專利名稱：飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置，適于用作例如可以裝到混合動力
汽車中的能量儲存和回收系統(tǒng)的一部分。
背景技術(shù)：
在基于高速飛輪的能量儲存和回收系統(tǒng)中，飛輪通過無級變速器(C.V.T.)與車
輛的傳動裝置連接，操縱無級變速器的傳動比實現(xiàn)對能量的儲存和回收的控制。實例可參
見美國汽車工程師學(xué)會(SAE)2008年4月14-17日的技術(shù)文獻2008-01-0083。 當(dāng)傳動比被設(shè)置用于使飛輪加速時，能量被儲存，而當(dāng)傳動比被設(shè)置用于使飛輪
減速時，能量被回收。 飛輪混合動力汽車的主要優(yōu)點是可以在飛輪和車輪間傳遞的動力的量。公路用車 在制動過程中會有很大的動力轉(zhuǎn)化，混合系統(tǒng)效率的關(guān)鍵是盡可能多地捕獲這種通常浪費 掉的能量。這可以通過使飛輪轉(zhuǎn)速和車輛的速度仔細匹配來實現(xiàn)。高速飛輪的轉(zhuǎn)速大約在 0至60000RPM之間變化，而車輛的速度從0變化到160kph以上。在實際運行情況下有兩 種極端。第一種是當(dāng)飛輪的速度為零，而車輛的速度為最大時。第二種是當(dāng)飛輪的速度為 最大，而車輛的速度為零時。為了適應(yīng)兩種極端條件，理論上需要一種無限變速式無級變速 器，或者可選擇地，需要一種無級變速器(CVT)，其連同至少一個離合器使用。第二選擇可能 更實際，因為無級變速器(CVT)是一種公知的、可批量生產(chǎn)的變速器。遺憾的是，無級變速 器(CVT)具有有限的傳動比范圍，典型地為六個。該傳動比范圍是不足以覆蓋飛輪和車輛 速度的全部運行范圍，即便適當(dāng)?shù)剡x擇臨時性傳動比齒輪組。因此，臨時性的齒輪組通常為 既定目標(biāo)優(yōu)化，例如在既定的行駛循環(huán)中將節(jié)省燃油消耗最大化。然而，在其他運行條件下 可能折中節(jié)省燃油消耗，尤其在那些既定行駛循環(huán)界線之外的情況。 像申請人的正在審查的GB0816109. 3號德國專利申請所述，可以在變速器內(nèi)飛輪 和車輪之間裝配可選擇的多個齒輪組。包含一個或多個額外的可選擇的齒輪組有利于拓寬 能量儲存和回收系統(tǒng)的操作窗。然而，即使有這些額外的多個齒輪組，也不可能在極端運行 條件下，在飛輪和車輪之間傳遞動力。這限制了節(jié)省燃油消耗的潛在空間。因為CVT傳動 系統(tǒng)不可能始終匹配車輛和飛輪的速度，介于CVT和飛輪之間的離合器通常用于動態(tài)橋接 速度差。 當(dāng)飛輪處于最大速度，并且車輛接近于靜止的條件下，大量的能量(大約400KJ) 需要通過離合器消耗。在另一極端條件下，當(dāng)飛輪處于在零速度而車速接近最大時，相當(dāng)可 觀但是相對較少的能量(大約100KJ)需要通過離合器消耗，以橋接速度差。這些條件表明 了能量的浪費，并且會導(dǎo)致離合器本身的過早磨損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在緩解上述問題。 根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于混合動力汽車的飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置，包含，
可旋轉(zhuǎn)的飛輪， 能量轉(zhuǎn)換裝置，該裝置可操作地與飛輪連接，并能使飛輪加速和減速， 無級變速器，該無級變速器具有運行傳動比范圍并可與混合動力汽車的動力傳動
