用于混合动力车辆变速器的控制系统和方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及一种车辆混合动力驱动系统。特别地讲，本申请中描述的车辆混合动 力驱动系统可包含至少一个控制系统，其能够协调传输来自发动机和电机的动力。
【背景技术】
[0002] 随着环境污染加剧、石油需求增多和对车辆排放处理设备的要求的提高，混合动 力车辆受到制造商和消费者越来越多的关注。典型地，混合动力车辆采用发动机（ICE)和 电机（EM)提供动力。通过采用电机提供一部分动力，这样的混合动力车辆同仅依靠发动机 的车辆相比，所需的碳基燃料较少。其结果是，混合动力车辆产生的碳排放量减少，且运行 成本较低。然而，目前混合动力车辆中的变速器控制系统通常是在传统变速器控制系统的 基础上进行改造。这种系统不适合于实现混合动力车辆特别需要的各式各样的变速器功 能。特别地讲，这些改造的系统不适合于单离合器和单电机类型的电驱混合动力变速器。
[0003] 除非另加指出，否则技术领域和【背景技术】部分中描述的各种内容并不认为属于所 要保护的技术方案的现有技术，也不因包含于本节中就被认为承认是现有技术。
【发明内容】
[0004] 本申请描述了若干示例性实施方式，它们中的至少一些属于混合动力驱动系统 (HPDS)及其组成，包含，但不限于，变速器控制系统，其能够协调传输来自发动机（ICE)和 电机（EM)的动力。
[0005] 举例而言，变速器控制系统至少包含换档执行模块，用以控制特定齿轮的啮合，和 离合器执行模块，用以控制将发动机耦联到变速器的离合器的离合。在HPDS的操作期间， 发动机和电机二者中的每个都会发生换档。变速器控制系统可实现发动机或电机换档时的 动力缺失最小化。通过一个选择性地控制离合器的离合以及特定齿轮的啮合的换档过程， 与这两个动力源之一（例如发动机）的换档相关的动力缺失可通过采用另一动力源（例如 电机）弥补。这样，同传统变速器的离合器离合换档过程相比，本发明的换档过程更直接、 更稳定，并且因而示例性实施方式的换档质量优于传统变速器。
[0006] 此外，当车辆初始仅由电机供能时，通过另一个选择性地控制离合器的离合以及 特定齿轮的啮合的换档过程，变速器控制系统可启动发动机。在这种情况下，通过启动发动 机，可将车辆从纯电机驱动模式（PMDM)切换到混合驱动模式（HDM)。另外，变速器控制系统 可在车辆处在驻车状态时启动发动机，以将车辆置于电机的电池充电模式。
[0007] 根据一个示例性实施方式，一种HPDS包含变速器。变速器包括多个轴，其中包含 输入轴、电机轴和输出轴。输入轴f禹联于离合器，离合器被构造成选择性地接合发动机以将 输入轴耦联到发动机，发动机被构造成产生发动机扭矩，该扭矩可经离合器传输到输入轴。 电机轴耦联于电机，电机被构造成产生电机扭矩，所述电机扭矩可传输到电机轴。输出轴从 变速器传输输出扭矩。变速器还包含多个齿轮，它们被配置成提供多个传递路线。另外，变 速器包含多个同步器，它们布置在所述多个轴上，可操作以结合第一组选定齿轮，所述第一 组选定齿轮确定第一传递路线，用以从电机轴向输出轴传输电机扭矩，而不从发动机向输 出轴传输任何发动机扭矩。HPDS还包含变速器控制系统，其被构造成引起变速器将来自电 机轴的电机扭矩和来自发动机的发动机扭矩这二者传输到输出轴。变速器控制系统包含换 档执行模块，其被构造成移动所述多个同步器中的至少一个，以导致所述多个同步器结合 第二组选定齿轮而不再结合第一组选定齿轮，第二组选定齿轮被耦联于所述多个轴以确定 第二传递路线，其包含电机扭矩传递路线和发动机扭矩传递路线，第二传递路线将来自电 机轴的电机扭矩和来自发动机的发动机扭矩传输到输出轴以便输出扭矩。变速器控制系统 还包含离合器执行模块，其被构造成控制离合器，其中离合器将来自电机的离合器扭矩传 输到发动机以便启动发动机，并且在发动机被启动之后，离合器根据第二传递路线将发动 机扭矩传输到输入轴。
