用于动力系的电动转矩变换器和操作车辆的方法.pdf

本发明涉及用于动力系的电动转矩变换器和操作车辆的方法。电动转矩变换器具有连接到差动齿轮组的第一节点的转矩变换器输入构件，该差动齿轮组可以用具有第一、第二和第三节点的杆图来表示。电动机/发电机连接到第二节点。第三节点连接到变速器传动装置的输入构件。制动器能够选择性地接合以将第一节点挡接到固定构件。制动器的接合提供再生制动模式和仅电动驱动模式，其中电动机/发电机通过差动齿轮组连接到变速器传动装置。可以提供离合器，用于发动机的锁定或选择性连接，包括在仅电动驱动期间降低发电机起动所需的电动机/发电机转矩的装置。操作车辆的方法在给定电池充电水平和操作员命令所可能的程度上将发动机速度保持在最佳水平。

1.  一种动力系，包括：
发动机；
变速器传动装置，其具有输入构件和输出构件；
固定构件；
电动转矩变换器，其具有：
转矩变换器输入构件，用于从该发动机接收功率或将功率提供给该发动机；
差动齿轮组，其能够用具有包括第一节点、第二节点和第三节点的至少三个节点的杆图来表示；其中所述转矩变换器输入构件能够连接到所述第一节点；
电动机/发电机，其连接到所述第二节点；
电池，用于向所述电动机/发电机提供功率或者从所述电动机/发电机接收功率；
其中所述第三节点可操作地连接到所述变速器传动装置的输入构件；和
制动器，其能够选择性地接合以将所述第一节点挡接到该固定构件；其中当所述电动机/发电机被控制为作为发电机操作时，所述制动器的选择性接合提供再生制动模式，以及当所述电动机/发电机被控制为作为电动机操作时，所述制动器的选择性接合提供仅电动驱动模式。

2.  如权利要求1所述的动力系，其中所述电动转矩变换器具有离合器，该离合器能够选择性地接合以将该转矩变换器输入构件与所述第二节点和第三节点中的一个相连接以进行共同旋转。

3.  如权利要求2所述的动力系，其中所述离合器的选择性接合还将所述第一节点和所述第三节点相连接以进行共同旋转，从而使得该第一节点、第二节点和第三节点、所述转矩变换器输入构件和所述变速器传动装置输入构件以共同速度旋转。

4.  如权利要求1所述的动力系，其中所述制动器的选择性接合还将所述发动机挡接到所述固定构件。

5.  如权利要求1所述的动力系，其中所述电动转矩变换器具有：
第一离合器，其能够选择性地接合以将该转矩变换器输入构件与所述第三节点相连接以进行共同旋转；
第二离合器，其能够选择性地接合以将所述转矩变换器输入构件与所述第一节点相连接以进行共同旋转；以及
其中在所述第二离合器分离的情况下所述第一离合器与所述制动器的接合使得所述电动机/发电机转动所述转矩变换器输入构件和所述变速器传动输入构件二者，从而起动所述发动机，并且一旦所述发动机已经起动，使得所述动力系操作在并联混合模式，其中经由所述差动齿轮组增加转矩。

6.  如权利要求1所述的动力系，其中所述电动转矩变换器具有：
第二离合器，其能够选择性地接合以将所述转矩变换器输入构件与所述第一节点相连接以进行共同旋转；以及
其中所述第二离合器的接合使得来自于所述发动机的转矩和来自于所述电动机/发电机的转矩在所述变速器传动装置的所述输入构件处组合。

7.  如权利要求1所述的动力系，其中所述电动转矩变换器具有：
第一离合器，其能够选择性地接合以将所述转矩变换器输入构件与所述第三节点相连接以进行共同旋转；
第二离合器，其能够选择性地接合以将所述转矩变换器输入构件与所述第一节点相连接以进行共同旋转；以及
其中在并联混合直接操作模式中，所述第一离合器和第二离合器二者的接合使得来自所述发动机的转矩和来自所述电动机/发电机的转矩在所述变速器传动装置的所述输入构件处组合，其中所述发动机、所述电动机/发电机和所述变速器传动装置的所述输入构件以共同速度旋转。

8.  如权利要求1所述的动力系，其中所述电动转矩变换器具有：
第一离合器，其能够选择性地接合以将所述转矩变换器输入构件与所述第三节点相连接以进行共同旋转；以及
其中，当在所述仅电动驱动模式期间所述制动器被接合时，所述第一离合器的选择性接合使得所述电动机/发电机转动所述转矩变换器输入构件，从而起动所述发动机。

