CN1064907C - 动力输出设备及控制该设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种动力输出设备包括行星齿轮，其有行星齿轮架，恒星齿轮和环形齿轮，发动机，其有与行星齿轮架连接的曲轴，第一电动机，其固定在恒星齿轮上，以及第二电动机，其固定在环形齿轮上。由发动机产生的部分转矩通过环形齿轮输出到动力供给齿轮，而第一电动机接受剩余转矩。第二电动机输出比该转矩大小要大但是方向相反的转矩，以便反向旋转环形齿轮。第二电动机消耗的电力由第一电动机再生的电力供给。

Description

动力输出设备及控制该设备的方法

本发明涉及一种动力输出设备及一种控制该设备的方法。更具体地说，本发明涉及一种用来把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备，以及一种控制这样设备的方法。

用于执行发动机输出动力的转矩转换及把所转换动力输出到一个驱动轴的已知动力输出设备包括基于液压的转矩转换器与传递的组合。在该转矩转换器中，动力的输入轴和输出轴不完全锁定。这样引起输入轴与输出轴之间滑动，并且导致与滑动对应的能量损失。该能量损失表示为输入轴与输出轴之间转速差与传递到输出轴的转矩的乘积，并且以热量形式消耗。

在常规动力输出设备中，传递用作反向齿轮，以使发动机输出轴的旋转反向，并且传递反向旋转，以便按发动机输出轴旋转反向来旋转驱动轴。

在一个其上安装这样一个动力输出设备作为其动力源的机动车中，在需要相当大动力的时候，例如，在起动机动车或在一个向上斜坡上以低速运行机动车的时候，转矩转换器中大能量损失不希望有地降低了能量效率。即使在静止驱动状态，转矩转换器中动力传递的效率也不是100％，并且在已知动力输出设备中燃料消耗率因此要比手动传递中燃料消耗率低。

为了解决这样一些问题，申请人已经提出一种系统，其不包括基于液压的转矩转换器，但是有一个发动机，一个行星齿轮装置，一个发电机，一个电动机，以及一个电池，并且通过利用发动机输出的动力或电池中存储的电力，把电动机的动力输出到驱动轴(JAPANESE PATENT LYING-OPENGAZETTE No．50-30223)。但是，在该对比文件中，没有叙述在发动机输出动力情况下，按发动机输出轴旋转反向把动力输出到驱动轴的技术。

本发明的一个目的是提供一种以高效率把发动机动力输出到一个驱动轴的动力输出设备，以及一种控制这样动力输出设备的方法。

本发明的另一个目的是在发动机输出动力情况下，按发动机输出轴旋转反向把动力输出到驱动轴。

上述至少部分及其它有关目的由本发明用来把动力输出到一个驱动轴的第一动力输出设备得到实现，该第一动力输出设备包括：一个具有一个输出轴的发动机；一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出该旋转轴的第一电动机；一个把动力输入和输出驱动轴的第二电动机；三轴式动力输入／输出装置，其有三个各自与驱动轴，输出轴和旋转轴相连接的轴，该三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余一个轴；以及控制装置，响应预定驱动要求，用于控制发动机和第一电动机，以便使动力能够通过三轴式动力输入／输出装置输出到驱动轴，并且用于控制第二电动机，以便使第二电动机能够输出比通过控制发动机和第一电动机而经过三轴式动力输入／输出装置输出到驱动轴的动力大小要大但是方向相反的动力。

这里“动力”意指能量，表示为作用在一个轴上的转矩与该轴转速的乘积。即使当能量大小相同时，不同转矩和转速也产生不同动力。

在本发明的第一动力输出设备中，第二电动机对驱动轴输出动力，该动力比通过控制发动机和第一电动机而经过三轴式动力输入／输出装置输出到驱动轴的动力大小要大但是方向相反。总的来说，按发动机输出轴旋转反向作用的动力输出到驱动轴。因此能按发动机输出轴旋转反向来驱动并旋转驱动轴。第二电动机消耗的部分或全部电力由第一电动机再生的电力供给。

按照该第一动力输出设备的一个方面，其中控制装置包括用于执行控制，以便使发动机输出的动力能够经受转矩转换并输出到驱动轴的装置。这种结构在发动机输出动力情况下，能够使驱动轴按发动机输出轴旋转反向得以驱动和旋转。按照这种结构的一个方面，第一动力输出设备还包括目标动力设定装置，用于设定输出到驱动轴的目标动力；其中控制装置包括当预定驱动要求表示目标动力设定装置已经把按发动机输出轴旋转反向作用的动力设定为目标动力时，用于控制发动机的操作以便使目标动力所对应的能量能够从发动机输出，并且用于控制第一电动机和第二电动机以便使发动机输出的动力能够转换为目标动力并输出到驱动轴的装置。这种结构使发动机输出的动力能够转换为目标动力，该目标动力按发动机输出轴旋转反向作用，并且响应驾驶员的指令来设定，并输出到驱动轴。

按照该第一动力输出设备的另一个方面，该第一动力输出设备还包括蓄电池装置，以第一电动机输出的电力充电，放电供给输入到第一电动机的电力，以第二电动机输出的电力充电，以及放电供给输入到第二电动机的电力；其中控制装置包括用于控制发动机，第一电动机和第二电动机的装置，以便使发动机输出的动力与输入和输出蓄电池装置的电力的总能量能够得以转换并输出到驱动轴。这种结构在蓄电池装置充电或放电的时候，能够使驱动轴按发动机输出轴旋转的反向驱动和旋转。按照这种结构的一个方面，第一动力输出设备还包括充电状态检测装置，用于检测蓄电池装置的充电状态；其中控制装置包括用于执行控制，以便使充电状态检测装置所检测的蓄电池装置的充电状态能够在预定范围之内的装置。蓄电池装置的充电状态能保持在预定范围内。按照这种结构的一个方面，第一动力输出设备还包括目标动力设定装置，用于设定输出到驱动轴的目标动力；其中控制装置包括当充电状态检测装置所检测的蓄电池装置的充电状态小于预定范围时，用于控制发动机以便能够输出比目标动力设定装置设定的目标动力所对应的比能量要大的能量，以及控制第一电动机和第二电动机以便使目标动力能够输出到驱动轴的装置。这种结构使目标动力能够在蓄电池装置充电的时候输出到驱动轴。

上述至少部分及其它有关目的由本发明用来把动力输出到一个驱动轴的第二动力输出设备得到实现，该第二动力输出设备包括：一个具有一个输出轴的发动机；一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出该旋转轴的第一电动机；一个把动力输入和输出驱动轴的第二电动机；三轴式动力输入／输出装置，其有三个各自与驱动轴，输出轴和旋转轴相连接的轴，该三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；蓄电池装置，以第一电动机输出的电力充电，放电供给输入到第一电动机的电力，以第二电动机输出的电力充电，以及放电供给输入到第二电动机的电力；充电状态检测装置，用于检测蓄电池装置的充电状态；输出源确定装置，响应预定驱动要求，根据充电状态检测装置所检测的蓄电池装置的充电状态，用于确定是使用蓄电池装置所存储的电力把按发动机输出轴旋转反向作用的比动力输出到驱动轴，还是把发动机输出的动力转换为比动力并输出到驱动轴；以及控制装置，用于控制发动机，第一电动机和第二电动机，以便能够根据输出源确定装置所确定的结果，把按发动机输出轴旋转反向作用的比动力输出到驱动轴。

本发明的第二动力输出设备能根据蓄电池装置的充电状态，把蓄电池存储的电力转换为按发动机输出轴旋转反向作用的比动力，并且把该比动力输出到驱动轴，或可选择地把发动机输出的动力转换为按发动机输出轴旋转反向作用的比动力，并且把该比动力输出到驱动轴。

上述至少部分及其它有关目的由本发明用来把动力输出到一个驱动轴的第三动力输出设备得到实现，该第三动力输出设备包括：一个具有一个输出轴的发动机；一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出该旋转轴的第一电动机；一个把动力输入和输出驱动轴的第二电动机；三轴式动力输入／输出装置，其有三个各自与驱动轴，输出轴和旋转轴相连接的轴，该三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；以及反向传递装置，其安排在发动机的输出轴上，响应预定反向要求，用来使输出轴的旋转动力反向，并且把反向旋转动力传递到一个随后组成部分上。

本发明的第三动力输出设备使发动机输出的动力能够以反方向动力传递到一个随后组成部分，即三轴式动力输入／输出装置。这种结构使按发动机输出轴旋转反向作用的动力可以输出到驱动轴。固定大小的动力因此能输出到驱动轴，而与驱动轴旋转方向无关。

