CN1972833A - 具有功率增大的无级变速传动系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种对具有电动机(22)的无级变速传动增大功率的方法。无级变速传动由发动机(12)驱动。该方法包括当电动机(22)的加速度超过一加速度临界值时，有选择地调节发动机(12)的功率输出到发动机(12)的稳定状态功率输出率以上。

Description

具有功率增大的无级变速传动系统
技术领域
本发明一般地涉及无级变速传动(CVT)系统，尤其涉及一种用于为无级变速传动(CVT)增大功率的系统和方法。
背景技术
很多推进车辆和施工机械，尤其是泥土施工机械，使用无级变速传动(CVT)来驱动推动车辆或施工机械的轮子或履带。CVT提供无穷量的传动比以在其操作范围内以任何速度产生输出。CVT的一个实例是由变速液压泵和液压电动机组成的液压静力传动装置。授予Kuras等人的美国专利第6,385,970号和第6,242,902号揭示了这种液压静力传动装置的一个实例。这种传动装置的速度输出可通过控制液压泵的移动而连续变化。
另一个CVT的实例是电动机和反向变换器使用在液压电子系统如混合动力系统如混合动力车中。混合动力系统一般包括机械偶合以驱动发电机产生电能的内燃机。然后来自发电机的能量被电动机消耗。反向变换器包含控制输出速度和电动机扭矩的大功率电子设备一因此传动比可通过反向变换器调节。电动机提供扭矩以驱动负载，如推进车辆的轮子或履带。混合动力系统可用在各种应用中，如汽车、泥土施工机械、或其它机器。
CVT系统中遇到的一个问题是电动机(液压或电子的)和相关的系统部件的惯性可以相当地大。当惯性大时，限制了电动机的加速反映。换言之，如果惯性很大，将很难迅速加速电动机，除非发动机功率足够大。受限的电动机响应是不受欢迎的，尤其是对于某些应用如建筑机械象车轮装载设备或由CVT系统驱动的应用拖拉机。通过安装功率更大的发动机和发电机可为电动机提供更大的功率。这通常是不合需要的，但是，因为功率更大的发动机可能也是体积更大、更重且导致效率更低的系统。
授予Mizuno的U.S.6,726,594揭示了一种车辆控制系统。控制器探测是否需要车辆的加速。如果需要加速，根据加速踏板位置和车辆速度计算最终目标发动机输出功率。计算出可用最小耗油率产生的目标输出功率的发动机速度。目标发动机扭矩根据目标发动机输出功率和发动机速度计算。然后通过计算在预定时间内可达到的发动机扭矩和发动机速度范围确定瞬间操作点。然后控制器可控制无级变速传动的速度比来在瞬间操作点操作发动机。
如果发动机中的耗油率没有增加到增大发动机功率输出，控制CVT的速度比没有提供足够的加速度。需要一种用于提高CVT系统中电动机加速度而不需要安装更大发动机的系统和方法。还需要一种用于对CVT系统中的电动机增大功率而不损坏发动机的系统和方法。所揭示的系统针对满足工业中的一个或多个现有需要。
发明内容
根据所揭示系统的一个方面，为具有电动机的无级变速传动提供一种增大功率的方法。无级变速传动由发动机驱动。该方包括当电动机的加速度超过一加速度临界值时，有选择地调节发动机的功率输出到发动机的稳定状态功率输出率以上。
根据所揭示系统的另一个方面，为具有电动机的无级变速传动提供一种增大功率的方法。无级变速传动由发动机驱动。该方包括确定电动机的加速度。当加速度超过加速度临界值时选择功率增大图，且在其它时间选择基线图。功率增大图和基线图表示作为发动机速度函数的发动机功率输出。检测发动机速度和调节发动机的至少一个参数来控制发动机内的耗油率，以便按照在检测到的发动机速度下所选择的图提供发动机功率输出。
根据所揭示系统的另一个方面，为具有电动机的无级变速传动提供一种增大功率的方法。无级变速传动由发动机驱动。该方包括确定电动机的加速度。当加速度超过加速度临界值时选择第一发动机降低速度临界值。在其它时间选择第二发动机降低速度临界值。检测发动机的速度并调节发动机的至少一个参数来控制发动机内的耗油率，以便按照发动机功率图(402)提供发动机功率输出，其中发动机功率图表示作为发动机速度函数的发动机功率输出。
