CN101037087A - 一种机动车无级变速混合动力节能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动车使用的动力传递、转换和存储的装置，特别是一种采用机液电一体化，实现多种动力混合驱动、无级变速传动的高效节能机动车动力装置。本发明的装置，主要由发动机、小功率变量泵/马达、大功率变量马达/泵、电动/发电机、行星轮系、锁止器、液压储能器、液压控制器、变流器/电子控制单元和电池组、液压空调压缩机等所组成。结构简单，制造容易，操作方便，成本较低，体积较小，采用特殊的动力控制逻辑，能与发动机特性合理优化匹配，使发动机经常工作在高效低排放区，具有良好的动力性，能实现驻车停机、刹车制动能回收的高效率无级变速器节能装置，能替换汽车上现有的变速器，实现对现有汽车的节能改造和新车的节能驱动。

Description

一种机动车无级变速混合动力节能装置

一、技术领域：

本发明涉及一种机动车使用的动力传递、转换、存储和使用的装置，特别是一种能实现多种动力混合与循环驱动、机液电一体化、无级变速传动和制动动能回收的机动车节能动力装置。

二、背景技术：

机动车，特别是汽车节能，是在全球石油资源日趋枯竭而大气环境越来越恶化的现实情况下，引起了世界各国政府和社会的高度重视和关注。据不完全统计，全球拥有8亿辆汽车，每年消耗石油10多亿吨，全球石油资源仅供70年之用。我国当前能源十分紧张，随着我国汽车工业的发展以及汽车拥有量的快速增加，能源消耗也逐年增加，仅2005年3000多万辆汽车就消耗石油近亿吨，其中50％需要进口，而且造成了日益严重的环境污染。

根据美国能源部的统计数据，汽车油箱中汽油的能量只有15％用来驱动汽车前进或者驱动空调等有用的附件。其余能量都被浪费了。由此可见，通过先进技术实现节能的潜力是十分巨大的。因此，提高汽车的效率，节约能源，减少环境污染，不但具有巨大的经济效益和社会效益，同时也是可以实现的。

汽车节能技术，世界各主要汽车制造商都在大力研究，各种解决方案也都在尝试之中，取得了相应的进展。节能方法主要包括提高发动机的效率、提高传动效率、减少阻力功耗等。改进传统发动机结构和研制高效发动机是一项长期而艰巨的工作，如高压缩比柴油发动机技术等。氢燃料电池技术将进一步提高能源转换效率，而且零污染，远期前景看好，但从生产到使用的全过程总效率不高，而且还有很多的技术问题有待解决，才能得以普及和推广。在短期内相对容易实现和比较可行的解决方案是应用先进的发动机技术加混合动力驱动。目前常见的机电混合动力驱动已经实现高水平的节能，达到省油50-60％，如德国大众的Chico，美国PNGV开发的多种概念车，日本丰田的Prius等，但还刚刚进入市场。而对于已经在用的数亿辆汽车，至今没有很好的节能解决方案。

在非混合动力的汽车动力系统中，变速器起着仅次于发动机的作用。汽车变速器按照操作与变速方式通常分为有级手动/自动变速器和无级变速器。

手动档有级变速器，采用定轴齿轮系统传动，效率较高(90％-96％)，但由于难以和内燃机在较大速度和负载范围内实现双变量的优化配合，从而发动机+变速器的总体效率不高。而且换档操作要和离合器很好协同，对驾驶员操作要求高，频繁变档劳动强度大。自动换档有级变速器，由液力变矩器与行星轮系组成。但液力变矩器和行星轮系是串联传动，前者在汽车低速或低转差率时即便使用锁止器，效率低(＜80％)。自动变档改善了发动机的工况，提高了发动机的效率，一定程度上弥补了自身效率损失。但控制系统相当复杂，制造难度大，耗能也不低。综合相比，使用液力行星轮系自动变速器的效率只有80-90％，比手动变速器低5％-10％。

无级变速器一直是人们追求的理想。过去，人们曾试图采用由液压变量泵-马达组成全液压无级变速系统，效率太低：单个泵或者马达的效率即使达到95％，则系统总的调速效率仍在90％以下。虽然也有国外及国内发明家提出其他液压无级变速和机械传动相结合的方案，如美国专利6145409 Hybrid Gearbox，采用定轴轮系传动，只适用于特殊用途的工程车；还有美国环境保护署在中国申请的专利01803550-“液压混合驱动型车辆”，配置三个液压泵马达和高低压两个储能器，以全液压调速传动。但都不能满足汽车在各种复杂工况下的动力性能要求和节能要求，至今未能在汽车上得到应用。另有以摩擦力实现无级变速传动的，但所传递的功率有限，传动效率较低。最近在德国、日本开发成功的钢带式无级变速传动装置，效率有较大提高，达到80-95％，但传递扭矩有限，特别在低速和低载下，效率下降。受钢带最小弯曲半径的限制，其变速范围在0.4-2.5之间，还需要和液力变矩器或者启动离合器、变速器配合使用。

在机电混合动力驱动系统中，根据机、电系统的匹配方式，可分为串联、并联和混联三种。串联是由发动机、发电机、电动机三大部件构成，将发动机输出的机械能由发电机全部转换为电能，再由电动机根据汽车负载情况转换为机械能驱动汽车。该方式使发动机一直处于高效状态，系统控制简单，但传动效率低，而且需要大功率的发电机、电动机和电池组，成本高。并联方式是由发动机，电动/发电机或者驱动电动机两大主要动力部件组成，电动/发电机起辅助驱动作用。混联式驱动是由发动机、电动/发电机以及驱动电机三大部件组成，具有串联和并联的优点，但控制系统相当复杂，成本高。日本丰田公司Prius汽车通过机电混联驱动，百公里油耗在市区工况下为3.5升，公路工况下为4.5升，是普通汽车油耗的一半。特别是其污染物排放减少90％。

机电混合驱动汽车在节能原理上，都是通过从吸收发动机低载时多余的能量、电网充电或者刹车能回收，然后在适当时候释放出来，加以利用。按照电力配备的大小分为弱混合与强混合，弱混合的电能释放只用于发动机的启停控制和加速辅助，节能效果有限。强混合则可独立驱动汽车前进，但通常采用车速控制法，即在汽车低速低载时用电动，在某一速度之上才启动发动机，以避开发动机的低效工作区。但当汽车在该切换速度附近波动时，会导致混合系统的频繁切换，而且控制管理变得十分复杂。由于它利用的是电动机在低速时的大力矩特性来直接驱动汽车起步和加速，电动机的驱动电流很大，此时效率较低；其电能部分的能量变换链为：发动机-发电机(95％)-变流器(98％)-电池组充(95％)-电池组放(95％)-变流器(98％)-电动机(95％)-汽车，括号中的效率是理想指标，即使如此电动总效率也只有78％，通常只能达到70-75％。另外在汽车制动时，往往在较短的时间内减速，必须使用更大功率的电机和能进行反复大电流充电的电池组才能更好的回收动能。而且，由于电动机、电池组体积大，只适应其特有的发动机和车型，也就无法对现有汽车进行节能改造。