上述至少部分及其它有关目的由本发明用来把动力输出到一个驱动轴的第四动力输出设备得到实现，该第四动力输出设备包括：一个具有一个输出轴的发动机；一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出该旋转轴的第一电动机；一个把动力输入和输出驱动轴的第二电动机；三轴式动力输入／输出装置，其有三个各自与驱动轴，输出轴和旋转轴相连接的轴，该三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；以及反向传递装置，其安排在驱动轴上，响应预定反向要求，用来使驱动轴的旋转动力反向，并且把反向旋转动力传递到一个随后组成部分上。

本发明的第四动力输出设备通过三轴式动力输入／输出装置把反方向动力输出到驱动轴，并且因此能够使按发动机输出轴旋转反向作用的动力最终输出到驱动轴。固定大小的动力因此能输出到驱动轴，而与驱动轴旋转方向无关。

上述至少部分及其它有关目的由控制动力输出设备以把动力输出到一个驱动轴的第一方法得到实现，该第一方法包括步骤：(a)提供(1)一个具有一个输出轴的发动机，(2)一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出该旋转轴的第一电动机，(3)一个把动力输入和输出驱动轴的第二电动机，以及(4)三轴式动力输入／输出装置，其有三个各自与驱动轴，输出轴和旋转轴相连接的轴，该三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；(b)控制发动机和第一电动机，以便使动力能够通过三轴式动力输入／输出装置输出到驱动轴；以及(c)控制第二电动机，以便使第二电动机能够输出比通过控制发动机和第一电动机而经过三轴式动力输入／输出装置输出到驱动轴的动力大小要大但是方向相反的动力。

在本发明控制动力输出设备的第一方法中，第二电动机把比通过控制发动机和第一电动机而经过三轴式动力输入／输出装置输出到驱动轴的动力大小要大但是方向相反的动力输出到驱动轴。总的来说，按发动机输出轴旋转反向作用的动力输出到驱动轴。因此能按发动机输出轴旋转反向驱动并旋转驱动轴。第二电动机消耗的部分或全部电力由第一电动机再生的电力供给。

上述至少部分及其它有关目的由控制动力输出设备以把动力输出到一个驱动轴的第二方法得到实现，该第二方法包括步骤：(a)提供(1)一个具有一个输出轴的发动机，(2)一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出该旋转轴的第一电动机，(3)一个把动力输入和输出驱动轴的第二电动机，(4)三轴式动力输入／输出装置，其有三个各自与驱动轴，输出轴和旋转轴相连接的轴，该三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴，以及(5)蓄电池装置，以第一电动机输出的电力充电，放电以供给输入到第一电动机的电力，以第二电动机输出的电力充电，以及放电以供给输入到第二电动机的电力；(b)把按发动机输出轴旋转反向作用的动力设定为输出到驱动轴的目标动力；(c)检测蓄电池装置的充电状态；以及(d)当步(c)检测的蓄电池装置的充电状态小于预定范围时，控制发动机以便能够输出比步(b)设定的目标动力所对应的比能量要大的能量，并且控制第一电动机和第二电动机以便使目标动力能够输出到驱动轴。

控制本发明的动力输出设备的第二方法能够在蓄电池装置充电的时候，使设定为按发动机输出轴旋转反向作用的目标动力输出到驱动轴。

上述至少部分及其它有关目的由控制动力输出设备以把动力输出到一个驱动轴的第三方法得到实现，该第三方法包括步骤：(a)提供(1)一个具有一个输出轴的发动机，(2)一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出该旋转轴的第一电动机，(3)一个把动力输入和输出驱动轴的第二电动机，(4)三轴式动力输入／输出装置，其有三个各自与驱动轴，输出轴和旋转轴相连接的轴，该三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴，以及(5)蓄电池装置，以第一电动机输出的电力充电，放电以供给输入到第一电动机的电力，以第二电动机输出的电力充电，以及放电以供给输入到第二电动机的电力；(b)检测蓄电池装置的充电状态；(c)当步(b)检测的蓄电池装置的充电状态在预定范围之内时，控制第二电动机以便使第二电动机能够利用蓄电池装置存储的电力，并把按发动机输出轴旋转反向作用的比动力输出到驱动轴；以及(d)当步(b)检测的蓄电池装置的充电状态小于预定范围时，控制发动机，第一电动机和第二电动机，以便使发动机输出的动力能够转换为按发动机输出轴旋转反向作用的比动力，并且输出到驱动轴。

当蓄电池装置的充电状态在预定范围之内时，控制本发明的动力输出设备的第三方法把蓄电池装置中存储的电力转换为按发动机输出轴旋转反向作用的比动力，并且把该比动力输出到驱动轴。当蓄电池装置的充电状态小于预定范围时，发动机输出的动力转换为按发动机输出轴旋转反向作用的比动力，并且输出到驱动轴。

本发明的这些和其它目的，特点，方面和优点将从以下连同附图对优选实施例所作的详细叙述中变得更为明显。

图1示意说明实施本发明的动力输出设备110的结构；

图2是说明该实施例的动力输出设备110的主要部分的放大视图；

图3 示意说明其中结合了该实施例的动力输出设备110的机动车的一般结构；

图4是表示该实施例的动力输出设备110的操作原理的曲线图；

图5是表示该实施例的动力输出设备110中与行星齿轮120相连接的三个轴上的转速与转矩之间关系的列线图；

图6是表示该实施例的动力输出设备110中与行星齿轮120相连接的三个轴上的转速与转矩之间关系的列线图；

图7是表示当只有第二电动机MG2按反方向输出的动力输出到环形齿轮轴126时状态的列线图；

图8是表示当发动机150输出的动力转换为反方向动力，并且该转换动力输出到环形齿轮轴126时状态的列线图；

图9和图10是表示在反向驱动状态下由该实施例的控制器180执行的转矩控制子程序的流程图；

图11是表示由该实施例的控制器180执行的第一电动机MG1的控制子程序的流程图；

图12是表示由该实施例的控制器180执行的第二电动机MG2的控制子程序的流程图；

图13是表示在反向驱动状态下经修改的转矩子控制程序一部分的流程图；

图14以一个修改例子示意说明另一个动力输出设备110A。

图15以又一个修改例子示意说明又一个动力输出设备110B。

图16示意说明其中结合了动力输出设备110C的四轮驱动机动车的结构；

图17示意说明其中按照本发明以第二实施例结合了动力输出设备110D的机动车的结构；

图18示意说明正向反向转换齿轮装置250的结构；

图19表示当正向反向转换齿轮263换到反向位置时，变换方向齿轮255，反向旋转齿轮256，以及输出轴动力齿轮252b的啮合；

图20是表示在反向驱动状态下由第二实施例的控制器180执行的转矩控制子程序的流程图；

图21是表示在第二实施例中在反向驱动状态下动态共线的状态的列线图；以及

图22是表示在第二实施例的修改例子中在反向驱动状态下动态共线的状态的列线图。

实现本发明的一些方式如优选实施例所述。图1示意说明实施本发明的动力输出设备110的结构；图2是说明该实施例的动力输出设备110的主要部分的放大视图；以及图3示意说明其中结合了该实施例的动力输出设备110的机动车的一般结构。为了便于说明，首先叙述机动车的一般结构。

参考图3，机动车装有发动机150，发动机150消耗汽油作为燃料，并且输出动力。通过节气阀166从一个空气供给系统吸入的空气与从燃料注入阀151注入的燃料，即本实施例中的汽油相混合。空气／燃料混合物供入燃烧室152以便爆炸性点火并燃烧。由空气／燃料混合物爆炸所压下的活塞154的直线运动转换为曲轴156的旋转运动。节气阀166由致动器168驱动打开和闭合。点火塞162把通过分配器160从点火器158施加的高电压转换为火花，该火花爆炸性地点火并燃烧空气／燃料混合物。

发动机150的操作由一个电子控制装置(在下文称为EFIECU)170控制。EFIECU 170从各种检测发动机150的操作条件的传感器接收信息。这些传感器包括用于检测节气阀166的阀门冲程或位置的节气阀位置传感器167，用于测量施加在发动机150上负载的多管真空传感器172，用于测量发动机150中冷却水温度的水温传感器174，以及安装在分配器160上用于测量曲轴156的转速(每预定时段的转数)和转角的速度传感器176和角度传感器178。一个用于检测点火键(未示出)起动条件ST的起动器开关179也连接到EFIECU 170。其它与EFIECU170连接的传感器和开关省略说明。

