ES2269583T3 - Sistema hibrido de transmision de un vehiculo y metodo de operacion con una transmision. - Google Patents

Sistema hibrido de transmision de un vehiculo y metodo de operacion con una transmision. Download PDF

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Toshifumi Takaoka
Yutaka Taga
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Abstract

Un sistema de transmisión de un vehículo híbrido, en el cual un motor de combustión interna (1), un primer motor eléctrico (8), y un segundo motor/generador eléctrico (12) se combinan para proporcionar una fuente motriz para un vehículo híbrido, en el que el eje de salida (2) del motor de combustión interna (1) y el primer motor eléctrico (8) se acoplan a través de un mecanismo de distribución de potencia (3) a un eje motriz de las ruedas (11), y en el que el eje motriz de las ruedas está acoplado a través de una parte de acoplamiento (16) al segundo motor eléctrico (12), caracterizado porque se encuentra provista una transmisión cambiable (102) en la parte de conexión (16) del segundo motor eléctrico (12) con el eje motriz de las ruedas (11).

Description

Sistema híbrido de transmisión de un vehículo y método de operación con una transmisión.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La invención está relacionada con un sistema de transmisión para vehículos híbridos, el cual accione las ruedas mediante la utilización de una combinación de un motor de combustión interna y motores eléctricos. Un sistema de transmisión para vehículos híbridos de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, tal como se expone en el documento US-5775449.
2. Descripción del arte relacionado
Puesto que la conservación del entorno del aire y el ahorro de los recursos de combustible han llegado a ser importantes en forma creciente, los vehículos híbridos cuyas ruedas están accionadas por una combinación de un motor de combustión interna y un motor eléctrico (o motores) han llamado mucha atención en el campo de los automóviles. En los vehículos híbridos, las ruedas están accionadas de muchas formas mediante un motor de combustión interna y un motor eléctrico (o motores) dispuestos de varias formas, con el fin de obtener una amplia variedad de combinaciones de la velocidad de rotación y del par motor de transmisión. Los vehículos a motor se han utilizado solo mediante la utilización de motores de combustión. No obstante, el desarrollo de los vehículos híbridos en el campo de los automóviles se inició mediante el reemplazo de un sistema de transmisión que convencionalmente se utilizaba solamente con un motor de combustión interna, con un sistema de transmisión eléctrica, incluyendo por ejemplo un motor(es) eléctrico.
Con estos antecedentes, se supone actualmente que los vehículos híbridos son capaces de funcionar solo mediante el uso de un motor de combustión interna. La publicación de patentes japonesas publicada numero 11-198669 expone un ejemplo de un sistema de transmisión en un vehículo híbrido. En este sistema de transmisión de un vehículo híbrido, el primer motor/generador eléctrico está conectado en serie con un eje cigüeñal de un motor de combustión interna, y en el que un eje motriz se encuentra dispuesto para ser accionado por uno o por ambos del motor de combustión interna y por el primer motor/generador eléctrico que sirve como motor. El eje motriz y el eje de salida de un segundo motor/generador eléctrico se encuentran conectados respectivamente a una corona dentada y a un engranaje planetario de un mecanismo de engranaje planetario, conectando por tanto ambos ejes entre sí. El portador de los mecanismos del engranaje planetario, que sirve como eje de salida, está conectado a una transmisión, la cual a su vez está conectada a las ruedas motrices. En el sistema de transmisión del vehículo híbrido así construido, incluso cuando esté operando solo el motor de combustión interna como motor de transmisión motriz, el sistema de transmisión será capaz de proporcionar una amplia variedad de modos operativos que son necesarios por el vehículo para utilizar la función del cambio de las relaciones de velocidades o marchas de la transmisión, tal como es el caso en los vehículos convencionales que utilizan solo el motor de combustión interna. Esto puede ser considerado como un ejemplo típico que refleja el origen de los vehículos híbridos tal como se expuso anteriormente.
Por el contrario, se ha propuesto otro sistema de transmisión del vehículo híbrido que elimina la necesidad de proporcionar una transmisión que ha estado dispuesta convencionalmente entre el eje de salida de un motor de combustión interna y una transmisión. En este sistema de transmisión del vehículo híbrido, el motor de combustión interna y el motor eléctrico (o motores) se combinan para proporcionar una fuente motriz de un vehículo a motor de forma tal que el motor sirva para absorber la diferencia entre la velocidad de rotación de un eje de salida del motor de combustión interna y la correspondiente a los ejes del vehículo. La diferencia está provocada por la desviación de la relación entre la velocidad de rotación y el par motor realmente obtenido por el motor de combustión interna con respecto a la relación necesaria en los ejes del vehículo. La figura 1 es una vista que muestra esquemáticamente una construcción de dicho sistema de transmisión del vehículo híbrido.
En la figura 1 el motor de combustión interna 1 está montado en una carrocería de un vehículo (no mostrada), que tiene un eje de salida (o cigüeñal) 2. El mecanismo 3 del engranaje planetario incluye un engranaje planetario 4, una corona dentada 5, piñones plantarios 6, y el portador 7. El eje cigüeñal 2 está acoplado al portador 7. Un primer motor/generador eléctrico (MG1) 8 incluye una bobina 9 y el rotor 10. El rotor 10 está conectado al engranaje planetario 4 mientras que la bobina 9 está soportada sobre la carrocería del automóvil. Un extremo del eje propulsor 11 está conectado a la corona dentada 5. En el sistema motriz así construido, le mecanismo del engranaje planetario 3 está operativo para distribuir la potencia motriz recibida del motor de combustión interna al primer motor/generador 8 y al eje propulsor 11 como un eje de accionamiento de las ruedas. Así pues, el mecanismo 3 del engranaje planetario 3 sirve como mecanismo de distribución de la potencia motriz. Un segundo motor/generador eléctrico (MG2) 12 está conectado a una parte intermedia del eje propulsor 11. El segundo motor/generador 12 incluye una bobina 13 y un rotor 14. La bobina 13 está soportada sobre la carrocería del automóvil. El rotor 14 puede estar conectado al eje propulsor 11 de cualquier forma. En el sistema de transmisión tal como se muestra en la figura 1, por ejemplo, el rotor 14 está conectado al eje propulsor 11 de forma tal que el engranaje 16 soportado y accionado por el rotor 14 se acople a un engranaje 15 provisto sobre el eje propulsor 11. El otro extremo del eje propulsor 11 está conectado a un par de ejes 18 del vehículo a través de una unidad de engranajes diferenciales 17. Las ruedas 19 están fijadas a los respectivos ejes 18 del vehículo.
