混合动力汽车动力传动及其控制系统

1、3,、混合动力汽车,自动变速系统,及其控制系统,混合动力汽车自动变速系统,?,与传统内燃机汽车类似，由于发动机和电,机的转速工作范围与车速范围不一致，需,要将混合动力汽车动力源的动力变速变矩,地传递至驱动车轮，同时混合动力汽车变,速传动系统还要完成发动机和电机动力的,分配和藕合。,混合动力汽车自动变速系统,?,混合动力汽车可以选用专门针对混合动力,系统设计的变速传动系统，也可是使用传,统变速系统实现所要功能。现在常见的混,合动力轿车有,:Prius ( Toyota ) ,Estima,( Toyota ) , Tino ( Nissan ) , Civic,( Honda),和,Insigh

2、t (Honda),，其选用的变速,传动系统如表,1,所示。,混合动力汽车自动变速系统,?,表,1,混合动力汽车使用的变速传动系统,混合动力汽车自动变速系统,?,除,Prius,和,Estima,外，混合动力轿车多采用,CVT,，,而,Toyota,采用的,THS ( Toyota Hybrid System ),是,一种区别于传统变速系统的行星齿轮结构，其通,过协调发动机、发电机和电动机的转速，实现动,力分配和无级变速的双重功能。,?,由于受开发周期、开发成本和技术水平的限制以,及自主知识产权方面的要求，我国混合动力汽车,开发多选择传统汽车所使用的变速系统。,混合动力汽车自动变速系统,?,按

3、照实现自动变速的原理，自动变速器可,分为三类,:,一类是液力变矩器和行星齿轮变,速箱组成的液力自动变速器,(Automatic,Transmission,简称,AT);,一类是无级变速器,(Continuously Variable Transmission,，简,称,CVT);,另一类是由传统固定轴式变速箱和,干式离合器以及相应的电液控制系统组成,的机械式自动变速器,(Automatic,Mechanical Transmission,简称,AMT),液力自动变速器（,AT),?,AT,，在汽车上应用的历史已有,60,多年，是,现在传统汽车中应用范围最广的自动变速,系统，图,1,所示为宝马,

4、7,型的,6,速自动变速器。,液力自动变速器（,AT),?,图,1,宝马,6,速自动变速器,液力自动变速器（,AT),?,液力自动变速器由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统,组成，液力变扭器是,AT,最关键的部件，由泵轮、涡轮和,导轮等构件组成，它除了起离合器的作用外，还具有在一,定范围内无级变速和变矩的能力，对负载有良好的自动调,节和适应性。因此，液力自动变速器换档平稳，操作容易，,但其缺点也较多,:,一是对速度变化反应较慢，没有手动变,速器灵敏，无法满足对驾驶感觉要求较高的人的需求,:,二,是费油不经济，传动效率低变矩范围有限，近年引入电子,控制技术一定程度上改善了这方面的问题,;,三是机

5、构复杂，,设计、制造和维护困难。,?,由于,AT,的燃油经济性较差，而且结构复杂不容易进行结,构改变，应用于混合动力汽车时不仅影响整车燃油经济性，,而且还受到其过长的开发周期和过高的开发、使用成本的,影响。,无级变速器,(CVI),?,CVT,技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车,上来用,CVT,技术的鼻祖，早在,1886,年就将,V,型橡胶带式,CVT,安装在该,公司生产的汽油机汽车上，但由于橡胶带式,CVI,存在一系列的缺陷，,没有被汽车行业普遍接受随着新技术逐步克服原有技术的缺陷，研制,出了性能更优良的,CVT,。进入,20,世纪,90,年代，汽车界对,CVT,技术的

6、研,究开发日益重视，特别是在微型车中，,CVT,被认为是关键技术。,?,CVT,的结构和工作原理如图,2,所示，主要包括主动轮组、从动轮组、,金属带和液压泵等基本部件。,CVI,结构简单、体积小，既没有手动变,速器的众多齿轮组，也没有,AT,中复杂的液力变矩器和行星齿轮组。理,论上,CVT,可使发动机始终在经济工况区运行从而较大幅度地改善车辆,燃油经济性，但由于,CVT,是摩擦传动，传动效率较低，且传动带很容,易损坏，不能承受较大的载荷，因此其只能用于在低功率和低转矩汽,车，随着技术的不断进步，现在,CVT,已经开始在中等排量的汽车中得,到应用。,无级变速器,(CVI),?,图,2,无级变速器