根据所揭示系统的另一个方面，提供一种无级变速系统，包括发动机和由发动机驱动的无级变速传动。无级变速传动包括电动机。当所述电动机的加速度超过一加速度临界值时，控制器可操作以有选择地调节发动机的功率输出到发动机的稳定状态功率输出率以上。
附图说明
图1描述了根据本发明示例性实施例的混合动力系统的方框图；
图2描述了根据本发明示例性实施例的混合动力系统增大功率方案的流程图；
图3描述了功率增大图和基线图的实例；
图4描述了根据本发明示例性实施例的混合动力系统增大功率另一方案的流程图；
图5描述了根据本发明示例性实施例的发动机动力对发动机速度的内装功率增大图；
图6A描述了示出了发动机速度在电动机加速期间使用基线、动力增大、和内装功率增大的发动机图的模拟；
图6B描述了示出了总发动机功率在电动机加速期间使用基线、动力增大、和内装功率增大的发动机图的模拟；
图6C描述了示出了纯发动机功率在电动机加速期间使用基线、动力增大、和内装功率增大的发动机图的模拟；以及
图6D描述了示出了致动电动机速度在电动机加速期间使用基线、动力增大、和内装功率增大的发动机图的模拟。
具体实施方式
现详细说明附图。在可能的地方，同样的标号用来在所有图中表示相同或类似的部件。
图1示出了体现在混合动力系统10中的示例性CVT。内燃机12与发电机14机械地偶合。发电机14通过大功率电子设备16向DC总线提供电功率。DC总线可偶合到能量储存设备30如电池。DC总线18还可向附件28提供电功率。DC总线18可通过大功率电子设备24向电阻栅格26供应电能。DC总线18还可通过大功率电子设备20向电动机22供应电能。电动机22向驱动负载42提供输出扭矩。负载42可以是，例如推进车辆上的一套车轮或履带。无级变速传动包括发电机14、大功率电子设备16和20、以及电动机22。大功率电子设备16和20受控制以提供所要求的电动机22的输出速度。
发动机控制单元(ECU)32是控制发动机12的微处理器控制器。发动机控制单元32可控制各种发动机参数如燃油流率、燃油喷射到单个气缸的定时、节流阀位置、以及空气流率。电动机速度传感器34检测电动机22的输出速度并向ECU32提供致动电动机速度的信号指示。发动机速度传感器40检测发动机12的输出速度并向ECU32提供发动机速度的信号指示。操作员输入36向ECU32提供操作员输入信号。操作员输入36可以是，例如油门踏板。操作员可压下油门踏板以请求增加电动机22的速度，电动机22的速度增加机械速度。
由电动机22产生的扭矩等于：
T电动机＝I电动机αt+TL
其中：
T电动机＝由电动机产生的扭矩
I电动机＝电动机惯量
α＝电动机加速度
TL＝负载扭矩
为了增加电动机22的加速度，需要由电动机22产生更多扭矩。这需要从发动机12通过发电机14向电动机22传输更多功率。一些发动机12能够在相对短的或间歇地在它们的正常额定输出功率以上操作。例如，在稳定状态操作下额定输出功率为175马力(hp)的发动机12能够以250马力间歇时段运转。因此，当需要加速电动机22时，在电动机加速期间发动机12可被增加到它的稳定状态功率输出比以上。因为电动机22通常仅加速相对短的一段时间，在加速期间发动机12将能够处理输出增加的功率需量。这使得能够使用较小的发动机12，由此提供更大的效率。可使用较小的发动机12，因为发动机12可定大小为稳定状态(非加速)电动机操作，而不是定大小为加速电动机操作。如果发动机12定尺寸成加速电动机操作，将需要更大的发动机12。
电动机22应当定尺寸成使得它能够驱动最大预期负载42。电动机22的功率输出，以及由电动机22拖动的电功率在电动机加速是会增加。例如，车轮负载在稳定状态(非加速)操作时需要150kW功率且在电动机加速时需要200kW。在这种情况下，在加速时电动机将需要能够提供200kW以驱动车轮负载。但是，发动机12可定大小成支持电动机22在稳定状态操作消耗150kW功率。发动机12的功率输出可仅在电动机22加速期间增加。增加的功率可根据以下讨论的两个可选方案从发动机12通过发电机提供给电动机14。
尽管图1示出了混合动力系统10，但是应当理解，这里所揭示的提供功率增大的系统和方法也适用于其它类型的CVT如液压静力传动。在该系统中，电动机22是液压电动机。液压泵与发动机12偶合。液压电动机22与液压泵偶合。液压电动机22驱动负载42。液压电动机22的速度输出可通过控制液压泵的位移连续变化。
