混合动力汽车耦合技术资料讲解课件

混合动力汽车动力耦合技术混合动力汽车动力耦合技术 LH车辆1202班混合动力汽车动力耦合技术LH提纲提纲混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的动力耦合技术混合动力汽车的动力耦合技术提纲混合动力汽车的构型分析l l 混合动力混合动力混合动力混合动力(电动电动电动电动)汽车汽车汽车汽车 (Hybrid Electric Vehicle)(Hybrid Electric Vehicle)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。混合动力汽车的概念混合动力汽车的概念GB/T 19596-2004 GB/T 19596-2004 电动汽车术语电动汽车术语电动汽车术语电动汽车术语 混合动力(电动)汽车(Hybrid Electricn n混混合合动动力力驱驱动动系系阶阶次次:混混合合动动力力驱驱动动系系阶阶次次是是指指驱驱动动系系中中所所具具有有的的可可独独立立驱动车辆驱动车辆行行驶驶的的单单个个驱动驱动系数目，系数目，记为记为N NDD；n n混混合合动动力力驱驱动动系系联联结结部部件件：用用于于实实现现串串联联、并并联联的的耦耦合合部部件件的的总总称称，比比如如实实现现电电电电混混合合的的功功率率器器件件控控制制单单元元，用用于于实实现现机机电电混混合合动动力力的的动动力力耦耦合合装装置等；置等；n n混混合合动动力力驱驱动动系系指指数数:混混合合动动力力驱驱动动系系指指数数是是指指驱驱动动系系中中所所具具有有的的用用于于实实现动现动力和能源合成的力和能源合成的联联接部件个数，接部件个数，记为记为N NCC。n n混合混合动动力力驱动驱动系的复系的复杂杂程度程度 混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析混合动力驱动系阶次:混合动力驱动系阶次是指驱动系中所具有的混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析车辆驱动系可抽象为如图示的典型结构。混合动力汽车的构型分析车辆驱动系可抽象为如图示的典型结构。混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析 该该混合混合动动力力驱动驱动系的系的阶阶次次为为3 3，指数，指数为为2 2。复复杂杂程度程度为为3232。具体具体为为多种能源存多种能源存储联储联合式串合式串联联 +双双轴联轴联合式并合式并联联。混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析该混合动力驱动系的阶次为3，指数为2。混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析车载能源车载能源动力生动力生成装置成装置动力传动系动力传动系能量存储能量存储能量调节和转化能量调节和转化特性场转化装置特性场转化装置驱动轮驱动轮气罐气罐发动机发动机CVTCVT前轮前轮动力电池组动力电池组前电动机前电动机前轮前轮气罐气罐发动机发动机-前电动机前电动机后电动机后电动机后轮后轮动力电池组动力电池组后电动机后电动机后轮后轮 该该混合混合动动力力驱动驱动系的系的阶阶次次为为4 4，指数，指数为为3 3。复复杂杂程度程度为为4343。具具体体为为多多种种能能源源存存储储联联合合式式串串联联 +双双轴轴联联合合式式并并联联+驱驱动动力力联联合式并合式并联联。混合动力汽车构型分析混合动力汽车构型分析车载能源动力生动力传动系能量存储能量调节和转化特性场转化装置混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析 该该混合混合动动力力驱动驱动系的系的阶阶次次为为4 4，指数，指数为为3 3。复复杂杂程度程度为为4343。具具体体为为多多种种能能源源存存储储联联合合式式串串联联 +双双轴轴联联合合式式并并联联+驱驱动动力力联联合式并合式并联联。混合动力汽车构型分析混合动力汽车构型分析车载车载能源能源动动力生成装力生成装置置动动力力传动传动系系能量存能量存储储能量能量调节调节和和转转化化特性特性场转场转化装置化装置驱动轮驱动轮油箱油箱发动发动机机传动传动系系统统前前轴轴油箱油箱发动发动机机-电动电动/发电发电机机1 1电动电动/发电发电机机2 2后后轴轴动动力力电电池池组组电动电动/发电发电机机1 1传动传动系系统统前前轴轴动动力力电电池池组组电动电动/发电发电机机2 2后后轴轴该混合动力驱动系的阶次为4，指数为3。混合动力汽车构型分析车提纲提纲混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析混合动力汽车动力耦合技术混合动力汽车动力耦合技术提纲混合动力汽车的构型分析 根据电动机和发动机的组合形式，可分为以下三类：根据电动机和发动机的组合形式，可分为以下三类：HEV 动力耦合方式的分力耦合方式的分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HEV 动力耦合方式的分类动力耦合主要是针对并联或混联式混合1 扭矩扭矩耦合耦合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。1 扭矩耦合扭矩耦合式扭矩扭矩耦合耦合1 1齿轮齿轮耦合式耦合式耦合式耦合式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 扭矩耦合1齿轮耦合式T3 =(T1 +k T2扭矩扭矩耦合耦合2 2 磁磁磁磁场场耦合式耦合式耦合式耦合式 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 扭矩耦合2 磁场耦合式 T3 =T1 +T2;扭矩扭矩耦合耦合3 3 链链或或带带耦合式耦合式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 扭矩耦合3 链或带耦合式 T3 =(T1 +k 2 转速速耦合耦合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。2 转速耦合转速耦合式转速速耦合耦合1 1 行星行星行星行星齿轮齿轮式式式式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98%),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。转速耦合1 行星齿轮式转速速耦合耦合2 2 差速器式差速器式差速器式差速器式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。转速耦合2 差速器式3 牵引力耦合式引力耦合式牵引力耦合式引力耦合式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=2i2T2/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。3 牵引力耦合式牵引力耦合式牵引力耦合式引力耦合式牵牵引力耦合式引力耦合式引力耦合式引力耦合式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。牵引力耦合式牵引力耦合式4 混合耦合式混合耦合式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。4 混合耦合式混合耦合式混合耦合式混合耦合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。混合耦合式日本丰田汽车公司开发的Pruis HEV混合驱动结各种各种动力耦合方式的比力耦合方式的比较及及 HEV 传动系系统的研制方向与的研制方向与趋势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:各种动力耦合方式的比较及 HEV 传动系统的研制方向与趋势表1HEV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。1HEV要有高效方便的能量回收功能。能量回收是提高HEV燃油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。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。5 HEV传动系统的机械结构要尽可能紧凑、高效，复杂功能的实谢谢谢谢谢谢