混合动力汽车耦合技术.ppt

LH车 辆 1 2 0 2 班 HEV, 指 能 够 至 少 从 下 述 两 类 车 载 储 存 的 能 量 中 获 得 动 力 的 汽 车 ： 可 消 耗 的燃 料 ； 可 再 充 电 能 /能 量 储 存 装 置 。 串 联 式 混 合 动 力 (电 动 )汽 车 Series Hybrid Electric Vehicle:SHEV车辆 的 驱 动 力 只 来 源 于 电 动 机 的 混 合 动 力 (电 动 )汽 车 ； 并 联 式 混 合 动 力 (电 动 )汽 车 Parallel Hybrid Electric Vehicle:PHEV车 辆 的 驱 动 力 由 电 动 机 及 发 动 机 同 时 或 单 独 供 给 的 混 合 动 力 (电 动 )汽 车 ； 混 联 式 混 合 动 力 (电 动 )汽 车 Combined Hybrid Electric Vehicle: CHEV同 时 具 有 串 联 式 、 并 联 式 驱 动 方 式 的 混 合 动 力 (电 动 )汽 车 。 插 电 式 混 合 动 力 (电 动 )汽 车 Plug-in Hybrid Electric Vehicle: PHEV可以 使 用 电 力 网 (包 括 家 用 电 源 插 座 )对 动 力 电 池 充 电 的 混 合 动 力 汽 车 ， 具 有纯 电 动 行 驶 较 长 距 离 的 功 能 ， 但 需 要 时 仍 然 可 以 工 作 在 全 混 合 模 式 。 车 辆 驱 动 系 可 抽 象 为 如 图 示 的 典 型 结 构 。 根 据 电 动 机 和 发 动 机 的 组 合 形 式 ， 可 分 为以 下 三 类 ： 动 力 耦 合 主 要 是 针 对 并 联 或 混 联 式混 合 动 力 车 的 动 力 系 统 ， 根 据 多 个动 力 源 输 出 动 力 耦 合 方 式 的 不 同 ，将 HEV动 力 系 统 分 为 ： 下 面 将 分 别 从 动 力 学 和 运 动学 规 律 、 传 动 效 率 、 能 量 流 动 路径 等 方 面 分 别 分 析 这 4类 传 动 方式 的 动 力 耦 合 过 程 。 以 两 动 力 源为 例 ， 设 动 力 源 1(发 动 机 )的 输出 扭 矩 为 T1， 输 出 转 速 为 n1。 动力 源 2(电 动 机 )的 输 出 扭 矩 为 T2，输 出 转 速 为 n2： 耦 合 后 的 输 出扭 矩 为 T3， 输 出 转 速 为 n3。扭 矩 耦 合 式转 速 耦 合 式牵 引 力 耦 合 式混 合 耦 合 式 扭 矩 耦 合 式扭 矩 耦 合 式 动 力 系 统 是 指 2 个 ( 多 个 ) 动 力 源 的 输 出动 力 在 耦 合 过 程 中 , 两 动 力 源 的 输 出 扭 矩 相 互 独 立 , 而 输出 转 速 必 须 互 成 比 例 , 最 终 的 合 成 扭 矩 是 两 动 力 源 输 出 扭矩 的 耦 合 叠 加 , 而 合 成 转 速 则 不 是 两 动 力 源 输 出 转 速 的叠 加 , 合 成 扭 矩 式 中 :、 k 分 别 为 耦 合 效 率 和 从 动 力 源 2 到 动 力 源 1的 传 动 比 。 依 据 机 械 结 构 的 不 同 , 扭 矩 耦 合 方 式 又 可 分为 齿 轮 耦 合 、 磁 场 耦 合 、 链 或 带 耦 合 3 种 。 齿 轮 耦 合 这 种 动 力 耦 合 方 式通 过 啮 合 齿 轮 (组 ) 将 多 个 输 入动 力 合 成 在 一 起 输 出 。这 种 耦 合 方 式 结 构 简 单 ,可以 实 现 单 输 入 、 双 输 入 等 多 种驱 动 方 式 ,耦 合 效 率 较 高 ,控 制相 对 简 单 ; 但 由 于 齿 轮 是 刚 性啮 合 的 ,在 动 力 切 换 、 耦 合 过 程中 易 产 生 冲 击 。 