尤其此动力总成能以简单的结构提供多种的运行模式，借以提高车辆效率与动力性。
[0110]和现有技术相比，本发明的有益技术效果包括:
[0111](I)根据图10-12以及相关描述，本发明提供了一种新型的双电机双离合器动力总成结构，用极简和直接的方式提供四轮驱动的功能与可以实现下列各种运行模式:单电机纯电动模式、双电机纯电动模式、串联模式、并联模式。此种系统结构提供控制系统很大的运用空间来满足经济性和动力性的需求。具体地说，为了达到上述第一个有益技术效果，本发明提供的新型系统是主要将传统变速箱由双电机和双离合器组成的动力总成来取代，具体实施为四轮驱动的方式为将两个电机分离开来，如图10所示，将电机I (1020)驱动后轴，将电机2驱动前轴。电机I使用同轴结构连接在发动机之后，中间用两个离合器作为耦合机构，离合器I安装在发动机和电机I中间，离合器2安装在电机I和后轴差速器的中间。电机I和电机2间的耦合是由前轴和后轴间的路面来实现。使用匹配的控制系统，分别控制发动机、电机、离合器、电池来实现不同的运行模式和模式切换。当离合器I打开和离合器2闭合时，系统可使用双电机四轮驱动纯电动模式来运行。如离合器2打开时，系统可使用单电机纯电动模式来运行。当离合器I闭合和离合器2打开时，系统可使用串联模式将发动机藉由电机I对电池充电。当离合器I和离合器2皆关闭时，系统进入并联模式，发动机、电机1、和电机2皆能用来驱动车辆并可实现四轮驱动的功能。图11和图12展示了如何将本发明的动力系统实现在另外四轮驱动结构的车辆上。
[0112](2)在相同的动力、相同的燃油效率和相同驱动效率情况下，本发明的HEV (混合动力电动车)和PHEV(插入式混合电动车)四轮驱动动的动力总成系统的结构简单、体积小。
[0113](3)本发明有效地去除了变速箱，通过电机的配合和补偿，在没有变速箱条件下，优化了内燃机的动力输出。
[0114]为了实现以上三个有益技术效果，本发明使用了同轴(through-shaft)直驱和路面耦合的原理，来实现四轮驱动的功能，使多个动力单元的动力能机械上和功能上算术上相互叠加、相互分离、或相互抵消地运用，并使用传统离合器并藉由控制系统控制离合器的开合，来实现平滑的运行模式转换。
[0115]本申请的每一个权利要求具有以上一个或多个有益技术效果。
[0116]本发明的设计难度在于要提供一种非传统的在四轮驱动动的车辆动力总成设计，并且提供一种类似使用电动变速箱的设计原则，使得扭矩和功率可以被放大。
[0117]在本发明的构架和结构中，在四轮驱动动的情况下，使得电机I不止只做发电机，也可用来做驱动车辆用，必要时可以使用电机I和电机2同时来做驱动，增加最大爬坡度和加速性。
【权利要求】
1.一种用于混合动力HEV车辆的四轮动力系统,所述动力系统包括: 第一驱动轴，所述第一驱动轴机械连接至第一车轴； 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并且通过第二离合器机械连接至所述第一驱动轴； 电机，所述电机机械连接至第二车轴； 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。
2.如权利要求1所述的动力系统，其中所述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。
3.如权利要求2所述的动力系统，其中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、常规驱动模式和并联模式。
4.如权利要求2所述的动力系统，其中所述HEV车辆进一步包括外部充电器。
5.如权利要求2所述的动力系统，其中所述HEV车辆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，其中所述动力系统进一步包括壳体，所述壳体包括隔板，所述壳体机械连接至所述HEV车辆并且进一步地其中所述壳体的尺寸被设计为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种，所述分组包括:所述原动机、所述第一离合器、所述电机-发电机和所述第二离合器。
7.如权利要求6所述的动力系统，其中所述电机通过所述隔板机械地配装至所述壳体。
8.如权利要求7所述的动力系统，其中所述电机机械连接至第二驱动轴，所述第二驱动轴机械连接至所述第二车轴。
9.如权利要求7所述的动力系统，其中所述HEV车辆包括多轴车辆，所述多轴车辆包括3根或更多根车轴。
10.如权利要求8所述的动力系统，其中所述第二驱动轴机械连接至差速器，所述差速器机械连接至所述第二车轴。
11.如权利要求2所述的动力系统，其中所述电机包括: 第一电机，所述第一电机机械连接至所述第二车轴上的第一车轮；以及 第二电机，所述第二电机机械连接至所述第二车轴上的第二车轮。
【文档编号】B60K6/52GK203995646SQ201420058968
【公开日】2014年12月10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, 林湛乔, 帕特里克·考夫曼, 胡里奥·拉佐 申请人:高效动力传动系统公司