专利名称：用于车辆传动系统的能量回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于车辆的动能回收系统。
技术背景
普遍地，将混合动力系看成是道路运输部门的基本解决方案，其中混合动力系将 传统地经由刹车而浪费的动能回收并再利用，目标在于减少燃料消耗和排放。混合动力系 也可能应用于其它车辆，尤其是火车。大多数量产和开发中的混合系统基于具有多种设计 和存储介质的电结构。然而，将机械能转换成电能，然后转换成化学能(反之亦然)，均会产 生相当低的系统效率。另外，存储介质、功率电子装置和电机/发电机产生复杂的动力系， 对系统成本、重量和包装具有相应的影响。
电混合动力系的一种替代方式是机械混合系统。机械混合动力系利用旋转的飞 轮作为能量存储装置，并利用变速器将能量传递至车辆传动系统和从车辆传动系统传递能量。
由于能量转换的省去，飞轮机械混合系统提供更高效率的优点，同时，提供明显不 太复杂的系统，该系统提供优于电系统的相当大的重量、包装和成本方面的优点。飞轮机械 混合系统不是新的，并且，之前已由许多公司开发。在引入一级方程式赛车中的规则之后， 重新引起了对飞轮机械混合系统的兴趣，一级方程式赛车将需要能够回收并再利用动能的赛车。
在KERS系统中使用传统的变速器时，会出现这样的问题由典型变速器提供的传 动比的范围会比发动机和飞轮之间的速度比的期望范围小。发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于车辆传动系统的动能回收系统，该动能回 收系统包括飞轮和用于以无级变速的CVT速度比在飞轮和车辆传动系统之间传递驱动力 的无级变速传动装置，该无级变速传动装置包括变速器和分路(Shunt)齿轮装置，该变速 器具有旋转变速器输入和旋转变速器输出，该变速器用来以无级变速的变速器速度比在旋 转变速器输入和旋转变速器输出之间传递驱动力，分路齿轮装置具有与旋转变速器输入驱 动地接合的第一旋转分路输入、与旋转变速器输出驱动地接合的第二旋转分路输入、以及 与飞轮驱动地接合的分路旋转输出。分路齿轮优选地是外摆线(epicyclic)类型的，但是 也可用具有三个轴且在轴速方面具有两个自由度的其它齿轮装置代替。将其中两个分路轴 /旋转部分称为“输入”并将另一部分称为“输出”是方便的，但是，名称是稍微任意的，因为 动力流可以在任一方向上-从飞轮到传动系统，或从传动系统到飞轮。分路齿轮使得CVT 的传动比范围超过仅由变速器提供的范围的扩展是可行的。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，设置有动能回收系统的车辆传动系统包 括用来在发动机和车轮之间传递驱动力的机动车辆传动装置，并且动能回收系统与发动机 和机动车辆传动装置之间的传动系统中的一点接合。优选地，提供一离合器，以选择性地将发动机与传动系统脱离，同时使动能回收系统与其连接。为此，优选地将离合器定位在其与 动能回收系统的接合和与发动机的接合之间的传动系统中。此类型的传动系统使得，当不 需要来自发动机的驱动力时，可以将发动机与传动装置和车轮脱离，同时，仍使动能回收系 统通过传动装置与车轮保持连接，以驱动车辆。申请人进行的建模已经表明这可能是一种 非常高的能效系统。
优选地，传动系统在其与动能回收系统的接合和与车辆传动装置的接合之间的传 动系统中包含另一离合器。例如，当车辆停止时，该另一离合器用来将传动装置与动能回收 系统和发动机脱离。
根据本发明的第二方面，提供一种包括传动系统的车辆驱动装置，具有发动机和 用于在发动机与机动车辆的从动轮之间传递驱动力的机动车辆传动装置，所述车辆驱动装 置进一步包括与机动车辆传动装置和发动机之间的传动系统接合的动能回收系统以及位 于发动机和动能回收系统之间的传动系统中的离合器，使得通过断开离合器，发动机与动 能回收系统脱离，并与机动车辆传动装置脱离。
在这种装置中，动能回收系统优选地包括在一侧上与传动系统连接并在另一侧上 与飞轮连接的无级变速传动装置。
该装置使得可以通过传动装置仅从动能回收系统驱动机动车辆，而与发动机分 离。因此，发动机仅需要间歇地运行，并可提高整体效率。
现在将参考附图描述本发明的一个具体实施方式
，附图中
