并联式混合动力汽车传动系统结构分析

1、并联式混合动力汽车传动系统结构分析占泽晟杜晓梅贾辉（武汉理工大学汽车工程学院现代汽车零部件技术湖北省重点实验室摘要分析混合动力汽车传动系统的结构,是对混合动力车辆进行选型、优化设计及控制策略开发的基础,对整个汽车产品结构的创新设计也具有十分重要的意义。本文对比分析了几种常见的并联式混合动力传动系统的结构及其工作原理,建立了传统发动机、动力耦合装置、动力传输装置以及电动机/发电机之间的关系模型,为并联式混合动力车辆传动系统的设计和控制策略提供了参考依据。关键词:混合动力传动系统优化设计混合动力汽车的传动系统与传统燃油汽车一样,都是将动力源提供的动力通过机械传动装置传递到车轮上。由于混合动力车辆的

2、动力源是传统的内燃机和由电池带动的电机组成,因此它们的动力通常由机械耦合装置合并并进行传输,即发动机和电动机提供的动力是通过机械耦合方式耦合在一起的,其结构原理如图1所示。将发动机和电动机的动力进行机械耦合有以下三种不同的方式:转矩耦合方式、速度耦合方式以及转矩耦合与速度耦合并存的方式。转矩耦合是将发动机和电动机的扭矩加到一起或将发动机的转矩分成两部分:一部分用于推动车辆行驶,另一部分则给电池充电。机械转矩耦合的原理图如图2所示,此种状态下发动机和电动机同时提供动力,并将其传递到机械传动系统。如果忽略传递过程中的损耗,输出的转矩和速度可以表示为:Tout=klTinl+k2Tin2out=in

3、1k1roin2k2其中,kl和k2是由转矩耦合参数确定的常数。常见的机械转矩耦合器工作原理图如图3所示。在混合动力汽车中转矩耦合有多种结构形式,通常可以分为两轴的和一轴的两种形式。耦合器的不同位置以及齿轮的不同结合方式都会产生不同的牵引特性,因此常需根据车辆牵引的需求、发动机性能以及电机特性等因素来选取合适的耦合方式。图1并联式混合动力传动系统结构示意图1转矩耦合的并联式混合动力传动系统图2转矩耦合原理图TinlinlTin2in2Toutout机械耦合器图7变速器前置式转矩耦合图3常见的机械转矩耦合器工作原理图两轴机械转矩耦合器的结构形式如图4所示,两个变速器分别安装在发动机和转矩耦合器之

4、间以及电机和转矩耦合器之间。这两个变速器既可以是单级传动也可以是多级传动。由于多级齿轮传输能够提供更大范围的牵引力输出,因此这种条件下车辆的传动效能和整体性能就要优于其他的形式,并且也为发动机和电气牵引系统（电机和电池工作在其最佳区域提供了更多的机会。这种结构形式也为发动机和电动机设计及选择提供了更大的灵活性。它的缺点就是整个传动系统结构较为复杂。在实际混合动力传动系统中,变速器1通常用单级齿轮传动,而变速器2多用多级齿轮传动。因为单级齿轮传动可充分发挥电机在低速时高转矩特性的内在优势,而多级齿轮传输可以弥补发动机转速-扭矩特性的一些缺陷（发动机高转速时扭矩不增加等,此时多级齿轮传动可以提高发

5、动机的效率,从而也可以降低电池的放电量。另一种两轴转矩耦合器结构如图5所示,其中变速器位于转矩耦合器和驱动轴之间。在传递驱动力时,它同时加强了发动机和电动机的扭矩。此时电动机和发动机可以在不同的转速范围内工作,即高速电机也可以在这种结构中使用。因此这种配置适用于低速发动机与电动机一起使用,在低速时使用多级传递来提高车辆牵引力。并联式混合动力转矩耦合器的另一种形式:单轴式结构是一种简单紧凑的配置,其中电动机的转子即是转矩耦合器,其结构如图6、7、8所示。图6中,变速器安装在电动机之后,并通过离合器与发动机连接,即变速器后置式;图7中,变速器放在发动机和电动机之间,即变速器前置式。在变速器后置的结

6、构中,发动机的转矩和电机转矩都通过变速器来传输,ChinaAllrightsreserved,PublishingHous旣 HYPERLINK 194-2011AcademicJouiwlElectronicChinaAllrightsreserved,PublishingHouse.http:/www.nkixnet194-2011AcidemicJouxnalElectronic这就要求发动机和电机图4两轴式转矩耦合器结构图5ChinaAllrightsreserved,PublishingHous旣 HYPERLINK 194-2011AcademiclouwalElectronic电