9.  一种在车辆动力系中适于连接在发动机和固定传动比的变速器传动装置之间的电气和机械部件的装置，包括：
输入构件，适于从该发动机接收功率或将功率提供给该发动机；
输出构件，适于将功率提供给该变速器传动装置或从该变速器传动装置接收功率；
差动齿轮组，其能够用具有包括第一节点、第二节点和第三节点的至少三个节点的杆图来表示；其中所述输入构件能够连接到所述第一节点；
电动机/发电机，其连接到所述第二节点；
电池，用于向该电动机/发电机提供功率或者从该电动机/发电机接收功率；
其中所述第三节点适于连接到该变速器传动装置；
制动器，适于选择性地将所述第一节点挡接到固定构件，用于降低速度并且增加从所述第二节点到第三节点的转矩；以及其中该装置被配置为，当被连接在该发动机和该固定传动比的变速器传动装置之间时，向该固定传动比的变速器传动装置提供功率分配操作、仅电动启动和仅电动驱动。

10.  如权利要求9所述的装置，还包括：
第一离合器，其能够选择性地接合以将所述输入构件与所述电动机/发电机相连接以进行共同旋转；
第二离合器，其能够选择性地接合以将所述输入构件与所述第一节点相连接以进行共同旋转；
其中所述第一离合器被配置为，当被接合时将起动转矩从所述电动机/发电机传送到所述发动机；以及其中在发动机起动期间，所述制动器被接合并且所述第二离合器被分离。

11.  如权利要求10所述的装置，其中当所述车辆处于使用由所述电池提供的功率的仅电动驱动操作时，所述第一离合器和所述制动器的所述选择性接合提供发动机起动。

12.  如权利要求9所述的装置，还包括：
第一离合器，其能够选择性地接合以将所述输入构件与所述输出构件相连接；
第二离合器，其能够选择性地接合以将所述输入构件与所述第一节点相连接以进行共同旋转；
其中所述第一离合器被配置为，当被接合时将起动转矩从所述输出构件传送到所述发动机；以及其中在发动机起动期间，所述制动器被接合并且所述第二离合器被分离。

13.  如权利要求12所述的装置，其中当所述车辆处于使用由所述电池提供的功率的仅电动驱动操作时，所述第一离合器和所述制动器的所述选择性接合提供发动机起动。

14.  一种操作车辆的方法，该车辆具有发动机、电动机/发电机以及在具有该电动机/发电机的功率流装置中的电池，所述方法包括：
在不起动该发动机的情况下，使用由该电池供电的电动机/发电机来推动该车辆；
至少周期性地监控该电池的充电水平和放电率中的至少一个；
响应于下列二者中的任何一个而起动发动机：接收到基于所述监控确定所需要的功率量比确定能从所述电池得到的功率量大的操作员命令，或者确定所述至少一个监控的充电水平已经达到预定最小水平，从而使用该电动机/发电机和该发动机二者来推动该车辆；
在所述起动之后，改变该电动机/发电机和该发动机的操作以满足操作员命令的车辆功率要求；其中所述改变包括：
当所述至少一个监控的充电水平大于所述预定最小水平时，将发动机速度维持在预定的最佳水平；以及
当所述至少一个监控的充电水平不大于所述预定最小水平时，将发动机速度设置为不同于所述预定最佳水平的水平，以使得该发动机对该电池再充电；
在发生下列二者中的任何一个时停止该发动机：接收到基于所述监控确定所需要的功率量被确定为可从所述电池获得的操作员命令，或者所述监控的充电水平达到预定的最大再充电水平；以及
重复所述推动、起动、改变以及停止步骤，同时继续所述至少周期性监控。

