汽车构造（下册） 第4版 课件 第19章 电力及混合动力传动系统

第19章

电力及混合动力传动系统第一节

电动汽车动力传动系统随着电力驱动技术的发展进步和现代社会对节能减排日益强烈的要求,近年来,我国纯电动及混合动力电动汽车发展迅速,从2008年的年产不足千辆,发展到2018年全国新能源汽车保有量占汽车总量的1.09%,其中,纯电动汽车保有量211万辆,占新能源汽车总量的81.06%。电动汽车一般应用电力或混合动力传动系统,主要分为电机集中驱动系统和分布式驱动系统。19.1电动汽车动力传动系统19.1电动汽车动力传动系统早期的电动汽车多数利用传统燃油汽车底盘进行改装,用一台电机取代原有的发动机而沿用原有汽车传动系统的结构和布置形式,可以采用前置前驱(图19-1a)、前置后驱(图19-1b)、中置后驱(图19-1c)或后置后驱(图19-1d)等多种布置形式。一、电机集中动力驱动系统的布置形式图19-1a)前置前驱b)前置后驱c)中置后驱d)后置后驱B—电池组I—电能转换器M—驱动电机T—变速器D—驱动桥19.1电动汽车动力传动系统图19-2所示为电驱动公司的电机一体化驱动系统。该系统在电机输出轴端加装特制壳体,壳体内部装置主减速齿轮和差速器齿轮构成的传动系统,这种电机、电机控制器、减速传动机构集成一体化的驱动系统具有紧凑,安装、改装、使用及维修都十分方便等特点,适用于多种电动车辆。还有一类电机布置形式可以在专用电机的内部设计一个特殊的空心轴,一个半轴可以穿过空心轴与差速器半轴齿轮连接,实现电机的轴与传动系统的轴在同一条轴线上。此类一体化电机集中驱动系统结构更加紧凑,装配更方便。图19-3所示为丰田公司RAV4-EV电动汽车的电机一体化驱动系统。一、电机集中动力驱动系统的布置形式图19-219.1电动汽车动力传动系统图19-2所示为电驱动公司的电机一体化驱动系统。该系统在电机输出轴端加装特制壳体,壳体内部装置主减速齿轮和差速器齿轮构成的传动系统,这种电机、电机控制器、减速传动机构集成一体化的驱动系统具有紧凑,安装、改装、使用及维修都十分方便等特点,适用于多种电动车辆。还有一类电机布置形式可以在专用电机的内部设计一个特殊的空心轴,一个半轴可以穿过空心轴与差速器半轴齿轮连接,实现电机的轴与传动系统的轴在同一条轴线上。此类一体化电机集中驱动系统结构更加紧凑,装配更方便。图19-3所示为丰田公司RAV4-EV电动汽车的电机一体化驱动系统。一、电机集中动力驱动系统的布置形式图19-31—左驱动半轴2—驱动桥差速器3—电机空心轴4—右驱动半轴5—电机转子19.1电动汽车动力传动系统随着驱动电机功率和转矩的增大,电机的直径也增大,增加了其在车辆底盘上的布置难度,大型车辆也可以采用双电机驱动系统。在主电机和辅助电机之间装有单向离合器,正常行驶时用主电机驱动;在加速或者爬坡时,辅助电机通过单向离合器为主电机提供辅助驱动力。采用双电机驱动的车辆也可以在左、右两侧半轴分别连接两个互相反向转动的电机(图19-4),通过控制左、右电机的控制器来实现电动汽车在转弯时两个驱动轮之间的差速运动协调。一、电机集中动力驱动系统的布置形式图19-41—左半轴2—左永磁驱动电机3—左、右电机的控制器4—右永磁驱动电机5—右半轴19.1电动汽车动力传动系统上述电动汽车驱动形式沿用了传统内燃机汽车平台的大部分总成和零部件,驱动轮的变速运动和差速运动可以依靠传统变速器和驱动桥中的机械式差速器来实现,可以降低对电机的性能要求,易于实现电机的控制、散热、电磁干扰等,装置较为简单,便于管理和维修。但是,全部保留燃油车的传动系统,其结构复杂、体积大,造成电动汽车动力蓄电池、电机控制器等装置的布置困难,而且传统车基于离合器-变速器-传动轴-驱动桥的动力传动系统效率比较低,降低了电动汽车的经济性。