En el sistema de transmisión mostrado en la figura 1, el cigüeñal gira como una unidad con el portador 7, y la velocidad de rotación de estos componentes 2, 7 se expresa por "Nc". De igual forma, el motor/generador eléctrico 8 gira como una unidad con el engranaje planetario 4, y la velocidad de rotación de estos componentes 8, 4 se expresa por "Ns". La corona dentada 5, el segundo motor/generador eléctrico 12, y las ruedas 19 giran en proporción entre sí, para proporcionar eventualmente la velocidad del vehículo. Las velocidades de rotación de estos componentes 5, 12, 19 difieren, dependiendo de la relación entre el numero de dientes de los engranajes, entre el engranaje 15 y el engranaje 16, de la relación de reducción de la velocidad de la unidad de los engranajes diferenciales 17, y del radio del neumático de la rueda. En la siguiente descripción, no obstante, la velocidad rotacional de la corona dentada 5 se adoptará como la velocidad típica que represente la de los componentes 5, 12, 19, y que se expresará por "Nr", para conseguir una mejor simplicidad de la descripción.
La figura 2 es un gráfico que muestra la relación entre la velocidad de rotación Nc del motor de combustión interna y las velocidades de rotación Ns, Nr de los dos motores eléctricos MG1, MG2, cuya relación se establece sobre la base del valor nominal del mecanismo del engranaje planetario. En este gráfico, \rho representa la relación del número de dientes del engranaje del engranaje planetario con respecto a los de la corona dentada (\rho < 1). Puesto que Nc está determinado por la velocidad de rotación del motor de combustión interna, y Nr está determinado por la velocidad del vehículo, Ns está determinado de acuerdo con la siguiente expresión (1), basándose en la velocidad del motor y la velocidad del vehículo:
... (1)Ns = (1 + 1/\rho) Nc - (1/\rho)Nr
Además de ello, los pares motores en el portador, el engranaje planetario, y la corona dentada se expresarán por Tc, Ts, y Tr, respectivamente. Estos pares motores se encuentran en equilibrio entre sí en la relación siguiente:
... (2)Ts : Tc : Tr = \rho/(1 + \rho) : 1 : 1/(1 + \rho)
Cuando cualquiera de estos tres elementos, es decir, el portador, el engranaje planetario y la corona dentada, generan o absorben un par motor, el par motor es transferido a lo largo de los elementos hasta que se consiga el equilibrio anterior.
En un vehículo híbrido que incluya el sistema de transmisión construido de la forma descrita anteriormente, las operaciones del motor de combustión interna, MG1, y MG2, están controladas por un sistema de control de operación del vehículo (no mostrado) basándose en las ordenes de operación de un operador del vehículo y del estado operativo o funcional del vehículo. Más específicamente, el sistema de control de la operación del vehículo incluye un microcomputador, y está dispuesto para poder ejecutar el control siguiente. En primer lugar, la velocidad del vehículo de objetivo y un par motor de objetivo de transmisión de las ruedas se calculan basándose en las órdenes operativas del operador del vehículo y del estado operativo del vehículo detectado por varios sensores. Al mismo tiempo, la corriente de salida disponible en el sistema de almacenamiento de potencia o la cantidad de potencia eléctrica necesaria para cargar el sistema de almacenamiento de la energía, se calculan basándose en el estado de la carga (SOC) del sistema de almacenamiento de la energía. Utilizando los resultados de estos cálculos, el sistema de control de la operación del vehículo ejecuta además los cálculos para determinar un modo operativo apropiado del motor de combustión interna, incluyendo la suspensión o la parada de la operación del mismo, y un modo apropiado de operación del motor/operación de energía, para cada una de las unidades del MG1 y MG2. Utilizando los resultados de estos cálculos, el sistema de control de la operación de vehículo controla las operaciones del motor de combustión interna, y de las unidades del MG1 y MG2.
En el sistema de transmisión del vehículo híbrido, el eje de salida del motor de combustión interna está acoplado al primer motor/generador eléctrico y al eje de transmisión de las ruedas a través del mecanismo de distribución de potencia, y el segundo motor/generador eléctrico está conectado al eje de transmisión de las ruedas, tal como se ha descrito anteriormente. Con esta configuración, tal como es evidente a partir de la figura 2, los cambios en la velocidad rotacional Nc del eje de salida del motor de combustión interna, la velocidad de rotación Nr correspondiente a la velocidad del vehículo, y la relación entre las velocidades de rotación Nc, Nr pueden ser absorbidas por la velocidad rotacional Ns del primer motor/generador eléctrico, y por tanto estos valores Nc, Nr pueden ser cambiados significativamente. Así pues, el sistema de transmisión del vehículo híbrido no requiere una transmisión. Más específicamente, la relación entre Nc y Nr puede cambiarse en forma flexible mediante el ajuste o el control del sistema de distribución de la potencia, y siendo posible por tanto operar el motor (Nc > 0) incluso cuando el vehículo se encuentre con una parada (Nr = 0), para detener la operación del motor (Nc = 0), mientras que el motor están en funcionamiento hacia delante (Nr > 0), o para mover el vehículo (Nr < 0) hacia atrás en forma independiente de si el motor está en funcionamiento o bien que esté parado (Nc \geq 0).
