接合混合動力車輛的變速器系統的方法

接合混合動力車輛的變速器系統的方法
【專利摘要】提供一種接合混合動力車輛的變速器系統的方法。混合動力電動車輛的牽引馬達驅動主泵以提供加壓的液壓流體來接合多傳動比變速器的功率傳動路徑。為了減小燃料消耗，馬達保持處于零轉速直到移動換擋桿進入行駛位置。在建立功率傳輸路徑之后，馬達轉速再次減小至零直到駕駛員通過壓加速器踏板而需要扭矩。當牽引馬達靜止時，輔助泵保持流體壓力以保持變速器功率傳輸路徑的接合。
【專利說明】
接合混合動力車輛的變速器系統的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及車輛控制的領域。更特別地，本發明涉及在車輛啟動事件之后使用牽 引馬達和輔助栗接合變速器。
【背景技術】
[0002] 很多車輛在寬范圍的車速(包括向前和向后移動兩者）下使用。然而，某些類型的 發動機只能在較窄的轉速范圍內高效運轉。所以，能以多個傳動比（speed ratio)高效傳輸 動力的變速器被頻繁使用。當車輛處于較低車速時，變速器通常以高傳動比運轉使得它放 大發動機扭矩用于改善加速。較高車速時，以低傳動比運轉變速器允許與安靜、燃料經濟的 巡航關聯的發動機轉速。自動變速器通常提供至少一個用于向后移動的負傳動比。通常，變 速器具有安裝至車輛結構的殼體、由發動機曲軸驅動的輸入軸、以及經常經由差速器總成 驅動車輪的輸出軸，該差速器總成允許車輛轉彎時左輪和右輪以略微不同的轉速旋轉。
[0003] 很多變速器被設計成以離散數量(discrete number)的固定傳動比運轉。即使每 個傳動比和變速器內特別的物理齒輪之間不存在直接的對應，可用的傳動比也可以稱為擋 位或齒輪比（gear ratio)。傳動比通常從最高的傳動比開始編號并繼續至較低的傳動比。 例如，一擋的傳動比可能是4.5、二擋的傳動比可能是3.0、三擋的傳動比可能是2.3等。可以 通過接合特定的換擋元件（比如離合器或制動器)從這組可用傳動比中選擇特定的傳動比。 換擋元件可以包括主動控制的裝置和被動控制的裝置(比如單向離合器）。通常，通過將加 壓的流體引導至變速器閥體中對應的離合器應用回路而接合換擋元件。
[0004] -些車輛（統稱為混合動力車輛)利用一個或多個牽引馬達和電能存儲（比如電 池）以減小燃料消耗。在很多工況下，發動機停機并且由牽引馬達使用存儲在電池中的能量 來執行所有推進。通過在制動期間回收的能量對電池充電。額外地，當發動機運行時，它可 以產生多于當前推進所需要的功率并且將多余的功率存儲在電池中。由于發動機以較高的 功率水平運轉時通常更高效，這減少了總燃料消耗。在傳統的車輛中，多個車輛功能依賴于 來自發動機的連續的功率。在混合動力車輛中，由于發動機可能在很多時間是關閉的，必須 不同地執行這些功能。這樣的一種功能是提供加壓的液壓流體以接合變速器換擋元件。

【發明內容】

[0005] -種車輛包括離散傳動比變速器、主栗、第二栗、閥體、可驅動地連接至變速器輸 入的牽引馬達、行駛選擇器，以及控制器。通過變速器輸入驅動的主栗以提升的壓力供應流 體至閥體中的管路壓力回路。不是通過變速器輸入驅動的第二栗保持管路壓力回路中的壓 力。閥體從管路壓力回路引導流體至變速器的換擋元件。控制器配置用于通過增加牽引馬 達的轉速并且指令閥體引導流體至變速器的一些換擋元件以建立功率傳輸路徑（power flow path)并且隨后減小牽引馬達的轉速并且使用第二栗保持功率傳輸路徑來響應行駛 模式選擇器的移動。控制器可以在車輛啟動事件(比如鑰匙啟動事件)和行駛模式選擇器的 移動之間保持牽引馬達的轉速處于零。車輛還可以包括通過分離離合器選擇性地連接至變 速器輸入的發動機。控制器可以配置用于通過接合分離離合器或者使用獨立的起動機馬達 起動發動機。
