第四章混合动力汽车设计

1、第四章 混合动力(dngl)驱动系统 的设计原理共三十二页混合(hnh)动力电动汽车分类：串联式、并联式、混联式和复合式，其功能如下：一、HEV驱动系统(xtng)的结构在驱动系统内部存在两类能量流，分别为机械能量流和电能量流。在功率交汇点处，始终以同一类功率形式，即电气的或机械的功率形式，而不是电气的和机械的功率形式，呈现着两个功率的相加或将一个功率分解为两个功率。共三十二页一、HEV驱动(q dn)系统的结构串联式的特征：在功率变换器中两个电功率相加，该功率变换器起电功率耦合器的作用，控制从蓄电池组和发电机到电动机的功率流；或反向(fn xin)控制从电动机到蓄电池组的功率流。燃油箱、内燃

2、机和发电机组成基本能源，而蓄电池组则起能量缓冲器的作用并联式的特征：在机械耦合器中两个机械功率被相加在一起。内燃机是基本能源设备，而蓄电池组和电动机驱动装置则组成能量缓冲器。此时，功率流仅受动力装置内燃机和电动机所控制。共三十二页混联式的特征：使用了两个功率耦合器机械的和电气的耦合器。具有串联式和并联式的主要特性，拥有更多的运行模式(msh)；从另一方面来说，其结构相对地更为复杂，且成本较高。复合式的特征(tzhng)：具有与混联式相似的结构。唯一的差异在于电耦合功能由功率变换器转移到蓄电池组，并且在电动机/发电机组和蓄电池组之间加入了一个功率变换器。一、HEV驱动系统的结构共三十二页1 串联

3、式混合动力驱动(q dn)系统（电耦合） 单向能源为燃油箱，而单向的能量变换器（动力装置）为发动机和发电机的组合。发电机的输出通过可控的电子变流器（整流器）连接(linji)到电力 (DC)总线； 双向能源为蓄电池组单元，并通过可控的双向电力电子变换器 (DC-DC变换器）连接到电力（DC）总线。 电力总线连接到电动机的控制器，控制牵引电动机为电动机或发电机，并以正向或反向运转。共三十二页2 并联式混合动力驱动系统(xtng)（机械耦合）由发动机直接向驱动轮机械动力，由机械上与传动系相配合的电动机予以辅助，并通过机械联轴器使两者共同配合提供(tgng)动力。特点：发动机和电动机都直接向驱动轮提

4、供转矩，不存在能量形式的转换，因而能量损失较少；不需要附加的发电机，牵引电动机相比于串联式的牵引电动机小，因此结构紧凑；发动机和驱动轮之间存在着机械联轴器，因此其运行点不可能固定在 一个狭小的转速和转矩区域内。共三十二页2 并联式混合(hnh)动力驱动系统（机械耦合）转矩耦合机械(jxi)联轴器将发动机与电动机的转矩相加，并将总转矩传递给驱动轮机械耦合包括转矩耦合和转速耦合 发动机和电动机的转矩可分别独立控制，但受到功率守恒的约束。发动机转速、电动机转速以及 车速以某一确定关系相互耦合，不可能独立控制。转速耦合机械联轴器将发动机和电动机的转速相加，且所有的转矩被耦合在一起，不能独立控制共三十二

5、页2 并联式混合(hnh)动力驱动系统（机械耦合）2.1 转矩耦合右图：端口1为单向的输入；端口2和端口3为双向的输入或输出，但两者不能同时为输入。 端口1直接地或通过机械传动装置连接(linji)到发动机；端口2直接地或通过机械传动装置连接到电动机；端口3则通过机械耦合装置连接到驱动轮。若忽略损耗，则输入功率始终等于输出功率。设端口2处于驱动状况，即电动机为输入功率，则向驱动轮的输出功率为P3=T33,转矩耦合器可表示为角速度之间的关系为：共三十二页二、常用的机械(jxi)转矩耦合装置传动装置可配置在不同的位置(wi zhi)，并设计为不同的排档数，从而导致相异的牵引特性。优化设计主要取决于

