（动力机械及工程专业论文）混合动力重型车动力传动系统优化匹配与仿真分析.pdf

j11 j 1 。l o p t i m i z a t i o nm a t c h i n g h e a v y b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n g j i n g f e b r u a r y ，2 0 1 1 。l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：焚叫刘 日期：2 j f 年弓月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 羹：耘鬻 导师签名：聿易蒜， 日期：2 口jj 年弓月午日 日期：汐年事月乒日 l 混合功力重型乍动力传动系统优化旺配与仿真分析 摘要 混合动力汽车兼具了传统内燃机车和纯电动车的优点，以其低能耗和续驶里 程长而成为越来越实用的先进动力汽车。混合动力汽车的研究开发是现行条件下 实现节能型汽车产业化最为有效和可行的途径。国内目前已有不少汽车厂商和科 研院校在致力于混合动力技术的研究，但对混合动力重型车的研发仍处于起步阶 段。可以预测混合动力重型车的开发将是未来混合动力技术发展的方向，也符合 国家对新能源汽车扶持的政策。重型车因其工作环境恶劣，负荷重而对整车性能 的要求高，尤其本文所研究的混合动力重型车承担了城市环卫职能，其运行特点 是启停频繁、载荷大、运行区间小，要求生产效率高、废气排放低，这就对动力 传动系统的设计提出了挑战。 本文首先利用厂家提供的原型车技术资料，通过m a t l a b 编程对原车进行了动 力性和经济性的仿真计算，得到了原车的各种性能曲线和关键参数，与试验值进 行对比，从而验证了用相关模型进行仿真计算的可行性。 在大量研究了与混合动力传动系统设计相关的各种文献资料的基础上，通过 对转矩耦合式、转速耦合式和转矩转速耦合集成式的动力传动系统耦合模式的总 结对比，结合厂家提供的原型车技术资料，最终选用了转矩耦合式和转矩转速耦 合集成式两种方案，并进行了具体传动结构的设计。根据发动机满足基本载荷需 求，电机满足峰值载荷需求的选型原则对两种方案的动力源和传动系统进行了选 型，并通过仿真计算对选型结果加以验证，使其动力性能基本达到原车水平，同 时为后面进行经济性的计算对比奠定了基础。 介绍了两种典型控制策略，将其综合起来，形成了转矩耦合式方案的控制策 略，并通过对集成式方案工作模式的分析，制定出了此种方案的控制策略，为基于 道路循环的经济性计算提供了依据。 最后用m a t l a b 进行混合动力汽车的性能计算分析，得到两种方案的能耗情 况，通过对比分析，验证了混合动力汽车的节能水平，并指出造成两种方案节能 率有高低的原因是动力传动系统结构的不同和混合度的差异。 关键词：混合动力；重型车；动力传动系统；匹配；仿真 l l a b s t r a c t h y ，b r i de l e c t r i cv e h i c l ec o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a l v e h i c l e sa n d p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l ei sb e c o m i n gm o r ep r a c t i c a la n d a d v a n c e dv e h i c l e ，f o ri t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o n gd r i v i n gr a n g e t h e r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fh y b r i de l e c t r i c v e h i c l ei st h em o s te f f e c t i v ea n df e a s i b l ew a yt o a c h i e v et h ei n d u s t r i a l i z a t i o n o f e n e r g y e f f i c i e n t a u t o m o b i l e sa tp r e s e n t m a n y d o m e s t i ca u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v eb e e nd e d i c a t i n gt o t h er e s e a r c ho fh y b r i de l e c t r i ct e c h n o l o g y , h o w e v e rt h ed e v e l o p m e n to fh e a v y d