发动机150的曲轴156通过行星齿轮120及第一和第二电动机MG1和MG2(后文详细叙述)与动力传递齿轮111机械连接，该动力传递齿轮111有一个驱动轴112作为旋转轴。动力传递齿轮111还与差动齿轮114连接，以便从动力输出设备110输出的动力最终传递到左和右驱动轮116和118。第一电动机MG1和第二电动机MG2电连接到控制器180，并且由控制器180控制。如后文详细叙述，控制器180包括一个内部控制CPU，并且从一个固定在变速器182上的变速器位置传感器184，一个固定在加速器踏板164上的加速器位置传感器164a，以及一个固定在制动器踏板165上的制动器踏板位置传感器165a接收多个输入。控制器180通过通信对EFIECU 170发送和接收各种数据和信息。包括通信协议的控制过程的详细情况将在后文叙述。

参考图1和图2，该实施例的动力输出设备110主要包括发动机150，具有一个与发动机150的曲轴156机械连接的行星齿轮架124的行星齿轮120，与行星齿轮120的恒星齿轮121连接的第一电动机MG1，与行星齿轮120的环形齿轮122连接的第二电动机MG2，以及用于驱动和控制第一和第二电动机MG1和MG2的控制器180。

下文根据图2绘图叙述行星齿轮120及第一和第二电动机MG1和MG2的结构。行星齿轮120包括恒星齿轮121，与一个其中穿过曲轴156的空心恒星齿轮轴125连接，环形齿轮122，与一个和曲轴156同轴的环形齿轮轴126连接，多个行星小齿轮123，安排在恒星齿轮121与环形齿轮122之间，以便当在其轴上旋转时绕恒星齿轮121旋转，以及恒星齿轮架124，与曲轴156的一端连接以便支持行星小齿轮123的转轴。在行星齿轮120中，三个轴，即各自与恒星齿轮121，环形齿轮122和行星齿轮架124相连接的恒星齿轮轴125，环形齿轮轴126和曲轴156，起动力输入和输出轴作用。确定输入和输出这三个轴中任意两个轴的动力就自动确定了输入和输出剩余一个轴的动力。行星齿轮120这三个轴的动力输入和输出操作的详细情况将在后文叙述。

用于取得动力的动力供给齿轮128与环形齿轮122连接，并且安排在第一电动机MG1侧。动力供给齿轮128还通过链带129连接到动力传递齿轮111，以便使动力在动力供给齿轮128与动力传递齿轮111之间传递。

第一电动机MG1构造为同步电动机发电机组，并且包括一个在其外表面有多个永久磁铁135的转子132，以及一个其上缠绕三相线圈134以形成旋转磁场的定子133。转子132与和行星齿轮120的恒星齿轮121相连接的恒星齿轮轴125连接。定子133是通过在一层之上布置又一层无方向电磁钢薄板而准备，并且固定在壳体119上。第一电动机MG1通过永久磁铁135产生的磁场与三相线圈134产生的磁场之间相互作用而起一个用于旋转转子132的电动机作用，或通过永久磁铁135产生的磁场与转子132的旋转之间相互作用而起一个在三相线圈134任何一端用于产生电动势的发电机作用。恒星齿轮轴125还装有一个用于测量其转角θs的分解器139。

像第一电动机MG1那样，第二电动机MG2也构造为同步电动机发电机组，并且包括一个在其外表面有多个永久磁铁145的转子142，以及一个其上缠绕三相线圈144以形成旋转磁场的定子143。转子142与和行星齿轮120的环形齿轮122相连接的环形齿轮轴126连接，而定子143固定在壳体119上。电动机MG2的定子143也是通过在一层之上布置又一层无方向电磁钢薄板而准备。像第一电动机MG1那样，第二电动机MG2也起一个电动机或一个发电机作用。环形齿轮轴126还装有一个用于测量其转角θr的分解器149。

用于驱动和控制第一和第二电动机MG1和MG2的控制器180具有下列布置。返回参考图1，控制器180包括用于驱动第一电动机MG1的第一驱动电路191，用于驱动第二电动机MG2的第二驱动电路192，用于控制第一和第二驱动电路191和192两者的控制CPU 190，以及包括若干蓄电池的电池194。控制CPU 190为单片微型计算机，包括一个用作工作存储器的RAM 190a，一个其中存储各种控制程序的ROM 190b，一个输入／输出端口(未示出)，以及一个通过它对EFIECU 170发送和接收数据的串行通信端口(未示出)。控制CPU 190通过输入端口接收各种数据。输入数据包括分解器139测量的恒星齿轮轴125的转角θs，分解器149测量的环形齿轮轴126的转角θr，加速器位置传感器164a输出的加速器踏板位置AP(加速器踏板164的踩下量)，制动器踏板位置传感器165a输出的制动器踏板位置BP(制动器踏板165的踩下量)，变速器位置传感器184输出的变速器位置SP，安排在第一驱动电路191中两个安培计195和196输出的电流Iu1和Iv1的值，安排在第二驱动电路192中两个安培计197和198输出的电流Iu2和Iv2的值，以及剩余电荷测量器199测量的电池194的剩余电荷BRM。剩余电荷测量器199可以用任何已知方法，例如，通过测量电池194中电解溶液的比重或电池194的总重量，通过计算充电和放电的电流和时间，或通过在电池194的电极之间引起瞬时短路并测量对电流的内部电阻，来确定电池194的剩余电荷BRM。

控制CPU 190输出第一控制信号SW1，用于驱动六个起第一驱动电路191的开关元件作用的晶体管Tr1至Tr6，以及第二控制信号SW2，用于驱动六个起第二驱动电路192的开关元件作用的晶体管Tr11至Tr16。第一驱动电路191中的六个晶体管Tr1至Tr6组成一个晶体管变换器，并且成对安排，以便相对一对电力线L1和L2起电源和电耗作用。第一电动机MG1的三相线圈(U，V，W)134连接在第一驱动电路191中成对晶体管的各自接点上。电力线L1和L2各自连接在电池194的正和负电极上。控制CPU 190输出的控制信号SW1因此接连控制成对晶体管Tr1至Tr6的接通时间。流过三相线圈134的电流经受PWM(脉冲宽度调制)控制以提供准正弦波，这些正弦波使三相线圈134能够形成旋转磁场。

第二驱动电路192中的六个晶体管Tr11至Tr16也组成一个晶体管变换器，并且如第一驱动电路191中晶体管Tr1至Tr6相同方式安排。第二电动机MG2的三相线圈(U，V，W)144连接在第二驱动电路192中成对晶体管的各自接点上。控制CPU 190输出的第二控制信号SW2因此接连控制成对晶体管Tr11至Tr16的接通时间。流过三相线圈144的电流经受PWM控制以提供准正弦波，这些正弦波使三相线圈144能够形成旋转磁场。

这样构成的实施例的动力输出设备110按照以下讨论的操作原理，尤其按照转矩转换原理工作。作为例子，假定发动机150驱动在转速Ne和转矩Te的驱动点P1，并且环形齿轮轴126驱动在另一个驱动点P2，该驱动点P2由另一个转速Nr和另一个转矩Tr限定，但是提供与发动机150输出能量Pe相同大小的能量。这意味发动机150输出的动力经受转矩转换，并且施加到环形齿轮轴126上。在这样条件下在发动机150和环形齿轮轴126的转矩与转速之间关系如图4曲线所示。

按照机械学，行星齿轮120中三个轴(即恒星齿轮轴125，环形齿轮轴126，以及行星齿轮架124(曲轴156))的转速与转矩之间关系可以表示为如图5和图6所说明的列线图，并且可以用几何学求解。行星齿轮120中三个轴的转速与转矩之间关系可以通过计算各轴的能量，而不使用列线图来加以数值分析。为了说明清楚，在本实施例中使用列线图。

在图5列线图中，三个轴的转速标绘为纵坐标，以及三个轴的坐标轴的位置比标绘为横坐标。当恒星齿轮轴125的坐标轴S和环形齿轮轴126的坐标轴R安排在线段的任一端时，行星齿轮架124的坐标轴C按1到ρ比率以内分轴S和R给定，这里ρ表示恒星齿轮121的齿数与环形齿轮122的齿数之比，并且由以下给定的公式(1)表示：

如上所述，发动机150以转速Ne驱动，而环形齿轮轴126以转速Nr驱动。发动机150的转速Ne因此能标绘在与发动机150的曲轴156相连接的行星齿轮架124的坐标轴C上，并且环形齿轮轴126的转速Nr能标绘在环形齿轮轴126的坐标轴R上。通过这两个点画一条直线，于是恒星齿轮轴125的转速Ns就由这条直线与坐标轴S的交点给定。这条直线在下文称为动态共线。恒星齿轮轴125的转速Ns可以按照由下面公式(2)所给定的比例表达式，由发动机150的转速Ne和环形齿轮轴126的转速Nr计算得出。在行星齿轮120中，确定恒星齿轮121，环形齿轮122和行星齿轮架124中两个齿轮的旋转则引起自动设定剩余一个齿轮的旋转。