[0006] -種接合混合動力電動車輛的變速器的方法，包括增加牽引馬達的轉速以使加壓 的流體流至至少一個變速器換擋元件并且隨后減小牽引馬達的轉速并且使用輔助流體壓 力源保持壓力。牽引馬達可以通過分離離合器選擇性地連接至內燃發動機。輔助流體壓力 源可以是通過電動馬達驅動的獨立的栗。牽引馬達的轉速在車輛啟動事件之后可以保持處 于零并且隨后響應于進入行駛模式的換擋而增加。可以響應于扭矩請求再次增加牽引馬達 的轉速。
[0007] 根據本發明的一個實施例，控制器進一步配置用于在車輛起動事件和行駛模式選 擇器的移動之間保持牽引馬達的轉速為零。
[0008] 根據本發明的一個實施例，控制器進一步配置用于響應于行駛模式選擇器的移動 之后的扭矩需求而增加牽引馬達的轉速。
[0009] 根據本發明的一個實施例，離散傳動比變速器包含:具有渦輪和連接至輸入的栗 輪的變矩器;并且離散傳動比變速箱配置用于在渦輪和輸出之間建立離散數量的功率傳輸 路徑，每個功率傳輸路徑與預定的傳動比相關聯。
[0010]根據本發明的一個實施例，建立功率傳輸路徑包含接合變速器的換擋元件中的至 少三個。
[0011] 根據本發明的一個實施例，建立功率傳輸路徑包含接合變速器的四個換擋元件。
[0012] 根據本發明的一個實施例，進一步包含：內燃發動機；以及配置用于選擇性地連接 內燃發動機至輸入的分離離合器。
[0013] 根據本發明的一個實施例，控制器進一步配置用于當牽引馬達旋轉時通過增加分 離離合器的扭矩容量而起動發動機。
[0014] 根據本發明的一個實施例，控制器進一步配置用于使用獨立的起動機馬達起動發 動機。
[0015] 根據本發明的一個實施例，進一步包含在車輛啟動事件和行駛模式的選擇之間保 持牽引馬達的轉速處于零。
[0016] 根據本發明的一個實施例，進一步包含通過增加分離離合器的扭矩容量以選擇性 地連接發動機至牽引馬達而起動發動機。
【附圖說明】
[0017] 圖1是包括離散傳動比變速器的混合動力車輛動力傳動系統的示意代表；
[0018] 圖2是用于圖1的車輛的離散傳動比變速器的示例齒輪變速器的示意圖；
[0019] 圖3是根據第一控制方法的作為用于車輛啟動事件、行駛模式的選擇以及扭矩需 求的時間的函數的馬達轉速的圖；
[0020] 圖4是描述相對于第一控制方法減小燃料消耗的第二控制方法的流程圖；
[0021]圖5是根據圖4的控制方法的作為用于車輛啟動事件、行駛模式的選擇以及扭矩需 求的時間的函數的馬達轉速的圖。
【具體實施方式】
[0022]本說明書描述了本發明的實施例。然而，應理解公開的實施例僅為示例，其可以多 種替代形式實施。附圖無需按比例繪制;可放大或縮小一些特征以顯示特定部件的細節。所 以，此處公開的具體結構和功能細節不應解釋為限定，而僅為教導本領域技術人員以多種 形式實施本發明的代表性基礎。本領域內的技術人員應理解，參考任一【附圖說明】和描述的 多個特征可以與一個或多個其它附圖中說明的特征組合以形成未明確說明或描述的實施 例。說明的組合特征提供用于典型應用的代表實施例。然而，與本發明的教導一致的特征的 多種組合和變型可以根據需要用于特定應用或實施。
[0023]圖1示意地說明混合動力電動車輛的動力傳動系統。車輛內的部件的物理布局可 能不同。通過粗實線說明機械功率流連接。機械功率流連接可以包括軸和/或固定傳動比的 齒輪傳動裝置。如果元件在所有工況下作為整體一起旋轉則元件被固定連接，如果元件僅 在換擋元件接合時作為整體旋轉則元件被選擇性地連接。如果固定的功率傳輸路徑在元件 之間傳輸功率并且約束元件以成比例的轉速旋轉則元件被可驅動地連接。通過粗虛線說明 電力流。通過細實線說明液壓流體的流動。虛線指示信號流，該信號流可以采用低電流電連 接的形式。