7、结构图,机械式自动变速器,(AMT),?,传统手动变速器是通过驾驶员控制离合器、变速箱来接合,发动机动力和改变传动系统档位，通过在手动变速器基础,上加装换档、离合器执行机构和相应的自动控制单元实现,上述的自动控制即为机械式自动变速器。,?,国外对,AMT,的研究和开发始于二十世纪七十年代中期，较,为典型的有瑞典,Scandia,的,CAG,系统、德国,Daimler Benz,的,EPS,系统、美国,Eaton,的,SAMT,系统，这些系统使换档,操纵实现了自动化，换档时仍由驾驶员踩离合器踏板来配,合换档。世界上第一台全自动的电控机械式自动变速器是,日本五十铃公司在,1984,年推出的,NAV

8、I-5,，不久德国波尔,舍的,C arrera,轿车也装用,Tip Tropic,，同时期出现的还有,:,日本,Nissan, Hino,及美国,Eaton,的全自动变速系统。,各种变速系统的比较,?,各种变速系统的比较,各种变速系统的比较,?,在混合动力汽车中，由于对燃油经济性以,及成本、开发周期等方面的要求较高，,AT,不适合于在混合动力汽车上使用。由于世,界各大汽车公司的参与，,CVT,的各项技术,不断走向成熟，国外众多汽车厂商都致力,于,CVT,的推广应用，由于其燃油经济性较,好，因此在混合动力轿车中得到了较好的,应用。但是由于,CVT,应用于较大型的车辆,时还存在一些问题，因此许多混

9、合动力汽,车中采用,AMT,作为变速机构。,传统汽车,AMT,基本控制原理,?,图,3,传统汽车,AMT,基本控制原理,AMT,应用于混合动力汽车,?,使用,AMT,作为混合动力汽车的动力藕合和,变速传动装置比较适合我国的国情。由于,混合动力汽车的动力源与传统汽车不同，,AMT,应用于混合动力汽车时，其功能和控,制也与传统汽车情况有很大的不同。,AMT,应用于混合动力汽车,?,传统汽车,AMT,的控制即为整车控制，如图,3,所示，,控制系统根据驾驶员对车辆的操纵,(,加速踏板、制,动踏板、操纵手柄等,),和车辆状态,(,车速、档位、,发动机转速等,),选择当前行车需要的最佳档位，如,果需要换档

10、或离合器操作，则借助相应的自动操,纵机构对车辆的动力和传动系统进行控制，因此，,传统汽车,AMT,控制主要指换档策略和动力、传动,系统控制两个方面的内容区别于传统汽车，由于,混合动力汽车中电驱动系统的存在，,AMT,控制在,这两个方面的问题与传统汽车有较大不同，混合,动力汽车整车控制包括能量管理策略和能量管理,策略的实现两方面的内容。,AMT,应用于混合动力汽车,?,能量管理策略,?,混合动力汽车的能量管理策略包括发动机,和电机的转矩分配策略以及变速系统的换,档策略两方面内容转矩分配策略。,AMT,应用于混合动力汽车,?,混合动力汽车能量管理策略研究多集中于转矩分配策略方,面，转矩分配策略的目

11、的是通过调整发动机和电机的转矩,提高车辆综合效率。在一般的并联式混合动力汽车中，发,动机是主驱动装置，电机是辅助驱动装置。由于发动机工,作效率较低，尤其在发动机转速和负荷率较低时，其燃油,经济性极差，为避免发动机工作在低效区，在满足驾驶员,转矩需求的基础上，转矩分配策略通过调整电机转矩使发,动机工作在高效区或关闭发动机并由电机单独驱动车辆。,在发动机工作效率较高时，可以由发动机直接驱动车辆，,此时通过调整电机电动或发电的转矩使发动机工作在高效,区，电机发电生成的电能存储在动力电池中以供电动时使,用，为保证电池充放电时的效率，转矩分配策略还要尽量,维持电池的电量平衡。,AMT,应用于混合动力汽车

12、,?,换档策略,?,在并联式混合动力汽车中，发动机和电机布置在,变速箱之前，主电机与变速箱输入轴直接连接，,发动机的动力通过离合器传递至变速传动系统。,?,变速箱档位切换改变了发动机和电机的工况进而,影响车辆燃油经济性和排放性能指标。因此，并,联式混合动力汽车的能量管理策略包括转矩分配,策略和换档策略两个方面。,AMT,应用于混合动力汽车,?,并联式混合动力汽车有两个动力源,:,汽油发,动机和永磁同步电机，使用,AMT,作为动力,藕合装置和变速传动系统，电机与变速箱,输入轴直接相连，发动机通过,AMT,系统中,的离合器与主电机,(,即变速箱输入轴,),连接，,混合动力系统的结构如图,2-1,所

13、示,AMT,应用于混合动力汽车,?,图,4,并联式混合动力汽车动力传动系统,AMT,应用于混合动力汽车,?,在使用,AMT,作为变速驱动单元的的混合动,力汽车中，,AMT,不仅需要将发动机和电机,的动力变速变矩地传递至驱动轮,(,或将车辆,的制动能量反向传递至电机进行能量回收,),，,还要完成混合动力系统的动力分配和转矩,藕合，,AMT,是实现能量管理策略的关键,AMT,应用于混合动力汽车,?,能量管理层根据驾驶员操作,(,加速踏板、制动踏板和手柄,位置,),和车辆运行状态,(,车速、电池,SOC,、变速箱档位等等,),确定变速系统档位、离合器状态、发动机转矩、电机转矩,以及液压制动转矩，目的