美国环境保护署和福特公司、EATON公司曾经试验过HLA-Hydraulic LaunchAssist“液压启动助力”系统，通过液压泵把刹车能回收，再在汽车再启动时释放出来，在一辆福特皮卡上试验，取得了良好效果，据有关文献称可以回收刹车能的80％，在市内行驶降低能耗25-35％，尾气排放50％。液压回收比电能回收效率高的原因在于液压蓄能器的损耗低，而且功率密度大。但该系统仅适合于市区运行，系统功能单一，适用面太窄。

综上所述，传统的汽车动力装置，由于种种原因，如变速器不能和汽车、发动机的负荷、功率特性进行良好匹配，或者变速器本身效率较低，汽车动能没有回收，汽车驻车怠速等导至巨大的能源浪费和环境污染。采用机电混合驱动方式，虽然较大幅度的提高了能源利用率，但目前使用的机电混合驱动系统复杂，体积大，所需的电池、机电转换控制和大功率电机导致成本较高，省油不省钱。机电-电机转换和存储效率还有待提高，其中电池的性能成为制约其发展的关键。特别是快速充放电的实现、储能效率的提高和电池寿命等技术问题都有待解决，目前尚无法普及。特别是对全球已经在用的近8亿量车，也无能为力。

三、发明内容：

为进一步说明本发明的意图，首先对汽车动力与负荷特性、能耗做详细分析。

汽车的动力主要是内燃机，特别是汽油机，其动力特征是，转速在每分钟500-6000转，扭矩相对于转速呈微凸型恒扭矩特点，但随节气门开度大小成近似线性正比增加。在节气门关小的时候，发动机气缸压缩比也随着下降，发动机效率就大幅度降低。如压缩比从10降低到5时，绝对效率减少10％。因此，根据内燃机的万有特性来看，发动机只有在一定的转速范围和额定负荷下，才能有较高的效率。其中，汽油机和柴油机的特性还略有不同。柴油机高效区相对宽广一些。在额定工况下，根据美国环境保护署的数据，高效发动机本身的平均能量损失为62.4％，有效效率也只有37.6％(218g/kwh)。在城市交通路况下，发动机绝大部分时间工作在低负荷状态，在发动机额定负荷的10-30％左右，发动机的平均效率仅为16-18％(480g/kwh)。

汽车负荷的特性与能耗，一是克服车轮与地面的滚动摩擦力，它与汽车总重和滚动摩擦系数成正比，且所需功率在一般车速范围内不随汽车速度而变。二是克服汽车运动的风阻力，它与速度的平方成正比，所需功率是速度的立方。三是汽车启动加速和爬坡，提高其动能或者势能所需要的动力，这部分动能在制动刹车中转换为摩擦热。在城市路况下，汽车低速低载和驻车怠速能耗17.2％，发电机和空调压缩机等占2.2％，汽车动力传动损失5.6％，刹车制动5.8％，滚动摩擦和空气阻力损失为6.8％。汽油的热能只有12.6％消耗在汽车行使中，其余87.4％消耗在发动机本身和传动链上。由此可见，如果能够通过使发动机一直在高效区内工作，则可提高发动机热效率10％-15％以上；在汽车驻车时，让发动机负载运行或者熄火，把怠速消耗降低；提高传动链效率，以及把刹车能部分回收，这样，整体可提高热能利用率达到24-26％，换而言之，即便是使用现有水平的发动机，所节省的能量足够使汽车再多走近一倍的距离。

本发明的目的，就是要根据汽车负荷特点与发动机动力特性，提供一种通过汽车动力系统的优化来节能的装置。该装置在结构相对简单，制造容易，操作方便，成本较低，体积较小，适应各类负载变化，具有良好的动力性和舒适性的条件下，能与发动机特性合理优化匹配，使发动机经常工作在高效低排放区，能实现驻车停机、刹车制动能回收的高效率无级变速节能装置，能替换汽车上现有的变速器，实现对现有汽车的节能改造或者对新车的节能驱动。

本发明的设计思想，从原理上是在汽车的低速低载区，采用机电、机液或者机液电的混合循环驱动，中速中载区采用大升速比，高速重载区加辅助动力的办法使发动机在各种工况下都在高效区工作，达到节能目的。在实现装置上是鉴于液压传动的功率体积比高，容易实现大范围无级变速，瞬时大功率能量输入输出以及寿命长、操作简单，传动平稳，但比能和效率较低；而行星轮系传动效率高，体积小，无轴向和径向载荷，可实现双路动力合成；电动/发电机非常灵活，电池组的比能比液压储能器的比能高，但体积大，整体效率比液压系统还低、电池组的要求高等特点，通过将液压传动、行星轮系传动以及电机传动的机液电三位一体有机巧妙结合，来实现本发明的目标。

本发明的装置，主要由发动机、小功率变量泵/马达、大功率变量马达/泵、电动/发电机、离合器、行星轮系、锁止器、离合器、液压储能器、低压油箱、液压控制器、变流器/电子控制单元/智能充电器和电池组、液压空调压缩机、停车场充电装置等组成。其中，作为主动力源的发动机输出轴和行星轮系的系杆固定连接，小功率变量泵/马达(以下简称液压泵)的动力轴和行星轮系的心轮周向固定连接，电动/发电机(以下简称电机)通过离合器可以和心轮或者系杆连接，大功率变量马达/泵(以下简称液压马达)和行星轮系的外轮固定连接，动力从外轮向外输出。这里所指的固定连接是指通过同轴安装或者固定速比的异轴连接。锁止器则分别与心轮轴和系杆轴相连，实现系杆和心轮的分离和接合；液压泵与液压马达、液压空调压缩机均通过液压控制器与液压储能器、液压油箱相连。液压控制器实现各连接部件本身及相互间的联通、短路、断路、换向以及安全保护。电动/发电机通过变流器/电子控制单元与电池组连接。智能充电器也集成在电子控制单元中，可和外接的停车场充电装置连接给电池组充电。小功率液压变量泵/马达和大功率液压变量马达/泵都通过通过其自身的控制机构根据电子控制单元发出的指令实现变量调节、双向运转及泵与马达状态的切换，前者的额定扭矩是发动机额定扭矩的0.1-1倍，后者的额定扭矩是发动机额定扭矩的1-10倍。电动/发电机通过变流器和电子控制单元实现无级变速、方向改变以及电动-发电状态的切换，它的功率是发动机功率在同一转速下的5-50％。电子控制单元通过传感器采集各个变量参数如车速、路况、加速踏板位置等来控制整个系统包括发动机的运作。