系統(tǒng)連接， 離合器，該離合器用于使無級變速器與飛輪連接以及相脫離， 電子控制模塊，該電子控制模塊用于為所述能量轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生控制信號， 其中，能量轉(zhuǎn)換裝置響應(yīng)所述控制信號或者使飛輪加速，或者使飛輪減速，以使飛
輪的轉(zhuǎn)速處在無級變速器的運行范圍內(nèi)。 能量轉(zhuǎn)換裝置用于橋接車輛和飛輪驅(qū)動軸之間 的速度差，這本來是通過離合器打 滑來完成的。在特定的車輛運行條件下使用能量轉(zhuǎn)換器控制飛輪速度，允許基于飛輪的能 量儲存和回收系統(tǒng)以更有效的方式運行。本發(fā)明擴展了以高速飛輪為基礎(chǔ)的能量儲存和回 收系統(tǒng)的操作窗。 特別地，如前文所述，在運行范圍的極端，(車輛傳動系統(tǒng)和飛輪的速度之間有很 大的差別)，飛輪的速度可以被調(diào)整，以與車輛動力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速更加接近地匹配。這可 以在離合器關(guān)閉前完成，因此允許通過CVT在車輛傳動系統(tǒng)和飛輪之間傳遞扭矩。由于傳 動系統(tǒng)和傳動軸之間的轉(zhuǎn)速差被大大縮小，離合器能在滑差最小時關(guān)閉，使得該組件磨損 更少。 本發(fā)明還可以包括與能量轉(zhuǎn)換裝置連接的能量儲存裝置。
離合器可以是電動液壓離合器，并且由電子控制模塊控制。 能量轉(zhuǎn)換裝置可以是能夠利用電能使飛輪轉(zhuǎn)動并且也能利用飛輪的轉(zhuǎn)動動能發(fā) 電的電機。這樣的電機通常被稱為"集成起動發(fā)電機(integratedstarter-generator，簡 稱ISG)"或者"起動發(fā)電一體機(combinedstarter-alternator)"或者"發(fā)電起動一體機 (combined alternator-starter)"。普遍使用的ISG有兩種，每一種都能應(yīng)用在本發(fā)明中。 在一種構(gòu)造中，ISG和飛輪連接在同一驅(qū)動軸上，在另一可選構(gòu)造中，ISG通過皮帶和皮帶 輪裝置連接在飛輪的驅(qū)動軸上。作為選擇，可以將ISG與飛輪總成整合在一起，或者將ISG 整合在飛輪總成中。當(dāng)運行狀態(tài)處在"啟動機"模式下時，ISG可以方便地從車輛的電池組 中攝取電能。這在ISG收到(電子控制模塊的)指示時進行，以使飛輪加速。當(dāng)其被指示 使飛輪減速時，ISG在"發(fā)電機"模式下運行，并且可以方便地輸出為電池組生成的電流，用 于儲存電荷，以便隨后用于加速飛輪，和/或為車輛輔助電器設(shè)備供電。因此，不是把能量 (作為摩擦熱)浪費在離合器中，以使飛輪減速，而是ISG允許將已從轉(zhuǎn)動的飛輪中去除的 能量儲存起來。 在一個可選的實施例中，能量轉(zhuǎn)換裝置是具有泵和馬達雙重功能的液壓機。從減 速的飛輪中通過液壓機的泵作用去除的能量可以被儲存在液壓儲能器中。該儲存的能量可 以在以后釋放，以便為液壓機的馬達功能提供動力，由此使飛輪加速。


現(xiàn)參考附圖僅以實例的方式說明本發(fā)明的一些實施例。
圖1是具有根據(jù)本發(fā)明第一實施例的飛輪動力傳動系統(tǒng)的車輛的示意方框圖。
具體實施例方式