[0008] 根据另一示例性实施方式，一种用于车辆的HPDS包含变速器。变速器包括多个 轴，其中包含输入轴、电机轴和输出轴。输入轴稱联于离合器，离合器被构造成选择性地接 合发动机以将输入轴耦联到发动机，发动机被构造成产生发动机扭矩，该扭矩可经离合器 传输到输入轴。电机轴稱联于电机，电机被构造成产生电机扭矩，所述电机扭矩可传输到电 机轴。输出轴从变速器传输输出扭矩。变速器还包含多个齿轮，它们被配置成提供多个传 递路线。另外，变速器包含多个同步器，它们布置在所述多个轴上，可操作以结合一组选定 齿轮。HPDS还包含变速器控制系统，其被构造成在车辆处在驻车状态时引起变速器启动发 动机。变速器控制系统包含离合器执行模块，其被构造成控制离合器，其中离合器将来自电 机的离合器扭矩传输到发动机以便启动发动机。变速器控制系统还包含换档执行模块，其 被构造成移动所述多个同步器中的至少一个，以导致所述多个同步器结合一组选定齿轮， 所述一组选定齿轮确定传递路线，其允许电机扭矩从电机传输到输入轴以向离合器提供离 合器扭矩。
[0009] 通过阅读下面的详细描述，并且在适当的时候参看附图，本领域技术人员能够清 楚地理解上述以及其它方面和优点。此外，应理解，
【发明内容】
部分以及其它任何部分中描述 的实施方式应尽被理解为示例性的，并且不必然对本发明的范围构成限制。
【附图说明】
[0010] 下面参照附图描述示例性实施方式。
[0011] 图1示出了根据示例性实施方式的混合动力驱动系统（HPDS)的结构。
[0012] 图2示出了根据示例性实施方式用于图1中的HPDS的示例性电机传动装置。
[0013] 图3-9示出了图1中的HPDS在以纯发动机驱动模式（PEDM)操作时的示例性动力 传递路线。
[0014] 图10-13示出了图1中的HPDS在以纯电机驱动模式（PMDM)操作时的示例性动力 传递路线。
[0015] 图14-23示出了图1中的HPDS在以混合驱动模式（HDM)操作时的示例性动力传 递路线。
[0016] 图24a、b示出了图1中的HPDS在以HDM操作时的可行档位组合。
[0017] 图25示出了根据示例性实施方式的示例性换档过程的基于时间的曲线图。
[0018] 图26示出了根据示例性实施方式的在PMDM切换到HDM期间启动发动机（ICE)的 示例性过程的基于时间的曲线图。
[0019] 图27示出了根据示例性实施方式的变速器控制系统的示例性换档执行模块的各 方面。
[0020] 图28示出了根据示例性实施方式的变速器控制系统的示例性离合器执行模块的 各方面。
【具体实施方式】
[0021] I.介绍
[0022] 本说明书描述了若干示例性实施方式。这些示例性实施方式涉及混合动力驱动系 统（HPDS)及其组成。例如，HPDS可被用于车辆，诸如汽车或卡车。然而，示例性实施方式 的各方面也可被应用于其它类型的驱动系统和/或其它类型的车辆。