图1是体现本发明的传动系统的示意图2是示出了(a)车辆发动机克服其内部损耗所消耗的能量和(b)在标准车辆工 作循环(NEDC)下驱动车辆所消耗的能量之间的比较的柱状图3是与图2相似的柱状图，但是代表不同车辆工作循环(FTP75)下的性能；
图4是对于NEDC循环来说，车轮和飞轮速度随时间变化的示图5是对车辆空调系统以及对其它“辅助”车辆系统提供的动力与发动机速度之 间的关系的示图6是与图4相似的示图，但是代表FTP75循环。
具体实施方式
图1所示的发动机10在目前的实施方式中是内燃机，虽然原则上可利用另一类型 的旋转驱动器来实现本发明。所示传动系统旨在用于机动车辆中，但是也可应用于其它类 型的车辆，例如火车。图1中的虚线框12包含对于任何机动车辆传动系统而言都具有代表 性的内容。在图中，用框14(其是传动装置输入)和圆16 (其代表传动系统的速度比)代 表车辆的传动装置，该传动装置用来将旋转驱动力从发动机10传递至车辆的从动轮(未 示出)。该传动装置可以是任何适当的类型，并可以提供步进的或无级变速的传动比。传 递至车轮的驱动力作用于车辆惯量18上，以使之加速/减速。在此实例中，第一离合器 20用来选择性地将传动装置输入14与发动机10脱离，并将传动装置输入与动能回收系统 (KERS) 22 脱离。
KERS 22具有能够从传动系统接收能量的飞轮M，以存储能量，并且在适当的时 候将能量返回至传动系统。其通过在传动系统轴观和KERS输入轴30之间提供固定的速 度比的齿轮装置沈与传动系统接合。利用无级变速传动装置(CVT) 32在飞轮M和传动系 统轴28之间传递驱动力，CVT 32包括变速器34、分路齿轮装置36和正齿轮装置38。
变速器34具有旋转变速器输入40和旋转变速器输出42，并用来以可连续地(即 无级地)变速的速度比(输入速度除以输出速度)将驱动力从一个传递至另一个。在机动 车辆领域中，许多类型的变速器是众所周知的。本实施方式使用环形轨道、滚子牵引型的变 速器，更具体地，是一种全环形且扭矩可控的变速器。这种变速器的细节在本领域中是已知 的，并且，在Torotrak(开发)公司的许多公开专利案件中可以发现，特别是EP0444086。
变速器旋转输入40以这样的速度运行，该速度是传动系统轴观的速度的固定倍 数，因此是发动机速度的固定倍数(同时，接合第二离合器44)。变速器旋转输出42与飞 轮M接合。在本实例中，飞轮保持在12000至MOOOrpm之间的速度。发动机在IOOOrpm 时空转，并具有6000rpm的最大速度。因此，CVT 32需要能够提供12的传动比范围(ratio spread)，这可能是有问题的，因为变速器通常提供范围更窄的传动比速度，例如，在本实施 方式中是6。
根据本发明，通过分路齿轮装置36解决此问题，在本实施方式中，分路齿轮装置 36是外摆线类型的。其具有与KERS输入轴30接合并由此经由正齿轮装置38与旋转变速 器输入40接合的第一旋转分路输入。在本实施方式中，第一旋转分路输入是分路齿轮装置 36的太阳轮S。第二旋转分路输入与旋转变速器输出轴42接合。在本实施方式中，第二旋 转分路输入是分路齿轮装置的内齿轮A。在本实施方式中，旋转分路输出由分路的行星架C 形成，并经由在飞轮处提供速度增加的齿轮装置50与飞轮M接合。
给出齿轮传动比的适当选择，这种装置对CVT 32提供整体大于变速器的传动比 速度，虽然在效率方面消耗相同的成本，因为动力通过(相对有损耗的)变速器34进行再 循环。当不需要来自发动机的动力时，第二离合器44使得发动机能够脱离并停止，因为不 需要到车辆18的动力流(车辆滑行或减速)或者因为从KERS 22得到所需的动力。
在机动车辆应用中，传动系统必须向辅助系统(例如，交流发电机、空调系统等) 提供动力。必须对这些辅助系统中的一部分(例如，空调系统)连续地提供动力。如果发动 机间歇地运行，那么不是直接从发动机而是从飞轮M驱动这种系统，更具体地，从传动装 置输入驱动。其它的辅助系统(例如，交流发电机)可利用间歇的动力输入来操作，并且， 可从发动机更有效地进行驱动。