图2描述了用于为电动机22提供增加功率的第一方案的流程图100。在步骤101，确定所要求的电动机速度ω。所要求的电动机速度ω可根据从操作员输入36(图1)接收的操作员数据信号确定。例如，油门踏板压下的量可用于确定所要求的电动机速度ω。在步骤102，计算电动机的加速度α。加速度α可根据所要求的电动机速度ω变化率或由电动机速度传感器34测量的实际(检测的)电动机速度变化率来计算。如果加速度α根据所要求的电动机速度ω变化率计算，则加速度α表示要求的或预期的加速度。例如，如果所要求的电动机速度ω在时间t1是500rpm在时间t2是600rpm，所要求的加速度α将等于(600-500)/(t2-t1)。或者加速度α可根据实际(检测的)电动机速度变化率而不是所要求或预计的电动机加速度来计算。实际电动机加速度是一段时间检测的电动机速度变化率。
在步骤104，加速度α与加速度临界值比较。如果加速度α大于加速度临界值，则在步骤108，可选择功率增大发动机图。如果加速度α小于加速度临界值，则在步骤106选择基线发动机图。在步骤110，发动机根据所选择的图控制。加速度临界值可低至零。在这种情况下，只要电动机22在加速或准备加速(由于操作员输入信号的变化)，将选择功率增大图来增大发动机12的功率输出。或者，可使用更高的临界值使得仅当要求迅速地加速电动机22时洗择功率增大图。
图3示出了功率增大图202和基线图204的实例。两图表示作为发动机速度函数的发动机输出功率。这些图可包含在可由ECU32访问的存储设备中。ECU32根据所选的图202或204控制发动机功率输出。发动机功率输出根据的是发动机内的耗油率。ECU32通过调节各种发动机参数、如发动机的燃油流率和空气流率控制耗油率。尤其是，ECU32可控制燃油喷射量、燃油喷射时间、节流阀的打开、空气流、和气压。从发动机速度传感器40提供的检测发动机速度用于在所选的发动机功率图、或者基线图204或者功率增大图202中确定发动机功率输出。可见，当选择功率增大图202时，ECU32调节发动机参数以提供增大的发动机功率输出，该功率输出大于当选择基线图204时的功率输出。功率增大图22可引导ECU提供高于发动机稳定状态功率输出率的增大的发动机功率输出。
参见图3中所示的示例性图，如果发动机12以速度1500rmp运行，功率增大图202显示出发动机功率输出约为265hp而基线图显示出所要求的发动机功率输出约200hp。因此，如果发动机12以1500rmp操作，且确定电动机加速度大于加速度临界值，则ECU32将控制发动机参数以提供265hp的发动机功率输出。如果发动机加速度小于加速度临界值，ECU32将控制发动机参数以提供200hp的发动机功率输出。如果发动机12具有稳定状态功率输出率250hp，当在1500rpm选择功率增大图时它将在稳定状态输出率以上运行。如上所指，电动机加速度α可以是所要求的或预期的加速度或者实际(检测的)电动机加速度。
图4中描述了为电动机22提供增大的发动机功率的另一方案。图4中描述的方法使用引用“内装”功率增大图(见图5)与由发动机降低速度控制运算法则对发动机降低速度临界调节相结合的单个发动机功率图。发动机降低速度控制运算法则防止由于降低发动机12的速度而使发动机12过载或停转，由此降低发动机12上的负载。当电动机22增加重大负载42，发动机12将变得过载并可能开始勉强拖动或可能甚至停转。当发动机速度降到临界值以下时，发动机降低速度控制方案降低电动机22的速度以允许发动机恢复速度并以降低速度临界值或在其附近运行。由此发动机降低速度控制方案是发动机12能够以最有效的速度运行并防止发动机12停转。
图4描述了用于在电动机加速时为电动机22提供增加功率的另一方案的流程图300。在步骤302，确定所要求的电动机速度ω。在步骤304，计算电动机加速度α。如上所述，电动机加速度α可根据所要求或预期的电动机加速度或实际(检测的)电动机加速度计算。在步骤306，电动机加速度α与加速度临界值相比较。如果电动机加速度α大于加速度临界值，则在步骤308，发动机降低速度临界值设为第一值，例如1500RPM。如果加速度α小于加速度临界值，则在步骤310，发动机降低速度临界值设为第二值，例如1700rpm。在步骤312，发动机根据如图5所示的内装功率增大图402控制。