Puesto que la velocidad rotacional de MG2 depende de la velocidad del vehículo, y el estado de la carga del sistema de almacenamiento de energía básicamente no tiene relación alguna con la velocidad del vehículo, existe una gran limitación para hacer operar el conjunto MG2 como un generador de energía para cargar el sistema de almacenamiento de energía. En consecuencia, la carga del sistema de almacenamiento de energía se lleva a cabo solamente por el conjunto MG1, mientras que el accionamiento eléctrico de las ruedas se lleva a cabo solamente por el conjunto MG2. En el sistema de transmisión del vehículo híbrido anteriormente descrito, no incluyendo la transmisión, por tanto, el conjunto MG2 que sirve como un único motor para accionar las ruedas requiere que esté dimensionado ampliamente, con el fin de asegurar un rendimiento satisfactorio de la transmisión del vehículo, y para generar un gran par motor en las ruedas según sea preciso, incluso en una zona de bajas velocidades del vehículo.
La anterior descripción será más evidente a partir de la figura 3, la cual muestra un sistema de coordenadas que indica la relación entre un valor requerido del par motor a generar en los ejes del vehículo (que se denominará como "par del eje del vehículo") y la velocidad del vehículo. La relación de la figura 3 se obtiene cuando el motor de combustión interna del vehículo opera con un alto rendimiento del combustible, a través de un rango amplio de la velocidad del vehículo. En la figura 3, la línea A representa el rendimiento limite del vehículo, el cual representa una relación deseada entre la velocidad del vehículo y el par motor en los ejes del vehículo, y una zona plana expresada por B, que representa la velocidad del vehículo con respecto al rendimiento del par motor del eje del vehículo del motor de combustión interna que esté operando con un alto rendimiento del combustible. La zona restante expresada por C representa el rendimiento de la velocidad del vehículo con respecto el par motor del eje del vehículo, a suministrar solamente por el conjunto MG2. Para conseguir el rendimiento de la velocidad del vehículo con respecto el par motor del eje del vehículo de la figura 3, es preciso que el conjunto MG2 tenga una dimensión suficientemente grande para poder generar un gran par motor con una baja velocidad de rotación.
Es evidente a partir de la figura 3 que la profundidad de la zona C es considerablemente grande en comparación con la zona B. El desequilibrio entre la zona C y la zona B puede conducir a un desequilibrio en la magnitud entre las tres fuentes de transmisión, es decir, el motor de combustión interna y el primer y segundo motores/generadores, en particular, y en particular con un desequilibrio en la magnitud entre el motor y el segundo motor/generador. A la vista de este punto, puede desearse la mejora adicional del sistema de transmisión del vehículo híbrido sin transmisión tal como se ha descrito anteriormente.
Sumario de la invención
La invención proporciona un sistema de transmisión de un vehículo híbrido, el cual incluye (a) un motor de combustión interna que incluye un eje de salida, (b) un primer motor/generador eléctrico conectado al eje de salida del motor de combustión interna a través de un mecanismo de distribución de potencia, (c) un eje de transmisión a las ruedas acoplado al eje de salida del motor de combustión interna, a través del mecanismo de distribución de potencia, (d) un segundo motor/generador eléctrico conectado al eje de accionamiento de las ruedas, y (e) una transmisión situada al menos en el eje de la rueda y una parte de acoplamiento del segundo motor/generador eléctrico con el eje de transmisión de las ruedas.
El motor/generador utilizado aquí funciona tanto como un motor eléctrico como un generador. La presente invención está relacionada con unas prestaciones de conducción del vehículo para periodos cortos de tiempo del sistema de transmisión del vehiculo híbrido, en el cual el eje de salida del motor de combustión interna está conectado al primer motor/generador, y al eje de transmisión de las ruedas a través del mecanismo de distribución de potencia, y el segundo motor/generador está conectado al eje de transmisión de las ruedas. En otras palabras, la invención no está relacionada con las prestaciones de conducción del vehículo a un largo periodo de tiempo, con respecto a la relación entre el desplazamiento del vehículo híbrido mediante el uso del motor, y el desplazamiento mediante el motor y la función de auto-carga del generador. En consecuencia, tanto el primer como el segundo motor/generador pueden consistir sencillamente en motores, con el fin de proporcionar los efectos que tiene por objeto la invención. En los sistemas actuales de transmisión de los vehículos, no obstante, el segundo motor/generador tiene que operar como un motor eléctrico (pero puede operar también como un generador), y por tanto el primer motor/generador necesita tener la función de generación de energía, para proporcionar un sistema de desplazamiento del vehículo que sea capaz de operar durante un largo periodo de tiempo. No obstante, esto no precisa tener una relación con el concepto técnico de la invención. Así pues, el primer y segundo motor/generador, según lo indicado anteriormente, pueden ser motores eléctricos sin que tengan la función de generación de energía.
Tal como se ha descrito anteriormente, en el sistema de transmisión de vehículos híbridos en los cuales el eje de salida del motor de combustión interna esté acoplado al primer motor/generador eléctrico y al eje de transmisión de las ruedas a través del mecanismo de distribución de energía, la transmisión está localizada en el eje de transmisión de las ruedas o en una parte de acoplo del segundo motor/generador eléctrico en el eje de transmisión de las ruedas. En una configuración en la cual la transmisión está situada en una parte del eje de transmisión de las ruedas que esté más cerca del motor de combustión interna que la parte de acoplo del segundo motor/generador, si el sistema de transmisión se precisa que genere un alto par motor del eje del vehículo a baja velocidad del vehículo, la velocidad de rotación del motor de combustión interna se incrementará en relación con la velocidad del vehículo, mediante con control del mecanismo de distribución de la potencia, y la relación de reducción de velocidad de la transmisión se incrementará, de forma que el motor proporcione una gran parte del alto par motor necesario del eje del vehículo. Así pues, el alto par motor requerido puede proporcionarse a una baja velocidad del vehículo, mientras que se reduce la magnitud del par motor que necesita generarse por el segundo motor/generador. En otra configuración en la cual la transmisión está situada en una parte del eje de transmisión del las ruedas que es distante del motor de combustión interna con respecto a la parte de acoplo del segundo motor/generador, la velocidad del motor se incrementa en relación con la velocidad del vehículo, mediante el control del mecanismo de distribución de potencia, y la relación de reducción de la velocidad de la transmisión se incrementa de forma que el motor de combustión interna y el segundo motor/generador cooperen entre sí para accionar las ruedas del vehículo con una relación de reducción de la velocidad incrementada. Así pues, el alto par motor necesario puede ser proporcionado con una velocidad baja del vehículo, mientras que se reduce la magnitud del par motor que es necesario para generarse por el segundo motor/generador. Si la transmisión está situada en una parte que conecta el segundo motor/generador con el eje de transmisión de las ruedas, el par motor del eje del vehículo producido por el segundo motor/generador se incrementará mediante el aumento de la relación de reducción de la velocidad, en forma independiente del control del mecanismo de distribución de potencia. De esta forma, el requisito del alto par motor a una velocidad baja del vehículo puede cumplirse, incluso aunque el segundo motor/generador no tenga unas grandes dimensiones. Así pues, la relación de la velocidad del vehículo y el par motor del eje del vehículo según lo indicado por la línea A en la figura 3, puede ser establecida mientras que produce el desplazamiento constante del vehículo con un alto rendimiento del combustible, mientras que al mismo tiempo se equilibran las dimensiones del motor de combustión interna y el primer y segundo motor/generador entre sí.