本发明的装置的工作机制是，发动机的机械动力通过轴驱动行星轮系的系杆，由系杆上的行星轮驱动心轮和外轮，按照行星轮系传动的运动合成原理和力矩平衡原理，动力被分解成两路，即主传动链路和调速调功链路。其中，调速调功链路的动力有两个通道：一是通过心轮驱动液压泵旋转，产生高压油流，转换为液压能，输入到液压储能器或者液压马达，液压马达又将液压能以大力矩的输出还原成机械能加载在和外轮相连接的输出轴上。通过调节变量液压泵的排量来控制调节液压泵转子的转速，也就是调节行星轮系心轮的转速，在发动机输入转速即系杆转速不变的情况下，也就改变了外轮的转速，即输出轴转速，达到调速调功的目的。二是可以通过电动/发电机，将发动机在高效负荷区运行时多余的机械能转换为电能存储到电池组中，在汽车低速行驶时让发动机熄火，驱动汽车前进，或者在汽车启动爬坡以及加速时，作为辅助动力输出，也起到调速调功的作用。主传动链路动力则直接驱动外轮转动，带动汽车运动。系统参数的设计，使得在大多数工况下，动力主要靠主传动链传递。正是通过这种动力的分解与合成，调速调功链路的能量回收，液压马达、液压储能器和电池组的能量积蓄和再生应用，以及主传动链采用高效行星轮系，无级变速变矩，达到高效节能目的。

汽车在低速堵车、城市路况等低负荷运动期间，采用机-液/机-电或者机-液-电混合循环驱动，发动机在高效转速区间内以接近额定负荷的工况运行，多余能量通过液压系统和电力系统存储，当储能到蓄能系统之上限时，让发动机熄火或者怠速，依靠液压储能器和电池组中的储能实施液压驱动或者液电混合驱动汽车前行，并在储能降低到其下限时很方便的启动发动机，进入下一轮循环。在汽车中高速运行期间，采用超速比的升速传动，以及在高速重载期间，通过液压和电机辅助动力供应。这样使发动机在汽车各种负载工况下，均保持在高效区内运行，大幅度提高发动机的效率。在汽车刹车时，将大功率液压马达切换为液压泵，起刹车作用，将汽车的机械动能转换为液压能和电能存储起来。液压空调压缩机也利用刹车回收的液压能驱动，进一步降低汽车发动机的能耗。在满足汽车动力要求和舒适性要求的前提下，实现高效变矩调速、发动机节能运行、汽车刹车动能回收所需的各种功能。

本发明的节能效果：

1、提高发动机的热转换效率：

由于发动机的转速和汽车的速度不再是固定比例关系，从而可以让发动机经常工作在高效低排放的速度和载荷区。特别是在汽车低速低负载的情况下，采用发动机启动-关闭/怠速循环工作模式，通过液、电系统将原来被浪费的能源加以利用，大幅度提高发动机热转换效率。

2、减少发动机怠速能耗

通过本变速装置采用低速时的双模式循环驱动，让汽车驻车时发动机仍然负载运行或者熄火，再用回收的液电能驱动汽车前进，而且在必要的时候迅速方便的通过电液系统来启动发动机。在节省发动机怠速能耗的同时，解决了单纯使用汽车驻车则发动机熄火方式下，如果自动控制，则熄火的时机不好把握，如果人工控制，又太麻烦，需要频繁的启动电机，效率低，降低电池和电机寿命以及尾气排放加大的难题。

3、减少传动链损失

通过变速器本身设计，可以在很宽的速度范围内获得很高的传动效率。且不需要效率较低的液力变矩器和摩擦式离合器，减少控制机械以及发动机过渡工况所需能耗。

4、回收刹车动能

通过液压马达与液压储能装置作为辅助制动机构，将汽车行驶的动能进行大部分回收，在汽车再次启动时使用。由于液压马达的功率可以很大，液压储能器储能速度和效率高于电池组，因此回收动能的比例比用电能回收高。而且用液压空调压缩机取代现在的机械式压缩机，又可以减少发动机的能耗2％以上。

本发明的环保效果：

1、通过让发动机经常工作在高效低排放区，降低发动机运行时的尾气排放。

2、采用城市低速路况下的双模式运行，既避免了传统的发动机驻车怠速高污染，又解决了单纯的驻车熄火后发动机频繁启动带来的附加污染。

3、通过节能一半，同步实现减少尾气排放一半。

因此，通过该装置，汽车尾气排放可减少一半以上。

本发明的经济效果：

从上述装置的设计中，整个系统相对简单，主要部件都是已有的工业成熟产品，不需要特殊的大功率电机、相应的大功率控制装置和具有特别快速充放电特性的大容量电池组，虽然比手动档变速器成本要高一些，但比现在市场上复杂控制的自动变速器系统，价格要低，因此比市场上机电混合动力驱动装置要经济得多。特别是由于该装置体积小，通过液电结合，可以灵活的布置各主要部件，从而可以用该装置替换已有汽车的变速器，达到节能效果，减少了节能的社会总成本。

四、附图说明

以下结合附图作进一步的说明。

附图1为本发明的无级变速与机液电混合驱动结构示意图

附图2为行星轮系调速原理图

附图3为汽车负载与车速关系图

附图4为发动机负载与效率(比油耗)关系图

附图5为机电、机液、机液电混合循环驱动示意图

附图6为本发明的简化结构-液压行星轮系无级变速器示意图

附图7为本发明的简化结构-机液混合驱动装置示意图

附图8为本发明的简化结构-机电混合驱动装置示意图

参见附图1，图中各部件是：1-电池组，2-变流器/电子控制单元ECU，3-行星轮系外轮，4-行星轮系系杆和行星轮，5-行星轮系心轮，6-发动机，7-发动机动力输出轴，8-小功率液压泵/马达，9-离合器控制装置，10-电动/发电机，11-电动/发电机的离合器盘，12-与液压泵输出轴固定的离合器盘，13-与发动机动力轴固定的锁止器盘，14-锁止器控制装置，15-液压空调压缩机，，16-液压储能器，17-液压控制器，18-大功率液压马达/泵，19-液压马达轴，20-主减速器和差动轮系，21-停车场充电装置，22-智能充电器，23-液压马达变量控制器，24-封闭气囊式液压油箱。

参见附图2，行星轮系的无级变速原理是：行星轮系的心轮、系杆和外轮转速之间、力矩之间存在如下运动学和动力学关系：

W_心-2×(1+k)×W_系+(1+2k)×W_外＝0

M_心×W_心+M_系×W_系+M_外×W_外＝0

式中k＝r/R，即行星轮半径和心轮半径之比。W为转速，M为扭矩。

在运动学方程式中，只有确定三个转速中的任意两个，才能确定第三个。如果将发动机驱动的系杆作为主动输入，那么，当心轮的转速从S3-S2-S1-S0-S4改变并反向时，在系杆转速不变的情况下，外轮的转速从W0-W1-W2-W3-W4无级增加。也就是说，通过心轮转速的调节，在系杆转速不变时，就可以实现外轮的无级调速，变速的范围由心轮和系杆的转速范围以及k值确定，调速范围相当宽。同时，在k值确定后，心轮、系杆和外轮之间的力和力矩之间的比例就确定了，变速不变矩，因此行星轮系是运动合成器，而不是动力变换器。为了满足汽车复杂的负载变化要求，还必须有相应的动力力矩变换器与之匹配。传统方式采用液力变矩器来实现，控制十分复杂。本发明这利用变量液压泵-变量马达的变速变矩机制来与行星轮系搭配，小功率液压泵输出的液压油传递给大功率液压马达后，扭矩可放大若干倍。液压泵的扭矩为发动机额定扭矩的1/(2(1+k))，液压马达的扭矩决定于汽车动力性要求，一般轿车取发动机额定扭矩的1-10倍。

