一种两挡变速机构的增程器及其控制方法

技术领域

本发明属于变速器技术领域，具体是指一种两挡变速机构的增程器及其控制方法。

背景技术

目前，在增程式汽车中，通常由发动机、单挡齿轮和发电机组成增程器的发电系统，如图1，发动机的万有特性在零部件选型确定后，很难通过发动机控制软件实现较大的偏移，同时还需要考虑到控制策略调整对燃烧排放物的影响。电机效率特性往往也是需要从硬件设计开始，一旦拐点转速确定，最佳效率可变动的区间也不大，或者以一个更大扭矩的电机，通过限定最大扭矩和最大功率，把电机最佳效率区间限定在一个理想的范围，但是，这会导致电机的成本增大。

在实际开发中，往往通过优化齿轮的速比，达到一个比较节油的发电系统。然而，齿轮速比的确定需要考虑到以下两方面：

1.通过速比的优化，让发动机最佳经济曲线(Engine Eco Line，简称：Eng-ELine，如图2)和发电机最佳效率曲线(Generator Eco Line，简称：Gen-ELine，如图3)达到一个比较高的重合度；

2.速比的优化需要兼顾到发动机最大功率的输出。

根据发动机和发电机的特性，基于上述两方面的需求，速比通常向两个不同的、自相矛盾的优化方向(速比变大、速比变小)进行。当速比往小的方向变化时，发电的效率会提升，如图4所示；然而，当速比往小的方向变化时，由于电机的最大转速限制，输出的功率也会相应的减小，无法满足最大的发电功率的需求，如图5所示。因此，单挡齿轮确定的速比只能是权衡最优效率曲线和最大输出功率的结果，受到上述确定齿轮速比的两方面的制约。

发明内容

为了解决上述难题，本发明提供了一种两挡变速机构的增程器及其控制方法，根据发动机Eng-ELine和发电机Gen-ELine两个的重合度和最大输出功率，进行速比的选择与优化，并根据系统效率的高低决策两挡的切换。

为了实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：一种两挡变速机构增程器，包括发动机、两挡变速机构、控制信号线、变速器控制单元(TCU)、液压控制单元(HCU)和发电机，所述两挡变速机构的输入轴与发动机相连，所述液压控制单元(HCU)设于两挡变速机构内，所述变速器控制单元(TCU)通过控制信号线与液压控制单元(HCU)电相连，所述发电机与两挡变速机构的输出轴相连接。

其中，所述两挡变速机构内设有第一挡主动齿轮、第二挡主动齿轮、第一挡被动齿轮和第二挡被动齿轮，所述第一挡主动齿轮与第一挡被动齿轮相连，并且所述第一挡被动齿轮与两挡变速机构的输出轴相连，所述第二挡主动齿轮与第二挡被动齿轮相连，并且所述第二挡被动齿轮与两挡变速机构的输出轴相连。

其中，所述两挡变速机构输入轴上设置有同步器，所述第一挡主动齿轮与同步器选择性相连。

进一步地，所述同步器与第二挡主动齿轮选择性相连。

优选地，液压控制单元(HCU)包含电磁阀控制单元一，控制信号控制第一齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到同步器机构第一挡齿轮侧的液压缸，实现同步器与第一挡主动齿轮相连，从而实现第一挡的传动。

其中，液压控制单元(HCU)包含电磁阀控制单元二，控制信号控制第二齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到同步器机构第二挡齿轮侧的液压缸，实现同步器与第二挡主动齿轮相连，从而实现第二挡的传动。

在需求较小发电功率时，切换到较小速比的齿轮上进行传动，实现较高效率的发电功率，满足整车比较节能的运行；在需求较大发电功率时，切换到较大速比的齿轮上进行传动，实现较大的发电功率，满足整车较大功率的输出，高转速下可以切换到较大速比的齿轮传动，降低电机的转速，从而降低对电机最大转速的要求，降低电机成本。

本发明还包括一种两挡变速机构增程器的控制方法，包括如下步骤：

1、变速器控制单元(TCU)接受到更高级别控制器的需求功率，根据需求功率与换挡点功率进行判断，经控制软件做出小齿轮速比传动的控制信号；

2、控制信号由控制信号线传输到液压控制单元(HCU)；

3、液压控制单元(HCU)包含的电磁阀控制单元一，控制信号控制第一齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到同步器机构第一挡齿轮侧的液压缸，实现同步器与第一挡主动齿轮相连，从而实现第一挡齿轮传动；

4、变速器控制单元(TCU)做出大齿轮速比传动的控制信号，控制信号由控制信号线传输到液压控制单元(HCU)；

5、液压控制单元(HCU)内的电磁阀控制单元二，控制信号控制第二齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到所述的同步器机构第二挡齿轮侧的液压缸，实现同步器与第二挡主动齿轮相连，从而实现第二挡齿轮的传动。

本发明采取上述结构取得有益效果如下：本发明提供的增程器两挡变速机构采用成熟的齿轮传动，在需求较小发电功率时，切换到较小速比的齿轮上进行传动，实现较高效率的发电功率，满足整车比较节能的运行；在需求较大发电功率时，切换到较大速比的齿轮上进行传动，实现较大的发电功率，满足整车较大功率的输出；在高转速下可以切换到较大速比的齿轮传动，降低电机的转速，从而降低对电机最大转速的要求，降低电机成本；采用的机构简单，换挡控制的软件成熟和生产成本较低。