Breve descripción de los dibujos
Los objetos anteriores y/o los objetos adicionales, características y ventajas de la invención llegarán a ser más evidentes, a partir de la siguiente descripción de las realizaciones preferidas, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales los numerales iguales se utilizan para representar elementos similares, y en donde:
la figura 1 es una vista a modo de ejemplo que muestra esquemáticamente un sistema de transmisión de vehículo híbrido;
la figura 2 es un gráfico a modo de ejemplo que muestra la relación entre las velocidades de rotación de un motor de combustión interna y dos motores/generadores eléctricos en el sistema de transmisión de vehículos híbridos que se muestra en la figura 1;
la figura 3 es un gráfico a modo de ejemplo que muestra la relación entre la velocidad del vehículo y el par motor del eje del vehiculo a generar por el motor de combustión interna y el motor/generador eléctrico en el sistema de transmisión de vehículos híbridos que se muestra en la figura 1;
la figura 4 es una vista a modo de ejemplo que muestra esquemáticamente un sistema de transmisión de vehículo híbrido de acuerdo con un primer ejemplo;
la figura 5 es una vista a modo de ejemplo que muestra esquemáticamente un sistema de transmisión de un vehículo híbrido de acuerdo con un segundo ejemplo;
la figura 6 es una vista a modo de ejemplo que muestra esquemáticamente un sistema de transmisión de un vehículo híbrido de acuerdo con un tercer ejemplo;
la figura 7 es una vista a modo de ejemplo que muestra esquemáticamente una transmisión, que tiene tres relaciones o posiciones de velocidad y una posición de marcha atrás;
la figura 8 es un gráfico a modo de ejemplo que muestra una relación entre la velocidad del vehículo y el par motor del eje del vehículo a generarse por el motor de combustión interna y el motor/generador en el sistema de transmisión del vehículo híbrido que se muestra en la figura 4;
la figura 9 es un gráfico a modo de ejemplo, que muestra la relación entre la velocidad del vehículo y el par motor del eje del vehículo a generarse por el motor de combustión interna y el motor/generador eléctrico en el sistema de transmisión de vehículos híbridos mostrado en la figura 5;
la figura 10 es un gráfico a modo de ejemplo que muestra la relación entre la velocidad del vehículo y el par motor del eje del vehículo a generarse por el motor de combustión interna y el motor/generador eléctrico en el sistema de transmisión de vehículos híbridos que se muestra en la figura 6;
la figura 11 es un gráfico a modo de ejemplo, que muestra una relación entre la velocidad del vehículo y el par motor del eje del vehículo a generarse por el motor de combustión interna y el motor/generado eléctrico en el sistema de transmisión del vehículo híbrido mostrado en la figura 4;
la figura 12 es un gráfico a modo de ejemplo, que muestra la relación entre la velocidad del vehículo y el par motor del eje del vehículo a generarse por el motor de combustión interna y el motor/generador eléctrico MG2 en el sistema de transmisión del vehículo híbrido que se muestra en la figura 5;
la figura 13 es un gráfico a modo de ejemplo que muestra la relación en la figura 19 que se corrige de acuerdo con otro ejemplo;
la figura 14 es un gráfico a modo de ejemplo que muestra la relación en la figura 11, la cual se corrige de acuerdo con otro ejemplo;
la figura 15 es un gráfico a modo de ejemplo que muestra la relación en la figura 12 que se corrige de acuerdo con otro ejemplo.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Las figuras 4-6 son vistas detalladas que muestran tres realizaciones a modo de ejemplos, en las cuales se incorpora una transmisión en un sistema de transmisión de un vehículo híbrido, en el cual un eje de salida de un motor de combustión interna está acoplado a un primer motor/generador eléctrico y a un eje de accionamiento de las ruedas, a través de un mecanismo de distribución de la potencia, y un segundo motor/generador eléctrico que está conectado al eje motriz de las ruedas. En las figuras 4-6, los elementos que son los mismos o equivalentes a los mostrados en la figura 1 están expresados por los mismos numerales y caracteres de referencia.
En una primera realización que se muestra en la figura 4, la transmisión 100 está dispuesta en una parte intermedia del eje de accionamiento de las ruedas en un lado de una parte de acoplo del segundo motor/generador MG2 eléctrico, que está más cerca del motor de combustión interna. En otras palabras, la transmisión 100 está dispuesta en una parte del eje propulsor 11 como una parte del eje de accionamiento de las ruedas, de forma tal que la transmisión 100 esté situada sobre un lado del engranaje 15 que proporcione la parte de acoplo del MG2, cuyo lado está más cerca del motor de combustión interna 1. La transmisión 100 puede tener dos o más relaciones de velocidades o posiciones de los engranajes, y puede tener también una posición de marcha atrás. Dicha transmisión puede proporcionarse de varias formas mediante la utilización de técnicas conocidas. Un ejemplo de una transmisión que incluye tres posiciones de velocidades de marcha hacia delante y una posición de velocidad de marcha atrás es la mostrada esquemáticamente en la figura 7.