15.  如权利要求14所述的方法，还包括：
停止该车辆；
可操作地将该电池与外部电源相连接；以及
使用该外部电源对该电池充电。

用于动力系的电动转矩变换器和操作车辆的方法
技术领域
本发明涉及一种具有电动转矩变换器(electric torqueconverter)的动力系(powertrain)以及一种操作车辆的方法。
背景技术
具有自动变速器的动力系常常利用连接在内燃机和具有可选择的固定传动比的传动装置(gearing arrangement)之间的液压转矩变换器。转矩变换器是一种降低速度并且增加转矩从而增加变速器的总速比的液力耦合器。转矩变换器允许发动机稍微独立于该变速器而旋转，因而部分地使该发动机与该变速器去耦合，并且当汽车怠速时允许该发动机转动而不需要对该变速器的大制动力。
混合电动可变(electrically variable)动力系包括发动机以及从该发动机和一个或多个电动机/发电机(motor/generator)接收功率流的变速器。混合电动无级变速器(electrically variabletransmission)具有差动齿轮组，其中来自该发动机的功率和来自该电动机/发电机的功率流过该差动齿轮组的不同构件。混合电动无级变速器可以包括转矩传递机构，其在各种接合(engagement)方案中可控以提供操作模式的组合，所述操作模式包括电动可变范围和固定传动比二者。该电动可变范围典型地提供平稳操作，而该固定传动比提供某些条件下(例如连续公路巡航)的最大转矩性能和最大燃料经济。该电动可变范围是经由机电功率路径而建立的，其中从发动机传递到输出的一部分功率由一个电动机/发电机转换为电力，然后由另一个电动机/发电机转换回机械功率。固定传动比典型地通过将电动机/发电机和发动机直接耦合在一起来提供优良的变速器输出转矩和车辆加速度。在固定传动比中，从变速器输入构件到变速器输出构件的功率流路径被认为完全通过机械功率路径，因为速度不由电动机/发电机改变。
发明内容
适于连接在发动机和变速器传动装置(transmission gearingarrangement)之间的电动转矩变换器可以被认为是实现混合车辆操作模式的液压转矩变换器的替换。该电动转矩变换器是电气和机械部件的装置，而不是液压转矩变换器。具体地说，该电动转矩变换器是动力系的一部分，该动力系还包括该发动机和该变速器传动装置。该电动转矩变换器具有转矩变换器输入构件，用于从该发动机接收功率或将功率提供给该发动机。该电动转矩变换器还包括差动齿轮组，其可以用具有第一、第二和第三节点的杆图(lever diagram)来表示，其中该转矩变换器输入构件连接到该第一节点。该电动转矩变换器包括连接到该第二节点的电动机/发电机。电池向该电动机/发电机提供功率或从该电动机/发电机接收功率。该第三节点连接到该变速器传动装置的输入构件。制动器能够选择性地接合以将第一节点挡接(ground)到固定构件。制动器的接合提供再生制动模式和仅电动驱动模式，其中该电动机/发电机通过该差动齿轮组连接到该变速器传动装置。
优选地，提供第一离合器以将该发动机与其它节点中的一个连接。如果该电动转矩变换器输入构件连续地连接到第一节点，则该第一离合器的接合锁定该差动齿轮组，使得在混合操作模式中，所有元件以相同的速度旋转。然而，在一些实施例中，该电动转矩变换器输入构件不是连续地连接到第一节点，在这样的情况下，提供第二离合器以选择性地使该转矩变换器输入构件和第一节点接合。该制动器和第一离合器(以及第二离合器，如果在具体实施例中提供的话)的接合安排(schedule)允许使用电动机/发电机冷起动发动机、“转矩变换器”模式以及并联混合模式，在″转矩变换器″模式中来自该电动机/发电机和发动机二者的转矩和旋转速度通过该差动齿轮组被组合，在该并联混合模式中来自该电动机/发电机和发动机二者的转矩以共同的旋转被组合。具有该电动转矩变换器的动力系可能比提供相似模式能力的混合电动可变动力系具有更低的装配和部件成本，因为混合电动可变动力系典型地需要两个电动机/发电机。其他仅具有一个电动机/发电机的混合动力系典型地受限于直接并联混合操作模式和仅电动模式。
具有如上所述的电动转矩变换器的车辆可以根据如下方法来操作，该方法包括使用由电池供电的电动机/发电机来推动该车辆而不启动发动机。虽然用这样的方式来推动车辆，但是至少周期性地监控该车辆的充电水平(level of charge)和放电率。如果操作员命令需要的功率量比从该电池可得到的功率量大(根据所监控的充电水平和/或放电率)，或者如果确定该电池已经到达预定最小充电水平，希望在该水平处对该电池再充电，则起动该发动机。在发动机被起动后，改变该发动机和电动机/发电机的操作，以便满足操作员命令的车辆功率要求，同时将该发动机维持在预定最佳速度，除非它必须被操作在不同的速度水平，以使得该发动机可以将该电池再充电至大于该最小水平的充电水平，所述充电水平在这里被称为最大再充电水平，但是其不必是该电池可以保持的最大充电水平。如果随后该操作员命令所需要的功率的量可以从该电池中获得，或当该电池到达该预定的再充电水平时，该发动机停止。上述步骤被连续重复，直到该车辆被停止(即，不仅是暂时停止在交通信号灯处，而是当它不再被操作员用来进行运输)。那时，该电池可以与外部电源相连接并且被再充电。