[0023] HPDS在示例性实施方式中可选择性地以下述模式操作：（i)纯发动机驱动模式 (PEDM)，主要基于来自仅发动机（ICE)的动力；（ii)纯电机驱动模式（PMDM)，主要基于仅来 自电机（EM)的动力；以及（iii)混合驱动模式（HDM)，同时基于发动机和电机二者的动力。 特别地讲，HPDS包含变速器控制系统，其控制来自发动机和电机的动力传输的各个方面。举 例而言，变速器控制系统能够最小化当发动机或电机执行换档时的动力缺失。此外，变速器 控制系统可在车辆处于PMDM时启动发动机，以便切换到HDM。此外，变速器控制系统可在车 辆处在驻车状态时启动发动机，以将车辆置于电机的电池充电模式。
[0024] II.示例性混合动力驱动系统
[0025] 图1是根据多种示例性实施方式的混合动力驱动系统110的示意图。混合动力驱 动系统110包含发动机30,电机50,变速器70,和变速器控制系统120。变速器70传输来 自发动机30和/或电机50的动力以驱动车辆。在示例性实施方式中，变速器70可以是电 控型的。同时，变速器控制系统120包含控制变速器70的不同方面的各种模块。
[0026] 发动机30和电机50可分别输出动力。由发动机30输出的动力或功率（P)可利 用下面的关系式计算：T ieEXWieE，其中TieE等于发动机飞轮处的扭矩，Wke等于飞轮转速。由 电机50输出的动力或功率⑵可利用下面的关系式计算：T emXWem，其中Tem等于电机50中 的转子的扭矩，Wem等于转子转速。
[0027] 变速器70包含输入轴1，输出轴2,中间轴3,电机轴4,和中间轴5 (这里合起来 称作"五个传动轴"）。中间轴5可包含空心部，以使得中间轴5可被输出轴2穿过。中间 轴5可被称作"齿轮组轴"，"中空轴"，或"套轴"。变速器70可包含套轴（即中空轴）10a、 11a、12a、13a和15a。套轴10a、11a、12a和13a由输入轴1支承。套轴5和15a由输出轴 2支承。由发动机30输出的动力可被传递到离合器40和变速器70的轴，并且再被传递至 车轮。由电机50输出的动力可被输出到变速器70的轴，并且又被传递至车轮。由于由变 速器70传递的动力包含扭矩因素，因此传递或传输动力也可被称作传递或传输扭矩，动力 传递路线也可被称作扭矩传递路线。
[0028] 所述五个传动轴中的每个可被安装于，或至少部分地内置于，变速器箱体，位于使 得这些传动轴上的齿轮与这里描述的至少一个其它齿轮啮合的位置。这里描述的每个齿轮 可包括直齿轮，斜齿轮（例如斜齿圆柱齿轮）等等，但并不局限于此。
[0029] 所述五个传动轴中的每个可在空间上被布置成相互平行。变速器箱体可形成或包 含齿轮箱，在其内安置变速器70的齿轮和所述五个传动轴的至少一部分。电机50或其一 部分可布置在变速器箱体内。作为替代方式，电机50可布置在变速器箱体之外。
[0030] 变速器70包含多个主动齿轮，它们驱动至少一个其它齿轮或引起至少一个其它 齿轮或变速器部件旋转。此外，变速器70包含多个被动齿轮。每个被动齿轮可被主动齿轮 或被传动轴驱动。这里描述的主动齿轮中的一或多个在至少一些动力传递路线中可被用作 被动齿轮。
[0031 ]当齿轮未被与轴同步时，被轴可旋转地支承着的齿轮由该轴承载并且可绕该轴旋 转（例如齿轮与轴可相对于彼此转动）。当可旋转地支承着的齿轮通过同步器被与轴同步 时，齿轮不能绕轴转动，而是齿轮与轴可一起转动。
[0032] 在一些情况下，齿轮由轴固定支承着。固定支承着的齿轮和支承着齿轮的轴一起 旋转。在一些情况下，齿轮可滑动地支承于轴上。可滑动地支承着的齿轮可沿着支承着齿 轮的轴在轴向上的两个相反方向上滑动。