En la figura 7, los numerales de referencia 20, 22, 24 y 26 denotan un engranaje planetario, una corona dentada, piñones planetarios, y un portador de un mecanismo de engranaje planetario, y los numerales de referencia 21, 23, 25 y 27 denotan un engranaje planetario, una corona dentada, piñones planetarios, y un portador de otro mecanismo de engranaje planetario. Además de ello, 28(C1) y 29(C2) son embragues, y 30(B1) y 31(B2) son frenos, mientras que 32(F1) es un embrague monodireccional. Estos elementos giratorios están configurados en conjunto con un eje de entrada 33 y un eje de salida 34, tal como se muestra en la figura 7. Durante el funcionamiento, la transmisión 100 así construida se coloca en la primera posición de velocidad con la relación de reducción más alta de la velocidad, cuando el embrague C1 se encuentre acoplado, y se coloca en la segunda posición de velocidad con la relación de reducción de velocidad media, y se coloca en la segunda posición de velocidad con la relación de reducción de velocidad media cuando se encuentren acoplados el embrague C1 y el freno B1. La transmisión 100 se coloca también en la tercera posición de velocidad con la relación de reducción de velocidad más inferior (relación de reducción de velocidad = 1) cuando se encuentren acoplados los embragues C1, C2, y se coloca en la posición de velocidad de marcha atrás cuando se encuentren acoplados el embrague C2 y el freno B2.
Cuando se utiliza una transmisión que tenga dos posiciones de la velocidad como en la transmisión 100 en el sistema de transmisión tal como se muestra en la figura 4, la relación (o tasa) entre el par motor a generar por el motor de combustión interna 1 y el par motor a generar por MG2, según se observa en el sistema de coordenadas de la velocidad del vehículo con respecto al par motor del eje del vehículo, con los cambios tal como se muestran en la figura 3 (en donde no se proporciona ninguna transmisión) hasta lo mostrado en la figura 8. En la figura 8, cada una de las zonas B1, B2, y B3 representan la magnitud del par motor del eje del vehículo que puede generarse principalmente por el motor de combustión interna (o el motor de combustión interna y MG1 en algunos casos), cuando la transmisión se coloca en la primera posición de velocidad, segunda posición de velocidad y tercera posición de velocidad. Por el contrario, la zona restante C representa la magnitud del par motor del eje del vehículo requerido por el conjunto MG2. Se observará que la figura 8 no es el denominado diagrama de desplazamiento del cambio. Por ejemplo, cuando los valores de la velocidad del vehículo y el par motor requerido caen en la zona B1 en el sistema de coordenadas, esto no significa que se establezca la primera relación o posición de velocidades de la transmisión. Se comprenderá en la figura 8 que el par motor máximo necesario a generarse por el conjunto MG2 está significativamente reducido en comparación con la figura 3.
En una segunda realización tal como se muestra en la figura 5, la transmisión 100 se encuentra dispuesta en una parte intermedia del eje de transmisión de las ruedas en un lado de la parte de acoplo del segundo motor/generador eléctrico MG2 que es un punto remoto con respecto al motor de combustión interna. En otras palabras, la transmisión 101 está dispuesta en una parte del eje propulsor 11, como una parte del eje de transmisión de las ruedas, de forma tal que la transmisión 101 esté situada en un lado del sistema de engranajes 15 que proporciona la parte de acoplo de MG2, cuyo lado es remoto con respecto al motor de combustión interna y con respecto a la parte de acoplo. La transmisión 101 puede tener dos o tres posiciones de velocidad de marcha hacia delante, y puede tener también una posición de velocidad de marcha atrás. La transmisión 101 puede estar construida tal como se muestra en la figura 7.
Al utilizar una transmisión que tenga tres posiciones de velocidad como la transmisión 101 en el sistema accionado de la realización que se muestra en la figura 5, la relación (o tasa) entre el par motor a generar por el motor de combustión interna 1 y el par motor a generar por MG2, según se observa en una sistema de coordenadas de la velocidad del vehículo con respecto al par motor del eje del vehículo, los cambios desde los mostrados en la figura 3 (en donde no se proporciona ninguna transmisión) a los mostrados en la figura 9. En la figura 9, cada una de las zonas B1, B2 y B3 representan la magnitud del par motor del eje del vehículo que pueden generarse por el motor de combustión interna (o el motor de combustión interna y MG1 en algunos casos), cuando la transmisión 101 se coloca en la primera posición de velocidad, segunda posición de velocidad y tercera posición de velocidad. Por el contrario, cada una de las zonas C1, C2 y C3 representan la magnitud del par motor del eje del vehículo necesario a obtener por MG2, cuando la transmisión 101 se sitúe en la primera posición de velocidad, segunda posición de velocidad y tercera posición de velocidad. Se comprenderá a partir de la figura 9 que el par motor máximo necesario a obtener por MG2 está significativamente reducido en comparación con la figura 3.
En una tercera realización que se muestra en la figura 6, la transmisión 102 está dispuesta en una línea o trayecto de acoplo entre el eje de transmisión de las ruedas y el segundo motor/generador eléctrico MG2. En otras palabras, la transmisión 102 está dispuesta en una parte de acoplo de MG2 que acopla el MG2 con el eje propulsor 11 como una parte del eje de transmisión de la rueda. La transmisión 102 puede tener dos o tres relaciones o velocidades. Con la configuración anterior, la transmisión 102 no necesita tener una posición de velocidad de marcha atrás, puesto que MG2 puede accionarse en la dirección inversa mediante la conmutación de un circuito eléctrico para MG2. No obstante, la transmisión 102 puede tener una posición de velocidad de marcha atrás, o bien puede construirse tal como se muestra en la figura 7.
