基于混合动力汽车动力系统的概述_图文

1、基于混合动力汽车动力系统概述龙成冰(武汉理工大学汽车工程学院;汽研 1203班; 1049721202215摘 要:本文主要介绍了国内外混合动力汽车传动系统的研究现状,并对现今主要应用于混合动力汽车的五种自动变速器 的结构和原理进行了简要介绍 ; 在此基础上对这五种自动变速器进行比较,并预测未来应用于混合动力汽车动力系统自动变 速器的主要方向。关键词:混合动力汽车;动力系统;自动变速器前 言:现今,在新能源汽车发展方向上,美国倾向于代用燃料汽车的研发,欧洲和日本都倾向于纯电动汽 车和混合动力汽车,而氢燃料电池电动汽车被誉为未来最理想的清洁燃料汽车,但由于其在技术上短时 间内难以有突破,将长期作

2、为一种未来理想方向被人们研究。美国是一个农业大国,同时又拥有最先进 的生物基因技术、化工技术和先进的制造技术,故选择了生物质代用燃料汽车方向,这样在过渡时对现 有传统车辆结构的改动较小 , 同时,电驱动技术也有所发展。欧洲国家利用其传统的汽车技术,已经基本 对现有车辆实现了柴油机化,车辆中使用柴油机的数量已经超过了 60%,但这只是在一定程度上减少了 环境污染,并没有解决能源危机。在电动汽车领域,欧洲在近些年也有了很大的发展,如英国发明了无 线充电技术、荷兰代尔夫特工业大学的 Mart J.Hoeij makers教授提出了基于感应电机为原型的双转子机电 能量转换器 EVT (Electric

3、al Variable Transmission等 1。日本,由于其能源紧缺,同时电力电子技术先 进,选择了电动汽车方向,其电机制造技术处于世界先进水平。中国政府网发布节能与新能源汽车产业发展规划 (2012 2020年 指出,到 2015年,纯电动汽车 和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到 5O 万辆;到 2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产 能力达 200万辆、累计产销量超过 500万辆,燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。这说明我 国在新能源汽车的主要方向是插电式混合动力汽车和纯电动汽车 2。由于我国在传统汽车上的缺陷,导致 我国在混合动力汽车上与国外的差距较大,主要

4、表现在动力传动系统和控制系统上。对于混合动力汽车 和纯电动汽车,其中都涉及到电驱动系统。对于混合动力汽车的动力系统而言,现在最主要的问题就是 存在两套系统,体积庞大,在加上动力电池,使得车辆在布置时较传统车而言可乘用空间较少了。混合 动力汽车的动力系统的集成化研究是目前和未来国内外研究的重点。混合动力汽车的核心是混合动力系 统,它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。如何有效的解决混合动力汽车动力系统的集成控制, 实现整车高度集成和配置简单化、通用化是目前研究的关键。其中变速器与电机一体化研究仍是现在和 将来国内外混合动力汽车系统集成的重点,混合动力汽车中的动力耦合也将通过此集成装置实现。对于

5、 纯电动汽车,虽然不存在动力耦合问题,但存在变速、调速问题,对电机和变速器的集成问题和控制问 题依旧存在。1. 国内外混合动力汽车传动系统的研究现状混合动力汽车是指至少能够从可消耗的燃料和可再充电或能量储存装置两类车载储存的能量中获得 动力的汽车,根据混合动力系统结构的不同可将其分为串联式、并联式、混联式和复合式混合动力汽车 3。 车辆动力传动系统是指由动力源输出的功率传递到驱动车轮的各种装置所构成的系统,其功能主要包括 起步、变速、主减速、差速、驱动力分配以及驱动力方向转换等。在混合动力汽车传动系统中,除了将 其集成小型化以外,最核心的问题是动力耦合和换挡控制。有混合动力汽车的动力耦合主要有