已利用代表典型汽车应用的行业认可的循环在数学上对所示类型的传动系统的 性能进行建模。一个这种循环是“新欧洲驾驶循环”(NEDC)，其随着缓和加速和减速的循环 具有相对低的车速，并且，车辆静止和发动机怠速所耗费的时间相当长。即使发动机在这些 阶段的过程中传递很少的动力，其也吸收大量能量来克服其内在的驾驶损耗。图2将发动 机克服其内部损耗(驾驶)所消耗的能量和车辆完成NEDC循环(车辆驱动)所消耗的能 量进行比较。第一数据对(仅有发动机)示出了传统的非混合传动系统的能量平衡。车辆 所需的低性能意味着，发动机的内部损耗消耗了所消耗的总能量(15MJ)的60% (9MJ)。第 二数据对示出了添加了源自飞轮的再生制动所节省的能量(0.64MJ)。发动机在整个循环 上运行，因此，其内部损耗不变。最后的数据对示出了不需要发动机时(即当飞轮加载或卸载时)断开发动机的效果。虽然其对所节省的能量(3.5MJ)没有直接的帮助，但是飞轮使 得发动机的内部损耗所消耗的能量能够明显减少，因此净节省20%。将此放入环境中，在 循环(1180s)上所消耗的9MJ相当于7. 6Kw的平均功率损耗或1200rpm时的理论发动机损 耗。通过对于部分循环能够进行“发动机关闭”操作，这里所考虑的系统由此使得节省大量 燃料变得可行。
应用于FTP75 (联邦试验程序)循环的地铁元件(Metro element)的相同分析示 出了更积极的(aggressive)速度概览图(图3)的效果。车辆所消耗的更多能量为再生制 动提供更多的节省能量的机会(7% )。但是，同样，大多数可用的节省(30% )源自限制发 动机使用。
图4画出了 NEDC循环的车辆和产生的飞轮速度的概览。其示出了由飞轮存储的 相对低的能量水平与可用于发动机关闭操作的高比例时间之间的对比关系。
对减少发动机使用的高度信赖要求飞轮对车辆的辅助负载的至少一部分提供动 力。图5示出了空调系统和其余部分之间的假定的功率分配。空调系统代表连续的元件， 假定其余部分与发动机一起运行。图6示出了 FTP75循环的地铁元件，画出了用于打开和 关闭辅助系统所产生的飞轮速度。增加辅助负载导致能量效益从30%减至18%。
权利要求
1.一种用于车辆传动系统的动能回收系统，所述动能回收系统包括飞轮和用于以无级 变速的CVT速度比在所述飞轮和所述车辆传动系统之间传递驱动力的无级变速传动装置， 所述无级变速传动装置包括变速器和分路齿轮装置，所述变速器具有旋转变速器输入和旋 转变速器输出，所述变速器用来以无级变速的变速器速度比在所述旋转变速器输入和所述 旋转变速器输出之间传递驱动力，所述分路齿轮装置具有与所述旋转变速器输入驱动地接 合的第一旋转分路输入、与所述旋转变速器输出驱动地接合的第二旋转分路输入、以及与 所述飞轮驱动地接合的分路旋转输出。
2.根据权利要求1所述的动能回收系统，其中，所述分路齿轮装置包括外摆线齿轮装置。
3.—种车辆传动系统，包括根据权利要求1或权利要求2所述的动能回收系统和用来 在发动机和车轮之间传递驱动力的机动车辆传动装置，所述动能回收系统与所述发动机和 所述机动车辆传动装置之间的传动系统中的一点接合。
4.根据权利要求3所述的车辆传动系统，进一步包括一离合器，用于选择性地将所述 发动机与所述传动系统脱离，同时使所述动能回收系统与其连接。
5.根据权利要求4所述的车辆传动系统，其中，所述离合器定位在其与所述动能回收 系统的接合和与所述发动机的接合之间的传动系统中。
6.根据权利要求5所述的车辆传动系统，在与所述动能回收系统的接合和与所述车辆 传动装置的接合之间的传动系统中包括另一离合器。
7.一种动能回收系统，基本上如参考附图1所描述的并如附图1中示出的。
全文摘要
本发明涉及一种在车辆传动系统中使用的动能回收系统。该动能回收系统具有用来存储能量的飞轮(24)。无级变速传动装置(32)用来以无级变速的CVT速度比在飞轮和车辆的传动系统之间传递驱动力。该无级变速传动装置具有变速器(34)，该变速器具有旋转变速器输入(40)和旋转变速器输出(42)。变速器用来以无级变速的变速器速度比在其输入和输出之间传递驱动力。无级变速传动装置进一步包括分路齿轮装置(36)，该分路齿轮装置具有与旋转变速器输入驱动地接合的第一旋转分路输入、与旋转变速器输出驱动地接合的第二旋转分路输入、以及与飞轮驱动地接合的分路旋转输出。
文档编号F16H37/08GK102036845SQ200980118121
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月19日 优先权日2008年5月20日
发明者克里斯托弗·约翰·格林伍德 申请人:托罗特拉克(开发)有限公司