Cuando se utiliza una transmisión que tenga tres posiciones de velocidad como la transmisión 102 en la realización mostrada en la figura 6, la relación (o tasa) entre el par motor a generar por el motor de combustión interna 1 y el par a producir por MG2, según se observa en un sistema de coordenadas de la velocidad del vehículo con respecto al par motor del eje del vehículo, los cambios desde lo mostrado en la figura 3 (en donde no se proporciona ninguna transmisión) a lo que se muestra en la figura 10. En la figura 10, la zona B representa la magnitud del par motor del eje del vehículo que puede generarse por el motor de combustión interna (o el motor de combustión interna y MG1 en algunos casos), en forma independiente de la posición de la velocidad en curso de la transmisión. Por el contrario, la zona C3 representa la magnitud del par motor del eje del vehículo a generar por el segundo motor/generador eléctrico MG2 cuando la transmisión 102 se encuentra en la posición de la tercera velocidad. La zona C2 representa la magnitud del par motor del eje del vehículo a generar por el segundo motor/generador eléctrico MG2, además del par motor según lo representado por la zona C3 cuando la transmisión 102 se encuentra en la segunda posición de velocidad. La zona C1 representa la magnitud del par motor del eje del vehiculo a generarse por el segundo motor/generador eléctrico MG2 además del par motor, según lo representado por la zona C3 y el par motor según lo representado por la zona C2 cuando la transmisión 102 se encuentre en la primera posición de velocidad. En otras palabras, la zona C1 representa un incremento en la magnitud del par motor que puede conseguirse mediante la colocación de la transmisión 102 en la primera posición de velocidad. De forma similar, las zonas C2, C3 representan incrementos en la magnitud del par motor que puede conseguirse mediante la colocación de la transmisión 102 en la segunda posición de velocidad y tercera posición de velocidad, respectivamente. Se comprenderá a partir de la figura 10 que el par motor máximo a obtener por MG2 está significativamente reducido en comparación con la figura 3.
Mientras tanto, las figuras 8-10 no son diagramas del cambio de velocidades del sistema de transmisión del vehículo híbrido incluyendo la transmisión, sino gráficos a modo de ejemplo que muestran la capacidad o prestaciones del sistema de transmisión. Específicamente, las figuras 8-10 muestran la magnitud del par motor que puede producirse principalmente por el motor de combustión interna (o el motor de combustión interna y MG2 en algunos casos) y el par motor que puede proporcionarse por el segundo motor/generador eléctrico MG2, en relación con la velocidad del vehículo, según se observa en el sistema de coordenadas de la velocidad del vehículo con respecto al par motor del eje del vehículo. En las realizaciones de las figuras 4 y 5, por ejemplo, los gráficos de las figuras 8 y 9 significan que la transmisión no siempre cambia desde la primera a la segunda posición de velocidad y desde la segunda a la tercera posición de velocidad, conforme la velocidad del vehículo se incremente desde una cierta velocidad baja hasta una cierta velocidad alta en caso de que sea bajo el par motor del eje del vehículo. En estas realizaciones, cuando no se requiera un par motor grande del eje del vehículo, tal como cuando el vehículo arranca normalmente sobre un suelo plano, el mecanismo de distribución de potencia puede ser controlado, de forma que utilice solamente la zona B de la figura 3, mientras que la transmisión se mantiene en la tercera posición de velocidad. En este caso, la segunda y tercera posiciones de velocidad de la transmisión se utilizan cuando aumenta el par motor necesario del eje del vehículo o cuando la palanca de cambio se opere hacia la segunda posición de la transmisión y la posición L, respectivamente.
En las realizaciones anteriormente ilustradas, el valor de Nr, según lo indicado en la figura 2, se hace negativo cuando el vehiculo se desplaza en la inversión de marcha atrás. Así pues, la velocidad rotacional Ns del MG1 y la velocidad rotacional Nr de MG2 se ajustan de acuerdo con la velocidad de rotación Nc del motor de combustión interna, de forma que la velocidad de rotación Nr llegue a ser igual al valor negativo deseado, en forma independiente de si está operando el motor de combustión interna (Nc > 0) o se encuentre en una parada (Nc = 0). En este caso, las velocidades de rotación de MG1 y MG2 pueden ajustarse de forma rápida y continua (o en forma de pasos). En este caso, no obstante, solo se utilizan los motores/generadores eléctricos para generar el par motor para el accionamiento del vehículo en la dirección de marcha atrás, y en donde el par motor disponible del motor/generador se encuentre altamente limitado. Por contraste, en los sistemas de transmisión tal como se muestran en las figuras 4 y 5, en donde la transmisión tiene una posición de velocidad de marcha atrás, se encuentra dispuesta en una parte intermedia del eje de transmisión de las ruedas, el motor de combustión interna opera para accionar el vehículo en la dirección de marcha atrás con un alto par motor, cuando la transmisión se coloque en la posición de marcha atrás, aunque se precisará de algún tiempo adicional para el cambio en la transmisión. Si se proporcionan medios para seleccionar un modo de desplazamiento de marcha atrás a partir de un primer modo de utilización de la posición de marcha atrás de la transmisión, y un segundo modo en que se utilice el ajuste del mecanismo de distribución de potencia, el vehiculo podrá ser operado más apropiadamente, mediante la selección del primer y segundo modos de accionamiento de marcha atrás, dependiendo de la magnitud del par motor requerido para accionar el vehículo en la dirección de marcha atrás. Mientras tanto, los medios de selección pueden proporcionarse a través de una tecnología de software en los recientes sistemas computerizados de control de la operación del vehículo.