6、电耦合、机械耦合、机电耦合三种 4。电耦合是指将发动机输出的 机械能通过发电机转化为电能,在通过电耦合装置将其与动力电池的电能耦合,同时由于驱动车辆,主 要用于串联式混合动力汽车。机械耦合是指通过机械耦合装置将发动机输出机械能和电动机输出的机械 能进行耦合,再将其用于驱动车辆。机械耦合分为转矩耦合和转矩耦合两种,在转矩耦合装置中,两个动力系的转矩可以线性叠加,但转矩耦合装置的输入转速不可线性叠加,主要实现方式是传统的机械式 变速器、带轮或链式组合件、传动轴,根据轴数可以分为两轴式或单轴式;在转述耦合装置中,两个动 力系的转速可以线性叠加,但转速耦合装置的输出转矩不可以线性叠加,主要实现方式是行

7、星齿轮机构 和传动电机,转速耦合一般用于对效率对转速敏感,而对转矩不太敏感的动力装置(如斯特林发动机、 燃气轮机 ;机械耦合一般用于并联式混合动力汽车。机电耦合是指同时包涵机械耦合和电耦合两种,一 般用于混联式和复合式混合动力汽车。先将四种不同结构形式的混合动力汽车的传动系统和动力耦合方 式分别示于图 1中 4。 图 1 混合动力汽车的分类a 串联式(电耦合 b 并联式(机械耦合c 混联式(机械和电气的耦合 d 复合式(机械和电气的耦合1.1 国内混合动力汽车传动系统的研究现状目前国内混合动力汽车的动力系统主要有:东风混合动力城市客车采用了基于电控机械自动变速器 (AMT基础上的“中间轴输入动

8、力耦合系统”以及“二轴输入动力耦合系统”如图 2所示 5。其中“中间 轴输入动力耦合系统”具体形式是:动力耦合装置 (即混合动力车用变速器 的一轴与发动机曲轴相连, 二轴与输出传动轴相连,中间轴上齿轮与一轴、二轴上齿轮构成常啮合传动齿轮副,中间轴增加一个电 机动力输入装置,采用锥齿轮输入动力。一汽混合动力轿车采用了双轴输入单轴输出到 AMT 的齿轮啮合传动方式实现转矩合成的动力耦合系 统,即“双轴双离合器并联型固定轴齿轮式”动力耦合系统如图 3所示 6,它由一对固定速比的常啮合齿 轮组成,在发动机离合器接合的条件下,动力耦合装置输出端的转速与发动机的转速相同。北京理工大学与波兰华沙工业大学合作

9、,联合研制了一种单行星排传动方式的机电动力耦合系统,如 图 4所示 1,并已申报了国家发明专利。该系统把串联和并联混合驱动的原理接合在一起,使用的零件数 较少 (一个电机 ,适当调整控制系统可以顺利实现并联到串联驱动的转换,直到由内燃机驱动。比传统的 混合驱动系统更轻,效率和整体性能更高。该系统可以实现无级变速,但是不能实现发动机输出转矩和 电机输出转矩的直接叠加。由吉林大学等单位联合开发的双行星机构动力耦合无级变速系统,其结构如图 5所示 1,系统由发动 机、电机、动力耦合、 CVT 组成,其中动力耦合器由一组双行星机构、两组离合器和一组制动器构成。a C d 电 连 接 液 流 连 接 机

10、 械 连 接整个系统构成比较复杂,不仅需要协调发动机与电机,离合器及制动器的状态,还需要合理地控制CVT 的速比。 图 2东风垂直双轴耦合并联混合动力总成图 图 3一汽平行双轴并联混合动力总成 图 4 单排行星排动力耦合系统 图 5 双行星机构动力耦合无级变速系统的机构1.2 国外混合动力汽车传动系统的研究现状表一和表二分别列出了近些年已经上市了的重度混合动力汽车和轻度混合动气汽车的相关资料 7。 从表一和表二中可以看出,国外混合动力汽车现今市场化做的最好是日本,其次是美国,其次欧洲一些 国家在混合动力系统方向上也有很大的发展。表一 国外上市的重度混合动力汽车列表 表二 国外已经上市的轻度混合