通过以下结合相应附图对用于实现本发明的最佳实施例的详细描述，本发明的上述特征和优点及其他特征和优点将被容易理解。
附图说明
图1是具有包括电动转矩变换器的动力系的车辆的第一实施例的示意图，其以杆图(lever diagram)的形式示出了电动转矩变换器的差动齿轮组并且示出了使用外部电源的任选再充电；
图2是具有包括电动转矩变换器的动力系的车辆的第二实施例的示意图，其以杆图的形式示出了电动转矩变换器的差动齿轮组并且示出了使用外部电源的任选再充电；
图3是图2的车辆、动力系和外部电源的示意图，其中以棍图(stickdiagram)形式示出了差动齿轮组；
图4是示出包括在图2和3的电动转矩变换器中的转矩传递机构的接合安排的表格；和
图5是示出了操作车辆的方法的流程图。
具体实施方式
第一实施例
参考附图，其中相同的参考数字指代相同的部件，图1描绘了利用电动转矩变换器的动力系的一种典型形式。车辆10(示意地示出)利用具有发动机14、变速器传动装置16和连接在它们之间的电动转矩变换器18的动力系12。电动转矩变换器18可以是液压转矩变换器的替换，因为其位于发动机14和变速器传动装置16之间的类似位置处。电动转矩变换器18包括在由参考数字18表示的虚线内的电气和机械部件的布置。发动机输出构件15直接驱动可以具有轴性质的电动转矩变换器输入构件20。在所示实施例中，发动机14可以是柴油发动机或其他内燃机。
除了转矩变换器输入构件20之外，电动转矩变换器18包括以具有第一节点A、第二节点B和第三节点C的杆图的形式表示的差动齿轮组30。本领域技术人员将容易认识到差动齿轮组的某些部件可以由杆图上的节点来表示。例如，在行星齿轮组中，支架构件、太阳齿轮构件和环形齿轮构件都被表示为杆图上的节点，但是由该支架构件支撑的小齿轮则未被表示为节点。此外，在复式行星齿轮组中，那些彼此连续互连以围绕中心轴共同旋转的齿轮元件由单个节点表示。本领域技术人员容易理解将差动齿轮组表示为杆图的表示法。优选地，差动齿轮组30是行星齿轮组，具有由节点B表示的太阳齿轮构件、由节点C表示的行星支架构件和由节点A表示的环形齿轮构件，该行星支架构件可旋转地支撑一组小齿轮(本杆图中未示出)，该小齿轮与该节点B的太阳齿轮构件和节点A的环形齿轮构件二者互相啮合。可替换地，差动齿轮组30可以是具有内小齿轮组和外小齿轮组的单个行星齿轮组，其具有行星支架构件A、太阳齿轮构件B和环形齿轮构件C。
电动转矩变换器输入构件20连接到节点A。电动转矩变换器18还包括电动机/发电机40。本领域技术人员将会理解，电动机/发电机40包括转子部分以及挡接到固定构件(例如该电动转矩变换器18的外壳)的定子部分。该转子部分与节点B连接用于旋转。该定子部分可以从储能装置48(例如电池)接收电功率或者将电功率提供给储能装置48。
电子控制器50与电池48和功率逆变器(inverter)52进行信号通信，该功率逆变器52还与电动机/发电机40电通信。逆变器52在由电池48提供或使用的直流与由电动机/发电机40提供或使用的交流之间进行转换。控制器50响应于各种输入信号来经由逆变器52调节电动机/发电机40和电池48之间的功率流，该输入信号包括车辆速度、操作员命令、电池48被充电的水平和电池48的放电率、以及由发动机14提供的功率。操作员命令从操作员输入机构54(例如加速器或制动踏板)发送到控制器50。电池48的充电水平和放电率由控制器50基于由一个或多个传感器56测量的从电池48流出的电流来确定。控制器50监控来自一个(或多个)传感器56和操作员输入机构54的信息，以控制电动机/发电机40、发动机14、以及下述各个转矩传递机构的操作。
节点C与电动转矩变换器输出构件60相连接以进行共同旋转，该电动转矩变换器输出构件60又与变速器传动装置16的输入构件62相连接以进行共同旋转。优选地，该变速器传动装置16是固定传动比的传动装置，例如一个或多个行星齿轮组或一组相互啮合的齿轮与传动轴，其可以以固定传动比或若干可选择的固定传动比来传递轴功率，在变速器输出构件64中结束(culminating)。变速器输出构件64也可以具有轴的性质，其可操作地连接到车轮(未示出)，以使得动力系12可以驱动该车轮。