[0024]通過將液體或氣體燃料的化學能轉化的發動機10和使用存儲在高壓電池14中的 能量的牽引馬達12的組合產生推進車輛的機械功率。例如，牽引馬達12可以是永磁同步馬 達。發動機10通過分離離合器16選擇性地連接至動力傳動系統。通過變矩器18、變速箱20和 差速器22針對當前的車輛需要來調整發動機10和牽引馬達12產生的機械功率。變矩器18是 當車輛移動太慢而不能建立固定傳動比時使得能夠傳輸扭矩的起動裝置。固定至牽引馬達 轉子的栗輪液動地(hydro-dynamical ly)驅動固定至變速箱20的輸入軸的禍輪。變矩器18 可以包括當渦輪旋轉得慢于栗輪時能放大扭矩的導輪。變矩器18還可以包括通過摩擦選擇 性地而不是通過液動地傳輸扭矩的鎖止離合器以在較高車速時增加功率傳輸效率。在替代 實施例中，可以通過啟動離合器替代變矩器18。變速箱20選擇性地建立多個可用功率傳輸 路徑中的一者，每個功率傳輸路徑中具有不同的傳動比。較低車速時，提供扭矩放大的功率 傳輸路徑優化了加速性能。較高車速時，提供速度放大的功率傳輸路徑優化了燃料經濟性。 對于后退，選擇旋轉方向反向的功率傳輸路徑。差速器22通過主減速比放大扭矩、將旋轉軸 線改變90度并且在左輪24和右輪26之間分配功率，隨著車輛轉彎允許輕微的車輪轉速差 異。
[0025]通過控制器28控制動力傳動系統。控制器28可以是單個微處理器或者可以是多個 通信的微處理器。例如，控制器28可以包括經由控制器局域網（CAN)通信的車輛系統控制 器、發動機控制器和變速器控制器。控制器28從包括換擋桿30、點火開關31和加速器踏板32 的多個傳感器接受信號。基于這些信號，控制器28確定駕駛員所需扭矩的幅度和方向并且 確定是否使用發動機10、牽引馬達14或者這兩者的組合輸送扭矩。控制器28通過發送信號 至發動機以控制節氣門開度、燃料噴射、火花等來控制發動機傳輸的扭矩。控制器28通過發 送信號至逆變器34來控制牽引馬達12輸送的扭矩。逆變器34通過直流(DC)總線連接至高壓 電池14并且通過三相交流(AC)總線連接至牽引馬達12。
[0026] 控制器28通過發送信號至閥體36間接地控制分離離合器16、變矩器18和變速箱 20。繼而，閥體36調節多個液壓回路中的壓力以控制分離離合器16、變矩器18的鎖止離合器 和變速箱20的每個換擋元件的扭矩容量(torque capacity)。特別地，來自管路壓力回路的 流體流過多個螺線管控制的閥進入各個回路。每個回路中的壓力小于管路壓力的量是流率 和閥門開度的尺寸的函數。螺線管調節閥門開度使得壓力與來自控制器28的信號電流成比 例。通過主栗38和/或輔助栗40將流體提供至管路壓力回路。主栗38可以是通過牽引馬達12 的轉子驅動或者當分離離合器16接合時通過發動機10驅動的正排量栗。主栗38的流率與栗 的排量以及栗的轉速成比例。可以通過相對較小的低壓電動馬達響應于來自控制器28的指 令來驅動輔助栗40。為了減小成本，輔助栗40可以設計成限制的最大流率能力。通過低壓電 池42驅動輔助栗40。可以通過發動機驅動的發電機或者通過高壓電池14經由直流/直流 (DC/DC)轉換器為低壓電池42充電。