11、动力汽车列表 日本丰田 THS 系统由发动机、发电机、电动机通过行星轮机构实现转速与转矩的耦合,发动机转速 与车速没有直接联系,在行驶过程中能使发动机始终处于最佳工况,其结构如图 6所示 8。丰田 THS 系 统经过十几年的发展,已从注重经济油耗为主的第一代发展为注重高功率和高经济效益的第三代 THS 系 统,丰田普锐斯轿车的成功推向市场表明了混合动力技术已经逐渐成熟。福特公司开发的 FHS 机电耦合 传动总成结构相当于丰田 THS 系统并联了一个齿轮啮合机构,实现了电动机转速和齿圈转速的匹配,充 分利用了电机转速,其结构如图 7所示 9。 图 6 丰田 THS 系统的结构 图 7 福特 FH

12、S 机电耦合传动总成的结构通用公司提出的 AHS-2双排双模式电耦合传动总成主要由发动机、两台电机、两个行星排机构。两 组离合器和一个制动器组成,其结构如图 8所示 10。通过两个离合器和一个制动器协调控制可以有效地 扩大输出转速范围,同时对输出转矩和输出功率起到一定的调节作用,该结构主要应用于通用公司的中 型和重型车辆上。 图 8 通用 ASH-2双排双模式机电耦合动力总成结构铁姆肯公司开发的双排行星传动机电耦合传动总成结构与通用 AHS-2双模式结构相近,其结构如图 9所示 11,主要通过两个离合器和两个制动器实现工作模式转换,从而满足车辆实际工作需要。 图 9 铁姆肯公司的双排行星传动机

13、电耦合传动总成的结构通用公司提出的新型四模 -双电机增程式传动系统备受关注,其结构如图 10所示 12。该系统由发动 机、两个电机、三个离合器以及一个行星轮组组成,可以分别工作在纯电动低速单电机模式、纯电动高 速双电机模式、增程低速单电机模式和增程高速双电机模式四种模式下。本田汽车公司研发的 Insight 混合动力汽车采用了独特的混合动力系统 (IMA,采用发动机和电动机扭 矩叠加方式进行动力混合,结构如图 11所示 13。发动机输出轴通过离合器与电动机的转子轴直接相连, 电池组通过控制器作用于电动机定子,两者的动力叠加是在输出轴处实现,变速器仍为单轴输入。该动 力系统以发动机作为主要动力,

14、电动机作为辅助动力,是一种等速的功率叠加系统,属于并联式 HEV 中 的单轴并联式结构。该系统结构简单、紧凑,提高了系统的综合效率,但一些元件和电机的控制系统需 特殊设计。 图 10 四模 -双电机增程式传动系统的结构图 图 11 IMA 集成电机辅助系统戴姆勒 -克莱斯勒公司 2005年底特律车展上展出一款结合 V8柴油发动机和最新一代混合动力驱动系 统的油电混合动力 S 级奔驰车,该车的机电耦合系统由 2台电动机与 7档自动变速器组成 14。该油电混 合动力耦合系统为“ P1/2”,在发动机与变速器之间配备了 2台马达及离合器,结构图见图 12。车辆起 动时由发动机一侧的马达进行发电,由变

15、速器一侧的马达进行驱动。在提速阶段与离合器联动,能够实 现高级车特有的平稳行驶性能。该车的传动系统基于 7G-Tronic 自动变速器,另外结合了 Pl/2混合动力变 速器,设计紧凑。 图 12 奔驰公司双模式混合动力系统2002年,瑞典皇家工学院的 Chandur Sadarangani 教授提出了“四象限能量转换器(Four-QuadrantEnergyTransducer,4QT ”的新型电磁机构的概念 1。这种电磁机构是一种以永磁同心式双转子电 机为核心的应用于混合动力汽车的机电能量转换器件,整个系统达到混联式混合动力汽车的运行指标模 式,并以其独特的设计和结构,开创了混合动力汽车驱动