电动转矩变换器18包括以下转矩传递机构：制动器B1和离合器C1和C2。制动器B1能够选择性地接合以将节点A、电动转矩变换器输入构件20和发动机输出构件15挡接到固定构件44(例如变速器外壳)。因而，制动器B1充当发动机制动器。制动器B1可以是单向(即自由回转(freewheeling)或超越(overrunning))离合器，或其可能是可控单向离合器，或单向离合器与盘式制动器或带式制动器并联的组合。当接合时，制动器B1保持电动转矩变换器输入构件20固定，以提供反作用转矩，从而将功率通过差动齿轮组30从电动机/发电机40传递到变速器输入构件62，和/或将该功率从变速器输入构件62传递到电动机/发电机40，用于再生制动。
离合器C1能够选择性地接合以将节点A、电动转矩变换器输入构件20和发动机输出构件15连接到节点B。因为离合器C1将节点A与节点B相连接以进行共同旋转，所以它使得所有节点A、B和C以及电动机/发电机40、电动转矩变换器输入构件20和发动机输出构件15以共同速度旋转。C1的可替换的优选位置是在节点A和C之间(当这些节点表示环形齿轮构件和支架构件时)，以减轻离合器C1接合时小齿轮上的转矩负载。离合器C1可以由弹簧闭合(即施加或接合)并且由液压打开(分离)。
离合器C2能够选择性地接合以将节点C、电动转矩变换器输出构件60和变速器传动输入构件62连接到固定构件44。离合器C2可以可替换地放置在电动转矩变换器18的外部以将变速器输入构件62连接到固定构件(例如变速器外壳)，并且对节点C具有相同的影响。离合器C2可以是电接合或液压接合的离合器、棘爪(pawl)机构或可切换的单向离合器。
离合器C1和C2以及制动器B1经由传输导体(transfer conductor)(为简单起见未示出)与控制器50进行信号通信。控制器50控制离合器C1和C2与制动器B1的接合以实现该动力系12的各种操作模式。这里使用的“模式”是通过特定的转矩传递机构或多个转矩传递机构的接合而实现的特定运行状态，不管是包含连续速比范围还是仅包含固定速比。
电动转矩变换器18的操作和控制可以包括仅使用电动机/发电机40的推动、再生制动、发动机起动、发动机重新起动、发动机停止、简单的并联操作以及功率分配操作。通过接合制动器B1，车辆10可以由电动机/发电机40单独电推动，而发动机14固定。离合器C1和C2将被分离。机械功率将从电动机/发电机40流过节点B(太阳齿轮构件)流到节点C(支架构件)，并且流出到变速器传动装置16和输出构件64。仅来自电动机/发电机40的转矩将通过使用来自节点A(环形齿轮构件)和制动器B1的反向、反作用转矩而增加。电动机/发电机40将以相对高速正向旋转。如果制动器B1被设计为支持正向(forward)反作用转矩，则车辆10的再生制动将使该过程颠倒。
通过接合离合器C1并且使制动器B1分离，可以由电动机/发电机40以冷起动(即，当车辆10固定时)来起动发动机14。电动机/发电机40和发动机14将使用由电池48提供的功率一起旋转，直到发动机14起动。
可选地，在发动机14的冷起动期间离合器C2可以被接合以锁定节点C(支架构件)，其中离合器C1和制动器B1分离，来自于电动机/发电机40的功率流过由杆(lever)30表示的差动齿轮组以起动发动机14。通过利用从杆30的节点B提供到节点A的转矩增加，电机转矩需求将从100％的发动机起动转矩减少到大约40％的发动机起动转矩，这将大大降低所需的电池48的电池功率并且允许使用相对低成本的小型的电动机/发电机40。
在变速器输入构件62旋转的重新起动期间(即，当车辆10不固定时起动发动机14)，离合器C1将首先被分离，然后逐渐被施加，打滑以允许发动机14的速度增加并且电动机/发电机40的速度减小，会聚到变速器输入构件62的速度。在离合器C1随后被锁定的情况下，发动机14和电动机/发电机40可以一起以简单的并联混合操作来推动车辆10，并且电动机/发电机40可以提供再生制动，如下所述。
通过分离离合器C1、分离制动器B1并且将发动机14连接到节点B来提供功率分配操作模式，从而允许将电动机/发电机40控制在希望的速度，以调整发动机14和变速器输入构件62之间的速比。这需要功率分配，其中电动机/发电机40提供功率(经由电池48)或吸收功率以调整该比率，同时功率还被传递到发动机14或从发动机14传递。该功率分配操作类似于液压转矩变换器操作，除了功率被恢复并且可以被增加而不是被耗散之外。功率分配操作允许使用发动机14推动车辆10来平稳地起动车辆。对于使用发动机转矩和电动机/发电机转矩的总和的最大值来从零速度强烈但是相对粗暴地起动车辆，可以使离合器C1打滑。