u t y h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e sa r es t i l li nt h ei n f a n ts t a g e i tc a nb ep r e d i c t e dt h a tt h e d e v e l o p m e n to fh e a v y d u t yh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e sw i l lb et h ed i r e c t i o no fh y b r i d t e c h n o l o g y , w h i c hi s a l s oi nl i n ew i t ht h es t a t ep o l i c ya b o u tn e we n e r g yv e h i c l e s h e a v y - d u t y v e h i c l e sd e m a n dh i g hp e r f o r m a n c e ，b e c a u s e o ft h e i rp o o rw o r k i n g c o n d i t i o n sa n dh e a v yl o a d i np a r t i c u l a r , t h eh e a v y - d u t yh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e r e s e a r c h e di n t h i s p a p e r a s s u m e st h eu r b a ns a n i t a t i o nf u n c t i o n s i th a s t h e c h a r a c t e r i s t i co ff r e q u e n ts t a r ta n ds t o p ，h e a v yl o a d ，s m a l lr u n n i n gr a n g ea n dt h e d e m a n d so fh i g he f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o n s ，w h i c hi sac h a l l e n g ef o rl h ed e s i g no f t h ed r i v e l i n e b a s e do nt h et e c h n i c a li n f o r m a t i o no ft h ep r o t o t y p ev e h i c l ep r o v i d e db y t h e m a n u f a c t u r e r s ，t h ed y n a m i ca n df u e le c o n o m yo ft h ep r o t o t y p e v e h i c l ew a sc a l c u l a t e d b ym a t l a bp r o g r a m v a r i o u sp e r f o r m a n c e c u r v e sa n dc r i t i c a lp a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h et e s tv a l u e ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o nw i t ht h e c o r r e l a t i o nm o d e lw a sp r o v e d v a r i o u sl i t e r a t u r er e l a t e dt ot h ed e s i g no fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ed r i v e l i n ew e r e s t u d i e d t r o u g ht h ec o n t r a s ta n da n a l y s i sa b o u td r i v e l i n ec o u p l i n gm e a n s ，i n c l u d i n g t o r q u ec o u p l i n g ，s p e e dc o u p l i n ga n dt o r q u e s p e e dc o u p l i n gi n t e g r a t i o n ，t h em e a n so f t o r q u ec o u p l i n ga n dt o r q u e s p e e dc o u p l i n gi n t e g r a