[0027]提供了用于起動發動機10的兩種機制。當分離離合器16分離時，控制器28可以指 令起動機44使發動機10旋轉至高達可以起動發動機的轉速。起動機44從低壓電池42接收其 電力。因為扭矩有限，通常使用高齒輪比。起動機44的耐久性可能使其不適合用于與混合動 力車輛運轉關聯的頻繁的發動機起動。可替代地，可以使用分離離合器16結合牽引馬達12 加速發動機10。如果牽引馬達12旋轉得比發動機的怠速快，則接合分離離合器16迅速地將 發動機10帶動至運轉轉速。然而，為了避免動力傳動系統輸出扭矩的波動，在發動機起動過 程期間必須小心地控制牽引馬達12和分離離合器16。
[0028]圖2示意地說明了示例變速箱20。輸入軸50固定連接至變矩器18的渦輪。輸出軸52 經由驅動軸固定連接至差速器22的輸入。變速箱利用四個簡單行星齒輪組60、70、80和90。 行星齒輪架62繞中央軸線旋轉并且支持一組行星齒輪64使得行星齒輪相對于行星齒輪架 旋轉。行星齒輪的外齒與中心齒輪66的外齒以及環形齒輪68的內齒嚙合。中心齒輪和環形 齒輪被支持以隨齒輪架繞相同的軸線旋轉。類似地構建齒輪組70、80和90。
[0029] 中心齒輪66固定連接至中心齒輪76、齒輪架62固定連接至環形齒輪98、環形齒輪 78固定連接至中心齒輪86、環形齒輪88固定連接至中心齒輪96、輸入軸50固定連接至齒輪 架72而輸出軸52固定連接至齒輪架92。通過制動器100選擇性地保持環形齒輪68不旋轉而 通過制動器102選擇性地保持中心齒輪66和76不旋轉。輸入軸50通過離合器104選擇性地連 接至環形齒輪88和中心齒輪96。中間軸54通過離合器106選擇性地連接至齒輪架82、通過離 合器108選擇性地連接至齒輪架62和環形齒輪98并且通過離合器110選擇性地連接至環形 齒輪78和中心齒輪86。
[0030] 如表1顯示的，接合離合器和制動器四者的組合在輸入軸50和輸出軸52之間建立 十個前進傳動比和一個后退傳動比。X指示該離合器需要用于建立功率傳輸路徑。（X)指示 該離合器可以應用但不是必須的。為了準備車輛的前移，必須接合至少三個換擋元件100、 102和104。為了準備車輛的后移，必須接合四個換擋元件100、102、106和108。
[0031] 表1
[0032]

[0033] 換擋元件100-110優選為液壓驅動的濕式摩擦離合器。濕式摩擦離合器包括固定 用于與選擇性地連接的部件中的一者旋轉的離合器殼體以及固定用于與其它選擇性連接 的部件旋轉的轂。對于濕式摩擦制動器，離合器殼體通常與變速器箱體集成。一組摩擦盤花 鍵連接至轂并且與花鍵連接至殼體的一組分離盤交替。為了接合離合器，流體在壓力下被 供應至殼體中的應用室，迫使活塞擠壓摩擦盤和分離盤使摩擦防止相對旋轉。釋放彈簧迫 使活塞移至分離的位置。在旋轉的離合器(非制動器)的情況下，通常將未加壓的流體也供 應至殼體中的平衡室以抵消傾向于加壓應用室中的流體的任何離心力。
[0034] 當車輛停車一段時間時，流體流出應用室和平衡室。為了準備車輛在鑰匙啟動 (key start)事件之后的移動，必須將基本容積的流體栗送進變速箱20以使將要接合的三 個或四個換擋元件中的活塞行程移動(stroke)。盡管輔助栗40能產生足夠的壓力來填充這 些室，但是可能不能提供足夠高的流率來足夠迅速地填充它們。如果應用離合器的流程花 費太長時間，當駕駛員通過壓加速器踏板請求扭矩時車輛會沒有準備好移動。