电动转矩变换器18的简单并联操作和功率分配操作可以被组合以确定从发动机14到车轮的速比(即，从电动转矩变换器输入构件20到变速器传动装置输出构件64的比)。从功率分配模式到简单并联操作的平稳过渡可以通过调整电动机/发电机40的速度来逐渐调整发动机14和变速器输入构件62之间的速比而实现。在电动机/发电机40的速度为零的点，发动机14(和发动机输出轴15)的速度将是变速器输入构件62的速度的预定比率。通过将电池功率施加到电动机/发电机40可以将相对于发动机速度的变速器输入速度增加超过该预定值，以使得它的角速度与该发动机速度处于相同的方向上。在电动机/发电机40(即其转子部分)、发动机输出轴15和变速器传动装置输入构件62全部以相同的速度旋转的点，离合器C1可以被无缝锁定从而实现“冷换挡(coldshift)”。如果操作员在需要调低速档(如通过控制器50经由来自操作员输入机构54的信号确定的)的水平处请求加速，则可以增加电动机/发电机40上的转矩，以将由离合器C1载有的转矩降低到零。在那时，离合器C1可以被无缝分离，允许发动机14加速到电动机/发电机40的速度之上。这具有两个优点。首先，它使得电动机/发电机40的惯性与发动机14的惯性(即，发动机14的飞轮部分的惯性)去耦合，这改善了车辆响应性和加速性能，并且降低了在调高速档期间耗散在变速器传动装置16中的能量。第二，它允许电动机/发电机40保持速度接近于它的功率峰值，同时电动机/发电机40提供来自于电池48的正功率以帮助推动车辆10。
或者通过接合C1，使用变速器传动装置16来通过当车辆减速时可用的固定传动比调低速档来建立再生制动模式，或者通过接合制动器B1使发动机14制动并且将变速器传动装置16保持在相对较高的传动比(例如1∶1比率)来建立再生制动模式。第二选项具有如下优点：消除了变速器在再生转矩较高的低车辆速度处调低速档的需要，消除了发动机损耗，降低了变速器旋转和啮合损耗，并且提供了电动机/发电机40和变速器传动装置输入构件62之间的传动比，这改善了电机效率。
电池48配备有插座66，其适于容纳经由导线连接到外部功率源70的插头68。“外部功率源”不是车辆10的一部分，并且用于电池48的插入式再充电。
第二实施例
利用电动转矩变换器的动力系的另一典型形式如图2所示。车辆110(示意地示出)利用具有发动机114、变速器传动装置116和连接在它们之间的电动转矩变换器118(包括虚线118内的所有部件)的动力系112。发动机输出构件115直接驱动可以具有轴性质的电动转矩变换器输入构件120。在所示实施例中，发动机114可以是柴油发动机或其他内燃机。
除了转矩变换器输入构件120之外，电动转矩变换器118包括以具有第一节点D、第二节点E和第三节点F的杆图的形式表示的差动齿轮组130。优选地，该差动齿轮组130是行星齿轮组，具有由节点E表示的太阳齿轮构件、由节点F表示的行星支架构件和由节点D表示的环形齿轮构件，该行星支架构件可旋转地支撑一组小齿轮(该杆图中未示出)，该小齿轮与该节点E的太阳齿轮构件和节点D的环形齿轮构件均互相啮合。
电动转矩变换器输入构件120可以通过离合器C2的接合而连接到节点D，如下所述。电动转矩变换器118还包括电动机/发电机140。本领域技术人员将会理解，电动机/发电机140包括转子部分以及挡接到固定构件(例如该电动转矩变换器118的外壳)的定子部分。该转子部分与节点E相连接以进行旋转。该定子部分可以从储能装置148(例如电池)接收电功率或者将电功率提供给储能装置148。
电子控制器150与电池148和功率逆变器152进行信号通信，该功率逆变器152也与电动机/发电机140进行电通信。逆变器152在由电池148提供或使用的直流与由电动机/发电机140提供或使用的交流之间进行转换。控制器150响应于各种输入信号来经由逆变器152调节电动机/发电机140和电池148之间的功率流，该输入信号包括车辆速度、操作员命令、电池148被充电的水平和电池148的放电率，以及由发动机114提供的功率。操作员命令从操作员输入机构154(诸如加速器或制动踏板)发送到控制器150。电池148的充电水平和放电率由控制器150基于由一个或多个传感器156测量的从电池148流出的电流来确定。如下所述，控制器150监控来自一个(或多个)传感器156和操作员输入机构154的信息，以控制电动机/发电机140、发动机114以及各个转矩传递机构的操作。电池148配备有插座166，其适于容纳经由导线连接到外部功率源170的插头168。