一、电机集中动力驱动系统的布置形式19.1电动汽车动力传动系统分布式电力驱动系统是指电力由动力线束直接传输到安装在车轮边的驱动电机,分散的由装于各个车轮处的电机来驱动整车,其布置形式如图19-5所示。分布式驱动系统可以减少传统的机械传动系统的离合器、变速器、传动轴、驱动桥等机械装置和相应操纵机构,可以降低整备质量;还可以减少电机驱动系统占用车身内部的有效空间,将全部动力蓄电池、电机控制器等电力驱动装置集中布置在电动汽车底盘下部,使车辆具有更大的使用空间;而且这种布置形式易于实现AWD的驱动模式。二、分布式电力驱动系统的布置形式图19-5a)轮毂电机驱动布置形式b)带轮边减速的轮毂电机驱动布置形式19.1电动汽车动力传动系统分布式轮边驱动系统在商用车应用较多,不仅可以满足商用车低地板的要求,增加通道宽度,并且效率比传统集中驱动要高,更能适应路况复杂性。图19-6所示为宇通轮边驱动系统。二、分布式电力驱动系统的布置形式图19-6更加紧凑的解决方案是轮毂电机驱动。图19-7所示为Protean第四代轮毂电机,其输出转矩达到1250N·m,峰值功率80kW,电机质量36kg。该方案将驱动电机、制动系统一起集成在轮毂内,具有很高的集成度。制动器从轮辋侧被移至车身内侧,改善了制动器散热问题。制动片呈环形,为轮毂电机与悬架连接避让了空间。并且为满足不同车辆对制动力的需求,采用了两个反向制动卡钳进行制动。双制动钳方案不仅可以平衡制动力矩、减少弯曲力矩,还可以有效缩小环形制动片摩擦处的径向长度,以满足安装需求。图19-71—轮毂电机2—制动片3—制动卡钳第二节

混合动力汽车动力传动系统19.2混合动力汽车动力传动系统混合动力汽车也称混合动力电动汽车(HybridElectricalVehicle,HEV),是指同时装有热动力源和电动力源两种动力来源的汽车,其中热动力源一般指传统内燃机(如汽油机或柴油机),电动力源指电池与电机。混合动力汽车的动力系统按照实际的整车运行工况,灵活调控电机和发动机,使车辆保持在综合性能最佳的区域内工作,可以有效降低油耗与排放。混合动力汽车兼具纯电动车和传统内燃机汽车的优点,燃油经济性高,行驶性能优越。在起步、加速时,电机可有效地弥补内燃机低转速转矩不足的弱点,以降低油耗。此外,车辆在低速拥堵路段或怠速时,发动机不参与工作,由纯电力驱动实现“零排放”,低噪声行驶。一、混合动力汽车传动系统的分类根据混合动力驱动系统的连接方式不同,可分为串联式混合动力系统、并联式混合动力系统和混联式混合动力系统。19.2混合动力汽车动力传动系统串联式混合动力系统结构如图19-8所示。串联式混合动力系统一般由电机和发动机-发电机组组成。由发动机直接带动发电机发电,产生的电能可以供给电机驱动整车行驶或储存到电池,留待为电机供电。通常将发动机和发电机集成在一起称为辅助动力单元(APU)。二、串联式混合动力系统(一)串联式混合动力系统的结构图19-819.2混合动力汽车动力传动系统当整车所需的功率比较大时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况),由发动机-发电机组和电池共同向电机提供电能;当整车所需的功率比较小时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况),则由电池组驱动电机。发动机-发电机组是否向电池组充电、充电功率大小由电池组的荷电状态决定。二、串联式混合动力系统(一)串联式混合动力系统的结构串联式混合动力汽车的发动机和整车传动系统没有直接的机械连接,实现了发动机转速和车速的解耦。适用于城市内频繁起步和低速工况,避免了发动机的怠速和低速运转的工况,可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转,通过调整电池的充、放电工作状态来匹配发动机输出功率和整车功率需求,燃油转化效率高,但是发动机产生的能量需经过机械能-电能-机械能这样的多次转换才能驱动整车,能量传递效率较低,在城市公交上的应用比较多。