参见附图3，从汽车负载与车速关系图中可看到，汽车在低速行驶时，所需驱动功率很小，随着车速的提高，功率需求以近似立方关系迅速增加，高速下主要功耗是空气阻力。

参见附图4，从发动机负载与效率(比油耗)关系图中可看到，发动机在低载和低转速时，效率极低，在中速中载区效率高，以发动机的最高效率点即最低比油耗值为基数，效率不低于最高效率30％的工作区为高效工作区，该值可由各厂家根据其发动机性能来定义。发动机在高速重载区，效率又下降。

以下通过各种工况下变速器的运行来说明其变速变矩和节能原理。为了直观理解本发明的效果，结合一辆家用中等排量的汽车参数作为典型来计算，但这些假设的参数与计算结果只是作为参考，不代表本发明的全部，也不作为对本发明的限定。

该车自重1500kg，最高车速180km/h，平均油耗8L/100km，发动机为4缸汽油机，排量为1.6L，最大功率70kw/6000rpm，最大扭矩150nm/4000rpm，最低比油耗250g/kwh。

1、发动机启动：除了可以保留现有的起动机-飞轮启动模式外，可以根据汽车状态有三种发动机启动方式：

a)、初始启动-由电机10启动：汽车初始状态下，液压储能器16中没有压力油，电池组已充电。把驱动心轮的变量泵8设定在零扭矩输出状态，汽车在静止状态并被制动，行星轮系的外轮3处于W0，电机离合器盘11和心轮轴盘12结合，转动汽车锁开关到点火位置，位于心轮上的电动机10正向转动，心轮速度矢量S2，通过行星轮系的减速作用带动系杆4转动到H1，即发动机启动，转速为600-800rpm。

b)、行驶中发动机熄火后再启动-液压泵/马达8启动：汽车在遇红灯或者塞车较长时间停车时，通过电子控制单元自动或者人工操作一个节能开关让发动机强制熄火以节能和减少排放，此时在液压储能器12中有压力油，使用液压泵8来启动发动机：踩住汽车刹车，使行星轮系外轮3不能转动，给液压泵8输入压力油，使其正向转动由S0到S1或者S2，同时驱动行星轮系系杆4转动进入H1，带动发动机转动而启动。用液压泵/马达8代替电动机启动，可以节省电池电能，提高电池寿命。

c)、汽车在电液联合驱动前进中的发动机启动-液压马达/泵启动：在液压马达18和电机10驱动下，汽车低速前进，行星轮外轮3处于W1状态，心轮5处于S4状态，根据需要，驾驶员通过手动或者通过电子控制单元自动把液压泵/马达油路切换到油泵状态，产生压力和扭矩，心轮由S4减速换向到S0或者S1状态，带动系杆H进入H1状态，即发动机迅速启动进入工作状态。为防止发动机启动引起汽车速度波动，可以在启动时适当加大液压马达18的动力输出，使启动十分平稳，改善舒适性。

2、汽车启动和加速：也分为两种模式：一是汽车发动机与液压马达和电机的机液电三位一体混合启动与加速；二是液压马达和电机的液电联合启动驱动与加速。

a)、混合启动和加速：分为三种工况：从0起步，中等加速和急加速。

1)、从0起步：在发动机已经启动后驱动系杆处于H1，行星轮系的心轮5和液压泵8处于S2无力矩和流量输出状态。换为前进档“D”，踩动加速踏板，逐步加大汽车油门和液压泵8排量，增大心轮力矩，心轮减速滑向S1，其液压能一部分流向储能器16，一部分输入变量马达18。汽车在行星轮系产生的力矩和大功率液压马达18的联合作用下，加速启动。启动力矩的大小由泵和马达的排量来决定。M＝p×q/6.28。如果液压马达的最大流量q为80ml/r，系统内油压35Mpa，此时变量马达的力矩输出可达445nm，再加上外轮输出力矩约为发动机输出力矩150nm的0.7倍，约105nm，总的力矩约为550nm，启动力矩要大于四级减速器减速比3.54时所获得的驱动力矩548nm。因发动机气门和变量泵的排量均可调整，因此启动力矩可以随心所欲，获得相当平稳和强劲的启动性能。其传动效率为：在启动瞬间，在不考虑液压储能器供油的情况下，行星轮系通过外轮直接传递的功率约占总功率的20％，其余80％的能量通过心轮由液压系统传递，设行星轮系的传动效率为98％，变量泵8和变量马达18的效率均为90％，则液压链路效率为81％，系统的总效率＝0.8×81％+0.2×98％＝83.6％。如果采用高效液压泵(95％)、液压马达(95％)，则系统总效率为91.6％。

2)、中等加速：在中速区，即汽车加速起步后到心轮系杆同步转速S1附近时，通过行星轮液压泵传递的能量，占传输动力的33％，其余67％通过行星轮系外轮直接传动，设上述部件的效率指标基本不变，系统两路合成的总效率为67％×99％+33％×81％×99％＝92.8％。心轮转速越低，系统效率越高，转速为0时，系统动力完全由行星轮系外轮直接传递，效率即为99％。这时候的主要驱动力来自发动机，驱动力矩不够的时候，由大功率液压马达18补充。

3)、急加速：往往在瞬间需要最大的驱动力矩，比如在并入高速公路，超车或者交叉路口通行等，这时在汽车控制面板上设置一个“急加速”按钮，在液压储能器中储能不足时，在加速前做准备，先将发动机提速，驱动液压泵给液压储能器储能到高压值，然后由液压马达18和发动机6、液压泵8、电机10全部加盟驱动，动力构成为：液压马达18输出445NM，效率90％，行星轮系锁止，传递发动机最大扭矩155NM(1.6L某型号发动机)，效率100％，电机和液压泵附加力矩60+40＝100NM，则变速器系统总驱动扭矩700NM，总效率＝155/700×100％+545/700×90％＝92.2％。

b)、液压+电机启动驱动：在汽车遇到红灯或者前方塞车后，如果储能器、电池组储存有足够多的能量，而且根据塞车情况判断，汽车总是在低速走走停停，就可以暂时不启动发动机，通过手动或者ECU自动控制，将系统置于“液电驱动”状态，直接用液压泵8、液压马达18和电机10驱动汽车前进。这时系统的驱动扭矩是液压泵8和电动/发动机10联合驱动太阳轮，设其扭矩输出为100NM，经行星轮系放大约2倍后为200NM再与大功率液压马达15的扭矩445NM叠加，共计645NM。

从以上分析中可见，由于有大功率液压马达的作用，相当于给汽车又增加了一个功率更大的动力源，而且，液压马达的驱动功率随着汽车转速的提高，储能器压力降低而降低，而发动机的功率随着汽车的转速提高而增加，二者正好互补，因此，汽车将从低速到高速全范围内获得比现有配置更强大的扭矩和动力储备。解决了汽车动力系统设计中最头疼的汽车动力性与经济性之间的矛盾。