节点F与电动转矩变换器输出构件160相连接以进行共同旋转，该电动转矩变换器输出构件160又与变速器传动装置116的输入构件162相连接以进行共同旋转。优选地，该变速器传动装置116是固定传动比的传动装置，例如一个或多个行星齿轮组或一组相互啮合的齿轮与传动轴，其可以以固定的传动比或若干可选择的固定传动比传递轴功率，在变速器输出构件164中结束。该变速器输出构件164也可以具有轴的性质，其可操作地连接到车轮(未示出)，以使得动力系112可以驱动该车轮。
电动转矩变换器118包括以下转矩传递机构：制动器B1和离合器C1和C2。制动器B1能够选择性地接合以将节点D挡接到固定构件44(例如变速器外壳)。制动器B1可以是单向(即自由回转或超越)离合器，或其可能是可控单向离合器，或单向离合器与盘式制动器或带式制动器并联的组合。离合器C1能够选择性地接合以将节点E连接到电动转矩变换器输入构件120和发动机输出构件115。离合器C2能够选择性地接合以将节点D连接到电动转矩变换器输入构件120和发动机输出构件115。
图3以棍图而不是杆的形式示出了图2的实施例，其中杆图130的一种可能表示作为简单的行星齿轮组130A，其具有环形齿轮构件134作为节点D，太阳齿轮构件132作为节点E，以及支架构件136作为节点F。具有杆130的此实施方式的车辆被称为车辆110A，其具有动力系112A，该动力系112A具有电动转矩变换器118A。支架构件136可旋转地支撑多个小齿轮137，该小齿轮137与太阳齿轮构件132和环形齿轮构件134二者互相啮合。其余部件与图2的动力系112的杆图格式中用对应参考数字示出的那些部件相同地互连以及起作用，并且类似地进行编号，其中编号增加了“A”，以指定这些部件与杆图130的特定简单行星齿轮组130A实施方式一起使用。例如，发动机114A的输出轴115A与转矩变换器输入构件120A相连接。转矩变换器输入构件120A通过接合离合器C1能够选择性地连接到支架构件136，并且通过接合离合器C2能够选择性地连接到环形齿轮构件134。环形齿轮构件134通过接合制动器B1选择性地挡接到固定构件144A。
支架构件136与电动转矩变换器输出构件160A相连接以进行共同旋转，该电动转矩变换器输出构件160A又与变速器传动装置116A的输入构件162A相连接以进行共同旋转。优选地，该变速器传动装置116A是固定传动比的传动装置，例如一个或多个行星齿轮组或一组相互啮合的齿轮与传动轴，其可以以固定传动比或若干可选择的固定传动比传递轴功率，在变速器输出构件164A中结束。
电动机/发电机140A包括挡接到固定构件144A的定子部分142A。电绕组143A由定子部分142A支撑，并且产生磁力来移动转子部分146A(或者如本领域技术人员将理解的，通过转子部分146A的移动在绕组143A中建立电流)。相似的绕组存在于图1的电动机/发电机40的定子上或者图2的电动机/发电机140的定子上，但是为了示意图的清晰并未示出。转子部分146A与太阳齿轮构件132相连接。
电子控制器150A与电池148A、操作员输入机构154A和功率逆变器152A进行信号通信，该功率逆变器152A也与定子部分142A进行电通信。这些部件以与图2的相似编号的部件相同的方式起作用。电池148A的充电水平和放电率由控制器150A基于由一个或多个传感器156A测量的从电池148A流出的电流来确定。如下所述，控制器150A监控来自一个(或多个)传感器156A和操作员输入机构154A的信息，以控制电动机/发电机140A、发动机114A以及各个转矩传递机构的操作。电池148A配备有插座166A，其适于容纳经由导线连接到外部功率源170A的插头168A。
图4的接合安排中示出了通过其接合制动器B1以及离合器C1和C2以导致六个不同的操作模式的接合安排。首先，通过离合器C1和制动器B1的接合发生点火开关接通(key-on)“冷”起动(即，发动机114A从冷态起动)。利用提供反作用力的固定构件144A，电动机/发电机140A转动发动机114A和变速器传动装置116A二者，其中变速器传动装置116A被设置在空档或停车以使得车辆110A不移动。
通过分离C1和B1以及接合C2，发动机114A现在可以转动环形齿轮构件134。电动机/发电机140A转动太阳齿轮构件132。该太阳齿轮构件132和环形齿轮构件134上的转矩的总和通过支架构件136组合到变速器传动装置116A，并且经由变速器输出构件164A输出到车轮。
通过接合离合器C1和C2二者并且分离制动器B1来提供并联混合直接操作模式。在该模式中，来自于发动机114A和来自于电动机/发电机140A(由电池148A供电)的转矩被提供给变速器传动装置116A。因为离合器C1和C2二者的接合锁定行星齿轮组130A的所有部件使得以相同的速度旋转，因此发动机114A和电动机/发电机140A也以相同的速度旋转。