6、牵引需求、发动机尺寸、电动机尺寸以及转矩转速特性等。共三十二页采用了两个(lin )传动装置，一个位于发动机与转矩耦合装置之间；另一个位于电动机和转矩耦合装置之间。两个(lin )传动装置可以是单档或多档的传动装置。两轴式结构(jigu)传动装置的档位数决定牵引力转速特性曲线的形式。故两个多档传动装置能够为发动机和电动机运行在其最佳区域提供更多的可能性。但两个多档传动装置将使电驱动系统明显复杂化，并为选择每个传动装置特定的排档而增加了控制系统的难度。二、常用的机械转矩耦合装置两轴式和单轴式共三十二页a)两个(lin )多档传动装置b)多档发动机传动装置和单档电动机传动装置c)单档发动机传动装置

7、和多档电动机传动装置d)两个单档传动装置二、常用(chn yn)的机械转矩耦合装置共三十二页传动装置(zhungzh)位于转矩耦合装置(zhungzh)和驱动轴之间，以相同比例提高发动机和电动机的转矩。转矩耦合装置的传动比k1和k2的设计将使电动机和发动机能同时达到其最大转速。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。另一种两轴式并联混合动力电驱动(q dn)系统二、常用的机械转矩耦合装置共三十二页单轴结构：结构简单，紧凑(jncu)，其中电动机转子起转矩耦合装置的作用。电动机可布置在发动机和传动装置之间，被归类为前传动装置；或布置在传动装

8、置和末级驱动之间，被归类为后传动装置。前传动装置：发动机和电动机必须有相同的转速范围，常用于小型电动机的情况，属于轻度混合动力电驱动(q dn)系，其中电动机起着发动机的起动机、发电机、动力辅助机和再生制动的作用。后传动装置：电动机转矩直接传递到末级驱动，传动装置仅能调节发动机转矩。可用于有大范围恒功率区的大型电动机的电驱动系统。二、常用的机械转矩耦合装置共三十二页常用(chn yn)的机械转矩耦合装分离轴结构形式：其中一根轴由发动机提供动力(dngl)，而另一根轴则由电动机提供动力(dngl)。应用于发动机和电动机的两个传动装置可采用单档传动装置，也可采用多档传动装置。分离轴的结构形式提供了

9、某些传统车辆的优点。它保持了原始发动机和传动装置不变，并在另一轴上附加了一个电牵引系统。它也有四轮驱动形式，由此可优化在光滑路面上的牵引力，且减小了作用于单个轮胎上的牵引力。二、常用的机械转矩耦合装置共三十二页常用的机械(jxi)转速耦合装置转速耦合器也是一个(y )三端口、两自由度的机械装置。端口1以单向能量流连接至发动机，端口2和端口3以双向能量流连接至电动机和载荷（末级驱动）。转速耦合特性为：三、常用的机械转速耦合装置共三十二页常用的机械转速(zhun s)耦合装置典型的转速耦合器件行星齿轮机构。是一个三端口组件，由分别标记为1、2和3的中心齿轮、齿圈和行星齿轮支架(zhji)构成。其中

10、心齿轮、齿圈和行星齿轮支架(zhji)之间的转速关系为：三、常用的机械转速耦合装置中心齿轮1作用在行星轮上的力矩： M1=F1r1 (1)齿圈2作用在行星轮上的力矩： M2=F2r2 (2)行星架3作用在行星轮上的力矩： M3=F3r3 (3)又： r3=(r1+r2)=(1+ )r1 (4)由行星轮的力平衡条件得： F1=F2 (5) F3=2F1=2F2 (6)共三十二页将（4）（ 6 ）代入（1）（3）可以得到： M1=F1r1; M2= F1r1; (7) M3=-( +1)F1r1;根据(gnj)能量守恒，三个元件输入和输出的功率代数和为0： M11+M22+M33=0 (8)其中1