[0033] 如显示于图1，输入轴1经离合器40耦联于发动机30。举例而言，离合器40可包 含压盘组件，分离轴承，分离拨叉，和离合器盘，用以接合发动机30的飞轮，但离合器40并 不局限于此。离合器40可具有脱开状态，其中发动机30从离合器40完全脱离，并且因而 与输入轴1解除耦联。离合器40可具有完全接合状态，其中发动机30 (例如飞轮）与离合 器40完全接合（例如经过离合器盘），并且因而完全耦联于输入轴1。在这种完全接合状 态，发动机30和离合器40之间可传输最大可能量的扭矩。然而，离合器40还可具有其它 接合状态，其中发动机30不完全连接着离合器40。举例而言，离合器盘可以以较小的压力 施加于飞轮，从而离合器盘和飞轮之间存在打滑，导致传输较小的扭矩。离合器40和发动 机30之间的接合程度越大，传输的扭矩越高。这样，离合器40可被控制以改变发动机30 和输入轴1之间传递的扭矩量。不论扭矩的来源如何，由离合器40承担并且传输的扭矩可 称作离合器扭矩或离合器传递扭矩。
[0034] 变速器70包含离合器执行系统44,其引起离合器40在接合/脱离等不同状态之 间转换。在一些实施方式中，离合器执行系统44可以是液压系统，其包含用于致动离合器 部件的电磁阀。在其它实施方式中，离合器执行系统44是电动系统，其包含用于离合器部 件的离合器电机。在其它实施方式中，离合器执行系统44可以是电液或其它类型的系统。
[0035] 变速器70还包含布置在输入轴1上的主动齿轮10、同步器7、主动齿轮11、主动齿 轮12、同步器26和主动齿轮13。主动齿轮10、主动齿轮11、主动齿轮12和主动齿轮13中 的每个被配置成通过同步器7或26与输入轴1结合，并且被输入轴1可旋转地支承或分别 被套轴l〇a、11a、12a和13a可旋转地支承。布置在给定轴上的任何齿轮或同步器由该给定 轴携带并且由该给定轴支承。如后面进一步描述，主动齿轮10可被用作二档主动齿轮。主 动齿轮13可被用作三档主动齿轮。主动齿轮11可被用作四档主动齿轮。主动齿轮12可 被用作五档主动齿轮。同步器26包含主动齿轮8以提供倒档，如后面进一步描述。主动齿 轮8可被布置在同步器26的滑动套轴上，但并不局限于此。这样，主动齿轮8可被用作倒 档主动齿轮。
[0036] 在示例性实施方式中同步器可包含毂、同步器套轴和两个接合环，但并不局限于 此。同步器可被构造为滑块式同步器、锥式同步器、销式同步器，但并不局限于此。这里描 述的每个同步器可在设有该同步器的轴上沿轴向滑动。同步器沿着轴朝向紧邻同步器的齿 轮的轴向运动可导致齿轮与该轴同步。当通过同步器与轴同步时，齿轮可沿与轴相同的方 向且以相同速度旋转。同时，同步器沿着轴背离相邻齿轮的轴向运动使得齿轮和轴之间解 除同步。当通过这样的同步器运动使得齿轮和轴解除同步时，齿轮可独立于轴旋转。除了 使用单一同步器将一个以上的齿轮结合到轴的方式以外，在替代性实施方式中，每个齿轮 可以利用专用的同步器与轴同步。
[0037] 变速器70包含换档执行系统42,其包含用于将各同步器沿着它们的轴轴向移动 并且将各同步器维持在预期位置的动作元件。例如，每个动作元件可包含移动相应同步器 的移位拨叉。在一些实施方式中，换档系统42可以是液压系统，其包含用于致动各动作元 件（例如移位拨叉）的电磁阀。在其它实施方式中，换档系统42可以是电动系统包含致动 各动作元件（例如移位拨叉）的换档电机。在其它实施方式中，换档系统42可以是电液或 其它类型的系统。