3、汽车低速行驶：设汽车运行速度为0-15m/s，即0-54km/h，在匀速行驶时，驱动汽车需要的扭矩、功率都很小，功率只需1-4kw。在有级变速的情况下，变速档通常在1-3挡，减速比为1.5-4，是换档最频繁的区间。发动机转速在960-2400rpm之间，发动机满载功率输出在10-25kw，由此可见，发动机工作在不到30％的低速低负荷区，采用传统变速方式，汽车效率不到8％。在轻度混合驱动模式中，通常使发动机在驻车时熄火，再用电动/发电机迅速启动。只解决熄火节能问题。在中度混合的系统中，电动/发电机除了提供发动机熄火节能，还在汽车启动或者急加速期间提供附加动力，但也不能提供单独驱动。在重度混合的系统中，则另设大功率的驱动电机，让汽车在起步或者低速运行时，用电动机驱动，超过一定的速度时启动发动机，使发动机避开其低效工作区，但当汽车在该切换速度附近波动时，会导致混合系统的频繁切换。

在本发明的情形下，采用发动机驱动和液/电/液电联合驱动两种模式的循环来驱动汽车，以达到节能目的。参照附图5，图中竖条和方格部分为发动机驱动，方格部分为驱动汽车前进所需消耗的能量，竖条部分为被电机与液压泵转换的能量，横条部分为液压驱动/电能驱动或者液电联合驱动的能量，其值等于竖条部分面积与系统效率之积。由于循环控制参数是系统内可测量的，而不是随机变化的车速或者驻车时间参数，因此控制系统简单。在驾驶者可预见的较长时间的驻车时，可以通过在驾驶室内方便操作的地方设置的按钮实施发动机人工强制熄火与启动。在发动机工作期间而汽车加速时，为避免动力波动，把切换时间后延到匀速行驶时进行。

在汽车安装空间有限或经济原因而没有配置电动机和电池组时，采用机液混合循环驱动，首先由发动机启动驱动并将发动机转速设置在n1-n2高效区内，不同的发动机高效区不同，根据其万有特性来确定；高效区比油耗也有差异，通常其节气门开度是在80％附近，即保持发动机有效效率达到30％以上。调节液压泵驱动的心轮速度，即实现外轮在W0-W1-W2区间内无级变速运转。设在某一转速下，汽车阻力功耗Akw，发动机输出功率为Bkw，则发动机输出机械能的A部分通过行星轮系直接驱动汽车，A-B部分由液压泵8和液压马达18变换成液压能由液压储能器存储。当储能器储能达到其容量的上限时(由液压蓄能器的压力指示)，将发动机熄火或者怠速，由液压泵8、液压马达18单独驱动汽车前进，直至液压蓄能器容量下降至下限值，再启动发动机进入下一轮循环。

在新车设计或者旧车中有空间安装电机和电池组的情形下，可以由液压泵8、液压马达18和电动机10联合，采用机液电混合循环驱动汽车前进。该模式为：发动机高效驱动汽车行驶，同时给电池组和液压储能器充能到容量的上限，然后发动机熄火，由电机和液压马达液电联合驱动行驶，直至蓄能容量下降至下限值，再启动发动机进入下一轮循环。在液电驱动时，在启动、加速等需要瞬时大功率的工况，首先启用液压驱动，然后再启动电机过渡到纯电机驱动模式。即液压驱动启动，电机维持运行，这样可以大大降低电机的功率要求和驱动电流，使电池组的储能更有效，延长电池使用寿命。如果系统中因安装空间的限制而没有设置液压蓄能器时，就简化为机电混合的循环驱动。

蓄能器的蓄能范围，根据蓄能器的特点、寿命、强度等因素确定。如NiH电池，在现在的技术水平下，确定在20-90％之间，能获得较长的使用寿命。

各循环驱动模式的参数计算方式如下：1500kg的汽车在0-54km/h的速度区间以平均时速36km/h行驶时，空气阻力为滚动阻力的20％，行驶1km滚动阻力功耗为1500kg×0.15×1000m＝225kj，加汽车风阻45kj共计270kj。汽车刹车一次，从54km/h-0，动能减少为1/2×1500×15×15＝168kj，通过液压系统回收率80％，即损耗为20％＝34kj。假设每km平均刹车2次，共损失78kj。这样汽车行驶1km耗能270+78＝348kj。

在机液循环驱动模式中，1.6L发动机在高效区的低速段工作，输出功率10-15kw，其中30％(3-5kw)驱动汽车前行，70％(7-10kw)转换为液压能，大约一分钟左右就能让一个工作容积30L(内径为25CM，长度为100CM)工作压力为20Mpa的液压储能器储能达到600kj，可单独驱动汽车行驶1.7km，再加上发动机驱动行驶的距离为0.5km，由此构成汽车发动机工作一分钟前进1.5km后熄火--液压驱动前进1.7km—发动机启动工作的循环，一个循环约4-5分钟，行驶2.2km。在机液混合循环驱动中，汽车每行驶100km，总能耗为34.8Mj。其中30％由发动机直接驱动，70％为液压能驱动，混合驱动系统效率为85％，发动机+混合系统综合效率为30％×85％＝25.5％，百公里油耗为3.2升，优于丰田Prius 3.5升的水平。该模式的不利之处在于循环周期较短，如果采用发动机启动工作-熄火的循环模式，发动机启动次数虽然少于单纯的驻车熄火，仍然较频繁，可能对排放和发动机磨损造成不利影响。因此，该模式是在堵车严重，车速很低的情形下选用。这时要注意保持三元催化器的温度，使其在发动机再启动时仍然有高效率。本发明设计一个动态保温罩，即在发动机工作时打开，在发动机熄火时封闭来维持三元催化器温度。在车速较高时，使用发动机启动工作-怠速的循环模式，减少发动机启停次数，但也增加了怠速时的油耗和排放。尽管汽车发动机怠速油耗较低，但也需要在节能、环保以及发动机寿命之间取得平衡。

在机液电混合循环模式中，配置的电机功率应当是发动机在高效工作区的最低功率值的50％以上，对于某1.6L发动机，高效区最低功率为15kw/1500rpm，选电机额定功率为9kw，对应配备的电池组比功率为300w/kg的镍氢电池35Kg，比能55-60wh/kg，为2个×24v×40Ah＝1.92kwh＝6.9Mj，设其工作区间为容量的20-90％，则工作容量为4.84Mj。汽车可在电液混合驱动下行驶(4.84+0.6)/.348＝15.6km。这样，机电液混合循环驱动模式为，发动机高效驱动行驶大约9-10分钟，行驶5km，同时给电池组和液压储能器充能到容量的90％，然后发动机熄火，由电机和液压马达液电联合驱动行驶15km。当液压储能器和电池组容量下降到20％时，重新启动发动机，进入下一轮循环。一般大城市堵车高峰在1-2小时，堵车距离通常在30-40km以内，也就1-2个循环解决问题。由于机电循环的综合效率要比机液循环低，大约在75％，如果设混合驱动系统的效率为78％，则动力系统综合能量效率为发动机效率31.5％×(30％×98％+70％×78％)＝26.4％，相当于310g/kwh，汽车100km油耗即为3.5L，而附图4中发动机在4kw时的比能耗为850g/kwh，100km油耗为8L，比传统驱动方式效率高2倍以上，达到丰田Prius目前的水平。