16、控制领域的一个新的篇章。 2004年,荷兰代尔 夫特工业大学的 Mart J.Hoeij makers教授提出了基于感应电机为原型的双转子机电能量转换器 EVT (Electrical Variable Transmission 。该装置的设计思想是由分体式电机组合演变而来,这种结构的提出为 双转子结构电机的分析带来了方便,因为在这种模型中,双转子电机可以看成两个简单电机的叠加。 2005年,美国俄亥俄州立大学的 Longya Xu教授提出了双机械端口电机(Dual Mechanical Port Electric Machines, DMP的概念。此概念也是基于 4QT 、 EVT 技术而提

17、出来的。新型电力无极变速系统由一套 “背靠背”逆变器、一台内燃机和一台双机械端口电机构成。在混合动力汽车应用中,双机械端口电机 的内转子与内燃机相连,外转子与输出轴相连。2. 自动变速器的结构与应用目前,汽车上使用的自动变速器主要有液力自动变速器 (automatic transmission,简称 AT 、机械无级 变速器 (continuously variable transmission,简称 CVT 、双离合器自动变速器(Double Clutch Transmission, 简称 DCT 、电子控制机械式自动变速器 (automatic mechanical transmissio

18、n,简称 AMT 和电驱动式自动 变速器(electric drive mechanical transmission,简称 EMT。从技术发展角度看,关键是电子技术、电液 控制技术和传感技术。AT 是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成 , 通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩, 图 13所示为一种液力变矩器的结构 15。其中液力变扭器是 AT 中最具有特点的部件,由带有叶片的泵轮、 涡轮和导轮组成,能够直接将发动动机输出的扭矩直接传递和分离,但由于液流的传递效率较低,呈现 出低速时适应性较好,高速时,传递效率较低。先在所使用的液力变矩器是改进以后的闭锁式液力变矩 器,就是在泵轮和

19、涡轮之间安装一个闭锁离合器,高速时就可以利用闭锁离合器将液力变矩器的液流连 接变成机械连接,这样就解决了普通液力变距器高速时效率低的问题。1-制动器 2-离合器 3-离合器 4-前行星排 5-后行星排 6-制动器 7-单向离合器 F图 13 CA774液力变速器 液力自动变速器的工作原理:泵轮和涡轮是一对工作组合,他们就好似相对放置的两台风扇,一台 风扇吹出的风力会带动另一台风扇的叶片旋转,再在泵轮和涡轮之间加上导轮,通过反作用使泵轮和涡 轮之间实现转速差就可以实现变速变矩了。由于液力变矩器自动变速变矩范围不够大,因此在涡轮后面 串联几排行星齿轮提高效率,液力操纵系统会随发动机工作变化自行操纵

20、行星齿轮,从而实现自动变速 变矩。辅助机构自动换挡不能满足行驶上的多种需要,;例如停泊、后退等,所以还没有干预装置即手 动拨杆,标志 P (停泊、 R (后档、 N (空挡、 D (前进,另在前进挡中还没有 “2” 和 “1” 的附加挡 位,用以起步或上斜坡只用。由于将其变速区域分成若干个速比区段,只有在规定的变速区段内才是无 极的,因此, AT 实际上是一种介于有级和无极之间的自动变速器。CVT 是指采用传动带或工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力的变速装置。由于 CVT 可以实现 传动比的连续改变,从而使传动系与发动机工况之间实现最佳匹配,提高整车的燃油经济性和动力性, 改善驾驶员的操纵

21、方便性和乘员的乘坐舒适性。电控的 CVT 可以实现传动系统的综合控制,充分发挥发 动机特性。无级变速器的种类很多(见表三,液力变矩器以其优良的特性成为了迄今世界上占主导地位的无 级变速器 16。表三 无级变速器的分类无级变速器 机械式液体式电动式带传动牵引传动式胶带式金属带式链带式圆环、曲面或圆锥环式 圆板式行星滚筒式滚珠式其他液力式液压式关于液力变矩器已经在 AT 中叙述了,在此主要介绍关于带动式的无级自动变速器。胶带式的无级变 速器和链带式的无级变速器,由于胶带和链带寿命有限,现在已经被舍弃。随着制造工业的提升,金属 带式的无级变速器被重新开发利用。金属带式无级变速器最早有德国大众发明,但