发动机150的转矩Te然后在行星齿轮架124的坐标轴C上起一条作用线作用而施加(图中向上)在动态共线上。对转矩动态共线可以认为是刚性体，力以向量施加其上。根据把力分为两条不同的平行作用线技术，作用在坐标轴C上的转矩Te分为坐标轴S上转矩Tes和坐标轴R上转矩Ter。转矩Tes和Ter的大小由以下公式(3)和(4)给定： $\mathrm{Tes}=\mathrm{Te}\×\frac{1+\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}......\left(3\right)$ $\mathrm{Ter}=\mathrm{Te}\×\frac{1}{1+\mathrm{\ρ}}......\left(4\right)$

动态共线上的力平衡对于动态共线的稳定状态是必需的。按照具体过程，与转矩Tes具有相同大小但是相反方向的转矩Tm1施加在坐标轴S上，而与某一合成力具有相同大小但是相反方向的转矩Tm2施加在坐标轴R上，这里某一合成力是转矩Ter和与输出到环形齿轮轴126的转矩Tr具有相同大小但是相反方向的转矩的合成力。转矩Tm1由第一电动机MG1给定，而转矩Tm2由第二电动机MG2给定。第一电动机MG1按其旋转反向施加转矩Tm1，因此起一个发电机作用以便再生电能Pm1，该电能Pm1由恒星齿轮轴125以转矩Tm1与转速Ns的乘积给定。第二电动机MG2按其旋转方向施加转矩Tm2，因此起一个电动机作用以便输出电能Pm2，该电能Pm2作为输入到环形齿轮轴126的动力以转矩Tm2与转速Nr的乘积给定。

在电能Pm1，与电能Pm2相同情况下，由第二电动机MG2消耗的全部电力能由第一电动机MG1再生和供给。为了达到这种状态，所有输入能量必需输出；即发动机150输出的能量Pe必需等于输出到环形齿轮轴126的能量Pr。也就是使得表示为转矩Te与转速Ne的乘积的能量Pe等于表示为转矩Tr与转速Nr的乘积的能量Pr。参考图4，表示为转矩Te与转速Ne的乘积，并由驱动在驱动点P1的发动机150输出的动力经受转矩转换，并以相同能量但是表示为转矩Tr与转速Nr乘积的动力输出到环形齿轮轴126。如上文所讨论，输出到环形齿轮轴126的动力通过动力供给齿轮128和动力传递齿轮111传递到驱动轴112，并且进一步通过差动齿轮114传递到驱动轮116和118。因此在输出到环形齿轮轴126的动力与传递到驱动轮116和118的动力之间保持线性关系。传递到驱动轮116和118的动力因此能通过调节输出到环形齿轮轴126的动力得到控制。

虽然在图5列线图中恒星齿轮轴125的转速Ns为正，但是如图6列线图所示，按照发动机150的转速Ne和环形齿轮轴126的转速Nr，它可以为负。在后种情况下，第一电动机MG1按其旋转方向施加转矩，因此起一个电动机作用以消耗由转矩Tm1和转速Ns的乘积给定的电能Pm1。从另一方面来说，第二电动机MG2按其旋转反向施加转矩，因此起一个发电机作用以再生电能Pm2，该电能Pm2由环形齿轮轴126以转矩Tm2与转速Nr的乘积给定。在这样条件下在使得第一电动机MG1消耗的电能Pm1等于第二电动机MG2再生的电能Pm2情况下，第一电动机MG1消耗的全部电力能由第二电动机MG2供给。

以上叙述涉及该实施例的动力输出设备110中的基本转矩转换。但是动力输出设备110能执行其它操作，以及上述对发动机150全部输出动力执行转矩转换，并把所变换转矩输出到环形齿轮轴126的基本操作。可能操作包括用剩余电能对电池194充电的操作，以及用电池194中存储电力来补充不足电能的操作。这些操作通过调节发动机150输出的动力(即转矩Te与转速Ne的乘积)，第一电动机MG1再生或消耗的电能Pm1，以及第二电动机MG2再生或消耗的电能Pm2来实现。

以上讨论的操作原理假定行星齿轮120，电动机MG1和MG2，以及晶体管Tr1到Tr16的动力转换效率等于数值‘1’，其表示100％。但是，在实际状态下，转换效率小于数值‘1’，并且要求使得发动机150输出的能量Pe稍大于输出到环形齿轮轴126的能量Pr，或替换地使得输出到环形齿轮轴126的能量Pr稍小于发动机150输出的能量Pe。作为例子，发动机150输出的能量Pe可以用转换效率的倒数乘以输出到环形齿轮轴126的能量Pr来计算。在图5列线图状态下，第二电动机MG2的转矩Tm2可以用两台电动机MG1和MG2的效率乘以第一电动机MG1再生的电力来计算。从另一方面来说，在图6列线图状态下，第二电动机MG2的转矩Tm2用两台电动机MG1和MG2的效率除第一电动机MG1消耗的电力来计算。在行星齿轮120中，具有因机械摩擦或其它类似原因所引起的能量损失或热损失，尽管与有关总能量大小比较该能量损失大小相当小。用作第一和第二电动机MG1和MG2的同步电动机的效率非常接近于数值‘1’。如GTOs那样适合于晶体管Tr1到Tr16的已知装置具有非常小的接通电阻。动力转换的效率因此实际上等于数值‘1’。为了方便起见，在以下实施例讨论中，效率认为等于数值‘1’(=100％)，除非另有说明。

该实施例的动力输出设备110由第二电动机MG2用电池194中存储的电能或替换地通过对发动机150输出的动力进行转矩转换，以按曲轴156旋转反向驱动并旋转环形齿轮轴126，即向后移动机动车。

虽然发动机150为停止状态且第一电动机MG1的转矩Tm1设定等于零，但是第二电动机MG2使用电池194中存储的电能并把动力输出到环形齿轮轴126，以便使机动车能够向后移动。在这些条件下，动态共线稳定保持在至少具有使发动机150空转所需要的能量和使第一电动机MG1空转所需要的能量之和的状态。由于在该实施例的动力输出设备110中发动机150为四程汽油发动机，所以使发动机150空转所需要的能量，即使发动机150中活塞摩擦和压缩所需要的能量，要比使第一电动机MG1的转子132空转所需要的能量大。因此如图7列线图所示，动态共线为使发动机150停止并使第一电动机MG1空转的状态。

从另一方面来说，通过把环形齿轮轴126的转速Nr和第二电动机MG2的转矩Tm2的负值施加到图5和图6列线图所讨论的操作，实现了通过对发动机150输出的动力进行转矩转换而使机动车向后移动的操作。图8是这种状态下的列线图。图8列线图中动态共线上作用在坐标轴C上的转矩和作用在动态共线S上的转矩与图5和图6列线图中所说明的那些转矩相同。分转矩Ter施加在动态共线上的坐标轴R上，而转矩Te从发动机150输出到坐标轴C上。施加比转矩Ter大小要大但是方向相反的转矩使得负转矩(即与曲轴156旋转反向的转矩)能够作用在环形齿轮轴126上。也就是第二电动机MG2需要输出大小比转矩Ter的大小要大的负转矩。

这时，第一电动机MG1按恒星齿轮轴125的旋转反向施加转矩，因此起一个发电机作用，而第二电动机MG2按环形齿轮轴126的旋转方向输出转矩，因此起一个电动机作用。当第一电动机MG1再生的电能Pm1与第二电动机MG2消耗的电能Pm2相同时，发动机150输出的动力能转换为负旋转动力，并且输出到环形齿轮轴126。当第一电动机MG1再生的电能Pm1比第二电动机MG2消耗的电能Pm2大时，电池194能以剩余电能充电。当第一电动机MG1再生的电能Pm1比第二电动机MG2消耗的电能Pm2小时，能从电池194释放电力以补充不足电能。这样，通过调节第一电动机MG1再生的电能Pm1和第二电动机MG2消耗的电能Pm2，该实施例的动力输出设备110能控制电池194的剩余电荷BRM。

该实施例的动力输出设备110执行反向驱动状态下的转矩控制，其依照图9和图10流程图所示的反向驱动状态下的转矩控制子程序。这个子程序在变速器位置传感器184检测到驾驶员已经按相反位置设定变速器182时起动，并且在变速器182为反向位置时候按预定时间间隔(例如每8msec)重复执行。当程序进入图9子程序时，控制器180的控制CPU 190首先在步S100读出由加速器踏板位置传感器164a检测的加速器踏板位置AP。当感觉到输出转矩不足时驾驶员踩下加速器踏板164。加速器踏板位置AP的值因此表示要输出到环形齿轮轴126，并且最终输出到驱动轮116和118的希望转矩。