T3 =( T1 + k T2 ) ; n3 = n1 = 1 / k n2 磁 场 耦 合 式 这 种 耦 合 方 式是 将 电 机 的 转 子 与 发 动 机 输 出轴 做 成 一 体 ,通 过 磁 场 作 用 力 将电 机 输 出 动 力 与 发 动 机 输 出 动力 耦 合 在 一 起 。这 种 耦 合 方 式 耦 合 效 率 高 ,结 构 紧 凑 ,耦 合 冲 击 小 ,能 量 回馈 方 便 、 效 率 高 ;但 混 合 度 (电机 功 率 与 发 动 机 功 率 之 比 ) 低 ,电 机 一 般 只 能 起 辅 助 驱 动 的 作用 。 由 于 电 机 转 子 具 有 一 定 的惯 性 ,所 以 多 用 于 轻 度 混 合 的 电动 车 上 。 T3 = T1 + T2 ; n3 = n1 = n2 这 种 耦 合 方 式 通 过链 条 或 皮 带 将 两 动 力源 输 出 动 力 进 行 合 成 。链 或 带 耦 合 结 构 简 单 ,冲 击 小 ,但 是 耦 合 效 率低 。 T3 =( T1 + k T2 ) , n3 = n1 = 1 / k n2 转 速 耦 合 式转 速 耦 合 式 动 力 系 统 是 指 2 个 (多 个 )动 力 源 的 输 出 动 力 在耦 合 过 程 中 ,两 动 力 源 的 输 出 转 速 相 互 独 立 ,而 输 出 扭 矩 必须 互 成 比 例 ,最 终 的 合 成 转 速 是 两 动 力 源 输 出 转 速 的 耦 合 叠加 ,合 成 扭 矩 则 不 是 两 动 力 源 输 出 扭 矩 的 叠 加p、 q由 耦 合 器 的 结 构 确 定 。依 据 驱 动 结 构 的 不 同 ,转 速 耦 合 方 式 又 可 分 为 行 星 齿 轮式 和 差 速 器 式 2 种 。 行 星 齿 轮 式 这 是 一 种普 遍 采 用 的 动 力 耦 合 形式 ,通 常 发 动 机 输 出 轴 与太 阳 轮 连 接 ,电 机 与 齿 圈连 接 ,行 星 架 作 为 输 出 端 。行 星 齿 轮 式 耦 合 的 结构 简 单 ,传 动 效 率 高 (约9 8 %),混 合 程 度 高 ,并 且还 可 实 现 多 形 式 驱 动 ,动力 切 换 过 程 中 冲 击 较 小 ,但 整 车 驱 动 控 制 难 度 增大 。 差 速 器 实 际 上 是 行 星 齿轮 系 k = 1 时 的 一 种 特 殊 情况 。 对 一 般 差 速 器 ,将 动 力分 解 ,对 此 逆 用 即 可 实 现 动力 的 耦 合 。差 速 器 耦 合 方 式 与 行 星齿 轮 耦 合 方 式 基 本 类 似 ,只是 二 者 对 发 动 机 和 电 机 的动 力 性 能 要 求 不 同 ,从 而 导致 HEV动 力 混 合 程 度 高 低不 同 。 差 速 器 式 HEV要 求发 动 机 和 电 机 动 力 参 数 相当 ,动 力 混 合 程 度 比 较 高 。 这 种 耦 合 方 式 比 较 特 殊 ,发 动 机 驱 动 汽 车 前 轮 (后 轮 ),电 机驱 动 后 轮 (前 轮 ),通 过 前 后 车 轮 驱 动 力 将 多 个 动 力 源 输 出 动力 合 成 在 一 起 。 动 力 合 成 规 律 为 ，式 中 :F为 整 车 驱 动 力 ;F1 为 发 动 机 最 终 作 用 在 前 轮 上 的 驱动 力 , n1 为 从 发 动 机 到 前 轮 的 传 动 效率 ;i1 为 从 发 动 机 到 前 轮 的 传 动 比 ;F2 为 电 机 最 终 作 用 在 后 轮上 的 驱 动 力 ,F2 =2 i2 T2 /r;2 为 从 电 机 到 后 轮 的 传 动 效 率 ;i2为 从 电 机 到 后 轮 的 传 动 比 。 这 种 耦 合 方 式结 构 简 单 ,改 装 方便 ,可 实 现 单 、 双模 式 驱 动 及 制 动再 生 多 种 驱 动 方式 ,但 整 车 的 驱 动控 制 更 为 复 杂 。 混 合 耦 合 式混 合 耦 合 式 是 一 种 采 用 前 面 2 种 或 2 种 以 上 耦 合 方 式 的 动力 耦 合 方 式 。