19.2混合动力汽车动力传动系统二、串联式混合动力系统(二)串联式混合动力系统的典型车型通用汽车公司的Series-SHEV汽车动力系统结构如图19-9所示,这款车采用柴油机-发电机组作为辅助动力单元。安装在行李舱的前部的涡轮增压直喷式柴油发动机3具有尺寸小、质量小和燃烧效率高等特点。动力蓄电池组1采用镍氢电池,由中央控制器5中的电池管理模块控制,对动力蓄电池组的充、放电,动力蓄电池组中每个电池状态进行监控和检查。驱动电机6采用100kW交流感应电机,经过减速器后驱动前轮行驶。1.通用汽车公司的Series-SHEV汽车图19-91—动力蓄电池组2—电流转换器3—柴油发动机4—发电机5—中央控制器6—驱动电机7—车载充电机19.2混合动力汽车动力传动系统二、串联式混合动力系统(二)串联式混合动力系统的典型车型柴油机-发电机组发电采取开关门限式(也称节温器式)的控制方法,根据电池的荷电状态控制发动机的起动和关闭,当动力蓄电池组的电能下降到40%时,立即自动起动柴油机-发电机组进行发电,并使动力蓄电池组恢复到50%的荷电状态。发动机在工作中保持在最佳效率范围内运转,此区域内柴油机的燃油经济性好,可以保持柴油机在最佳燃油经济性和有害气体最低排放的条件下稳定运转和发电。1.通用汽车公司的Series-SHEV汽车图19-91—动力蓄电池组2—电流转换器3—柴油发动机4—发电机5—中央控制器6—驱动电机7—车载充电机19.2混合动力汽车动力传动系统二、串联式混合动力系统(二)串联式混合动力系统的典型车型2014年,宝马推出宝马i3增程混合动力汽车,在电池电量充足的情况下,驱动车辆的能量全部由电池提供;在电池电量不足时,该车工作为串联模式,用双缸发动机驱动增程电机发电为驱动电机提供电能。2.宝马i3增程式混合动力汽车图19-10宝马i3增程混合动力汽车动力系统由高压动力蓄电池、增程电机、主电机、一台双缸汽油发动机、传动机构、主电机控制器以及增程电机控制器等组成。双缸汽油发动机、增程电机、主电机以及变速器传动机构位于车辆后轴上方;高压电池模块及电子控制装置,则被安置在车体中央,并由特制的外壳和固定系统保护着,电池组容量44kW·h,可由地面充电桩或车载充电机充电。如果使用家庭220V电源充电,需要8h充满,而在宝马专用充电装置下充电,只需1h。宝马i3增程式混合动力汽车的动力系统结构如图19-10、图19-11所示。19.2混合动力汽车动力传动系统二、串联式混合动力系统(二)串联式混合动力系统的典型车型2014年,宝马推出宝马i3增程混合动力汽车,在电池电量充足的情况下,驱动车辆的能量全部由电池提供;在电池电量不足时,该车工作为串联模式,用双缸发动机驱动增程电机发电为驱动电机提供电能。2.宝马i3增程式混合动力汽车图19-111—高压蓄电池2—双缸汽油发动机3—增程电机4—增程电机控制器5—主电机控制器6—传动机构7—主电机宝马i3增程混合动力汽车动力系统由高压动力蓄电池、增程电机、主电机、一台双缸汽油发动机、传动机构、主电机控制器以及增程电机控制器等组成。双缸汽油发动机、增程电机、主电机以及变速器传动机构位于车辆后轴上方;高压电池模块及电子控制装置,则被安置在车体中央,并由特制的外壳和固定系统保护着,电池组容量44kW·h,可由地面充电桩或车载充电机充电。如果使用家庭220V电源充电,需要8h充满,而在宝马专用充电装置下充电,只需1h。宝马i3增程式混合动力汽车的动力系统结构如图19-10、图19-11所示。19.2混合动力汽车动力传动系统三、并联式混合动力系统(一)并联式混合动力系统的结构并联式混合动力系统(图19-12)有两套驱动系统:传统的发动机系统和电机驱动系统。