控制CPU 190随后在步S102根据输入的加速器踏板位置AP确定转矩命令值Tr*，即输出到环形齿轮轴126的目标转矩。这里由加速器踏板位置AP不是计算输出到驱动轮116和118的转矩，而是计算输出到环形齿轮轴126的转矩。这是因为环形齿轮轴126通过动力供给齿轮128，动力传递齿轮111和差动齿轮114与驱动轮116和118机械连接，因此确定输出到环形齿轮轴126的转矩结果就确定输出到驱动轮116和118的转矩。在本实施例中，预先准备表示转矩命令值Tr*与加速器踏板位置AP之间关系的图，并且存储在ROM 190b中。按照具体过程，在步S102，从存储在ROM 190b中的该图读出与输入的加速器踏板位置AP相对应的转矩命令值Tr*。在变速器182为反向位置时候执行这个子程序，因此转矩命令值Tr*为负。

控制CPU 190然后在步S104读出由剩余电荷测量器199测量的电池194的剩余电荷BRM，并且在步S106把输入的剩余电荷BRM与阈值Bref比较。阈值Bref设定为用电池194中存储的电能使第二电动机MG2在一定时间内能够使机动车向后移动的电力的大小，并且取决于机动车的重量和使用。

在步S106在电池194的剩余电荷BRM比阈值Bref大情况下，程序确定电池194有足够剩余电荷BRM，并且转到步S108，以便通过通信对EFIECU170输出一个用于停止发动机150操作的信号。控制CPU 190在步S114到步S118控制第一电动机MG1，第二电动机MG2和发动机150之前，在步S110设定第一电动机MG1的转矩命令值Tm1*等于零，并且在步S112设定第二电动机MG2的转矩命令值Tm2*等于转矩命令值Tr*。为了说明方便起见，第一电动机MG1，第二电动机MG2和发动机150的控制操作如分步所示。但是，在实际过程中，这些控制操作按并行及综合执行。作为例子，控制CPU190利用中断进程同时控制第一电动机MG1和第二电动机MG2，同时通过通信对EFIECU 170发送指令，以便使EFIECU 170可以同时发动机150。

第一电动机MG1的控制操作(图9流程图中步S114)依照图11流程图所示第一电动机MG1的控制子程序。当程序进入图11子程序时，控制器180的控制CPU 190首先在步S180从旋转器139接收恒星齿轮轴125的转角θs，并且在步S181从恒星齿轮轴125的旋转角θs计算第一电动机MG1的电角θ1。在本实施例中，由于一个四极对(即四个N极和四个S极)的同步电动机用作第一电动机MG1，所以恒星齿轮轴125的转角θs被乘以四以产生电角θ1(θ1=4θs)。CPU 190然后在步S182用安培计195检测流过第一电动机MG1中三相线圈134的U相和V相的电流Iu1和Iv1的值。虽然电流自然流过所有三相U，V和W，但是由于电流和等于零，所以只需要对流过两相的电流进行测量。在随后步S184，控制CPU 190使用在步S182得到的流过三相的电流值执行坐标变换(三相到两相变换)。坐标变换把流过三相的电流值映射为流过永磁式同步电动机d和q轴的电流值，并且按照以下给定的公式(5)执行。进行坐标变换是因为流过d和q轴的电流对永磁式同步电动机中转矩控制来说是必需的。选择地，转矩控制可以直接用流过三相的电流来执行。

在变换为两轴电流之后，控制CPU 190计算实际流过d和q轴的电流Id1和Iq1相对各轴电流命令值Id1*和Iq1*的偏差，并且随后在步S186确定相对d和q轴的电压命令值Vd1和Vq1，这里电流命令值Id1*和Iq1*从第一电动机MG1的转矩命令值Tm1*计算得出。按照具体过程，控制CPU 190执行以下给定的公式(6)和公式(7)的算术运算。在公式(7)中，Kp1，Kp2，Ki1和Ki2表示系数，这些系数调节为适合于所应用的电动机的特征。各电压命令值Vd1(Vq1)包括一个与相对电流命令值I*的偏差△I成正比的部分(公式(7)右侧第一项)，以及一个对‘i’次的偏差△I的历史数据的求和(右侧第二项)。

△Id1=Id1^*-Id1

△Iq1=Iq1^*-Iq1                   ……(6)

Vd1=Kp1·△Id1+∑Ki1·△Id1

Vq1=Kp2·△Iq1+∑Ki2·△Iq1      ……(7)

控制CPU 190然后在步S188重新变换这样得到的电压命令值的坐标(两相到三相变换)。这对应于在步S184执行的反向变换。反向变换确定实际施加在三相线圈134上的电压Vu1，Vv1和Vw1，由以下给定的公式(8)表示：

实际电压控制由第一驱动电路191中晶体管Tr1到Tr6的接通和截止操作来完成。在步S189，第一驱动电路191中晶体管Tr1到Tr6的接通和截止时间为PWM(脉冲宽度调制)控制，以便得到由以上给定的公式(8)所确定的电压命令值Vu1，Vv1和Vw1。

假定当按图5和图6所示方向施加转矩Tm1时，第一电动机MG1的转矩命令值Tm1*为正。对于相同的正转矩命令值Tm1*，控制第一电动机MG1，以便如图5列线图状态当转矩命令值Tm1*按恒星齿轮轴125的旋转反向作用时执行再生操作，并且控制第一电动机MG1，以便如图6列线图状态当转矩命令值Tm1*按恒星齿轮轴125的旋转方向作用时执行动力操作。对于正转矩命令值Tm1*，第一电动机MG1的再生操作和动力操作都执行相同的开关控制。按照具体过程，通过把永久磁铁135产生的设定在转子132外表面的磁场与流过三相线圈134的电流产生的旋转磁场相组合，第一驱动电路191中晶体管Tr1到Tr6控制为使正转矩能够施加在恒星齿轮轴125上。只要转矩命令值Tm1*的正负号不变，就对第一电动机MG1的再生操作和动力操作都执行相同的开关控制。图11流程图所示的第一电动机MG1的控制子程序因此既适合于再生操作又适合于动力操作。当转矩命令值Tm1*为负时，在步S180读出的恒星齿轮轴125的转角θs按反方向变化。因此图11所示第一电动机MG1的控制子程序还适合于这种情况。

即使当第一电动机MG1的转矩命令值Tm1*设定为零，也能按照图11第一电动机MG1的控制子程序来控制第一电动机MG1。但是，在这种情况下，截止所有晶体管Tr1到Tr6的操作能发挥相向效果。

第二电动机MG2的控制操作(图9流程图中步S116)依照图12流程图所示的第二电动机MG2的控制子程序。除使用转矩命令值Tm2*和环形齿轮轴126的转角θr来代替转矩命令值Tm1*和恒星齿轮轴125的转角θs外，第二电动机MG2的控制过程与第一电动机MG1的控制过程相同。当程序进入图12的子程序时，控制器180的控制CPU 190首先在步S190从旋转器149接收环形齿轮轴126的转角θr，并且在步S191从观察到的环形齿轮轴126的转角θr计算第二电动机MG2的电角θ2。在随后步S192，用安培计197和198测量第二电动机MG2的相电流Iu2和Iv2。控制CPU 190然后在步S194对相电流执行坐标变换，在步S196计算电压命令值Vd2和Vq2，以及在步S198对电压命令值执行反坐标变换。控制CPU 190随后对第二电动机MG2确定第二驱动电路192中晶体管Tr11到Tr16的接通和截止时间，并且在步S199执行PWM控制。由于第二电动机MG2像第一电动机MG1那样是四极对同步电动机，所以环形齿轮轴126的转角θr乘以四以产生电角θ2(θ2=4θr)。

第二电动机MG2根据转矩命令值Tm2*的方向与环形齿轮轴126的旋转方向之间关系，也控制为或执行再生操作或执行动力操作。像第一电动机MG1那样，图12流程图所示的第二电动机MG2的控制过程既适合于再生操作又适合于动力操作。在本实施例中，假定当转矩Tm2按图5列线图所示方向施加时，第二电动机MG2的转矩命令值Tm2*为正。

发动机150的控制操作(图9流程图中步S118)按下列方式执行。调节发动机150的转矩Te和转速Ne，以便使发动机150能够在目标发动机转矩Te*和目标发动机速度Ne*所限定的预定驱动点保持静止驱动状态。按照具体过程，控制CPU 190通过通信对EFIECU 170发送指令，并且EFIECU 70调节燃料喷射阀151的燃料喷射量和节气阀166的位置，由此使发动机150的输出转矩和转速能够逐渐接近目标发动机转矩Te*和目标发动机速度Ne*。如后文在图10流程图中步S130所讨论那样，发动机150的转速Ne是由第一电动机MG1通过调节恒星齿轮轴125的转速Ns来控制。发动机150的控制操作因此包括相对进气量对节气阀166的和对空气／燃料比率的调节，以便使发动机150能够输出目标转矩Te*。响应控制CPU 190输出的发动机操作停止指令，EFIECU 170停止燃料喷射阀151的燃料喷射及对点火塞162上施加电压，并且完全关闭节气阀166。