Como ejemplos modificados de las realizaciones anteriormente ilustradas, los sistemas de accionamiento del vehículo híbrido, tal como se muestra en las figuras 4 y 5 pueden ser modificados, de forma tal que el motor de combustión interna y MG2 generen el par motor B1, B2, B3, C1, C2 y C3, de acuerdo con la posición de la velocidad de la transmisión, según lo indicado por los sistemas de coordenadas de las figuras 11 y 12 de la velocidad del vehículo con respecto al par motor del eje del vehículo, respectivamente, indicando cada uno el par motor requerido del eje del vehículo en relación con la velocidad del vehículo. Más específicamente, en cualquiera de las figuras 11 ó 12, la zona operable definida por la línea A en el sistema de coordenadas de la velocidad del vehículo con respecto al par motor del eje del vehículo, está dividida por líneas (límites) paralelas al eje de la velocidad del vehículo, de acuerdo con la magnitud del par motor necesario del eje del vehículo. En la figura 11, cuando la transmisión se encuentra en la tercera velocidad, el par motor del eje del vehículo correspondiente a la velocidad del vehículo se suministra con la magnitud correspondiente a la suma de las zonas B3 y C. Cuando la transmisión se encuentre en la segunda posición de velocidad, el par motor del eje del vehículo correspondiente a la velocidad del vehículo se suministra con la magnitud correspondiente a la suma de las zonas B2, B3 y C. Cuando la transmisión se encuentra en la primera posición de velocidad, el par motor del eje del vehículo correspondiente a la velocidad del vehículo se suministra con la magnitud correspondiente a la suma de las zonas B1, B2, B3 y C.
Así mismo, en la figura 12, cuando la transmisión se sitúa en la tercera posición de velocidad, el par motor del eje del vehículo correspondiente a la velocidad del vehículo se proporciona con la magnitud correspondiente a la suma de las zonas B3 y C3. Cuando la transmisión se encuentra en la segunda posición de velocidad, el par motor del eje del vehículo correspondiente a la velocidad del vehículo se proporciona con la magnitud correspondiente a la suma de las zonas B2, B3, y C2. Cuando la transmisión se encuentra en la tercera posición de velocidad, el par motor del eje del vehículo correspondiente a la velocidad del vehículo se proporciona con la magnitud correspondiente a la suma de las zonas B1, B2, B3 y C1. Con esta configuración, en tanto que el par motor necesario del eje del vehículo no sea alto, la diferencia entre la velocidad rotacional del motor de combustión interna y la velocidad del vehículo se ajustará mediante la utilización del mecanismo de distribución de potencia en lugar de hacerlo mediante los cambios de la transmisión, y la transmisión se utilizará como ayuda al mecanismo de distribución de potencia, para incrementar el par motor solo cuando llegue a ser alto el par motor requerido del eje del
vehículo.
No obstante, se comprenderá que los sistemas de transmisión de los vehículos híbridos tal como se muestra en la figura 4 y figura 5 pueden ser operados de acuerdo con los mapas de cambio tal como se muestran en la figura 8 y figura 9, respectivamente. Por ejemplo, si el vehículo híbrido está diseñado para ser operado en un modo de conducción normal o en un modo de conducción deportivo, se seleccionará dependiendo de las preferencias del conductor o de la rugosidad de la superficie de la carretera sobre la cual esté desplazándose el vehículo. Cuando el vehículo se encuentra en el modo de conducción normal, el sistema de transmisión del vehículo híbrido podrá operar de acuerdo con el mapa de cambio de la figura 11 ó 12. Cuando el vehiculo está en el modo de conducción deportiva, el sistema de transmisión del vehículo híbrido podrá operar de acuerdo con el mapa de cambio de la figura 8 ó 9.
El control para el cambio en la transmisión construido tal como se muestra en la figura 7 entre la primera, segunda, y tercera posiciones de la velocidad a través del acoplo y desacoplo de los embragues C1, C2 y los frenos B1, B2 puede llevarse a cabo por los medios de un conocido sistema (no mostrado) de control de la operación del vehículo, que incluye un microcomputador, y que está dispuesto para controlar la operación del vehículo, basándose en las ordenes de operación procedentes del operador del vehículo y de las señales de distintos sensores para detectar las condiciones operativas del vehículo. Si se proporcionan los mapas de distribución de del par motor del eje de vehículo, tal como se muestran en las figuras 8 ó 9, y las figuras 11 ó 12, la transmisión podrá ser operada fácilmente de acuerdo con un mapa seleccionado a partir de estos mapas.
Así mismo, cuando el sistema de transmisión del vehiculo híbrido tal como se muestra en la figura 4 ó 5, es operado bajo el control del mencionado sistema de control de la operación del vehículo, de acuerdo con el mapa de distribución del par motor del eje del vehículo, tal como se muestra en la figura 11 ó 12, la transmisión puede quedar inhibida de poder ser cambiada a la siguiente posición de velocidad durante un tiempo predeterminado, cuando sea necesario el cambio de la transmisión de acuerdo con el mapa.
Tal como se comprenderá a partir de la construcción del sistema de transmisión del vehiculo híbrido, incluyendo el motor de combustión interna, el conjunto MG1 y el MG2, que se combinan por los medios del mecanismo de engranaje planetario, cuando el par motor requerido del eje del vehículo se incrementa repentinamente mientras que el motor de combustión interna está funcionando a un nivel de potencia constante, el par motor requerido del eje del vehículo así incrementado puede ser proporcionado mediante el incremento de potencia de al menos un de los conjuntos MG1 ó MG2, en lugar de incrementar el par motor de salida a los ejes de transmisión mediante el cambio de la transmisión a una posición de velocidad baja. En este caso, no obstante, si el valor requerido del par motor del eje del vehículo se incrementa de una forma que se induzca una transición desde la zona B3 a la zona B2 o desde la zona B2 a la zona B1, es preferible incrementar el par motor del eje del vehículo mediante el cambio de la transmisión, para asegurar que BG1 y MG2 operen bajo una carga especificada. En otras palabras, si la potencia de MG1 o MG2 se incrementa para aumentar el par motor del eje del vehículo en el caso según se ha descrito anteriormente, el MG1 ó MG2 podrán operar en forma no deseable a un nivel de potencia mayor que la potencia especificada. No obstante, el MG1 o MG2 pueden tener autorización para operar bajo una carga mayor que la potencia especificada, solo durante un periodo de tiempo predeterminado.