两个系统呈并联结构、相互独立,既可以同时协调工作,又可以各自单独工作驱动汽车。图19-1219.2混合动力汽车动力传动系统三、并联式混合动力系统(一)并联式混合动力系统的结构并联系统以发动机为主动力,以机械连接的方式直接驱动车辆,电机作为辅助动力,其作用是让发动机尽量发挥高效工作状态,从而达到节油的效果。在汽车功率需求比较大时可以由发动机和电机联合驱动行驶,如汽车加速爬坡时,电机和发动机能够同时向传动机构提供动力,当车速达到巡航速度,汽车将依靠发动机维持该速度。电机既可以作为电动机又可以作为发电机使用,以平衡发动机所受的载荷,使其能在高效率区域工作。并联式系统由于保留了常规汽车的动力传递方式,发动机产生的机械能通过机械传动机构直接驱动车辆,车辆的能量传递效率较高。19.2混合动力汽车动力传动系统三、并联式混合动力系统(二)并联式混合动力系统的典型车型福特汽车公司ProdigyLSR汽车是一种“低储能(LSR)”型并联式混合动力汽车,如图19-13所示,采用小而轻的镍氢电池(容量为4A·h)来储存电能,使整车质量降低,整车的整备质量1083kg,比同期同类型的家庭型轿车轻约450kg。ProdigyLSR配置了一款直列4缸1.2L直喷式发动机。发动机输出轴上装有一台交流电机,电机最大输出功率仅为8kW,它代替发动机的飞轮和发动机的起动电动机,可以实现快速起动发动机,该电机可工作为电动机或者发电机,实现辅助发动机驱动或回收发动机动力为动力蓄电池组充电和再生制动功能。1.福特汽车公司ProdigyLSR汽车19.2混合动力汽车动力传动系统三、并联式混合动力系统(二)并联式混合动力系统的典型车型ProdigyLSR为发动机前置前驱结构,如图19-14所示,在发动机的输出轴上装有自动离合器、电机、后离合器、变速器、驱动桥,共同组成混合动力汽车动力系统结构。1.福特汽车公司ProdigyLSR汽车图19-141—中央控制器2—发动机3—自动离合器4—电机5—后离合器6—变速器7—驱动桥8—电流转换器9—动力蓄电池组19.2混合动力汽车动力传动系统三、并联式混合动力系统(二)并联式混合动力系统的典型车型车辆起动前,自动离合器3接合,后离合器5分离,电机4带动发动机2快速起动。发动机起动后,前、后离合器全部接合,发动机通过传动系统驱动车辆行驶,并带动电动/发电机发电,将多余的动力转换为电能储存到动力蓄电池组9中。车辆滑行或下坡时,自动离合器3分离,后离合器5接合,车辆惯性反馈的能量带动电机4发电,将发出的电能储存到动力蓄电池组9中,实现再生制动能量回收。1.福特汽车公司ProdigyLSR汽车19.2混合动力汽车动力传动系统三、并联式混合动力系统(二)并联式混合动力系统的典型车型比亚迪是国内较早的自主研发混合动力汽车的企业,先后推出了两代双模(DM)家用轿车。“秦”所采用的DM二代技术,是在比亚迪第一款双模电动汽车F3DM的DM一代技术基础上研发而成,相比第一代增加了六速变速器,对发动机工作区域调节能力更强;采用高转速电机、高电压方案,效率更优,两代DM混合动力系统如图19-15、图19-16所示。2.比亚迪“秦”混合动力汽车图19-151—发动机2、6—电机3—逆变器4—蓄电池组5—逆变器7—减速器图19-161—发动机2—逆变器3—蓄电池组4—逆变器5—电机6—变速器(DCT)19.2混合动力汽车动力传动系统三、并联式混合动力系统(二)并联式混合动力系统的典型车型双模混合动力是指汽车可以以纯电动驱动和混合驱动两种模式工作。比亚迪“秦”混合动力系统的工作模式如下:2.比亚迪“秦”混合动力汽车1)纯电动模式。纯电动工作模式下,动力蓄电池提供电能,供电机驱动车辆,可以满足各种工况行驶,如起步、倒车、怠速、急加速、匀速行驶等。