t i o nw e r es e l e c t e d ，a n dt h es p e c i f i c d r i v e l i n es t r u c t u r ew a sd e s i g n e d t h e na c c o r d i n gt ot h es e l e c t i o np r i n c i p l et h a te n g i n e m e e t sb a s i cl o a dd e m a n da n dt h em o t o rm e e t sp e a kl o a dd e m a n d ，t h ep o w e ra n d t r a n s ；m i s s i o nu n i t so ft h et w op r o g r a m sw e r es e l e c t e d a n dt h r o u g hs i m u l a t i o na n d v e r i f i c a t i o n ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea c h i e v e dt h el e v e lo fp r o t o t y p ev e h i c l e ，w h i c h i st h ef o u n d a t i o no fr e a rc a l c u l a t i o nf o rt h ef u e le c o n o m y t w ot y p i c a lc o n t r o ls t r a t e g i e sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e yw e r ei n t e g r a t e dt of o r m i i i l 混合动力重型车动力传动系统优化匹配j 仿真分析 t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft o r q u ec o u p l i n gp r o g r a m t h r o u g ht h e a n a l y s i so fw o r k p a t t e r n sf o rt h ei n t e g r a t i o np r o g r a m ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hw e r e t h eb a s i so ff u e le c o n o m yc a l c u l a t i o nt h a tb a s e do nt h ed r i v ec y c l e f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ew a sc a l c u l a t e d ，a n de n e r g y c o n s u m p t i o nl e v e lo ft w op r o g r a m sw e r eo b t a i n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，t h ee n e r g y c o n s u m p t i o nl e v e l o fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ew a sp r o v e d a n dt h ed i f f e r e n c e so f d r i v e l i n es t r u c t u r ea n dh y b r i d i z a t i o n d e g r e e w e r ec o n s i d e r e da st h ec a u s eo f d i s s i m i l a r i t yf o rt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o nl e v e lo ft h et w op r o g r a m s k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；h e a v y d u t yv e h i c l e ；d r i v e l i n e ；m a t c h i n g ； s i m u l a t i o n l 硕l ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书：i 摘要i i a b s t r a c t 1 l i 插图索引v i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 