在图9流程图中步S106当电池194的剩余电荷BRM比阈值Bref大时，第二电动机MG2对环形齿轮轴126输出转矩Tm2，该转矩Tm2具有Tr的大小及使机动车向后移动的方向，而发动机150为停止状态并且第一电动机MG1的转矩Tm1等于零。在这样条件下动态共线与前文所讨论的图7列线图相同。第二电动机MG2消耗的电能由电池194放电的电力供给。

从另一方面来说，在步S106在电池194的剩余电荷BRM不比阈值Bref大时，程序确定电池194没有足够剩余电荷BRM，并且执行图10流程图所示的步S120到步S132的处理，以便把发动机150输出的动力转换为反向动力，并且把所转换动力输出到环形齿轮轴126。控制器180的控制CPU 190在步S120读出环形齿轮轴126的转速Nr。环形齿轮轴126的转速Nr可以从旋转器149读出的环形齿轮轴126的转角θr来计算。控制CPU 190然后从在步S102得到的转矩命令值Tr*和环形齿轮轴126的输入转速Nr，在步S122计算输出到环形齿轮轴126的能量Pr的大小(Pr=Tr*×Nr)，并且在步S124根据能量Pr的计算大小设定发动机150的目标转矩Te*和目标转速Ne*。由于发动机150输出的能量Pe限定为转矩Te和转速Ne的乘积，所以输出到环形齿轮轴126的能量Pr和发动机150的目标转矩Te*及目标转速Ne*满足关系Pr=Pe=Te*×Ne*。但是，满足以上关系的发动机150的目标转矩Te*和目标转速Ne*有无数组合。在本实施例中，目标发动机转矩Te*和目标发动机速度Ne*的有利组合对各能量Pr大小实验确定或相反预先确定，并且以图存储在ROM 190b中。有利组合表示使发动机150能够以最高可能效率驱动的驱动点。按照具体过程，在步S124，与计算能量Pr大小相对应的目标发动机转矩Te*和目标发动机速度Ne*从存储在ROM 190b中的图读出。

控制CPU 190随后在步S126读出恒星齿轮轴125的转速Ns。转速Ns从旋转器139测量的恒星齿轮轴125的转角θs得到。然后在步S128按照以下给定的公式(9)，从发动机150的目标转速Ne*和环形齿轮轴126的转速Nr计算恒星齿轮轴125的目标转速Ns*。公式(9)与以上讨论的公式(2)等效。 ${\mathrm{Ns}}^{*}\←\mathrm{Nr}-(\mathrm{Nr}-{\mathrm{Ne}}^{*})\×\frac{1+\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}......\left(9\right)$

控制CPU 190在随后步S130按照以下公式(10)把计算值设定为第一电动机MG1的转矩命令值Tm1*。公式(10)右侧第一项从图8列线图所示动态共线上的平衡状态得到。右侧第二项是消除实际转速Ns对目标转速Ns*偏差的比例项，以及右侧第三项是消除静态偏差的整数项。在静态下(即当转速Ns对目标转速Ns*的偏差等于零时)，第一电动机MG1的转矩命令值Tm1*设定等于从动态共线上平衡状态所得到的右侧第一项Te*／(1+ρ)。公式(10)中K1和K2表示比例常数。 ${\mathrm{Tml}}^{*}\←{\mathrm{Te}}^{*}\×\frac{1}{1+\mathrm{\ρ}}+K1({\mathrm{Ns}}^{*}-\mathrm{Ns})+K2\∫({\mathrm{Ns}}^{*}-\mathrm{Ns})\mathrm{dt}......\left(10\right)$

控制CPU 190然后在步S132按照以下公式(11)把计算值设定为第二电动机MG2的转矩命令值Tm2*。公式(11)确定为当动态共线在图8状态下保持静止时，把转矩命令值Tr*限定的转矩输出到环形齿轮轴126。由于发动机150的目标转矩Te*为正并且转矩命令值Tr*为负，所以由公式(11)设定的第二电动机MG2的转矩命令值Tm2*以转矩命令值Tr*的绝对值和目标发动机转矩Te*的绝对值的负值和给定。也就是根据发动机150的输出转矩Te，转矩命令值Tm2*比输出到环形齿轮轴126的分转矩Ter大小要大但是方向相反。 ${\mathrm{Tm}2}^{*}\←{\mathrm{Tr}}^{*}-\mathrm{Te}\×\frac{1}{1+\mathrm{\ρ}}......\left(11\right)$

当动态共线在图8列线图状态下保持静止时，由公式(10)和(11)设定的电动机MG1和MG2的转矩命令值Tm1*和Tm2*使第一电动机MG1再生的电能Pm1能够用作第二电动机MG2消耗的电能Pm2。发动机150输出的能量Pe因此经受转矩转换，并且输出到环形齿轮轴126。

在设定发动机150的目标转矩Te*和目标转速Ne*，以及电动机MG1和MG2的转矩命令值Tm1*和Tm2*之后，程序在图9流程图中步S114至S118根据这些预定值来控制发动机150，第一电动机MG1，以及第二电动机MG2。

如上所讨论，该实施例的动力输出设备110把发动机150输出的能量Pe转换为转矩，并且把该转矩输出到环形齿轮轴126，最终输出到驱动轮116和118。这种结构不用电池194放电的电力而使机动车向后移动。该实施例的动力输出设备110能根据电池194的剩余电荷BRM选择两种操作中任一种操作；一种操作是用第二电动机MG2把电池194存储的电能转换为机械能，并且把该机械能输出到环形齿轮轴126，而另一种操作是把发动机150输出的机械能转换为转矩，并且把该转矩输出到环形齿轮轴126。这种结构有效地保护了电池194免于过度放电。

在该实施例的动力输出设备110中，当电池194的剩余电荷BRM不比阈值Bref大时，发动机150在使得发动机150输出的能量Pe与输出到环形齿轮轴126的能量Pr相同的条件下驱动。也就是发动机150输出的能量Pe经受转矩转换并输出到环形齿轮轴126。另一种可能结构在使得发动机150输出的能量Pe比输出到环形齿轮轴126的能量Pr大的条件下驱动发动机150，并且以第一电动机MG1再生的部分电力对电池194充电。在这种情况下，例如，在图9和图10流程图所示反向驱动状态下转矩控制子程序中步S124的处理，即设定发动机150的目标转矩Te*和目标转速Ne*的过程，可以用图13流程图所示步S224和步S225的处理代替。控制CPU 190在步S224根据电池194的剩余电荷BRM设定电池194充电的充电能量Pbi。控制CPU 190然后规定发动机150输出能量Pe为输出到环形齿轮轴126的能量Pr与预定充电能量Pbi之和，并且在步S225根据这个规定能量Pe设定目标发动机转矩Te*和目标发动机速度Ne*。这个过程在第一电动机MG1再生的电能Pm1与第二电动机MG2消耗的电能Pm2之间产生一个差。电池194因此能充电过剩电能。通过考虑充电能量Pbi来设定发动机150的目标转矩Te*和目标转速Ne*的过程使电池194在机动车向后移动时候能够充电。当已经充电有充电能量Pbi的电池194的剩余电荷BRM变得比阈值Bref大时，程序在图9流程图中步S106确定电池194不需要进一步充电，并且执行步S108到步S118的处理。这种结构使电池194的剩余电荷BRM能够不小于阈值Bref。

当电池194的剩余电荷BRM比阈值Bref大时，该实施例的动力输出设备110停止发动机150的操作。但是，另一种可能结构把一个预定转速，例如空转速，设定为发动机150的目标转速Ne*，并且使发动机150可以在该预定转速下驱动。在这样结构下，能通过把第一电动机MG1的转矩命令值Tm1*设定等于零而使第一电动机MG1空转。与停止发动机150操作的结构比较，这种选择结构使发动机150的驱动点能够更容易改变。

在该实施例的动力输出设备110中，输出到环形齿轮轴126的动力通过与环形齿轮122连接的动力供给齿轮128，从第一电动机MG1与第二电动机MG2之间的布置取得。但是，像图14作为一个修改例子所示的另一个动力输出设备110A那样，动力可以从其中伸出环形齿轮轴126的壳体119取得。图15作为另一个修改例子表示了又一个动力输出设备110B，其中按这样顺序安排发动机150，行星齿轮120，第二电动机MG2，以及第一电动机MG1。在这种情况下，恒星齿轮轴125B可以不为空心结构，但是需要空心环形齿轮轴126B。这种修改结构使输出到环形齿轮轴126B的动力能够从发动机150与第二电动机MG2之间的布置取得。