2)混动模式。混动模式下,车辆由发动机和电机共同驱动,实现了最佳的动力性,但仍能保证混合动力系统具有良好的经济性。正常行驶工况下,用户可以手动从EV模式切换到HEV模式。当电池电量不足时,系统从EV模式自行切换到HEV模式,使用发动机驱动;在车辆以较稳定的速度行驶时,发动机输出的一部分转矩会驱动电机进行发电,对动力蓄电池进行充电;而当电驱动系统故障时,也可单独使用发动机驱动,以减轻对整车的影响。19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统混联式混合动力系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图19-17所示。混联式混合动力系统的特点在于结构上综合了并联式和串联式混合动力系统的特点,发动机系统和电机驱动系统通过动力耦合机构(如行星齿轮机构)结合在一起,从而综合调节发动机与电机之间的转速关系。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电机或蓄电池组,电机产生的驱动转矩通过动力耦合装置传动给驱动桥。与并联式混合动力系统相比,混联式混合动力系统可以更加灵活地根据工况来调节发动机的功率输出和电机的运转。图19-17目前,混联式混合动力系统中,一般采用圆柱行星齿轮机构作为动力分配装置,实现能量分流和动力分配。19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统图19-181—太阳轮2—行星架3—齿圈4—行星齿轮行星齿轮机构的结构简图如图19-18所示。单排圆柱行星齿轮机构由太阳轮1、行星齿轮4、行星架2和齿圈3等零件共同组成。单排圆柱行星齿轮机构有三个输出或输入接口,可以有多种组合形式。全部齿轮布置在同一平面上,尺寸紧凑,结构比较简单,应用广泛。(一)单排圆柱行星齿轮机构的结构形式19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统单排圆柱行星齿轮机构各元件之间的转矩关系为(二)单排圆柱行星齿轮机构的工作原理即:各元件之间的转速关系(行星齿轮机构的特性方程式)为:19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统单排圆柱行星齿轮机构必须将太阳轮、齿圈、行星架三个原件中的一个加以固定,或者将某两个元件相互连接在一起,输入与输出才能获得一定的传动比。(三)单排圆柱行星齿轮机构的传动规律与传动比的计算单排圆柱行星齿轮机构传动比的计算方式有两种:一种是根据单排圆柱行星齿轮机构的特性方程式计算行星齿轮机构的传动比;另一种是利用杠杆法计算单排圆柱行星齿轮机构的传动比。19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(三)单排圆柱行星齿轮机构的传动规律与传动比的计算1.利用特性方程式计算行星齿轮机构的传动比19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(三)单排圆柱行星齿轮机构的传动规律与传动比的计算单排行星结构可以用一个简单杆模型来表示。在杆模型中,三个结点分别为齿圈(r)、行星架(c)和太阳轮(s);齿圈和行星架之间的杆长度定义为1,则行星架和太阳轮之间的杆长度等同于齿圈与太阳轮齿数的比值α。行星齿轮的各元件的转矩简化为杆模型中各相应结点处的水平作用力,杆模型中的各结点处的水平位移代表了行星轮系中各元件的齿轮旋转速度。线段相对于垂直杠杆的位置表示构件的转向,当线段位于杠杆右侧时表示构件正转,线段位于杠杆左侧时,表示构件反转。图19-19所示为行星齿轮机构杠杆法分析原理图。2.