參考附圖，車輛1裝配有內(nèi)燃機2，該內(nèi)燃機通過變速箱和主減速器總成4單獨為 第一組車輪3提供動力。第二組車輪5通過半軸6與主減速器及差速單元7連接到傳動軸 8上。傳動軸能驅(qū)動飛輪9以及被飛輪9驅(qū)動。介于傳動軸8和飛輪9之間的是無級變速 器單元(CVT) IO，其具有可持續(xù)改變的傳動比。電動液壓離合器11用于在一定的運行條件 下使CVT10(并隨后與車輪5)與飛輪9耦合以及分離。由傳動軸8驅(qū)動的油泵(圖中未示 出)為CVT10提供增壓的供油。飛輪9安裝在連接有集成起動發(fā)電機(ISG)13的驅(qū)動軸12 上。 電子控制模塊(ECM) 14接收來自加速踏板位置傳感器15、制動踏板位置傳感器 16、傳動軸速度傳感器17和與飛輪關(guān)聯(lián)的速度傳感器18的輸入。電子控制模塊14的輸出 連接至CVT10、離合器11和ISG13。電池組19與ISG13電連接。 CVT10可以是常規(guī)的設(shè)計，其傳動比可以通過對控制油流的電磁閥(圖中未示出) 的操作以公知的方式進行變化。閥門的激活受ECM14的控制。CVT10可以便利地采用傳動 鋼帶變速器類型，并且具有典型的6速傳動比范圍。
現(xiàn)將所述實施例的一些示例性運行模式說明如下。 在第一種模式中，輕壓加速踏板，離合器11保持打開，車輛以穩(wěn)定的、相對較慢的 速度行駛，沒有驅(qū)動力從第二組車輪5傳遞至驅(qū)動軸12，所以飛輪9保持靜止。但是傳動軸 8驅(qū)動的泵為CVT10提供油壓。在該階段中，ISG13不從電池組19攝取電流，也不向電池組 19提供電流。當(dāng)駕駛員釋放加速踏板或者壓下制動踏板(以使車輛1減速)時，該操作被 傳感器15、16檢測到，并轉(zhuǎn)發(fā)給電子控制模塊14。在第一種模式中，傳動軸8與飛輪驅(qū)動 軸12之間的速度差處于CVT10的傳動比范圍之內(nèi)。這被持續(xù)監(jiān)視傳動軸和飛輪速度傳感 器17、18輸出的ECM14獲知。ECM14計算出使飛輪加速所需的CVT傳動比，并產(chǎn)生控制信 號以便液壓控制CVT10，使得傳動比被設(shè)置為該計算值。它還輸出引發(fā)離合器11關(guān)閉的第 二控制信號。因此能量從第二組車輪5傳遞至飛輪9。能量傳遞至飛輪的行為使得車輛減 速。舉例來說，當(dāng)駕駛員不再希望減速并把腳抬離制動踏板時，ECM14檢測到該操作并作出 響應(yīng)，其打開離合器11，飛輪9持續(xù)自由旋轉(zhuǎn)。此能量被儲存在飛輪中，以備后用。例如，電 子控制模塊14可以向ISG13發(fā)送信號，使得后者充當(dāng)發(fā)電機，并且將飛輪的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化 為電流供給電池組19儲存。可選擇地，當(dāng)電子控制單元14(通過加速踏板位置傳感器15) 檢測到加速需求及傳動軸8和驅(qū)動軸12之間的速度差處于CVT10的范圍內(nèi)時，它將CVT10 傳動比重新設(shè)定為一個新的(計算的)值，并且關(guān)閉離合器ll以使來自飛輪9的能量當(dāng)時 就用于驅(qū)動第二組車輪5，從而輔助發(fā)動機2驅(qū)動車輛。 在第二種運行模式中，在第一極端運行條件下，飛輪速度為零，車輛處于高速，比 如說150kph。(離合器ll最初為打開狀態(tài))。因此，傳動軸8的速度和飛輪驅(qū)動軸12的速 度(值為零)之間存在巨大的差距。該模式處于CVT10的運行傳動比范圍之外。借助于速 度傳感器17和18的輸出，ECM14感知到存在該巨大的速度差。作為回應(yīng)，ECM14計算出飛 輪9需要被加速至的轉(zhuǎn)速，以將速度差縮小到CVT10的運行范圍內(nèi)。其還計算并設(shè)置適合 的CVT傳動比以允許能量從傳動軸8向飛輪9傳遞。隨后，ECM14向ISG13發(fā)送信號，該信 號使后者進入"起動機"模式，其借此從電池組19中獲得電流以驅(qū)動飛輪驅(qū)動軸12。當(dāng)飛 輪9(及其驅(qū)動軸12)達到計算出的轉(zhuǎn)速后(由傳感器18監(jiān)視)，ECM14則指示ISG13停止