本课题研究的目的与意义1 1 2 国内外混合动力重型车的发展现状与应用前景2 1 3 混合动力汽车动力传动系统耦合方式3 1 3 1 电耦合方式3 1 3 2 机械耦合方式4 1 4 本课题主要研究内容8 第2 章原车性能计算及与试验值的对比分析1 0 2 1 原车技术参数1 0 2 2 整车性能仿真计算1 1 2 2 1 动力性数学模型1 1 2 2 2 燃油经济性数学模型1 4 2 2 3 基于m a t l a b 的性能仿真计算1 5 2 3 仿真计算结果与试验值的比较1 8 2 3 1 动力性仿真计算结果1 8 2 3 2 经济性仿真计算结果2 0 2 3 3 仿真结果与试验值对比一2 1 2 4 小结2 2 第3 章动力传动系统方案设计与匹配计算2 3 3 1 转矩耦合式动力传动系统方案设计一2 3 3 1 1 方案结构设计2 3 3 1 2 匹配选型计算。2 4 3 2 转矩转速耦合集成式的动力传动系统方案设计2 9 3 2 1 行星齿轮机构工作原理。3 0 3 2 2 方案结构设计3 1 3 2 - 3 匹配选型计算3 3 v 混合动力重犁车动力传动系统优化匹配0 仿真分析 3 3d 、结：3 4 第4 章混合动力汽车控制策略制定3 5 4 1 基本控制策略3 5 4 1 1 峰值电源最大荷电状态控制策略3 5 4 1 2 发动机开关( 恒温) 控制策略3 8 4 2 转矩耦合式动力传动系统控制策略3 9 4 3 转矩转速耦合集成式动力传动系统控制策略4 1 4 3 1 动力传动系统工作模式。4 1 4 3 2 控制策略分析4 6 4 4 小结5 1 第5 章气电混合动力重型车性能仿真计算与分析5 2 5 1 基于m a t l a b 的性能仿真计算5 2 5 1 1 转矩耦合式方案仿真结果一5 2 5 1 2 转矩转速耦合集成式方案仿真结果5 4 5 2 整车性能的对比分析5 6 5 2 1 动力性比较5 6 5 2 2 经济性分析5 7 5 2 3 整车性能仿真结果分析5 7 5 3 小结5 8 结论与展望5 9 参考文献6 1 致 谢6 5 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 6 v i 【 硕1 ：学位论文 插图索引 。图1 1 电耦合方式动力传动系统4 图1 2 两轴式结构5 图1 3 单轴转矩耦合式的动力传动系统6 图1 4 由行星齿轮机构转速耦合器件组成的动力传动系统7 图1 5 由传动电动机转速耦合器件组成的动力传动系统7 图1 6 转速转矩耦合集成的动力传动系统8 图1 7 应用传动电动机的转速转矩耦合集成的动力传动系统8 图2 1 原车发动机万有特性1 1 图2 2 经济性模拟仿真程序流程图1 5 图2 3 中重型商用车c w t v c 循环曲线1 6 图2 4 原车发动机外特性曲线1 8 图2 5 驱动力行驶阻力平衡图1 8 图2 6 爬坡度图1 9 图2 7 加速度曲线图1 9 图2 80 最高车速加速时间曲线1 9 图2 9c w t v c 道路循环曲线2 0 图2 1 0 发动机瞬时转速曲线2 0 图2 1 1c w t v c 循环中的发动机运行点2 1 图2 1 2 燃气消耗量曲线2 1 图3 1 转矩耦合式混合动力传动系统结构图2 4 图3 2 该重型车载荷功率与车速的关系曲线2 5 图3 3 发动机万有特性图2 5 图3 4c w t v c 道路循环中的瞬时载荷功率和平均载荷功率2 6 图3 5 应用于转速耦合装置的行星齿轮机构3 0 图3 6 对应于各种连接方式的转矩转速耦合集成的动力传动系统结构图3 1 图3 7 转速转矩耦合集成式的动力传动系统结构图3 2 图4 1 峰值电源最大荷电状态的控制策略3 6 图4 2 峰值电源最大荷电状态控制策略的流程3 8 图4 3 发动机开关( 恒温) 控制策略示意图3 9 图4 4 受约束的发动机开关控制策略的图解一4 0 图4 5 由单发动机牵引模式形成的牵引能量流通路一4 2 l 混合动力蘑型乍动力传动系统优化匹配与仿真分析 图4 6 电动机发电机牵引模式中的能量流通路4 2 图4 7 转速耦合模式中的能量流通路4 3 图4 8 并联牵引模式中的能量流通路4 4 图4 9 并联的峰值电源充电模式中的能量流通路4 4 图4 1 0 在单电动机发电机牵引模式中的能量流通路4 4 图4 1 1 在电动机发电机牵引和峰值电源充电模式中的能量流通路。