En consecuencia, cuando el valor requerido del par motor del eje del vehículo se incrementa de una forma que se induzca una transición desde la zona B3 a la zona B2, al menos uno de los conjuntos MG1 y MG2 será operado para incrementar el par motor del eje del vehículo, en lugar de realizar el cambio en la transmisión, hasta que transcurra un periodo de tiempo predeterminado. Con esta configuración, el cambio frecuente de la transmisión debido a los incrementos temporales o momentáneos en el valor requerido del par motor del eje de vehículo podrán prevenirse, permitiendo así una operación más suave y silenciosa del sistema de transmisión del vehículo híbrido. La operación de los sistemas de transmisión de los vehículos híbridos anteriormente descritos puede ser controlada fácilmente, mediante el uso de un sistema de control de la operación del vehículo ya conocido en el arte. Así pues, no se describirá aquí cualquier secuencia de control en particular o el diagrama de flujo para llevar a cabo el control anterior.
Como ejemplo modificado adicionalmente de la realización anteriormente ilustrada, la relación de las zonas del par motor configuradas para el motor de combustión interna y el segundo moto/generador puede corregirse en el caso de un fallo o una anormalidad en la operación del motor de combustión interna o en el segundo motor/generador. Las figuras 13-15, que corresponden a las figuras 11-13, respectivamente, muestran ejemplos de los mapas de distribución del par motor que se utilizan para el control del par motor, cuando el motor de combustión interna o el segundo motor/generador se encuentren averiados, y en donde se reduzca la potencia de salida del motor de combustión interna o del motor eléctrico. En las figuras 13-15, las líneas de trazos y dos puntos representan las líneas límites originales.
La figura 13 es un gráfico que muestra un ejemplo en donde la potencia del segundo motor/generador eléctrico MG2 se reduce para que sea inferior a un nivel normal. En este ejemplo, el sistema de transmisión está construido de forma tal que solo la salida del segundo motor/generador esté afectado directamente por el cambio de la posición de la velocidad (es decir, el cambio de marcha) de la transmisión. En el caso de dicha disminución en la potencia del segundo motor/generador eléctrico MG2, en consecuencia, el control del cambio de la transmisión, por una parte, se corrige para cambiar en forma de reducción la transmisión en un instante anterior a lo normal con respecto a la velocidad del vehículo, con el fin de reducir la carga del par motor del segundo motor/generador para cada posición de la velocidad de la transmisión. Por el contrario, la operación del mecanismo de distribución de la potencia puede ser corregida mediante el incremento del ancho de la zona B, con el fin de provocar que el motor de combustión interna pueda generar una magnitud más grande del par motor del eje del vehículo.
La figura 14 es un gráfico que muestra un ejemplo en el que la potencia del motor de combustión interna se reduce para que sea inferior a un nivel normal. En este ejemplo, el control del cambio de la transmisión se corrige para reducir el par motor del eje del vehículo para ser generado por el motor de combustión interna para cada posición de la velocidad de la transmisión. Más específicamente, en este caso, la programación de los cambios o diagrama de cambios (no mostrado) para su utilización en el control de los cambios se corrige para cambiar en forma descendente la transmisión en un instante anterior en la respuesta ante un incremento en el valor requerido del par motor del eje del vehículo, para reducir por tanto la magnitud del par motor a generar por el motor de combustión interna, para cumplir con el requisito del par motor en cada punto de la velocidad del vehículo.
La figura 15 es un gráfico que muestra otro ejemplo en el que la potencia del segundo motor/generador MG2 se reduce para que sea inferior a un nivel normal. En este caso, el par motor del eje del vehículo a generarse por el motor de combustión interna en cada posición de la velocidad de la transmisión se incrementa con el fin de compensar la reducción en la potencia del segundo motor/generador eléctrico MG2. Así pues, la programación de los cambios y las líneas límite que indican un cambio en la relación de velocidades de la transmisión se corrigen hacia la parte de la velocidad más alta del vehículo con respecto a la normal.
Mientras tanto, será evidente que la corrección anterior de la relación de zonas del par motor en el mapa de distribución del par motor en respuesta a una reducción en la potencia del motor de combustión interna o el segundo motor/generador debido a un fallo del mismo podrá ser ejecutada también en un sistema de transmisión configurado para cambiar la transmisión de acuerdo con la velocidad del vehículo según lo indicado en las figuras 8 y 9. En este caso, en el caso de una disminución en la potencia del motor de combustión interna, las líneas límite entre las zonas B1, B2, B3 se cambian totalmente hacia el lado alto de la velocidad del vehículo, y/o en donde se disminuyen las alturas de estas zonas, de forma que la disminución de la potencia del motor de combustión interna se compense por el segundo motor/generador eléctrico MG2.

Claims (6)

1. Un sistema de transmisión de un vehículo híbrido, en el cual un motor de combustión interna (1), un primer motor eléctrico (8), y un segundo motor/generador eléctrico (12) se combinan para proporcionar una fuente motriz para un vehículo híbrido, en el que el eje de salida (2) del motor de combustión interna (1) y el primer motor eléctrico (8) se acoplan a través de un mecanismo de distribución de potencia (3) a un eje motriz de las ruedas (11), y en el que el eje motriz de las ruedas está acoplado a través de una parte de acoplamiento (16) al segundo motor eléctrico (12),
caracterizado porque
se encuentra provista una transmisión cambiable (102) en la parte de conexión (16) del segundo motor eléctrico (12) con el eje motriz de las ruedas (11).
2. El sistema de transmisión de un vehículo híbrido de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el primer motor eléctrico (8) opera también como un generador de energía eléctrica.
3. El sistema de transmisión del vehículo híbrido de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el primer motor eléctrico (8) y el segundo motor eléctrico (12) operan también como generadores de energía eléctrica.
4. El sistema de transmisión del vehículo híbrido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la transmisión (102) tiene una pluralidad de posiciones de velocidades.
5. El sistema de transmisión del vehículo híbrido de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la transmisión (102) tiene una pluralidad de posiciones de las velocidades de marcha hacia adelante y una posición de velocidad de marcha atrás.
6. El sistema de transmisión del vehículo híbrido de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende medios para seleccionar un modo de conducción de marcha atrás a partir de un primer modo en el cual la transmisión (102) se sitúa en la posición de la velocidad de marcha atrás, y un segundo modo en el cual el mecanismo de distribución de potencia (3) se ajusta para conducir el vehículo en la dirección de marcha atrás.
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