如果汽车经常在市内行驶，在停车场又有充电设施的情形下，可以利用晚间用电低谷期间给电池组充电，进一步节能省钱。如夜间电价为0.6元/度，给上述电池组充电80％，耗电1.5度，成本为0.9元。白天就可以行驶15km。汽车行驶100km的成本就是0.9元+85km/100km×3.5L×4.5元/升＝14元。是现在汽车每100km 8升36元的1/3。不但节约能源，节省资金，也大大减少尾气污染。

电机发电和驱动时，可应用变频调速+交流电机，也可以采用简单的直流电机变压调速，即通过电池组的串并联连接变换，将驱动电压分为12V，24V，48V，96V等几档，省却复杂的变频调速装置。液压回收效率高于电系统，但容量有限。提高电池组的储能效率和容量，将进一步提高系统的效率，减少行驶油费，但在目前Ni-H电池价格居高不下的时候，要平衡初始投资与收益。

4、汽车中速行驶：如汽车速度为54-108KM/H，在有级变速的情况下，发动机转速在1600-3000rpm之间，变速档通常在4-5挡，速比为1或者升速比1.3。但此工况下汽车所需功率只有10-15KW，发动机在转速1200-1500RPM下，扭矩和功率也就满足要求。此时，要求变速器大速比的升速驱动，外轮对行星轮速比，即升速比(减速比的倒数)为1-3。本变速器的大升速比是如此实现的：让泵处于低速正向或者反向转动。心轮低速正向从S1降低至S0时，升速比为1-1.5.当心轮速度为0时，发动机直接传动，效率即为99％。如果让行星轮外轮上的液压马达18切换为泵使，输出高压油，驱动液压泵/马达8作为马达反向转动，行星轮外轮将获得更高的速度。升速比为1.5-3.0。发动机高效运转，这时，变速器控制功率是传递功率的0-30％，变速器的效率也在94％-99％之间。

5、汽车高速行驶：速度为108-180km/h，此时，汽车风阻急剧增加，驱动功率也相应增大。在速度为108-144km/h时，发动机处于中等负荷状态，因此只需调整转速就可以让发动机处于高效工作区内。通过液压控制器将液压泵驱动的心轮锁死，升速比1.5，变速器效率为行星轮系效率，达到99％。在超高速区144-180km/h，汽车阻力功耗进入大功率区，有两种方式处理，如果混合系统中蓄能充足，通过液压控制器将液压泵驱动的心轮锁死，升速比1.5，则可以让发动机仍然处于高效区工作，变速器效率为行星轮系效率，达到98％，但这时发动机输出功率可能不足，由液压系统和电机系统补充。如果系统内蓄能不足，这时通过锁止器将心轮与系杆同步转动(升速比为1)，变速器为刚体传动，效率100％。这样虽然汽车发动机效率有所降低，但变速系统处于高效运转状态。

6、汽车倒车：为简化机构，不再用传统方式设立倒车传动机构，只需通过控制液压马达18的转向就直接驱动汽车反转倒车。

7、汽车刹车：将大功率变量马达15作为泵使，油口反向成为刹车泵，输出高压油，进入液压储能器。实现刹车能回收。在液压泵效率为90％时，系统刹车能回收效率可高达80％，比以电机方式回收汽车动能的效率提高10-20％以上。但泵的功率毕竟有限，而且只加载在驱动轮上，在紧急刹车情况下，还需要和摩擦刹车联动，此时能部分回收汽车动能。

8、汽车爬坡：这时需要的是连续大力矩驱动，发动机处于中高速运转，液压泵则高速转动，输出高压油驱动液压马达，力矩放大N倍后，驱动汽车爬坡前进。再附加电机帮忙，可使汽车获得最大的驱动力矩。

实现以上各种工况控制的是汽车动力电子控制器ECU，它通过对汽车各部件的状态参数和驾驶者的操作参数进行分析计算后，控制发动机和本装置进入各种工况。

传动系统的总效率分析：由上述各种工况来看，本发明的无级变速器在汽车启动到低速0-54Km/h区间内，效率为83.8-93.5％，在中速区，54-108Km/h，变速系统效率为94％-98％，在高速区＞108Km/h，变速器效率提高到98-100％。汽车在各种加速状况下，变速器效率在84-98％。由于在低速区，发动机输出功率本来就很小，只有几个KW，传动效率稍微低一点，影响不大。而在耗能大的中高速区以及加速工况，本装置有很高的传动效率，甚至高于手动档变速器。

汽车整个动力系统的综合效率是发动机效率和变速器效率之积。在汽车低速低载时，采用双模式循环驱动让发动机满载工作或者熄火/怠速，综合效率为25.5-26.5％；汽车在中速区，通过大升速比使发动机高效驱动，这时整个动力系统的效率最高，达到30％以上；在高速区，则传动系统是刚体或者行星轮系固定速比传动，其传动效率很高，综合效率决定于发动机在高速工况下的效率。结论：汽车采用本装置，在各种工况下，都能取得明显节能效果。

五、具体实施方式

以下结合附图1、6、7、8给出四种结构的实施例来说明。

实施例一：液压行星轮系无级变速器

参见附图6，将附图1中的电动/发电机和电池组等省去，把液压储能器16缩小成一个微型的容量在3L以下的液压缓冲器，并将其和液压马达的变量控制器油缸23连接，系统即为一个带锁止功能的无级变速器。液压缓冲器主要防止过渡过程中的流量失衡，并且提供压力参数来自动控制调节液压泵和液压马达各自的排量，这样调节液压泵的排量，液压马达的排量就可自动调节。设液压马达的额定力矩是液压泵的N倍。

针对前述的家用汽车，配置本发明装置的参数为：设行星轮系的行星轮直径和心轮直径的比值k为0.5，当心轮直径为6CM，行星轮直径为3CM，则心轮对行星轮(外轮固定时)的转速比为3∶1，扭矩比则为1∶3；心轮固定时外轮对行星轮的转速比为1.5∶1，扭矩比为其倒数。小功率液压泵采用高效高速变量油泵，该泵在某些工况下(如要求超速传动时)能作为马达使用。其设计参数为：额定压力35Mpa，排量q为12ml/r。最高转速不低于5500rpm，其额定扭矩M为67NM，可选用通轴的斜盘式轴向柱塞变量泵。大扭矩变量液压马达18必须能够双向转动。设计参数为额定压力35Mpa，排量为80ml/r，最高转速不低于4500rpm，额定扭矩为445NM，最大功率为196KW。可选用斜盘式或者斜轴式轴向柱塞变量马达等。