4 5 图4 1 2 能量流通路( 一) 4 5 图4 1 3 能量流通路( 二) 4 6 图4 1 4 再生制动中的能量流通路4 6 图4 1 5 峰值电源最大荷电状态控制策略图解说明4 7 图5 1 驱动力行驶阻力平衡图5 2 图5 2 爬坡度图5 2 图5 3 加速度曲线图5 3 图5 40 一最高车速加速时间曲线5 3 图5 5c w t v c 道路循环的仿真结果5 4 图5 6 驱动力一行驶阻力平衡图5 5 图5 7 爬坡度图5 5 图5 8 加速度曲线图5 5 图5 90 最高车速加速时间曲线5 5 图5 1 0c w t v c 道路循环的仿真结果5 6 v i i i 硕一l j 学位论文 附表索引 表2 1 原车技术参数1 0 表2 2 变速器各档变速比1 1 表2 3 特征里程分配比例1 6 表2 4 中重型商用车c w t v c 循环数据统计特征1 7 表2 5 转矩富裕率估测值1 7 表2 6 道路循环各工况中的燃料消耗2 1 表2 7 仿真结果与试验值对比2 2 表3 1 当一个部件被固定时转速和转矩之间的关系3 1 表4 1 对应于不同指令的牵引转矩和不同峰值电源荷电状态的发动机转矩控制策 略4 ( ) 表5 1 动力性能仿真结果比较5 7 表5 2 经济性仿真结果对比5 7 i x 硕f j 学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的与意义 内燃机车辆，尤其是汽车的发展是现代工业技术最重大的成就之一。然而， 全世界大量汽车的应用，已经产生并正在继续引发严重的环境与人类生存问题。 大气污染、全球变暖以及地球石油资源的迅速递减，成为当前人们首要关注的问 题。根据预测，若石油的新发现及其消耗量遵循当前的趋势，则全世界石油资源 约可应用至2 0 3 8 年。基于以上现状，可以认为改进车辆的燃油经济性对环境恶化 和石油供应不足将产生很大的遏制作用。 传统内燃机车辆提供了良好的运行性能，并利用石油燃料高能量密度的优点 可实现远距离的行驶。然而，传统内燃机车辆含有不良的燃油经济性和污染环境 的缺点。形成其不良的燃油经济性的主要原因在于：发动机燃油效率特性与实 际的运行要求不相匹配；制动期间车辆动能的消耗，当车辆在市区中运行时尤 其明显；在采用停车一起动运行模式的现代汽车中，其液压传动装置的低效率等。 另一方面，配置蓄电池的电动汽车具有一些优于传统内燃机车辆的优点，例如高 能量效率和零环境污染。但是，相比于汽油的能量密度，蓄电池组较低的能量密 度使电动汽车性能远不能与内燃机车辆性能相竞争，尤其明显地体现在蓄电池每 次充电所对应的行驶里程性能上1 1 艺j 。 混合动力汽车是传统内燃机汽车与纯电动汽车相结合的一种新型汽车，其混 合动力系统由内燃机、电机和能量储存装置组成。混合动力汽车的节能主要得益 于再生制动、怠速停机、低速时的电动机驱动、发动机排量减少和工作点的优化 等。这些功能使得混合动力汽车相对传统内燃机汽车来说燃油经济性提高，废气 排放大幅减少。混合动力汽车的加速性能和连续高功率输出能力与传统内燃机汽 车相当。混合动力电动汽车与纯电动汽车相比，其主要优势是：电池容量大为减 少，降低了整车重量；采用辅助动力驱动，打破了续驶里程的限制；采用了高度 实时和动态的优化控制策略，使动力系统各部件尽量工作在最佳状态和最高效率 区域，限制了内燃机在恶劣工况下的高燃油消耗和大量的尾气排放；空调系统等 附件可由内燃机直接驱动，保证了汽车的乘坐舒适性；辅助动力可以向储能装置 提供能量，从而保证混合动力汽车无需停车充电；混合动力汽车的电池组在使用 过程中是浅充浅放，可以延长电池的使用寿命【3 4 j 。 近年来混合动力汽车技术研究、开发及应用情况表明，混合动力系统研究是 个很有潜力的课题。国家科技部从十五计划开始就已把混合动力汽车研发 混合动力币：掣下动j 传动系统优化u i 配，j 仿真分析 列为国家8 6 3 重大攻关项目。混合动力汽车已开始步入产业化阶段，是解决环保 与能源问题较为切实可行的方案。未来1 0 年，混合动力汽车将会迅速发展，逐渐成 为汽车行业的主导产品之一。据( ( a u t om f g & p r o d u c t i o n ) ) 报道，世界汽车市场上， 混合动力汽车2 0 1 5 年将占1 5 的份额，2 0 2 0 年将占2 5 。 1 2 国内外混合动力重型车的发展现状与应用前景 国外汽车发达国家相继出台了一系列扶持混合动力汽车开发的政策和措施， 在混合动力重型车方面做了大量的研究和开发。如：日产电容器混合动力卡车由 日产柴油机汽车公司于2 0 0 2 年推出，安装有柴油机、电动机，以及日产最新开发 的“超级电力电容器 。基于日产柴油机汽车公司4 吨级的c o n d o r 卡车设计而成， 汽车启动时使用电动机，在汽车时速稳定时使用柴油机。可减少燃料开支5 0 ， 减少二氧化碳排放量3 3 ，减少氮氧化物排放量5 0 。 美国福特公司开发的混合动力卡车，曾被评为“2 0 0 5 北美年度卡车 ，是在 北美生产的第一部混合动力卡车。该混合动力汽车高燃油经济性与低排放的优点， 与原车型e s c a p e 的灵活机敏、坚固和宽敞空间相融合。可以根据行驶条件以汽油 发动机或以电动机驱动行驶。低速时只要电池中有足够的电，完全可以用电动方 式行驶，不需要接合内燃机。混合动力系统采用了再生制动技术，可以回收制动 能量，存在蓄电池中以备后用1 5 j 。 2 0 0 6 年3 月，c n g 电混合动力卡车在美国弗雷斯诺市投入运行，美国加利 弗尼亚州弗雷斯诺市将在市政垃圾运输车队中首次应用c n g 电混合动力卡车。 