图5示出了与图4的另一功率增大方案结合使用的内装功率增大图402。如上所述，当实际或所要求的电动机加速度α小于加速度临界值时，发动机降低速度临界值将设为第二值，例如1700rpm。如果增加重大负载42且发动机12开始过载，发动机降低速度控制方案将降低电动机速度以使得发动机增加返回到它的1700rpm运行速度。当实际或所要求的电动机加速度α大于加速度临界值时，发动机降低速度临界值将设定到第一值，例如1500rpm。当电动机22开始加速，发动机12上增加的负载可引起发动机速度下降。如果实际或所要求的电动机加速度α超过加速度临界值，发动机降低速度控制方案将设法防止发动机在1500rpm以下运行。应当理解，值1700rpm和1500rpm仅是示例性的选择且也可使用其它临界值。
如图5所示，内装功率增大图402以1500rpm(约265hp)提供增加的功率，与以1700rpm提供的功率(约205hp)相比。如果由于增加的负载电动机开始加速且发动机速度降低，由内装功率增大图402显示出的发动机功率随着发动机速度降低而向上斜。这可从观察内装功率增大图402的形状看出。当选择第一发动机降低速度临界值时发动机降低速度控制运算法则会防止发动机速度降到1500rpm以下。如图5所示在示例性图402中，在1500rpm，内装功率增大图引导ECU32调节发动机参数来提供约265hp的增大的发动机功率输出。该功率输出可在发动机额定功率以上并不应当继续不确定。因为增大的功率输出仅在电动机加速时提供，发动机12会被保护。
因此，可见当实际或所要求的电动机加速度α大于加速度临界值且发动机速度降到增加的负载时由发动机12提供增加的功率。发动机功率增加做成单个发动机功率图而不是使用如图3所示两个分开的图。这就是图5所示的功率图402被“内装功率增大”图402引用的原因。
工业应用
图6A-6D显示了具有在以下三种发动机功率图方案下从0rpm到约1400rpm电动机22的无级变速传动的运行的计算机模拟：1)基线；2)功率增大；以及3)内装功率增大。在基线方案下，仅使用基线发动机图204(图3)。在功率增大方案下，在电动机加速时使用功率增大图202(图3)。在内装功率增大方案下，使用如图5所示的单个发动机图402。
图6A示出了作为时间函数的发动机速度。在所有三种方案下，当电动机加速时由于发动机上增加的负载发动机速度下降。发动机速度降到功率增大方案中的最小。图6B示出了作为时间函数的总发动机功率。在所有三种方案下，发动机功率由于发动机上增加的负载而增加。由于由功率增大图202提供的额外功率，发动机功率增加到功率增大方案的最大。图6C示出了随着时间的三种方案的净发动机功率。同样，净发动机功率在功率增大方案下增到最大。图6D示出了作为时间函数的实际电动机速度。可见，最大电动机加速度由功率增大方案提供。内装功率增大提供稍小的加速度，但大于基线方案。在功率增大和内装功率增大两个方案下，电动机在约1.7秒(图6D上电动机在t＝1秒的开始点和点1和2之间的差值)内加速到4100rpm。在基线方案下，电动机在约2.1秒内从0加速到4100rpm。因此，功率增大和内装功率增大方案比基线方案提供更大的电动机加速度。
这里所揭示的功率增大方案克服了由于CVT系统内电动机和相关部件的巨大惯性引起的电动机加速度慢的问题。作为运行的实例，车轮装载设备具有在稳定状态运行时具有额定输出175hp且在相对短时间内能够输出250hp的发动机12。车轮装载设备具有电动机22。在图2和3所示的功率增大方案下，当电动机22的加速度小于加速度临界值时，车轮装载设备内的ECU32会使用基线发动机图204。ECU32调节发动机参数以提供由基线发动机功率图204在检测的发动机速度下所指示的发动机功率输出。如果电动机加速度α超过加速度临界值，则会选择功率增大图202。ECU32将调节发动机参数以提供由功率增大图202在检测的发动机速度下所指示的发动机功率输出。由功率增大图202指示的增大的功率可能在发动机12的稳定状态功率输出率以上。电动机加速度α可根据所要求或预定加速度，或者实际检测加速度确定。