以上讨论的该实施例的动力输出设备110及它们的修改例子适用于FR型或FF型双轮驱动机动车。但是，在图16另一个修改例子中，动力输出设备110C适用于四轮驱动机动车。在这种结构中，第二电动机MG2与环形齿轮轴126分开，并且独立地安排在机动车的后轮部分中，以便驱动后驱动轮117和119。从另一方面来说，环形齿轮轴126通过动力供给齿轮128和动力传递齿轮111连接到差动齿轮114，以便驱动前驱动轮116和118。以上讨论的反向驱动状态下的转矩控制子程序也适用于这种结构。

以下按照本发明作为第二实施例叙述另一种动力输出设备110D。图17示意说明其中结合有该第二实施例的动力输出设备110D的机动车的结构。参考图17，除在发动机150的曲轴156上固定一个正向反向开关齿轮装置250外，该第二实施例的动力输出设备110D具有与第一实施例的动力输出设备110的结构类似的结构。第二实施例的动力输出设备110D中与第一实施例的动力输出设备110中那些组成部分相同的组成部分用同样数字和符号表示，并且这里不专门叙述。除非另有说明，叙述第一实施例所使用的符号在叙述第二实施例时具有相同意义。

图18示意说明正向反向开关齿轮装置250的结构。在第二实施例的动力输出设备110D中，正向反向开关齿轮装置250包括各自固定在发动机150侧和行星齿轮120侧的曲轴156上的输出轴动力齿轮252a和252b，一个由正常方向齿轮254和变换方向齿轮255组成的正向反向开关齿轮253，一个与输出轴动力齿轮252b啮合的反向旋转齿轮256，以及一个用于沿轴向驱动正向反向开关齿轮253的致动器258。正向反向开关齿轮253的正常方向齿轮254与输出轴动力齿轮252a啮合，并且沿轴向形成齿以允许与动力输出齿轮252b啮合和脱开。当正向反向开关齿轮253由致动器258换到正向位置时(图18附图中向右)，正常方向齿轮254与输出轴动力齿轮252b啮合。从另一方面来说，当正向反向开关齿轮253换到反向位置时(图18绘图中位置)，正常方向齿轮254由和输出轴动力齿轮252b相啮合而脱开。正向反向开关齿轮253的变换方向齿轮255直径比正常方向齿轮254的直径稍小。当正向反向开关齿轮253由致动器258换到反向位置时，变换方向齿轮255与反向旋转齿轮256啮合。从另一方面来说，当正向反向开关253换到正向位置时，变换方向齿轮255由和反向旋转齿轮256相啮合而脱开。

图19表示当正向反向开关齿轮253换到反向位置时，变换方向齿轮255，反向旋转齿轮256，以及输出轴动力齿轮252b的啮合。安装反向旋转齿轮256，以便使其旋转轴偏离把变换方向齿轮255的旋转轴与曲轴156相连接的直线，以便尽可能大地增加变换方向齿轮255的直径，从而大致与正常方向齿轮254的直径相同。正向反向开关齿轮253的旋转轴的一端插入致动器258，并且正向反向开关齿轮253沿旋转轴的位置由致动器258改变。致动器258通过一条导线与控制器180连接，并且由控制器180驱动和控制。

第二实施例的动力输出设备110D因此构造为按反向驱动状态执行转矩控制，其依照图20流程图所示反向驱动状态下的转矩控制子程序。当变速器位置传感器184检测到驾驶员已经按反向位置设定变速器182时，执行该子程序。当程序进入图20子程序时，控制器180的控制CPU 190首先在步S300按反向位置设定正向反向开关齿轮装置250。按照具体过程，控制CPU 190对正向反向开关齿轮装置250的致动器258输出一个驱动信号，并且驱动致动器258以使正向反向开关齿轮253换到反向位置。在第二实施例的动力输出设备110D中，当机动车向前移动或为停止时候，正向反向开关齿轮253的正常方向齿轮254与输出轴动力齿轮252a和输出轴动力齿轮252b两者相啮合。

控制CPU 190然后在步S302从加速器踏板位置传感器164a读出加速器踏板位置AP，并且在步S304根据该输入加速器踏板位置AP，确定输出到环形齿轮轴126的转矩命令值Tr*。程序然后执行步S306到S324的处理，这些步与图9和图10流程图所示反向驱动状态下转矩控制子程序中步S120到步S132的处理及步S114到步S118的处理相同。由于正向反向开关齿轮装置250设定为反向位置，所以输入到行星齿轮120的行星齿轮架124的动力与发动机150输出的动力反向。在步S314，步S316和步S318，发动机150的目标转矩Te*和目标转速Ne*因此乘以负1。在第二实施例中，为了说明方便，第一电动机MG1，第二电动机MG2和发动机150的控制操作如分步所示。但是，在实际过程中，这些控制操作按并行或综合来执行。

图21是当正向反向开关齿轮装置250设定为反向位置时，表示动态共线的状态的列线图。这里假定发动机150驱动在转矩Te和转速Ne所限定的驱动点P3。固定在曲轴156上的正向反向开关齿轮装置250使旋转方向和转矩方向反向，以便发动机150的转速Ne和转矩Te标绘在驱动点P4，该驱动点P4在图21列线图中横坐标轴对边以驱动点P3的镜像出现。由于环形齿轮轴126的转速Nr也为负，所以图21列线图相对图5列线图倒转等效，并且按类似方式分析。

第二实施例的动力输出设备110D具有正向反向开关齿轮装置250，其在机动车向前移动和向后移动时能够输出相同转矩。

在第二实施例的动力输出设备110D中，发动机150在发动机150输出能量Pe与输出到环形齿轮轴126能量Pr相同条件下驱动。发动机150输出能量Pe因此经受转矩转换，并且输出到环形齿轮轴126。按照另一种可能应用，根据电池194的剩余电荷BRM，可以使发动机150输出能量Pe比输出到环形齿轮轴126能量Pr大或小。在这种情况下，当电池194以第一电动机MG1再生的部分电力充电，或电池194放电以补充第二电动机MG2消耗的部分电力时候，驱动发动机150。

在第二实施例的动力输出设备110D中，正向反向开关齿轮装置250固定在曲轴156上。但是，正向反向开关齿轮装置250可以固定在环形齿轮轴126之后的驱动轴112上。作为例子，在图14所示修改例子的动力输出设备110A中，正向反向开关齿轮装置250固定在第二电动机MG2左侧(附图中)上的环形齿轮轴126上。图22是这种结构下的列线图。图22列线图与图5列线图相同，其中机动车向前移动。安排在正向反向开关齿轮装置250之后的环形齿轮轴126的旋转方向和转矩方向由正向反向开关齿轮装置250反向。环形齿轮轴126因此在驱动点P6下驱动，该驱动点P6是环形齿轮122的驱动点P5的镜像，由此向后移动机动车。

本发明不局限于上述实施例或其修改例子，而是在不违反本发明主要特征的范围或精神下可以有许多修改，改变和替换。

例如，虽然汽油发动机用作以上实施例中的发动机150，但是本发明的原理还适合于其它内燃发动机和外燃发动机，例如柴油发动机，涡轮发动机，以及喷气发动机。

在上述实施例中，行星齿轮120用作三轴式动力输入／输出装置。另一个可用例子是具有多组行星小齿轮的双小齿轮行星齿轮。各对中一个行星小齿轮与恒星齿轮连接，而另一个行星小齿轮与环形齿轮连接，并且行星小齿轮对相互连接，以便当在其轴上旋转时绕恒星齿轮旋转。任何其它装置或齿轮装置，例如差动齿轮，只要它能根据三个轴中任何两个轴的预定输入及输出动力确定剩余一个轴的输入及输出动力，也适合于三轴式动力输入／输出装置。

永磁(PM)式同步电动机用作以上讨论实施例中的第一电动机MG1和第二电动机MG2。但是，按照要求可以使用任何其它既能完成再生操作又能完成动力操作的电动机，例如可变磁阻(VR)式同步电动机，微调电动机，直流电动机，感应电动机，超导电动机，以及步进电动机。

晶体管变换器用作上述实施例中第一和第二驱动电路191和192。其它可用例子包括IGBT(绝缘栅双极结晶体管)变换器，可控硅变换器，电压PWM(脉冲宽度调制)变换器，方波变换器(电压变换器和电流变换器)，以及共振变换器。

上述实施例中电池194可以包括Pb电池，NiMH电池，Li电池或其它类似电池。可以使用一个电容器来代替电池194。

虽然在所有上述实施例中动力输出设备是安装在机动车上，但是它可以安装在其它运输工具上，例如轮船和飞机上，以及各种工业机器上。

应该清楚理解上述实施例只是说明性的，并且在任何一点上不是限定性的。本发明的范围和精神只由附加权利要求的条款所限定。

Claims (12)