14、是改善车辆的动力性和燃油经济,性。在使用,AMT,的,PHEV,中，能量管理策略主要包括发动,机、电机的转矩分配策略和换档策略两个方面的内容。,?,在能量管理策略的实现层，通过对发动机、电机、离合器,和变速箱的协调控制来实现能量管理策略。换档和离合器,动作由控制系统直接控制，对发动机和电机的控制是通过,将控制指令发送至发动机控制器,EMS (Engine,Management System),和电机控制器,MCU (Motor Control,Unit),，由,EMS,和,MCU,对发动机和电机进行直接控制。,PHEV,动力传动及其控制系统,?,图,PHEV,动力传动及其控制系统,混合动力汽车

15、动力总成结构,?,按动力传动系结构不同，混合动力汽车可,分为串联、并联和混联三种构型，每种构,型又有一多种结构方案,?,下而对这三种型式的部件组成、工作原理,和各自的优缺点进行简要分析,1,串联混合动力总成构型,?,串联式,HEV,动力传动系的结构组成如下图,所示。由发动机、发电机、电机、变速箱,等构成。,1,串联混合动力总成构型,?,该结构方式的优点：,?,(1),结构布置灵活,?,由于发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，这样便于进行,整车布置。,?,(2),发动机工作效率高,?,可对发动机进行独立控制，使发动机可稳定于高效区或低,排放区附一近工作。同时，该结构尤其适合于那类与驱动,轮难于进行

16、机械连接的高效发动机，如燃气轮机、斯特林,发动机等。,?,(3),整车的控制简单,?,由于发动机独立于行使工况，小存在发动机与电机之间的,功率分配，因此整车的控制简单。,1,串联混合动力总成构型,?,该结构方式的缺点为,:,?,(1),系统综合效率低,?,由于发动机输出的机械能由发电机转化为电能，,再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，,途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损,失，因此，系统综合效率降低。,?,(2),成本高,?,对于混合动力客车，由于需要的电机功率很高，,这样所需要的电池数量增加，带来重量和成本增,高。对于轿车而言，它的三个动力总成,(,发动机、,发电机、电动机,),

17、也会给系统总布置带来困难。,2,双轴并联混合动力总成构型,?,双轴并联式混合动力总成的结构根据动力,合成装置在变速箱的前与后可分为前置式,(,动力合成装置在变速箱前,),双轴并联结构和,后置式,(,动力合成装置在变速箱后,),双轴了并,联结构分别如下图和图所示,前置式双轴并联式,HEV,动力传动系结,构,?,图,前置式双轴并联式,HEV,动力传动系结构简图,后置式双轴并联式,HEV,动力传动系结构,?,图,后置式双轴并联式,HEV,动力传动系结构简图,双轴并联混合动力总成,?,双轴并联式,HEV,动力传动系，发动机与电动机可,以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联,式,HEV,动力传动系中

18、的专用发电机，因此更象传,统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点,:,?,(1),由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，,中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统,效率较高，燃油消耗也较少,;,?,(2),电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发,动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大,大减小。,双轴并联混合动力总成,?,缺点,:,?,(1),由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，,发动机运行工况实时地受到汽车行驶工况的影响，,因此对整车排放工作点的优化小如串联形式好。,?,(2),这种结构，要维持发动机在最佳工作区工作，,需要复杂的控制系统和控制策略。对于双轴并联,式混合动

19、力汽车,(PHEV,，动力传动系的主要元件,之一为动力合成装置。动力合成的实现方法可归,类为,:,转速合成式、牵引力合成式和扭矩合成式三,大类。,转速合成式,PHEV,动力传动系,?,转速合成式,PHEV,动力传动系,?,常用的转速合成装置有行星齿轮系和电动转速计，,它们构成的动力传动系结构分别如图,2-5 ,图,2-6,所,示。,?,转速合成式,PHEV,动力传动系中，两个动力总成,之间的转速分配较为灵活，适用于那些对转速变,化敏感而对扭矩变化小太敏感的动力总成间的输,出功率叠加。但由于两动力总成的输出扭矩存在,着一定的比例关系,(,如式,2-1),，要求发动机的工作,特性调节必须与电动机的输出特性相配合，增加,了控制系统的难度。另外，转速合成式装置固有,的输出特性也限制了电动机低速大转矩特性的利,用，而低速大转矩却对车辆的起动十分有利。,牵引力合成式,PHEV,动力传动系,?,图,2-