在如图4和5所示的内装功率增大方案下，车轮装载设备内的ECU32将使用单个内装功率增大图402。当电动机22没有加速时，发动机降低速度临界值将设定在第二发动机降低速度临界值，例如1700rpm。发动机降低速度运算法则会设法防止发动机速度降到1700rpm以下。发动机12可以约1700-1800rpm范围内的速度运行。如果电动机加速度α超过加速度临界值，发动机降低速度临界值会设定到第一降低速度临界值，例如1500rpm。由电动机加速引起的在发动机上增加的负载会导致发动机速度下降。当发动机速度降到1700rpm以下时内装功率增大图402引导ECU32调节发动机参数以提供增加的发动机12输出功率。发动机降低速度控制运算法则会设法防止发动机速度降到1500rpm以下。
从这里所揭示实施例的说明书的考虑和实践中其它实施例对本技术领域的技术人员是显而易见的。说明书和考虑的实施例的意思仅仅是示例，真正的范围是由权利要求书和它们的同等物指出的。

Claims (9)

1.一种对具有电动机(22)的无级变速传动增大功率的方法，所述无级变速传动由发动机(12)驱动，包括：
当所述电动机(22)的加速度超过一加速度临界值时，有选择地调节所述发动机(12)的功率输出到所述发动机(12)的稳定状态功率输出率以上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动机(22)的加速度是预期加速度、所要求的加速度、或检测到的加速度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有选择地调节所述发动机(12)的功率包括：
当所述电动机(22)的加速度超过加速度临界值时，选择功率增大图(202)，并在其它时间选择基线图(204)，其中所述功率增大图(202)和基线图(204)表示作为发动机速度函数的发动机功率输出；
检测所述发动机(12)的速度；以及
调节所述发动机(12)的至少一个参数来控制所述发动机(12)内的耗油率，以便按照在所述检测到的发动机速度下所选择的图提供发动机功率输出。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个参数从下集合中选择：(i)到发动机的燃油流率、(ii)到发动机的空气流率、(iii)燃油喷射的定时、(iv)节流阀位置、和(v)发动机气压。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
接收操作员输入信号；
根据所述操作员输入信号确定所要求的电动机速度；以及根据所要求的电动机速度变化率确定所述电动机(22)的加速度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有选择地调节所述发动机(12)的功率包括：
当所述电动机(22)的加速度超过加速度临界值时，选择第一发动机降低速度临界值，且在其它时间选择第二发动机降低速度临界值；
检测所述发动机(12)的速度；以及
调节所述发动机(12)的至少一个参数来控制所述发动机内的耗油率，以便按照发动机功率图(402)提供发动机功率输出，其中所述发动机功率图(402)表示作为发动机速度函数的发动机功率输出。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述发动机功率图(402)在所述第一发动机降低速度临界值下与在所述第二临界值下相比提供更多的发动机输出功率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速度临界值为零。
9.一种无级变速传动系统，包括：
用于提供机械能的内燃机装置(12)；
由所述内燃机装置(12)驱动的无级变速传动装置，所述无级变速传动装置包括用于提供输出扭矩的扭矩提供装置(22)；以及
一控制器装置(32)，当所述扭矩提供装置(22)的加速度超过一加速度临界值时，所述控制器装置(32)可操作以有选择地调节所述内燃机装置(12)的功率输出到所述内燃机装置(12)的稳定状态功率输出率以上。
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