11、，2，3分别为中心齿轮、齿圈和行星架的角速度。将（7）代入（8）可以(ky)得到：1+ 2(1+ ) 3=0 (9)将角度替换为转速，(9)可写为：n1+ n2(1+ )n3=0 (10) 式（10）行星齿轮机构运动学特性方程式。太阳轮、齿圈与行星齿轮架3者中可任选2个分别作为主动件和从动件，另一固定不动，轮系可传递动力；如果有两个被固定在一起，则第三个的速度与前两个相同，传动比为1；如果三个均为自由转动，则行星齿轮不能传递动力，相当于空档。行星架被固定时，太阳轮、齿圈转速相反，可作为倒档。共三十二页常用(chn yn)的机械转速耦合装置当中心齿轮、齿圈或行星(xngxng)齿轮支架中的某一个

12、部件固定（如被锁定在静止的车架上）时，该行星(xngxng)齿轮机构将成为一个单档传动装置（一端输入和一端输出）。当不同的部件被固定时，其转速和转矩关系见下表。三、常用的机械转速耦合装置共三十二页转速(zhun s)耦合的电驱动系统发动机通过离合器和传动装置向中心齿轮传递动力，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(y du)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。可实现混合牵引（锁定器1和2被释放时）、单发动机牵引（锁定器2将齿圈锁定在

13、车梁上，而锁定器1被释放）、单电动机牵引（锁定器1将中心齿轮锁定在车梁上（发动机关闭，且离合器脱开），而锁定器2被释放时）、再生制动（锁定器1和锁定器2的状态为单电动机牵引的模式，发动机关闭，离合器脱开）、蓄电池由发动机充电。共三十二页四、转矩耦合与转速耦合的并联式混合动力(dngl)电驱动系统转矩耦合和转速耦合状态交替地选择(xunz)当选择转矩耦合运行模式时，锁定器2将行星齿轮机构的齿圈锁定 在车架上，同时离合器1和离合器3啮合，而离合器2脱开。于是，通过经由齿 轮Za、Zb和离合器3到中心齿轮轴的转矩相加，发动机和电动机的动力一起相加。此时，行星齿轮机构仅起减速器的作用。当选择转速耦合运

14、行模式时，离合器1和2啮合，而离合器3脱开，同时，锁定器1和2释放中心齿轮和齿圈。此时，连接到驱动车轮的行星架的转速是发动机转速和电动机转速的组合。但是，发动机转矩、电动机转矩以及作用于驱动轮上的转矩保持为固定不变的关系。共三十二页转矩耦合与转速耦合的并联式混合(hnh)动力电驱动系统通过增加另一动力装置，可在同一时刻实现兼有转速和转矩耦合模式的混合动力电驱动系统。如丰田汽车公司的Prius混合动力电动轿车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齿轮支架，而一个小型电动发电机（几千瓦）则连接到行星齿轮机构的中心齿轮， 组成转速耦合整体结构(jigu)。齿

15、圈通过固定轴的齿轮组件（转矩耦合器）被连接到驱动轮上。同时，牵引电动机也连接到固定轴的齿轮组件，以组成转矩耦合结构。四、转矩耦合与转速耦合的并联式混合动力电驱动系统固定轴齿轮组件共三十二页五、电动汽车混合动力驱动(q dn)系统设计设计指标：主要包括：发动机功率、电动机功率，电源峰值功率及能量/容量，传动装置以及电驱动系统的控制策略。设计任务：1）满足要求的性能指标，如爬坡能力、加速性能和最高车速等，此外，还有经济性指标、排放指标等；2）实现系统的高效率运行；3）在高速公路和市区行驶期间，保持蓄电池组荷电状态 在适当的电平，而不必从车辆外部予以充电；4）具有再生制动回收系统，且能够(nnggu