如 日 本 丰 田 汽 车 公 司 开 发 的 Pruis 的 HEV混 合 驱 动 结 构(如 下 图 所 示 )发 动 机 与 发 电 机 的 动 力 耦 合 是 行 星 齿 轮 式 ,之后 两 者 的 合 成 动 力 又 与 电 机 动 力 进 行 齿 轮 式 耦 合 ,最 终 的 合动 力 驱 动 差 速 器 ;再 如 福 特 汽 车 公 司 的 Escape(如 下 图 所 示 ),其 动 力 合 成 是 磁 场 扭 矩 耦 合 与 行 星 齿 轮 转 速 耦 合 2 种 方 式的 结 合 ;此 外 ,美 国 加 州 大 学 提 出 的 一 种 先 进 、 高 效 HEV传 动系 统 的 动 力 合 成 也 采 用 混 合 耦 合 方 式 。 日 本 丰 田 汽 车 公 司 开发 的 Pruis HEV混 合 驱动 结 构 福 特 汽 车 公 司 的 Escape混 合 耦 合 方 式 将 几 种 耦 合 方 式 相 结 合 ,可 方 便 地 实 现 多 模 式 驱 动 ,还 可 实 现 三 动 力 源 输 出 或 更 多 动 力 源 输 出 的 耦 合 ;能 量 回 馈 容 易 ,动力 混 合 度 高 。 但 混 合 耦 合 方 式 的 结 构 复 杂 ,驱 动 控 制 相 对 麻 烦 。 表 为 从 动 力 混 合 度 动 力 切 换 平 顺 性 结 构 复 杂 程 度 、 耦 合 效 率 、是 否 容 易 控 制 、 能 否 实 现 多 模 式 驱 动 及 造 价 等 角 度 对 以 上 各 动 力 耦合 方 式 进 行 评 价 的 结 果 。 通 过 分 析 和 比 较 , 结 合 国 内 外 HEV 研 究 和 发展 现 状 ,一 款 理 想 、 高 效 、 紧 凑 、 经 济 的 HEV 动 力 系 统 必 须 具 备 以 下5 点 : 1 HEV要 有 高 效 方 便 的 能 量 回 收 功 能 。 能 量 回 收 是提 高 HEV燃 油 经 济 性 的 最 有 效 途 径 之 一 ， 特 别 是 对城 市 行 驶 车 辆 。 2 要 从 根 本 上 提 高 燃 油 经 济 性 ， 减 少 排 放 ， HEV的机 (内 燃 机 动 力 )电 ( 电 机 动 力 )混 合 度 不 能 太 低 。 因为 混 合 度 太 低 ， 则 接 近 一 般 燃 油 汽 车 ， 很 难 达 到 预期 效 果 。 但 从 目 前 国 内 外 H EV 技 术 研 究 水 平 来 看 ，混 合 度 也 不 能 太 高 ， 因 为 太 高 ,电 力 驱 动 起 主 要 作用 ， 势 必 会 增 加 电 池 的 重 量 ， 增 加 车 重 ， 反 而 增 大燃 油 消 耗 。 3 要 使 发 动 机 一 直 工 作 于 理 想 工 况 ,HEV驱 动 系 统 必须 具 有 无 级 变 速 功 能 。 HEV能 提 高 燃 油 经 济 性 、降 低 排 放 的 关 键 是 在 车 辆 运 行 时 改 善 发 动 机 工 作状 况 ， 使 其 工 作 于 经 济 工 况 下 ， 而 彻 底 解 决 这 一问 题 的 方 法 就 是 采 用 无 级 变 速 。 采 用 无 级 变 速 传动 还 可 大 大 提 高 制 动 能 量 再 生 效 率 。 4 HEV多 能 源 输 出 的 动 力 耦 合 或 动 力 切 换 (驱 动 模式 从 一 个 动 力 源 切 换 到 另 一 个 动 力 源 )要 平 顺 ， 以保 证 汽 车 的 行 驶 平 顺 性 和 驾 驶 性 能 。 5 HEV传 动 系 统 的 机 械 结 构 要 尽 可 能 紧 凑 、 高 效 ，复 杂 功 能 的 实 现 尽 可 能 依 靠 电 子 软 ， 以 降 低 整 车制 造 成 本 ， 为 批 量 生 产 打 下 基 础 。 以 上 是 目 前 HEV动 力 传 动 系 统 研 制 的 方 向 和 趋 势 ，也 是 现 阶 段 使 HEV达 到 较 高 燃 油 经 济 性 ， 较 低 排放 的 理 想 措 施 。 谢 谢