7、池CD两轴式转矩耦合器的另一种结构图6ChinaAlrightsreserved.PublishingHouse.http:/www.nkixnet194-2011AcademicloumalElectronic車湘一r、变速器后置式转矩耦合M2电勒机IjtiSl3电池图11带传动器的速度耦合必须有相同的速度范围。这种结构通常是在小功率电机的情况下使用,称为轻度混合动力传动系统,其中电机是作为发动机起动机、发电机和发动机的能量辅助以及回收再生制动能。而在图7所示的变速器前置结构中,传动轴只改变发动机扭矩,而电动机转矩直接传递到驱动车轮。这种配置常用于大功率电机的传动系统中,传输仅用于改变发动机

8、的工作点,提高车辆性能和发动机的运行效率。在这种结构中,当汽车处于停止状态时,发动机不能作为发电机运行电动机给电池充电。另一种单轴式转矩耦合的传动系统是分离轴结构的,如图8所示。两个独立的变速器分别由发动机和电动机驱动。两个动力系统同时为汽车提供牵引力,其基本原理与图4所示的两轴结构相似。发动机和电动机的变速器都既可以是单级也可以是多级的。分离轴的结构相当于保留了传统的汽车原有的发动机和变速器没有改变,并增加了电力牵引系统。它可以很好地应用于四轮驱动,优化在湿滑路面的牵引力及减少对单一轮胎上牵引力的依赖。同样,它也是结构较为复杂并且占用较大的空间,而且车辆停止时发动机不能给电池充电。两个动力源

9、的动力也可以通过速度耦合方式耦合在一起进行传动,如图9所示。速度耦合特性可以描述为:coout二kleinl+k2ein2Tout二Tinlk1=Tin2k2其中k1和k2是与实际设计相关的常数。典型的速度耦合器如图10、11所示,图中两种结构分别是带行星轮和带有浮动定子的电动机（也称为传动器的耦合器。行星轮是由太阳轮,齿圈和行星架三部分组成的。速度就是通过耦合器中的太阳轮，齿圈以及行星齿轮的传动而输出的。该常数K1和K2取决于齿轮的半径和齿数。图10中，发动机通过离合器和变速器为太阳轮提供动力。变速器用来改变发动机的转速-转矩特性，以满足牵引力的需求。电动传动器通过环形齿轮副提供动力。锁1和

10、2分别用于锁定太阳齿轮和环形齿轮，以满足不同操作模式的要求。它可以实现:(1混合动力驱动:锁1和锁2都打开，太阳齿轮和环形齿轮都可以自由旋转，发动机和电机同时提供正向的转速和扭矩(正转矩到驱动车轮。(2发动机单独驱动:锁2将齿圈与车架锁定，而锁1打开，此时只有发动机提供动力驱动车轮。(3电机单独驱动:锁1将太阳轮与车架锁定图8分离轴式转矩耦合图9速度耦合器原理图TinlinlTin2in2Toutout速度耦合器2速度耦合的并联混合动力传动系统图10带行星齿轮的速度耦合ChinaAllrightsreserved.PublishingHouse. HYPERLINK 194-2011Acade

11、micJournalElectronic图14丰田普锐斯的混合动力传动系统（发动机被关闭或离合器张开而锁2打开,此时只有电动机提供动力驱动车轮。（4再生制动:锁1在锁定（发动机被关闭或离合器脱开,电动机开始发电（负转矩,车辆的部分能量被电力系统吸收。(5发动机给电池充电:当控制器给电机以反向转速时,发动机即可给电池充电。带传动器的传动系统如图11所示,其结构与图10的类似。锁1和2分别用于将定子与车架锁定和与转子锁定。这种传动系统也可以实现上述所几种运行模式。速度耦合混合动力传动系统的主要优点是,两个动力源的转速是分开的,因此,两个动力装置的速度可自由匹配。将转矩耦合和速度耦合结合到一起,可以

12、构成一个在转矩耦合和速度耦中交替自由选择的动力传动系统,其结构图如图12所示。当运行转矩耦合的工作模式时,锁2将的行星齿轮的齿圈与车架锁定,而离合器1和3结合,离合器2张开,发动机和电动机的扭矩结合到一起,然后传递到驱动车轮。当工作模式为速度耦合模式时,离合器1结合,而离合器2和3张开,锁1和2放开太阳齿轮和齿圈的锁定。行星架连接到驱动车轮,其速度即是发动机转速和电机转速的结合。这种结构由于可以选择速度耦合或转矩耦合,动力系统有更多的机会在最佳区域工作,能够优化车辆性能。例如,车辆在低速行驶时,转矩耦合模式更适合于加速或爬坡;而在高速时,速度耦合模式可以使发动机转速保持在最佳工作区域。带传动器