[0035] 為了確保車輛響應于扭矩請求而準備移動，如圖3所示控制器可以控制牽引馬達 12的轉速。響應于車輛啟動事件120,控制器將122處的馬達轉速增加至怠速轉速124。車輛 啟動事件是來自駕駛員的駕駛員準備行駛但是還沒有準備車輛移動的指示。例如，可以通 過駕駛員旋轉點火開關31中的鑰匙而觸發車輛啟動事件。可替代地，車輛可以提供用于駕 駛員提供該指示的啟動按鈕或者一些其它裝置。車輛啟動事件之前，包括控制器28的大多 車輛系統沒有通電。響應于馬達12的旋轉，主栗38提供流體至管路壓力回路。控制器可以指 示閥體36引導一些流體至倒擋和一擋都需要的換擋元件100和102。然而，此時沒有建立功 率傳輸路徑。響應于在126處進入行駛擋或者倒擋的換擋，控制器指示閥體36從管路壓力回 路引導流體至需要建立對應的功率傳輸路徑的換擋元件。可以通過換擋桿30的駕駛員操作 來指示進入行駛擋或倒擋的換擋。所以，在128處建立功率傳輸路徑。盡管在128處動力傳動 系統準備好移動，但是車輛沒有移動直到駕駛員在130處通過釋放制動器踏板并且壓加速 器踏板32而指示扭矩請求。（一些車輛可能將兩個踏板的釋放理解成小的扭矩請求)馬達轉 速保持處于怠速直到扭矩請求事件130,這時如果需要，則控制器可以指令馬達轉速增加 132來提供請求的扭矩。最后，在134處，車輛已經開始移動之后控制器可以起動發動機10。 [0036]在圖3說明的場景中，從緊接車倆啟動事件120之后馬達12保持處于怠速轉速直到 扭矩請求130。由于駕駛員將目的地輸入GPS系統、調整收音機并且等待交通通暢，這可能有 幾分鐘。這段時間期間，電力從高壓電池14流失。此外，駕駛員可能被馬達轉動的聲音打擾。
[0037]圖4是在車輛啟動事件和扭矩需求之間的間隔期間減少使用牽引馬達12的控制牽 引馬達12、換擋元件100-110和輔助栗40的程序的流程圖。所以，消耗較少的燃料。圖5說明 在這段時間間隔期間對應的馬達轉速。該方法響應于車輛啟動事件（比如轉動點火鑰匙)而 開始。在140處，馬達轉速設置為零。在142處，只要換擋桿30保持在泊車擋或空擋位置則控 制器分支回到140使馬達轉速保持為零。當在142處移動換擋桿30時，控制移動至144,在144 處控制器指令倒擋和一擋都應用的換擋元件的接合。取決于如146處確定的是已經選擇倒 擋還是行駛擋，控制器在148處指令離合器108的接合或者在150處指令離合器104的接合。
[0038] 由于在接合指令之后需要時間填充各個離合器應用室，這些換擋元件不會立刻接 合。在152處，控制器通過每隔一定時間向當前指令的馬達轉速添加增量而指令馬達轉速增 加。馬達轉速繼續增加直到在154處控制器在時間128處探測到對應的功率傳輸路徑的接 合。變矩器渦輪的轉速隨馬達轉速增加，直到換擋元件接合建立功率傳輸路徑為止。一旦建 立了功率傳輸路徑，渦輪轉速減小為零。可以通過控制器監視渦輪轉速傳感器來探測功率 傳輸路徑的建立。控制器在156處指令輔助栗保持管路壓力并且在158處指令開始減小馬達 轉速。控制器每隔一定時間從當前指令的馬達轉速減去增量直到指令的轉速為零或者直到 在160處探測到扭矩需求。在一些情況下，扭矩需求可能發生在馬達轉速達到零之前。在其 它情況下，如圖5所示，在130處的扭矩需求發生之前馬達可能處于零轉速(zero speed)達 一段時間。
[0039] 在162處，基于扭矩需求的幅度和測量的渦輪轉速設置馬達轉速。對于高扭矩需 求，馬達設置為大幅度地高于渦輪轉速以產生高渦輪扭矩。對于不太大的扭矩需求，與渦輪 轉速的差距較小。只要扭矩需求為正，馬達轉速隨車速穩定增加，并且從而渦輪轉速增加。 一旦馬達轉速足以保持管路壓力，在164處指令輔助栗關閉。由于換擋元件的狀態沒有變 化，流動需求(flow demand)低并且從而保持管路壓力所需要的馬達轉速低。當在166處控 制器確定需要發動機功率時(比如在時間134處），在168處起動發動機。