22、现今做的最好和应用 最多的,都是日本日产。金属带式无级变速器由于是依靠压力来传递能量,通过精确改变主、从动轮的 轮径来达到一定范围类的无极变速,相比于传统的机械式变速器,其控制精度将更加难以保证,控制也 更加复杂,同时金属带的可靠性和寿命相当于传统的机械式变速器也较低,致使金属带式无级变速器在 实际的应用过程中并未达到预期的节油效果。下图 14所示为带传动式无级变速器的工作原理图。DCT 由传动机构、液压控制系统、电控系统等组成。大众公司对该技术应用较早,也比较广泛,把 其称为 DSG (Direct-Shift Gearbox , 如图 15所示 17。除了这两种叫法之外还有很多,例如三菱叫

23、 SST ,保 时捷叫 PDK ,宝马叫 DKG 等等。 图 14 带传动式无级变速器的工作原理图 图 15 双离合器自动变速器工作示意图DSG 变速器的输入轴有 2根,一根是实心轴,一根是套在实心轴外面的空心轴。在变速器输入端的实 心轴和空心轴处装有 2个离合器,一个离合器与变速器单数挡的主动齿轮相连(如 1, 3,5挡,另一离合 器与变速器双数档的主动齿轮相连(如 2,4,6挡。换挡和;离合器的操纵均由电动执行机构实现,并由ECU 所控制。变速器工作时,如果 ECU 判断需要由 1挡升 2挡(此时与 2挡主动轴相连的离合器没有结合, 接着分离与 1挡主动轴相连的离合器,结合与 2挡主动轴相

24、连的离合器,然后再脱开 1挡,完成自动换挡过 程。从以上过程可以看出,挂 2挡是在 1挡未脱开时,脱开 1挡是在 2挡已经挂上的情况下完成的,所以换 挡过程迅速。AMT 是在干式摩擦离合器和手动固定轴齿轮变速器的基础上改造的。它结构简单,保留了干式离合 器与手动变速器的绝大部分总成部件,改变其中手动操纵系统的换挡杆部分,去掉离合器踏板,去掉加 速踏板和节气门之间的拉索,改为电子控制自动操纵。通过电子控制单元(Electronic Control Unit-ECU 控制液压、气动或电动执行机构,完成车辆起步、换挡的自动操纵。 AMT 的控制机构有电 -液的、电 -气的 和全电动的三种控制方式。起

25、步与换挡是控制功能的主要内容,基本思想从图 16可知,驾驶员通过加速 踏板和操纵杆向计算机传递控制信号,大量的传感器时刻掌握着车辆的行驶状态,计算机按存储于其中 的最佳程序:动态三参数最佳换挡规律、离合器模糊控制规律、发动机供油自适应调节规律等,对发动 机供油、离合器的分离与结合以及变速器换挡三者的动作与时序实现最佳匹配,从而获得优良的燃油经 济性与动力性能以及平稳起步与迅速换挡的能力。 图 16 AMT 的基本原理EMT 是指由电机主动同步的机械式自动变速器,主要用于并联式混合动力汽车和纯电动汽车 18。其 原理是通过电机调速来实现换挡,在混合动力系统中也能完成力矩耦合器实现的功能,即将发动

26、机的力 矩和动力电池输给电机的力矩进行耦合,输给机械变速器的输入端。变速器在换挡时监测机械变速器轴 端输出转速和电机的转子转速,通过程序控制不同档位换挡点的机械变速器轴端输出转速,在调节电机 转速至同步转速来完成换挡过程。如果该结构在电机的输入端不连接发动机就可以作为纯电动汽车的变 速机构和驱动机构,其结构如下图 17所示。图 17 EMT系统结构示意图1第一转速编码器 , 2电机轴 , 3第一支撑轴承 , 4左端盖 , 5电机壳体 , 6电机转子 , 7第二支撑轴承 , 8变速器机 体 , 9一轴常啮合齿轮 , 10一轴齿轮接合齿圈 , 11第一花键毅 , 12第一拨叉杆 , 13二轴档齿轮