13、的混合耦合式传动系统如图13所示,其工作原理是:离合器1结合,发动机轴与传动器转轴耦合,离合器2张开,锁将传动器定子与车架锁定。此时驱动器就是在扭矩耦合模式下工作;当离合器1张开,离合器2结合,锁定解除时,传动系统即在速度耦合模式下工作。丰田普瑞斯混合动力传动系统就是转矩耦合和速度耦合混合应用的一个很好的例子。其传动系统示意图如图14所示。几千瓦的小功率电机通过与行星齿轮装置(速度耦合连接,行星减速器将发动机转速分成两部分:一部分通过太阳轮传到电机,另一部分通过齿圈和车轴传递到（扭矩耦合驱动轮。大型牵引电机（数千瓦到几十千瓦也可以通过变速器连接,构成扭矩耦合式并联传动系统。在车辆低速时,小功率

14、电机正向运转并吸收发动机的部分能量。随着车速增加,由于发动机的转速不变,电机的转速则开始降低直至为零。此时,锁3转矩耦合和速度耦合混合的动力传动系统图12带行星齿轮的转矩耦合与速度耦合混合的动力传递系统图13带传动器的转矩耦合与速度耦合ChinaAllrightsreserved,PublishingHous旣 HYPERLINK 194-2011AcademicJouiwlElectronicChinaAllrightsreserved.PublishingHouse.http:/www.nkixnet194-2011AcademicJournalElectronic混合的动力传递系统2葛如

15、海.汽车正面碰撞乘员约束系统匹配研究D.镇江:江苏大学博士学位论文，20073陶海龙，刘岩.汽车乘员约束系统的参数分析及仿真研究J.上海汽车2008.7:25-28.4LindaMcCray，AidaBarsan-Anelli.Simula-tionsofLargeSchoolBusSafetyRestraintsJ.The17thInternationalTechnicalConferenceontheEnhancedSafetyofVehicles:PaperNumber3135NationalHighwayTrafficSafetyAdministra-tionS.FMVSS208:Oc

16、cupantcrashprotection.6TheTestReportof2000MCI102EL37MotorcoachintoaFlatFrontalBarrierR.TRCInc.20088勾晓峰.北京参考网:欧盟:客车所有座位必须安装安全带.（上接第10页将转子和定子锁在一起。当汽车高速行驶时,为了避免发动机转速过高,以节省油耗,此时小电机开始反方向运转,为驱动系统提供动力。应用行星齿轮和小电机来调整发动机的转速,以使其运行在最佳的速度范围可以获得较高的燃油经济性。并联式混合动力汽车传动系统结构的多种形式,决定着整车设计布置、控制策略的设计以及车辆的整体性能。转矩耦合方式、速度耦合方

17、式以及两者并存的混合耦合方式都有不同的适用条件和优势,通过对这些传动系统的比较分析,可以方便车辆布置选型,并为混合动力车辆的开发和设计奠定了基础,可实现车辆良好的动力性,燃油经济性及操控性等设计目标。动力源和传动系统作为车辆的核心和枢纽,它直接影响着汽车的整体结构和性能,根据车辆行驶工况和使用要求,选择合适的结构布置形式对车辆至关重要。因此,在进行新能源汽车产品的开发,特别是当今正在尝试的混合动力车辆研发时,应当充分考虑各种结构形式的优缺点,根据车辆使用要求,发动机性能以及经济性等条件来选取最优方案,实现车辆的最佳效能,并为创新设计新结构、新产品提供条件。参考文献1YangH,ChoS,Kim

18、N,etal.AnalysisofplanetarygearhybridpowertrainsystemJ.Interna-tionalJournalofAutomotiveTechnology,2007,8(6:750-785.2范晶晶,罗禹贡,李克强.多轴独立电驱动混合动力车整车控制系统的开发J.机械工程学报,2010,(103KamiyaM.DevelopmentoftractiondrivemotorsfortheToyotahybridsystemJ.TransactionsoftheinstituteofelectricalengineersofJapan,2006,126(4:430-481.4XiongW,ZhangY,YinC.OptimalenergymanagementforaseriesparalledhybridelectricbusJ.