[0038] 如图1所示，同步器7可由换档执行机构42的动作元件42a沿着输入轴1轴向移 动。同步器7可具有（i)第一结合位置，其中同步器7保持主动齿轮10(而非主动齿轮11) 与输入轴1同步，（ii)第二结合位置，其中同步器7保持主动齿轮11 (而非主动齿轮10)与 输入轴1同步，以及（iii)中位（空位），其中主动齿轮10和主动齿轮11都不与输入轴1 同步。同步器7可背离相邻齿轮沿着输入轴1轴向移动到其中位，从而齿轮不再与输入轴 1同步。由于同步器7可交替结合主动齿轮10和主动齿轮11，同步器7也被称作二四档同 步器。
[0039] 类似地，同步器26还可由换档执行系统42的动作元件42b被沿着输入轴1轴向 移动。同步器26可具有（i)第一结合位置，其中同步器26保持主动齿轮12(而非主动齿 轮13)与输入轴1同步，（ii)第二结合位置，其中同步器26保持主动齿轮13 (而非主动齿 轮12)与输入轴1同步，以及（iii)中位（空位），其中主动齿轮12和主动齿轮13都不与 输入轴1同步。同步器26可背离相邻齿轮沿着输入轴1轴向移动到其中位，从而齿轮不再 与输入轴1同步。当同步器26处于其中位时，主动齿轮8可被变速器70使用以提供倒档。
[0040] 变速器70还包含布置在输出轴2上的减速齿轮14、被动齿轮15、同步器9、中间轴 5、被动齿轮18和被动齿轮19。另外，变速器70包含布置在中间轴5上的被动齿轮16和被 动齿轮17。如后面进一步描述,被动齿轮15可被用作二档被动齿轮。被动齿轮19可被用 作三档被动齿轮。被动齿轮16可被用作四档被动齿轮。被动齿轮18可被用作五档被动齿 轮。
[0041] 同步器9可由换档执行系统42的动作元件42c沿着输出轴2轴向移动。同步器9 可具有（i)第一结合位置，其中同步器9保持被动齿轮15 (而非齿轮16)与输出轴2同步， (ii)第二结合位置，其中同步器9保持主动齿轮16 (而非主动齿轮15)与输出轴2同步，以 及（iii)中位（空位），其中被动齿轮15和齿轮16都不与输出轴2同步。同步器9可轴向 移动沿着输出轴2和背离相邻齿轮到其中位，从而齿轮未被与输出轴2同步。在第二结合 位置，同步器9可直接结合齿轮16,或者同步器9可直接结合中间轴5以间接将齿轮16与 输出轴2同步，其中齿轮16设在中间轴5上。
[0042] 变速器70包含布置在中间轴3上的被动齿轮20、被动齿轮21、被动齿轮22和被 动齿轮23。当同步器26处于中位时，被动齿轮23可沿着中间轴3滑动，或沿着由中间轴 3承载的套轴31滑动，从而啮合主动齿轮8以提供倒档。图1示出了主动齿轮8的相对位 置8a，以使得被动齿轮23可滑动到与主动齿轮8啮合。动作元件46可被操作以将被动齿 轮23移动并保持在预期位置。这样，主动齿轮8用作倒档被动齿轮。由于同步器26结合 主动齿轮12或主动齿轮13,或允许被动齿轮23啮合主动齿轮8,因此同步器26也被称作 三五倒档同步器。
[0043] 变速器70还包含布置在稱联于电机50的电机轴4上的主动齿轮24。电机50驱 动电机轴4和主动齿轮24。主动齿轮24驱动中间轴3上的被动齿轮20。传递到中间轴3 的动力随后被传递到变速器70的元件，如后面进一步描述。如显示于图1，主动齿轮24经 电机传动装置20a啮合被动齿轮20。
[0044] 图2 (a)显示了电机传动装置20a可配置为齿轮组，用于从主动齿轮24向被动齿 轮20传递动力或扭矩。在这个例子中，电机传动装置20a包含中间轴27以及布置在中间 轴27上的被动齿轮28和主动齿轮29。中