16、)回收尽可能多的制动能量。共三十二页五、电动汽车混合动力(dngl)驱动系统设计牵引电动机的额定功率( dn n l)在串联式HEV中，电动机的额定功率完全取决于车辆加速性能要求、电动机特性和传动装置特性。在设计的初始阶段，可按照加速性能估算电动机的额定功率。3. 设计原理第一项表示用以加速车辆质量的功率；第二项和第三项分别表示克服轮胎滚动阻力和空气阻力所需的平均功率。（11）共三十二页五、电动汽车混合动力(dngl)驱动系统设计下图是配置有两档传动装置的牵引力和牵引功率与车速的关系。Vb1 Vb2 加速时，若以低速档起步，牵引力按迹线a-b-d-e-f变化。在点f处，电动机达到最大转速，为进

17、一步加速传动装置应切换到高档(godng)。此时，车辆的基速为Vbl。 当应用单档传动装置时，即仅高速档可供应用时，牵引力按迹线c-d-e-f-g变化，且Vb =Vb2对加速期间给定的终速，如位于点e处的100km/h，配置两档传动装置的车辆加速时间短，主要是因为在低速时用低档，按a-b-d变化的牵引力, 将大于高档时按c-d变化的牵引力。3. 设计原理共三十二页五、电动汽车混合动力(dngl)驱动系统设计下图是某电动机额定功率值与转速比之间的关系。其中(qzhng)，转速比定义为最高转速与基速之比3. 设计原理上述方法确定的电动机额定功率可以满足加速性能的基本要求，是一个估算值共三十二页五、

18、电动汽车混合动力驱动(q dn)系统设计爬坡时牵引功率 在某些特定应用(yngyng)中，例如就越野军用车辆而言，越野运行是首要关注的问题。此时，牵引电动机必须足够有效地克服越野小径上要求的最大坡度。爬坡时牵引功率可表达为：3. 设计原理不同转速比和电动机额定功率下牵引力与车速的关系曲线（12）共三十二页五、电动汽车混合动力驱动系统(xtng)设计发动机/发电机额定功率 在串联式HEV中，发动机/发电机用于提供稳定功率，以防止峰值电源完全放电。因此，对于发动机/发电机的设计，应考虑两种驾驶情况：长时间采用恒定车速的行驶情况，如在高速公路上的运行和在软路面上的越野行驶；采用频繁(pnfn)的停车

19、起动模式。3. 设计原理在平坦路面上恒速行驶时，输出功率为：可见，在恒定车速时的功率需求小于加速所需的功率.（13）共三十二页五、电动汽车混合动力驱动(q dn)系统设计车辆在市区内以停车-起动模式行驶时，发动机/发电机所产生的功率应等于或略大于平均的负载功率，以保持峰值电源稳定的能量(nngling)储存。平均的负载功率可表示为第一项为克服轮胎滚动阻力和空气阻力所消耗的平均功率；第二项为消耗于加速和减速的平均功率。当车辆具有回收其全部动能的能力时，消耗于加速和减速的平均功率为零。3. 设计原理共三十二页五、电动汽车混合动力(dngl)驱动系统设计在发动机/发电机设计(shj)中，其功率容量应大于或至少不小于维持车辆恒速 (运行于高速公路）行驶所需的功率，以及运行于市区时所需的平均功率；有两种合理的设计方法 使发动机的运行点在其 效率最高点处，如图中的a点所示。但因汽车行驶的大多数工况都不会用到发动机的最大功率， 故此方法设计的发动机功率偏大； 令发动机的运行点为点b，接近最大功率，以满足加速和爬坡能力的需求。此方法设计的发动机功率较小，其运行效率低于，同时也没有额外的功率供给车辆。3. 设计原理共三十二页五、电动汽车混合动力(dngl)驱动系统设计峰值电源设计 要求在任何时刻均能向牵引电动机提供