附图说明

图1为现有技术的增程器单挡齿轮发电系统示意图；

图2为发动机的万有特性图；

图3为发电机的效率特性图；

图4为发电系统效率对比图；

图5为发电系统最大发电功率对比图；

图6为本发明提供的两挡变速机构增程器的示意图；

图7为挡位效率对比及换挡点示意图；

图8为功率输出及换挡点示意图；

图9为新旧方案效率提升对比图。

其中，1、发动机，2、两挡变速机构，3、第一挡主动齿轮，4、同步器，5、第二挡主动齿轮，6、控制信号线，7、变速器控制单元，8、第一挡被动齿轮，9、液压控制单元，10、第二挡被动齿轮，12、发电机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图6所示，本发明提供的两挡变速机构的增程器，包括发动机1、两挡变速机构2、控制信号线6、变速器控制单元7(TCU)、液压控制单元9(HCU)和发电机12，两挡变速机构2的输入轴与发动机1相连，液压控制单元9(HCU)设于两挡变速机构2内，变速器控制单元7(TCU)通过控制信号线6与液压控制单元9(HCU)电相连，发电机12与两挡变速机构2的输出轴相连接。

两挡变速机构2内设有第一挡主动齿轮、第二挡主动齿轮、第一挡被动齿轮和第二挡被动齿轮，第一挡主动齿轮3与第一挡被动齿轮8相连，并且第一挡被动齿轮8与两挡变速机构2的输出轴相连，第二挡主动齿轮5与第二挡被动齿轮10相连，并且第二挡被动齿轮10与两挡变速机构2的输出轴相连；两挡变速机构2输入轴上设置有同步器4，所述第一挡主动齿轮与同步器4选择性相连；同步器4与第二挡主动齿轮5选择性相连。

液压控制单元9(HCU)包含电磁阀控制单元一，控制信号控制第一齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到同步器4机构第一挡齿轮侧的液压缸，实现同步器4与第一挡主动齿轮3相连，从而实现第一挡的传动。

液压控制单元9(HCU)包含电磁阀控制单元二，控制信号控制第二齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到同步器4机构第二挡齿轮侧的液压缸，实现同步器4与第二挡主动齿轮5相连，从而实现第二挡的传动。

在需求较小发电功率时，切换到较小速比的齿轮上进行传动，实现较高效率的发电功率，满足整车比较节能的运行，在需求较大发电功率时，切换到较大速比的齿轮上进行传动，实现较大的发电功率，满足整车较大功率的输出，高转速下可以切换到较大速比的齿轮传动，降低电机的转速，从而降低对电机最大转速的要求，降低电机成本。

本发明还包括一种两挡变速机构增程器的控制方法，包括如下步骤：

1、变速器控制单元7(TCU)接受到更高级别控制器的需求功率，根据需求功率与换挡点功率进行判断，经控制软件做出小齿轮速比传动的控制信号；

2、控制信号由控制信号线6传输到液压控制单元9(HCU)；

3、液压控制单元9(HCU)包含有电磁阀控制单元一，控制信号控制第一齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到同步器4机构第一挡齿轮侧的液压缸，实现同步器4与第一挡主动齿轮3相连，从而实现第一挡齿轮的传动；

4、变速器控制单元7(TCU)做出大齿轮速比传动的控制信号，控制信号由控制信号线6传输到液压控制单元9(HCU)；

5、液压控制单元9(HCU)包含有电磁阀控制单元二，控制信号控制第二齿轮控制电磁阀的开度，将液体经由液压油路传输到所述的同步器4机构第二挡齿轮侧的液压缸，实现同步器4与第二挡主动齿轮5相连，从而实现第二挡齿轮的传动。

本发明在考虑上述的速比优化所受到的约束，提出一个两挡变速机构增程器，即，将单挡齿轮变更为两挡齿轮机构；根据发动机1Eng-ELine和发电机12Gen-ELine两个的重合度和最大输出功率，进行速比的选择与优化，并根据系统效率的高低决策两挡的切换。通过上述可知，当前的发动机1特性和电机特性匹配时，当速比较小时，发电系统的效率提升，但无法满足最大发电功率的输出；当速比较大时，能够满足发电系统的最大功率的输出，但发电效率会降低。通过所提出的两挡变速机构2，当TCU(Transmission Control Unit，变速器控制单元7)接受到更高层级的控制单元(如VCU，Vehicle Control Unit，整车控制单元)功率指令，当需求功率较小时，采用较小速比的齿轮进行传动；当需求功率较大，超过换挡点对应的功率时，切换至较大速比的齿轮进行传动，充分发挥发动机1的最大功率，如图7所示。挡位由小齿轮速比切换到大齿轮速比，根据上面所述，不仅输出功率的极限可以扩大(如图8)，而且效率也有提升(如图7)；

综上所述，提出的两挡变速机构2及其控制方法，在需求功率较小时，以小齿轮速比替代原来的大齿轮速比，从而实现更高效率的发电，与采用单挡齿轮传动的方案相比，最大效率提升大约4％，如图9，在需求功率达到换挡点后，切换成原来齿轮速比，实现发动机1满功率输出的潜能。

具体使用时，在需求较小发电功率时，切换到较小速比的齿轮上进行传动，实现较高效率的发电功率，从而满足整车比较节能的运行；在需求较大发电功率时，切换到较大速比的齿轮上进行传动，实现较大的发电功率，满足整车较大功率的输出；高转速下可以切换到较大速比的齿轮传动，降低电机的转速，从而降低对电机最大转速的要求，降低电机成本。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。