1．一种用于把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备，包括：

一个发动机，其有一个输出轴；

一个第一电动机，其有一个旋转轴，并把动力输入和输出所述旋转轴；

其特征在于，还包括：

一个第二电动机，其把动力输入和输出所述驱动轴；

三轴式动力输入／输出装置，其有三个轴，分别与所述驱动轴，所述输出轴，以及所述旋转轴连接，所述三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出所述三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；以及

控制装置，响应预定驱动要求，用于控制所述发动机和所述第一电动机，以便使动力能够通过所述三轴式动力输入／输出装置输出到所述驱动轴，并且用于控制所述第二电动机，以便使所述第二电动机能够输出比通过控制所述发动机和所述第一电动机而经过所述三轴式动力输入／输出装置输出的动力大小要大但是方向相反的动力。

2．按照权利要求1的一种动力输出设备，其中所述控制装置包括用于执行控制的装置，以便使所述发动机输出的动力能够经受转矩转换，并且输出到所述驱动轴。

3．按照权利要求2一种动力输出设备，所述动力输出设备还包括：

目标动力设定装置，用于设定输出到所述驱动轴的目标动力，

其中所述控制装置包括当所述预定驱动要求表示所述目标动力设定装置把按所述发动机的所述输出轴的旋转反向作用的动力设定为目标动力时，用于控制所述发动机的操作以便使目标动力所对应的能量能够从所述发动机输出，并且用于控制所述第一电动机和所述第二电动机以便使所述发动机输出的动力能够转换为目标动力，并输出到所述驱动轴的装置。

4．按照权利要求1的一种动力输出设备，所述动力输出设备还包括：

蓄电池装置，以所述第一电动机输出的电力充电，放电以供给输入到所述第一电动机的电力，以所述第二电动机输出的电力充电，以及放电以供给输入到所述第二电动机的电力。

其中所述控制装置包括用于控制所述发动机，所述第一电动机，以及所述第二电动机，以便使所述发动机输出动力和所述蓄电池装置输入及输出电力的总能量能够转换并输出到所述驱动轴。

5．按照权利要求4的一种动力输出设备，所述动力输出设备还包括：

充电状态检测装置，用于检测所述蓄电池装置的充电状态，

其中所述控制装置包括用于执行控制，以便使所述充电状态检测装置所检测的所述蓄电池的充电状态能够在预定范围之内的装置。

6．按照权利要求5的一种动力输出设备，所述动力输出设备还包括：

目标动力设定装置，用于设定输出到所述驱动轴的目标动力，

其中所述控制装置包括当所述充电状态检测装置所检测的所述蓄电池装置的充电状态小于预定范围时，用于控制所述发动机以便能够输出比所述目标动力设定装置设定的目标动力所对应的比能量要大的能量，并且用于控制所述第一电动机和所述第二电动机以便使目标动力能够输出到所述驱动轴的装置。

7．一种用于把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备，所述动力输出设备包括：

一个发动机，其有一个输出轴；

一个第一电动机，其有一个旋转轴，并把动力输入和输出所述旋转轴；

其特征在于，还包括：

一个第二电动机，其把动力输入和输出所述驱动轴；

三轴式动力输入／输出装置，其有三个轴，分别与所述驱动轴，所述输出轴，以及所述旋转轴连接，所述三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出所述三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；

蓄电池装置，以所述第一电动机输出的电力充电，放电以供给输入到所述第一电动机的电力，以所述第二电动机输出的电力充电，以及放电供给输入到所述第二电动机的电力；

充电状态检测装置，用于检测所述蓄电池装置的充电状态；

输出源确定装置，响应预定驱动要求，根据所述充电状态检测装置所检测的所述蓄电池装置的充电状态，用于确定是使用所述蓄电池装置所存储的电力来把按所述发动机的所述输出轴的旋转反向作用的比动力输出到所述驱动轴，还是把所述发动机输出的动力转换为比动力并输出到所述驱动轴；以及

控制装置，用于控制所述发动机，所述第一电动机，以及所述第二电动机，以便根据所述输出源确定装置所确定的结果，使按所述发动机的所述输出轴的旋转反向作用的动力能够输出到所述驱动轴。

8．一种用于把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备，所述动力输出设备包括：

一个发动机，其有一个输出轴；

一个第一电动机，其有一个旋转轴，并把动力输入和输出所述旋转轴；

其特征在于，还包括：

一个第二电动机，其把动力输入和输出所述驱动轴；

三轴式动力输入／输出装置，其有三个轴，分别与所述驱动轴，所述输出轴，以及所述旋转轴连接，所述三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出所述三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；以及

反向传递装置，安排在所述发动机的所述输出轴上，响应预定反向要求，用于使所述输出轴的旋转动力反向，并且使反向旋转动力传递到随后组成部分上。

9．一种用于把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备，所述动力输出设备包括：

一个发动机，其有一个输出轴；

一个第一电动机，其有一个旋转轴，并把动力输入和输出所述旋转轴；

其特征在于，还包括：

一个第二电动机，其把动力输入和输出所述驱动轴；

三轴式动力输入／输出装置，其有三个轴，分别与所述驱动轴，所述输出轴，以及所述旋转轴连接，所述三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出所述三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；

反向传递装置，安排在所述驱动轴上，响应预定反向要求，用于使所述输出轴的旋转动力反向，并且使反向旋转动力传递到随后组成部分上。

10．一种把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备的控制方法，所述方法包括步骤：

(a)提供(1)一个具有一个输出轴的发动机；(2)一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出所述旋转轴的第一电动机；(3)一个把动力输入和输出所述驱动轴的第二电动机；以及(4)三轴式动力输入／输出装置，其有三个轴，各自与所述驱动轴，所述输出轴，以及所述旋转轴连接，所述三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出所述三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；

(b)控制所述发动机和所述第一电动机，以便使动力能够通过所述三轴式动力输入／输出装置输出到所述驱动轴；以及

(c)控制所述第二电动机，以便使所述第二电动机能够输出比通过控制所述发动机和所述第一电动机而经过所述三轴式动力输入／输出装置输出到所述驱动轴的动力大小要大但是方向相反的动力。

11．一种把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备的控制方法，所述方法包括步骤：

(a)提供(1)一个具有一个输出轴的发动机；(2)一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出所述旋转轴的第一电动机；(3)一个把动力输入和输出所述驱动轴的第二电动机；(4)三轴式动力输入／输出装置，其有三个轴，各自与所述驱动轴，所述输出轴，以及所述旋转轴连接，所述三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出所述三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；以及(5)蓄电池装置，以所述第一电动机输出的电力充电，放电供给输入到所述第一电动机的电力，以所述第二电动机输出的电力充电，以及放电以供给输入到所述第二电动机的电力；

(b)把按所述发动机的所述输出轴的旋转反向作用的动力设定为输出到所示驱动轴的目标动力；

(c)检测所述蓄电池装置的充电状态；以及

(d)当所述步骤(c)中检测的所述蓄电池装置的充电状态小于预定范围时，控制所述发动机以便能够输出比所述步骤(b)设定的目标动力所对应的比能量要大的能量，并且控制所述第一电动机和所述第二电动机以便使目标动力能够输出到所述驱动轴。

12．一种把动力输出到一个驱动轴的动力输出设备的控制方法，所述方法包括步骤：

(a)提供(1)一个具有一个输出轴的发动机；(2)一个具有一个旋转轴并把动力输入和输出所述旋转轴的第一电动机；(3)一个把动力输入和输出所述驱动轴的第二电动机；(4)三轴式动力输入／输出装置，其有三个轴，各自与所述驱动轴，所述输出轴，以及所述旋转轴连接，所述三轴式动力输入／输出装置根据输入和输出所述三个轴中任意两个轴的预定动力，把动力输入和输出剩余的一个轴；以及(5)蓄电池装置，以所述第一电动机输出的电力充电，放电供给输入到所述第一电动机的电力，以所述第二电动机输出的电力充电，以及放电供给输入到所述第二电动机的电力；

(b)检测所述蓄电池装置的充电状态；以及

(c)当所述步骤(b)中检测的所述蓄电池装置的充电状态在预定范围之内时，控制所述第二电动机以便使所述第二电动机能够利用所述蓄电池装置中存储的电力，并且把按所述发动机的所述输出轴的旋转反向作用的比动力输出到所述驱动轴；以及

(d)当所述步骤(b)中检测的所述蓄电池装置的充电状态小于预定范围时，控制所述发动机，所述第一电动机，以及所述第二电动机，以便使所述发动机输出的动力能够转换为按所述发动机的所述输出轴的旋转反向作用的比动力，并且输出到所述驱动轴。

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