液压泵和液压马达的尺寸都不大，是同等功率的电机尺寸的1/3以下，与中心轴的相对位置可以很灵活，可以和中心轴同轴安装或者异轴安装、通过齿轮传动。前者结构紧凑，没有径向力，效率高，但对马达和泵的设计尺寸要求高。可根据汽车发动机是横置还是纵置，驱动方式是前驱还是后驱以及液压马达是径向柱塞马达(径向尺寸大，轴向尺寸短)还是轴向柱塞马达(轴向尺寸大，径向尺寸小)等因素来确定。比如对于采用纵置发动机前轮驱动的汽车，采用轴向柱塞泵时，行星轮外轮的动力和液压马达的动力就可以在差速器的驱动齿轮上合成。在和主传动轴采用齿轮连接的时候，其最高转速如果降低或升高，其额定排量，也就是额定扭矩要相应增加或减少。该装置的核心部件是变量液压泵/马达装置，可以使用本发明人所发明的一种尺寸只有传统柱塞泵一半的轴向柱塞泵/马达装置。

该系统可实现大范围内的变速变矩，使发动机在汽车某一速度与负载下处于能获得的最佳工况。下面结合具体工况对变速器的工作原理进行说明。

发动机启动：液压泵处于零排量状态，行星轮系心轮可任意转动，使用原有的汽车启动装置启动发动机。这时汽车速度为0，心轮转速是发动机转速的2(1+k)倍。

汽车启动和加速：将汽车加速踏板和液压泵的控制盘联动，踩下加速踏板，发动机气门开度增大，扭矩增加，转速迅速上升，相应地，变量泵8的排量增加，输出压力油，液压缓冲器16内的油压升高，推动液压马达18的控制器23，液压马达的排量增大，输出力矩，外轮获得行星轮系驱动力矩和液压马达输出的N倍力矩，启动汽车加速。加速力矩可随踏板行程连续增加，最大力矩取决于液压泵的最高转速限制。在整个加速过程中，由于发动机输出扭矩变化不大，如果保持液压泵的排量和转速不变，则液压马达的排量自然随着外轮转速的提高而减少。以维持驱动扭矩的稳定。

汽车匀速行驶：汽车加速后进入匀速状态，则所需力矩和功率迅速减少，随着加速踏板复位，发动机速度降低，液压泵的排量也随之减少。如果加速踏板复位到0，液压泵的排量也是0，液压缓冲器16的压力降为0，液压马达排量也为0，这时行星轮系处于自由状态，相当于空挡滑行，发动机怠速。当需要将泵的转速降为0时，只需要把液压泵断路即可，这时变速器成为固定升速比的高效传动机构。在汽车高速行驶，要求传动比为1时，可以通过锁止器14将心轮和系杆锁止，行星轮系同步转动，这样就成为刚体传动，传动效率100％。

汽车减速刹车：将液压泵液压马达的输入输出短路，排量迅速降为零，使汽车刹车时发动机不带负荷，进入怠速状态，不至于熄火。

汽车倒车：只需将液压缓冲器16输出的控制压力油给液压马达的变量控制器的反向油缸驱动变量盘反向，液压马达也就反向转动，驱动汽车倒车，此时心轮将高速旋转。

由此可见，变速器的操作非常简单。该变速器与传统手动有级变速器相比，在低速时，本身效率要低一些，在中高速时，效率差不多，甚至还要高1-2％。但无需频繁的手动操作，没有换档离合器和换档冲击，能和发动机动力特性良好配合，发动机虽然不能总是在高效区工作，但也能沿等功率线进入该负载下的最经济工作点，达到部分省油的目的，而不必在动力性和经济性之间挣扎。该变速器和液力行星轮系自动变速器相比，效率高，操作和控制简单，换档平稳顺畅，和发动机的动力优化匹配更方便。和新型的金属带式无级变速器相比，变速范围宽，传递力矩大，效率高，响应快，无需启动离合器，但相对结构要复杂一点。

实施例二：机-液混合驱动装置

参见附图7，将附图1中的电动/发电机、变流器和电池组等省去，保留液压储能器和液压空调压缩机，系统即为一个带无级变速器的机液混合驱动装置。

针对前述的家用汽车，配置本发明装置的参数为：变速器参照实施例一，液压储能器选用额定压力在25-31Mpa的气囊式储能器，公称容积根据系统刹车能量回收的比例以及机液混合循环驱动的要求来设置，要求刹车能回收比例高，循环周期长时容量大些，为30-50L，最大储能为600kj左右，相当于一次从90km/h紧急刹车的制动动能或者驱动汽车低速行驶2km所需的能量。为降低液压储能器的自重，采用轻质高强度材料制造，如铝合金、合金钢、钛合金或者高强度纤维等材料。当然，液压储能器的容积还可以进一步增大，但要综合平衡它占用的空间和重量所带来的负面效果。

液压储能器的尺寸较大，可以安装在汽车后备箱中，就像安装天然气罐的出租车一样。液压油箱也要占地，可以作为储能器的底座或者借用汽车备胎箱，以节省空间。同时，该液压系统采用封闭式，需要另加低压泵或者用液压皮囊内的压力空气来维持系统内的压力在0.1-0.5Mpa。液压空调压缩机就是一个组合油缸，由液压油驱动油缸完成对制冷剂的压缩。

液压控制器是一组多位多通方向控制阀加安全保护阀等构成。

该装置的工作原理在前面已经得以说明。

该装置能实现前面所述的无级变速、低速低载时的机液混合循环驱动来获得与发动机的最经济的动力匹配、以及刹车能回收等功能。和现有的机电混合驱动装置相比，系统效率高，刹车能回收比例也高，在液力单独驱动时虽不够持久，但功率强大。结构简单，控制容易，无需贵重的大功率电池组、电机和复杂的控制器，因此成本也低。但不足之处是液压储能的比能太低，机液循环的周期短。液压储能器体积、重量大。

实施例三：机-电混合驱动装置

参照附图8，将附图1中的液压蓄能器省略，在发动机动力轴上安装尺寸较小但转速高的同步或者异步电动/发动机，其功率要比机液电混合驱动时的功率相对大些，为10kw/1500rpm以上，在城市路况下汽车低速行驶时，采用机电混合循环驱动。发动机工作时，电机为发电机通过离合器与发动机动力轴连接，增大发动机负荷，将机械能转换为电能存储在蓄电池中。在电池组充电到上限时，停止发动机，电机切换为电动机，离合器断开和发动机的连接而与行星轮系的心轮连接，由电机单独驱动汽车前进。在汽车刹车时，电机又转换为发电机，将汽车动能转换为电能由电池组回收。电池组电压、比能和比功率等要和电机、变流器配套，比如电机功率为20Kw，就要选用4个12V×80Ah的镍氢电池组，约65Kg，其比能为60Wh/kg，比功率为300w/kg，电压为48V，储能为3.84Kwh，一次循环可使汽车低速行驶达25-30KM。电池类型应当采用比能和比功率都高的，如镍氢电池和锂电池，比能和寿命高，但价格也高。电机功率、电池类型和数量可由车主根据车经常使用的工况和初始投资大小来选择。在空间、重量和价格允许的情况下，功率配置尽可能大一些。在公路路况，汽车主要在中高速区工作，可选用小容量电池。在城市路况，可选用大容量电池。当然还要考虑可安装电池的空间。