该市已经向纽约州的o d y n e 公司下达了定单，请该公司在一辆垃圾车上安装一套 可插入电源的混合动力电驱动系统。这辆卡车被投入到该市的垃圾运输车队中进 行示范运行。这个项目是由弗雷斯诺市政府和联邦缓解拥堵和改善空气质量计划 ( c m a q ) 共同资助的。 雷诺m i d l u m 2 7 0 混合动力卡车，由柴油机和电动机两种动力串联的形式驱动， 在城市内行驶时，可以单纯靠电力驱动，从而实现“零排放 ，减轻城市的环境 压力。同时，该车也可以柴油机为动力进行长途行驶。 2 0 0 8 年1 2 月，德国曼恩公司展出了他们第一辆混合动力卡车，戴姆勒也展 出了1 1 辆清洁能源卡车，其中3 辆奔驰卡车属世界首发，沃尔沃则展出世界首辆 重型混合动力垃圾卡车v o l v o f e h y b r i d 。 从世界范围看，我国电动汽车的研究开发与国外发达国家相比差距不是很大， “九五 期间我国科技部将电动汽车项目列入国家重大科技产业工程项目，投入 近亿元。在政府的节能减排和新能源汽车政策支持鼓励下，国内的商用车制造企 业也将更多的精力投入到了新能源汽车的研发和生产上。新能源汽车是汽车行业 未来发展的必然趋势，也是企业未来的业务突破口和利润增长点。如：陕汽集团、 硕十学位论文 重汽集团、东风公司、华菱汽车等国内重卡生产企业在天然气卡车技术上都已比 较成熟。但是随着技术的不断升级，整车质量更高、加气站的建设费用更低，同 时安全性等方面表现更为优秀的l n g 重卡大有取而代之之势。在此基础上发展 气电混合动力汽车，在新能源汽车e 巳将独具优势。因此除天然气载重车外，在国 外开始流行的混合动力卡车也已成为国内企业在新能源车上的着力点。与天然气 卡车必须具备加气条件、满足续航里程的要求比，混合动力技术对外部设施的要 求相对较低，因此很多车企都很看好这种路线。重卡一般马力较大，对发动机的 功率提出了更高的要求，东风推出的一款混合动力中卡已经达到了一定技术水准。 这款混合动力中卡从整车电子控制系统技术、e c u 单元到自动变速器、发电机、 柴油机等各大关键总成都由东风商用车自主研发。汽车制造商都对混合动力卡车 的未来前景相当看好。考虑到特定车辆的运行工况，混合动力卡车在频繁制动和 加速的情况下最节省燃料。因此，对于垃圾收集和城市配送来说，是一种极为理 想的新能源车型1 6 。8 j 。 1 3 混合动力汽车动力传动系统耦合方式 能量的表现形式多样，在混合动力电动汽车动力传递过程中，不但可以从机 械功率的角度去实现动力合成，也可以从电功率的角度去实现动力的合成。由于 实现机械功率的合成的元件之间存在机械连接，而电功率的合成之间却不存在机 械连接，容易摆脱整车空间限制，利于整车总体布置。 在机械功率耦合方式中有转矩耦合和转速耦合两种方式，这两种方式的特点 是动力源之间必须是机械连接，因此称为“机械耦合 ；而在混合动力汽车中无机 械连接的功率合成，也就是“电耦合 。 1 3 1 电耦合方式 在混合动力汽车中，电耦合方式就是指电功率的叠加，它指的是：两股或两 股以上的电功率流通过控制系统使之叠加在一起，形成一股新的电功率流，最后 通过电机体现合成功率的输出。这种动力合成方式存在于串联或混联式混合动力 电动汽车中，如图1 1 所示。这类混合动力电动汽车至少有两个电机，一个为发 电机，另一个为驱动电机；而两股电功率流，一股来自蓄电池组，另一股来自发 动机和发电机。 一 厂 图1 1 电耦合方式动力传动系统 电耦合方式有以下三方面的优点： ( 1 ) 发动机与驱动轮之间没有机械上的连接，因此发动机能运行在其转速 转矩( 功率) 特性图上的任何运行工作点。这一优点借助于完善的功率流控制， 即可为发动机始终运行在其最大效率区创造条件。在该狭小区域内，通过优化设 计和控制，发动机的效率和排放可进一步得到改善。 ( 2 ) 因电动机具有用于牵引的近乎理想的转矩速度特性，其驱动系不需要 多档的传动装置。因此，驱动系结构大为简化，且成本下降。此外，可采用两个 电动机分别带动一个车轮的结构，而可取消机械差速器，这样每个车轮的转速和 转矩能独立控制。因而，可大大提高车辆的驾驶性能，这对通常行驶在不利地形 上的越野车辆尤为重要。 ( 3 ) 由于发动机与车轮之间在机械上完全解耦，相比于其他结构，电耦合方 式的动力传动系统的控制策略可得以简化。 然而，电耦合方式有以下缺点： ( 1 ) 源于发动机的能量被两次转换( 在发电机中，由机械能转变为电能；在 牵引电动机中，由电能转变为机械能) 传递到终端一一驱动轮。发电机和牵引电 动机两者的低效率导致显著的损耗。 ( 2 ) 发电机附加了额外的重量和成本。 ( 3 ) 因为牵引电动机是唯一的驱动车辆的动力装置，故其必须按最佳的加速 和爬坡运行性能需求，为保证足够动力予以定制。 1 3 2 机械耦合方式 动力传动系统的机械耦合方式，其主要优点如下：发动机和电动机都直接 向驱动轮提供转矩，不存在能量形式的转换，因而能量损失较少；由于不需要 附加的发电机，以及牵引电动机相比于电耦合方式中的牵引电机要小，因此其结 构紧凑。