当离合器C1和制动器B1被接合而离合器C2分离时，并联混合直接操作模式可用，并联混合直接操作模式仍然使用来自于发动机114A和电动机/发电机140A二者的转矩来转动变速器传动装置116A，但是允许电动机/发电机140A使用可从行星齿轮组130A获得的转矩增加。
如果在该并联混合齿轮传动操作模式期间发生制动，则通过分离离合器C1同时制动器B1保持接合来建立再生制动模式，以使得通过将电动机/发电机140A操作为用于重新捕获转动能(即，太阳齿轮构件132的旋转)作为电池148A中的储能的发电机来实现车轮的减速。可选地，相同的接合安排(制动器B1接合并且离合器C1和C2分离)允许仅电动驱动，其中发动机114A与车轮分离，并且电动机/发电机140A使用来自于电池148A的储能和可以从行星齿轮组130A获得的转矩增加来给车辆110A提供动力。如果在该仅电动驱动模式中需要附加的加速度，则可以通过接合离合器C1以重新起动发动机114A来重新起动发动机114A，并且允许它也给车辆110A提供动力。
图2和3的实施例均有以下优点：通过离合器C1的打滑接合同时分离离合器C2来起动发动机114、114A仅需要来自电动机/发电机140、140A的对于起动发动机所必需的附加转矩，而不是发动机起动转矩和由制动器B1提供的转矩的总和。一旦发动机已经起动，则离合器C1可以被完全分离，C2可以被接合，且B1可以被分离。该顺序可以将电动转矩变换器的操作从仅电动操作改变为转矩变换器操作，其中对于来自于电动转矩变换器装置118和118A中的电动机/发电机140、140A的转矩的需求逐渐降低。
现在参考图5，将关于图3的车辆110A来描述示出操作车辆200的方法的步骤的流程图，不过该方法可以被应用于具有这里描述的电动转矩变换器部件的所有实施例。根据存储在图3的控制器150A中的算法执行方法200，并且鉴于发动机在给定的最佳速度最有效地燃烧燃料并且可用于给电动机/发电机供电的功率受存储在电池中的功率限制的事实，将方法200设计为最有效地使用车辆上的功率源(即发动机和电动机/发电机)。
因此，参考图5，方法200包括步骤202，在发动机114A关闭的情况下使用由电池148A供电的电动机/发电机140A来推动车辆110A(即，图4的接合安排中所示的且如上所述的仅电动驱动模式)。
在步骤202期间，发生步骤204，监控电池148A的充电水平和放电率(即，如上所述，使用传感器156A和控制器150A)。在监控步骤204中，周期性地将感测到的反馈提供给控制器150A。优选地，充电水平和放电率二者都被监控，但是在本发明的范围之内，也可以仅监控这些中的一个。
步骤206然后可以发生，或者基于控制器150A根据监控步骤204中监控的充电水平确定电池148A已经达到预定的最小充电水平，在该水平处希望再充电电池148A，或者基于控制器150A从操作员输入机构154A接收到操作员输入命令：控制器150A基于步骤204中确定的监控的充电水平或放电率来确定将需要比从电池148A可得到的功率更多的功率，起动发动机114A。
在步骤206中发动机被起动之后，在步骤208中由控制器150A改变电动机/发电机140A和发动机114A的操作，以便满足由操作员输入机构154A提供给控制器150A的操作员命令的车辆功率要求。步骤208包括两个可能的子步骤：步骤210和步骤212。首先，如果监控的电池148A的充电水平大于预定的最小水平，则电动机/发电机140A可以用来提供转矩并且发动机速度可以在步骤210中被维持在最佳速度。可选地，如果监控的电池充电水平不大于预定的最小水平，则在步骤212中，发动机速度被设置为不同于该预定水平的水平，以便满足操作员命令的车辆功率要求，同时电动机/发电机140A被控制为用作对电池148A再充电的发电机。
如果在变化步骤208期间，电池148A的充电水平足够满足操作员命令的操作要求，或者是因为特定的操作员命令现在需要较小的功率量或者是因为电池148A已经在步骤212中被再充电到最大再充电水平，则在步骤214中，发动机114A被停止，并且车辆110A仅仅由电动机/发电机140A(使用存储在电池148A中的功率)提供动力。步骤202、204、206和208被连续重复，除非该车辆在步骤216中被停止。然后，如果需要的话，可以在步骤218中将电池148A与外部电源相连接并且在步骤220中使用该外部电源对电池148A再充电。当车辆110A将被再次使用时(用于推动)，该方法200回到步骤202，并且如上所述进行重复。
虽然已经详细描述了用于实现本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所属领域的技术人员将认识到，用于实践本发明的各种可选设计和实施例将落入所附权利要求书的范围之内。