5獲取電流。以該方式使飛輪加速會消耗一定的能量。但是，該能量消耗可以被視為一種高 回報投資，因為此處大量的能從(高車速)車輛的任意減速中獲得的能量可以被捕獲，此時 飛輪在CVTIO的運行范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。因而，當(dāng)ECM14隨后檢測到減速需求時，它會關(guān)閉離合器 11，以使能量能從傳動軸8傳遞至飛輪9。 在第三種運行模式中，在第二極端運行條件下，飛輪處于其最大速度，而車輛接近 靜止，比如說10kph。(離合器11最初為打開狀態(tài))。因此，傳動軸8的速度和飛輪驅(qū)動軸 12的速度之間存在巨大的差距。該模式也處于CVT10的運行傳動比范圍之外。借助于速 度傳感器17和18的輸出，ECM14感知到存在該巨大的速度差。作為回應(yīng)，ECM14計算出飛 輪9需要被減速至的轉(zhuǎn)速，以將速度差縮小到CVT10的運行范圍內(nèi)。其還計算適合的CVT 傳動比以允許能量從飛輪9向傳動軸8傳遞。隨后，ECM14向ISG13發(fā)送信號，該信號使后 者進入"發(fā)電機"模式，其借此向電池組19輸入電流。因此，能量從飛輪9中排出并且飛輪 9開始減慢速度。當(dāng)飛輪9(及其驅(qū)動軸12)達到計算出的轉(zhuǎn)速后(由傳感器18監(jiān)視)， ECM14則指示ISG13停止輸入電流。ISG13的該行為回收了大量的能量并且同時使飛輪9 進入CVT10的運行范圍內(nèi)。ECM14這時就可以在檢測到車輛加速的需求時關(guān)閉離合器11。 隨后，能量從飛輪9傳遞至傳動軸8用以補充發(fā)動機功率驅(qū)動車輛。 在一個可選實施例中，ISG13被集成的液壓泵電機單元形式的液壓機代替，并且電 池組19被液壓儲能器和副儲集器代替。液壓機與飛輪驅(qū)動軸12耦合。這樣的液壓機是電 集成起動發(fā)電機的液壓等同物，其能夠從飛輪中提取能量，而且能夠向飛輪補充能量。儲能 器起儲存和釋放能量的作用。液壓機受ECM14的控制。當(dāng)能量從飛輪9中轉(zhuǎn)移出(以使其 減速)時，由驅(qū)動軸12驅(qū)動的液壓機受ECM14的指示，將液壓機液體從儲集器泵入儲能器。 當(dāng)能量補充給飛輪9時(以使其加速)，液壓機受ECM14指示，像發(fā)動機的作用一樣，利用儲 能器中儲存的液壓能量帶動驅(qū)動軸12，以使飛輪加速。如果需要，液壓機的泵作用能用于產(chǎn) 生使CVT10運轉(zhuǎn)的高油壓。 在改進的實施例中，車輛1配備有定速巡航系統(tǒng)20，該系統(tǒng)具有連接于ECM14的輸 出端。該輸出端用于通過車載定速巡航控制開關(guān)(圖中未示出)而不是通過操作加速或制 動踏板通知ECM14 :駕駛員已作出車輛加速或減速的要求。 在另一個實施例中，通過在差速器7和CVT10之間設(shè)置齒輪組使CVT10的傳動比 能夠被進一步擴展。該齒輪組能允許選擇數(shù)個固定傳動比中的一個，該選擇受ECM14控制。 比如，對于6速傳動比范圍的CVT，適當(dāng)?shù)目蛇x擇的傳動比是1 : 1、90%的6以及90%的 36。這允許各齒輪選擇間有10%的疊加，以使性能最優(yōu)化。 