[0040] 在一些實施例中，可以忽略或者以不同的順序執行一些步驟的序列。例如，在一些 實施例中，在換擋桿移出泊車擋或空擋之前可以指令接合倒擋和一擋兩者共用的換擋元 件。可以示例中換出泊車擋之后的類似方式暫時指令馬達增加轉速以提供必需的流動以接 合這些換擋元件。隨后，可以減小馬達轉速并且通過輔助栗保持管路壓力。
[0041] 雖然上文描述了示例實施例，但是并不意味著這些實施例描述了權利要求包含的 所有可能的形式。說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限定，并且應理解不脫離本發明 的精神和范圍可以作出各種改變。如上所述，可以組合多個實施例的特征以形成本發明沒 有明確描述或說明的進一步的實施例。盡管已經描述了多個實施例就一個或多個期望特性 來說提供了優點或相較于其他實施例或現有技術應用更為優選，本領域技術人員應該認識 到，取決于具體應用和實施，為了達到期望的整體系統屬性可以對一個或多個特征或特性 妥協。因此，描述的實施例在一個或多個特性上相對于其他實施例或現有技術應用不令人 滿意也未超出本發明的范圍，并且這些實施例可以滿足特定應用。
【主權項】
1. 一種車輛，包含： 離散傳動比變速器，具有輸入和輸出； 主栗，可驅動地連接至所述輸入并且配置用于以提升的壓力供應流體至管路壓力回 路； 第二栗，配置用于保持所述管路壓力回路中所述提升的壓力； 閥體，配置用于將所述流體從所述管路壓力回路引導至所述變速器的換擋元件； 牽引馬達，可驅動地連接至所述輸入； 行駛模式選擇器；以及 控制器，配置用于： 響應于所述行駛模式選擇器的移動，增加所述牽引馬達的轉速并且控制所述閥體以引 導所述流體至所述換擋元件中的一些以建立從所述輸入至所述輸出的功率傳輸路徑，以及 建立所述功率傳輸路徑之后，減小所述牽引馬達的轉速并且使用所述第二栗保持所述 變速器處于行駛狀態。2. -種接合混合動力電動車輛的變速器的方法，包含： 增加牽引馬達的轉速以使加壓的流體流動至所述變速器內的換擋元件；以及 在所述換擋元件的接合之后，減小所述牽引馬達的所述轉速并且使用輔助流體壓力源 保持所述換擋元件處于接合的狀態。3. 根據權利要求2所述的方法，其中，響應于進入行駛模式的換擋而執行增加所述牽引 馬達的轉速。4. 根據權利要求3所述的方法，其中，所述行駛模式是后退行駛模式。5. 根據權利要求3所述的方法，進一步包含在車輛啟動事件和進入所述行駛模式的換 擋之間保持所述牽引馬達的轉速處于零。6. 根據權利要求3所述的方法，進一步包含響應于進入所述行駛模式的換擋之后的扭 矩請求而增加所述馬達的轉速。7. 根據權利要求2所述的方法，進一步包含通過增加分離離合器的扭矩容量以選擇性 地連接內燃發動機至所述牽引馬達而起動內燃發動機。8. 根據權利要求2所述的方法，進一步包含使用獨立的起動機馬達起動內燃發動機。9. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述輔助流體壓力源是通過獨立的電動馬達驅動 的獨立栗。10. -種運轉混合動力車輛的方法，包含： 響應于行駛模式的選擇，增加可驅動地連接至主栗的牽引馬達的轉速以提供流體至換 擋元件，以在所述牽引馬達和車輪之間建立功率傳輸路徑；以及 在建立所述功率傳輸路徑之后，減小所述牽引馬達的轉速并且使用輔助流體壓力源保 持所述功率傳輸路徑。
【文檔編號】B60W10/06GK105857297SQ201610081285
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發明人】托德·麥克洛夫, 大衛·法雷爾, 喬治·埃德蒙德·沃利, 梁偉
【申請人】福特全球技術公司