该装置在停车场配置充电装置时，通过电网给电池组充电，可以获得更好的节能效果与环保效果。

以下对该装置的使用工况作补充说明：

1、发动机启动：可以使用电机启动和行驶惯性力启动。

2、汽车启动加速：机电混合启动加速方式。

降低电机转速，加大电机驱动力矩，发动机通过行星轮系和电机联合驱动汽车。这时驱动力矩为：液压马达力矩445NM+发动机额定力矩的70％，即100NM，总扭矩545NM。

3、汽车低速行驶：在低速和城市路况，采用与前面论述的机电-电力循环驱动模式，并加驻车时人工强制发动机熄火启动控制，提高低速时的汽车综合效率。

4、汽车中高速行驶：在方案一中采用的大速比升速传动。在短时超高速行驶时，电机参与驱动，提供附加动力，减少发动机动力需求，提高发动机效率，达到节能目的。

5、汽车刹车：电机转换为发电机，将汽车动能转换为电能由电池组回收

6、汽车倒车：由电机反转，直接驱动汽车倒车。

本装置和并联式机电混合驱动相比，在于系统采用机电混合循环驱动方式，提高发动机的效率，同时，电机和无级变速器的配合，也使电机避开低速低效区，提高了电能的使用效率和延长电池的使用寿命。和机液混合驱动模式相比，在刹车时汽车动能回收效率要低一些，所需电机功率和电池组容量也要相对大一级。但在低速时，循环周期延长，发动机运转十分平稳。

实施例四：机-电-液混合驱动装置

参照附图1，该系统具有机电、机液的各种优点，而且对电机和电池组的容量要求降低，整体效率提高，性能提高。具体运转模式已经在附图1的说明中得以阐述。

综上所述，该机动车用无级变速混合驱动节能装置，不但本身有很高的传动效率和宽阔的调速范围，而且可以大幅度提高汽车整车动力系统的效率，实现节能与降低排放，其技术复杂度小，制造成本低，同时方便驾驶，改善汽车的动力性能和舒适性，可用于新型汽车节能驱动，也可用于现有汽车的节能改造。

Claims (7)

1、一种机动车动力装置，它由变速器以及能量转换、存储和控制等机构所组成，在发动机和驱动轴之间实现动力的传递和管理，本发明的特征是，该装置主要由行星轮系、锁止器、小功率液压变量泵/马达、大功率液压变量马达/泵、液压控制器、液压储能器、液压油箱和电子控制单元所组成；其中，作为主动力源的发动机输出轴和行星轮系的系杆固定连接，小功率变量泵/马达的动力轴和行星轮系的心轮固定连接，大功率变量马达/泵和行星轮系的外轮固定连接，动力从外轮输出，控制小功率变量泵/马达的排量即改变外轮输出的转速和扭矩，锁止器则分别与心轮轴和系杆轴相连，实现系杆和心轮的分离和接合，小功率液压变量泵/马达与大功率液压变量马达/泵均与液压储能器、液压控制器和液压油箱相连，液压控制器实现连接部件本身及相互间的联通、短路、断路、换向以及安全保护，小功率液压变量泵/马达和大功率液压变量马达/泵都能通过其自身的控制机构根据液压蓄能器中的压力与电子控制单元发出的指令实现变量调节、双向运转及泵与马达状态的切换，小功率液压变量泵/马达的额定扭矩是发动机额定扭矩的0.1-1倍，大功率液压变量马达/泵的额定扭矩是发动机额定扭矩的1-10倍；电子控制单元通过传感器采集各个变量参数如车速、发动机转速、路况、刹车和加速踏板位置、蓄能器状态等来控制包括发动机在内的整个系统运行，并管理控制可能附加的电动/发电机、电池组、变流器等，构成相应的液压行星轮系无级变速器、机液混合驱动装置、机电混合驱动装置、或者机电液混合驱动装置。

2、根据权力要求1所述的机动车动力装置，其特征是，所述的装置作为无级变速器使用，蓄能器是一个容积为不大于3L的液压缓冲器，小功率变量泵的变量控制和加速踏板联动，蓄能器中的压力油直接控制变量马达的变量控制器。

3、根据权力要求1所述的机动车动力装置，其特征是，所述装置作为机-液混合驱动系统使用，所述液压蓄能器是一个或者一组总容积不小于10L，由高强度轻质材料制成的高压气囊式液压储能器，可以和气囊式低压油箱做成一体，安装在汽车行李箱内，并与机动车液压空调压缩机连接，用液压能制冷。

4、根据权力要求1所述的机动车动力装置，其特征是，所述装置作为机-电混合驱动系统使用，在发动机动力输出轴上安装功率为发动机额定功率的5-50％的电动/发电机，通过离合器控制可分别和发动机动力轴或者行星轮系的心轮结合，通过变流器和电子控制单元进行电动-发电状态的切换、无级变速以及方向改变，并与一个同等功率和电压的电池组连接，电池组和智能充电器连接，智能充电器能和停车场安装的带功率计量和计费的充电装置连接，可由外部电能对电池组充电。

5、根据权力要求1所述的机动车动力装置，其特征是，该装置作为机-电-液混合驱动系统使用，既配备大容量的液压蓄能器，也安装电动/发动机、离合器、变流器和相应的电池组，由电子控制单元负责机电液各子系统的协调和配合。

6、根据权力要求1所述的机动车动力装置，其特征是，所述电子控制单元根据机动车动力系统的配置和路况，采用如下的动力控制逻辑：汽车在低速堵车、城市路况等低负荷运动期间，采用机液/机电或者机液电混合循环驱动：启动发动机让其在高效区间内运行，多余能量通过液压泵-液压蓄能器和/或电机-电池组存储，当储能到其上限时，让发动机熄火或者怠速，依靠液压储能器和电池组中的储能实施液压驱动、电力驱动或者液电联合驱动汽车前行，并在系统储能降低到其下限时启动发动机，进入下一轮循环；在液电联合驱动时，在汽车启动加速等负载较大的工况下，先加大液压驱动力，后使用电机维持运行；在驾驶者可预见的较长时间驻车时，驾驶员通过在驾驶室设置的按钮实施发动机人工强制熄火与启动；在汽车中高速运行期间，通过液压泵断路锁止心轮或者让液压泵反转，实现超速比的升速传动；在汽车高速重载期间，如果系统储能不足，通过锁止器将行星轮系锁止成为刚体传动，如果系统储能充足则通过液压马达和电机辅助动力输出降低发动机负荷；在汽车刹车时，在机液混合配置下将大功率液压马达切换为液压泵，在机电混合配置下将电动/发电机切换为发电机，起刹车作用，将汽车的机械动能转换为液压能和/或电能存储起来，在汽车再启动加速时使用。

7、根据权力要求1或2或3或4或5或6所述的动力装置，其特征是，可用本发明的装置替换现有机动车的手动或者自动变速器。

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