在進一步的實施例中，為了進一步協(xié)助匹配飛輪和傳動軸的速度，可以在CVTIO 和飛輪9之間設(shè)置周轉(zhuǎn)減速齒輪。 在另一個實施例中，差速器7和CVT10之間設(shè)置有額外的電動液壓離合器。該額 外的離合器也受ECM14的控制。當(dāng)飛輪9和車輪5之間不需要能量轉(zhuǎn)移時，它允許CVT10 與車輪5脫離。如果傳動軸8不驅(qū)動CVT10，則摩擦損耗被降至最低。 雖然附圖所示的具體實施例中展示了具有一組由內(nèi)燃機驅(qū)動的車輪和另一組能 與飛輪耦合的車輪的車輛，但是其他的構(gòu)造也能從本發(fā)明中獲益。例如，本發(fā)明可以用于發(fā) 動機和飛輪驅(qū)動同一軸的車輛。進一步地，本發(fā)明能用于原動機是電動機的混合動力汽車。
權(quán)利要求
一種用于混合動力汽車(1)的飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置，其特征在于，包含可旋轉(zhuǎn)的飛輪(9)，能量轉(zhuǎn)換裝置(13)，該裝置可操作地與飛輪(9)連接，并且能夠使飛輪加速和減速，無級變速器(10)，該無級變速器具有運行傳動比范圍并且連接于混合動力汽車的動力傳動系統(tǒng)(8)，離合器(11)，該離合器用于使無級變速器(10)和飛輪(9)連接和相互脫離，電子控制模塊(14)，該電子控制模塊用于為所述能量轉(zhuǎn)換裝置(13)產(chǎn)生控制信號，其中，能量轉(zhuǎn)換裝置(13)響應(yīng)所述控制信號或者使飛輪(9)加速或者使飛輪(9)減速，以使飛輪的轉(zhuǎn)速處在無極變速器(10)的運行范圍內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置，其特征在于，進一步包括與 能量轉(zhuǎn)換裝置(13)連接的能量儲存裝置(19)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置，其特征在于，能量轉(zhuǎn)換裝 置(13)為電動起動發(fā)電機。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置，其特征在于，能量轉(zhuǎn)換裝 置(13)為液壓泵電機。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置，其特征在 于，離合器(11)為電動液壓離合器。
6. —種混合動力汽車(l)，其特征在于，該汽車包含有上述任一權(quán)利要求所述的飛輪 動力傳動系統(tǒng)和控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種飛輪動力傳動系統(tǒng)和控制裝置。在用于混合動力汽車(1)的能量儲存和回收系統(tǒng)中，在車輛驅(qū)動系統(tǒng)(8)和飛輪(9)之間傳遞驅(qū)動力的無級變速器(CVT)(10)的運行傳動比通過使用與飛輪軸(12)連接的集成起動發(fā)電機(ISG)(13)得以有效地擴展。當(dāng)傳動軸(8)和飛輪軸(12)之間的轉(zhuǎn)速高度不匹配時，在離合器(11)將兩軸連接之前，ISG(13)使飛輪(9)加速或者減速，直至其速度處于CVT(10)最適宜的運行范圍內(nèi)。本方法降低了離合器(11)的磨損。
文檔編號B60K17/26GK101746261SQ200910252408
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者多納圖斯·安德里亞斯·約瑟芬·吉斯, 蒂莫西·詹姆斯·鮑曼 申請人:福特全球技術(shù)公司