27、接合齿圈 ,14二轴 档齿轮 , 15二轴档齿轮 , 16二轴档齿轮接合齿圈 , 17第二拨叉杆 , 18第二花键毅 ,19二轴 I 档齿轮接合齿圈 , 20二轴 I 档齿轮 , 21三支撑轴承 , 22二轴 , 23第二转速编码器 , 24支撑轴承 , 25中间轴 , 26中间轴 I 档齿轮 , 27第 二接合套 , 28中间轴档齿轮 , 29中间轴档齿轮 , 30第一接合套 , 31滚珠轴承 , 32中间轴常啮合齿轮 , 33第五支 撑轴承3. 五种自动变速器优缺点的比较对于前文所介绍的五种种自动变速器 AT 、 CVT 、 DSG 、 AMT 、 EMT 各有其优缺点。 AT 在现有车上

28、 占主要部分,由于其诞生较早,发展时间较长,功能也比较齐全,但其结构复杂,难以维修,与相应的 发动机需要单独匹配,故将会被淘汰。对我国而言, AT 技术依旧掌握在国外的整车厂手中,由于我国传 统的机械制造、液压技术等比较落后,所以在 AT 上要去发展,可发展的空间和可行性都很小。 CVT 被誉 为最理想的变速器,但其控制复杂、传动带的工作寿命有限等问题使其推广较难,但它会长时间被各大 汽车厂所研究。现今 CVT 在日本的推广程度最高。 DSG 由于具有将基数挡和偶数挡分别布置在两根不同 的轴上,采用两个离合器,减少了换挡时间,增加了乘坐舒适性,但它不能实现越级换挡,同时结构相 比也比较复杂,但

29、相比 AT 效率较高,相比 MT 舒适性较好,也被看作具有广阔市场的自动变速器。 AMT 是 通过传统的 MT 变换过来的,具有结构简单,维修容易,成本较低,同时现在 AMT 最多可以做到 12个档位 数,所以 AMT 在未来具有广阔的前景。对于 AT 、 CVT 、 DSG 、 AMT 这四种自动变速器,国内技术都处于落后地位,我国的自动变速器基本 全部依靠进口。以上四种自动变速器均可用于混合动力汽车中的动力系统中,但与传统车相比,混合动 力汽车存在一个动力耦合问题,加上国内在这些自动变速器上的空缺,可以考虑放弃这四种变速器在混 合动力汽车上的应用。混合动力汽车中存在电驱动动力系统,就必将引

30、入电机,将电机和传统的齿轮轴 式变速器进行集成,利用电机调速来实现换挡,就产生了电驱动式自动变速器(EMT , EMT 既能实现 变速功能,又能实现动力耦合,此处的动力耦合属于机械耦合中的转矩耦合。该自动变速器在带离合器 时可以应用于并联式混合动力汽车,在不带离合器时可以应用与纯电动汽车。对于应用与混合动力汽车上的 EMT ,控制的主要问题是起步和换挡,起步中最重要的问题就是离合 器的分离与结合,换挡是如何减小换挡冲击,选择合适的换挡点时研究的重点。在国内,关于自动变速 器的控制问题也发展较晚,较为落后。鉴于现今我国汽车工业的主要方向和现有的机械电子技术,对于 电驱动自动变速器混合动力系统结构

31、和控制的研究很具有必要性,相信在不就的将来 EMT 将会成为混合动 力系统中的主要变速装置和动力耦合装置之一。参考文献1王志福,张承宁等。电动汽车电驱动理论与设计 M.北京机械工业出版社:2012,7.2节能与新能源汽车产业发展规划 (2012-2020年 发布 J. 中国能源网 .3GB/T 19596-2004,电动汽车术语 S.4倪光正,倪培宏,熊素铭译 . 现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车 -基本原理、理论和设计(原书第二版 M. 北京:机械工业出版社, 2008,1:128-205.5毕洪新 . 浅谈变速器制造技术现状及发展趋势 J. 汽车工艺与材料, 2008(5:28-

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