利用杠杆法计算行星齿轮机构的传动比图19-1919.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(三)单排圆柱行星齿轮机构的传动规律与传动比的计算利用三角形相似原理可得太阳轮、行星齿轮、齿圈之间的转速关系为2.利用杠杆法计算行星齿轮机构的传动比所以：利用杠杆平衡原理可得太阳轮、行星齿轮、齿圈之间的转矩关系19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(三)单排圆柱行星齿轮机构的传动规律与传动比的计算行星齿轮各元件分别作为制动件时的杠杆图见表19-1。2.利用杠杆法计算行星齿轮机构的传动比19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(四)混合动力汽车中行星齿轮式动力耦合器的组合形式混合动力汽车中采用行星齿轮机构作为动力耦合器时,行星齿轮机构可以采用不同的连接方式与混合动力汽车中的发动机、电动机(或者发电机)和驱动电机进行连接。行星齿轮机构与发动机、电动机和发电机有6种不同的连接方式(见表19-2),适合车辆应用的有两种:a、b。注:1为发动机;2为MG1;3为MG2;4为输出轴;MG1与MG2都是驱动电机/发电机。19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(四)混合动力汽车中行星齿轮式动力耦合器的组合形式表19-2中图a是丰田Prius混合动力系统THS(ToyotaHybirdSystem)的连接形式,在THS混合动力系统中,发动机的输出轴与行星齿轮机构中的行星架相连,MG1与太阳轮相连,MG2与齿圈相连,详见图19-20、图19-21、图19-22、图19-23所示。

图19-201—发动机2—扭转减振器3—MG14—行星齿轮机构5—MG26—链传动7—中间齿轮8—主减速器9—驱动桥

图19-211—发动机2—MG13—行星齿轮机构4—MG25—链传动

图19-221—MG12—行星齿轮机构3—MG2

图19-231—齿圈2—行星齿轮3—太阳轮19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(四)混合动力汽车中行星齿轮式动力耦合器的组合形式表19-3中利用杠杆法介绍了丰田Prius的几种典型工况,箭头方向指向垂直杠杆时表示从动输出(即从动),箭头方向背向垂直杠杆时表示主动输入(即驱动)。MG1、MG2主动输入时作为电动机消耗电能,从动时作为发电机产生电能。19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(四)混合动力汽车中行星齿轮式动力耦合器的组合形式19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(四)混合动力汽车中行星齿轮式动力耦合器的组合形式19.2混合动力汽车动力传动系统四、混联式混合动力系统(四)混合动力汽车中行星齿轮式动力耦合器的组合形式1)纯电动模式。车辆在低负荷情况下工作时,由于发动机在低负荷工况时处在高油耗、高排放污染区域,所以此时控制发动机不运行,而是通过蓄电池向MG2提供电能驱动车辆行驶,MG1反向旋转但不发电。2)发动机起动工况。当电源控制ECU模块监测到加速踏板开度加大需要起动发动机提供更多的驱动转矩时,主ECU便控制蓄电池向MG1供电,使MG1先停止反向转动,再使得MG1以较低转速正向旋转从而起动发动机;然后当电源控制ECU模块接收到发动机已经运转的信号后会立即切断MG1的驱动电流,已经起动的发动机带动MG1正向旋转从而将其转换成发电机对蓄电池进行充电。3)发动机和MG2共同驱动。车辆在正常行驶状态时