机械耦合方式的主要缺点是，发动机和驱动轮之间存在着机械联轴器， 由此发动机的运行点就不可能固定在一个狭小的转速和转矩区域内。其他的缺点 是结构和控制复杂。 硕十学位论义 通常，机械耦合包括转矩耦合和转速耦合。 1 3 2 1 转矩耦合方式 在转矩耦合中，机械联轴器将发动机和电动机的转矩相加在一起，并将总转 矩传递给驱动轮。发动机和电动机的转矩可分别独立控制。但是，由于功率守恒 的约束条件，发动机! 电动机的转速以及车速是以一确定的关系相互耦合在一起 的，不可能独立控制。转矩耦合的动力传动系统可有多种不同的结构，可分类为 两轴和单轴式设计。 如图1 2 所示，即为两轴式的转矩耦合方式。在图a 中，应用了两个传动装 置：其一位于发动机和转矩耦合装置之间；另一位于电动机和转矩耦合装置之间。 两个传动装置可以是单档或多档的传动装置。在图b 中，传动装置位于转速耦合 装置和驱动轴之间，可归类为前传动装置。该传动装置以相同比例提高发动机和 电动机两者的转矩。在转矩耦合装置中，传动比的设计将使电动机和发动机能同 时达到其最高转速。这一设计适用于相对采用小型发动机和电动机的情况，同时 需应用一个多档传动装置以增大低速时的牵引力。 ( a ) 两传动装置 ( b ) 单传动装置 图1 2 两轴式结构 图1 3 较为简单且紧凑，是单轴式的转矩耦合方式，其中电动机转子起着转 矩耦合装置的作用。电动机可安置在发动机和传动装置之间，被归类为前传动装 置，如图a 所示，也可安置在传动装置和末级驱动之间，被归类为后传动装置， 如图b 所示。 ( a ) 前传动装置 ( b ) 后传动装置 图1 3 单轴转矩耦合式的动力传动系统 在前传动装置结构中，发动机转矩和电动机转矩两者均由传动装置调节，此 时，发动机和电动机必须有相同的转速范围。这一结构常用于小型电动机的情况， 被归类为轻度混合动力电驱动系，其中电动机起着发动机的起动机、发电机、发 动机的动力辅助机和再生制动的作用。 在后传动装置结构中，当电动机转矩直接传递给末级驱动时，传动装置仅能 调节发动机转矩。这一结构可用于有大范围恒功率的大型电动机的电驱动系。传 动装置仅用于改变发动机的运行工作点，以改进车辆性能和发动机的运行效率。 应该注意，当车辆停止并且电动机刚性地连接到驱动轮时，蓄电池组不可能由发 动机通过带动电动机做为发电机而充电。 1 3 2 2 转速耦合方式 在转速耦合方式中，发动机和电动机的转速可相加在一起，且所有的转矩被 耦合在一起，并不能独立控制。转速耦合方式的主要优点在于两个动力装置的转 速从车速处是解耦的，因而该两动力装置的转速均能自由地进行选择。较为典型 的转速耦合器件有行星齿轮机构和带有浮定子的电动机( 传动电动机) 。 图1 4 所示为由行星齿轮机构转速耦合器件组成的混合动力电驱动系。发动 机通过离合器和传动装置向中心齿轮供给动力，传动装置用以调整发动机的转速 转矩特性，以便匹配牵引的要求。基于发动机的转速转矩特性图，传动装置可以 是多档的或单档的。电动机通过一对齿轮向齿圈供给动力，锁定器1 和锁定器2 用来将中心齿轮和齿圈锁定在静止的车梁上，以便满足不同运行模式的需要。 硕l j 学位论文 图1 4 由行星齿轮机构转速耦合器件组成的动力传动系统 图1 5 所示为配置传动电动机的混合动力电驱动系，它具有类似于图1 4 的 结构。锁定器1 和锁定器2 分别用于将外转子锁定在车梁和内转子上。 图1 5 由传动电动机转速耦合器件组成的动力传动系统 1 3 2 3 转矩转速耦合集成的模式 根据不同的驱动情况，动力传动系统能随意地选择最佳的耦合模式，以实现 最优的车辆性能和效率。然而，在同一时刻，不可能两种耦合模式都涉及，因为 有效的只有两个动力装置。但若借助于增加另一动力装置，可在同一时刻实现兼 有转速和转矩耦合模式的混合动力驱动系统。 图1 6 所示为丰田汽车公司在其p r i u s 混合动力电动轿车中开发应用的驱动系 统。其中行星齿轮机构用作转速耦合装置；固定轴齿轮组件用作转矩耦合装置。 发动机被连接到行星架，而一个小型电动机发电机( 几千瓦) 则连接到行星齿轮 机构的太阳轮，组成转速耦合整体结构。齿圈通过固定轴的齿轮组件( 转矩耦合 图1 7 应用传动电动机的转速转矩耦合集成的动力传动系统 1 4 本课题主要研究内容 本课题是基于与陕西重型汽车有限公司合作研发的一款具有完全自主知识产 硕十学位论文 权的气电混合动力重型环卫车的项目发展而来。该车辆主要运行于城市路况，担 负城市垃圾清理运输工作。其运行特点是启停频繁、载荷大、运行区间小，要求 工作效率高、废气排放低。本项目采用气电混合动力的技术方案，一方面是由于 天然气发动机的燃油经济性和排放性好，可有效降低在城区的排气污染；另一方 面，结合混合动力技术特点，可使发动机经常运行在经济与低排放工况，同时在 汽车滑行与制动时进行能量回收，有效弥补了纯天然气动力车辆的动力不足及续 驶里程短的缺点，更大程度地