1、第四章 混合動力(dngl)驅動系統 的設計原理共三十二頁混合(hnh)動力電動汽車分類：串聯式、并聯式、混聯式和復合式，其功能如下：一、HEV驅動系統(xtng)的結構在驅動系統內部存在兩類能量流，分別為機械能量流和電能量流。在功率交匯點處，始終以同一類功率形式，即電氣的或機械的功率形式，而不是電氣的和機械的功率形式，呈現著兩個功率的相加或將一個功率分解為兩個功率。共三十二頁一、HEV驅動(q dn)系統的結構串聯式的特征：在功率變換器中兩個電功率相加，該功率變換器起電功率耦合器的作用，控制從蓄電池組和發電機到電動機的功率流；或反向(fn xin)控制從電動機到蓄電池組的功率流。燃油箱、內燃

2、機和發電機組成基本能源，而蓄電池組則起能量緩沖器的作用并聯式的特征：在機械耦合器中兩個機械功率被相加在一起。內燃機是基本能源設備，而蓄電池組和電動機驅動裝置則組成能量緩沖器。此時，功率流僅受動力裝置內燃機和電動機所控制。共三十二頁混聯式的特征：使用了兩個功率耦合器機械的和電氣的耦合器。具有串聯式和并聯式的主要特性，擁有更多的運行模式(msh)；從另一方面來說，其結構相對地更為復雜，且成本較高。復合式的特征(tzhng)：具有與混聯式相似的結構。唯一的差異在于電耦合功能由功率變換器轉移到蓄電池組，并且在電動機/發電機組和蓄電池組之間加入了一個功率變換器。一、HEV驅動系統的結構共三十二頁1 串聯

3、式混合動力驅動(q dn)系統（電耦合） 單向能源為燃油箱，而單向的能量變換器（動力裝置）為發動機和發電機的組合。發電機的輸出通過可控的電子變流器（整流器）連接(linji)到電力 (DC)總線； 雙向能源為蓄電池組單元，并通過可控的雙向電力電子變換器 (DC-DC變換器）連接到電力（DC）總線。 電力總線連接到電動機的控制器，控制牽引電動機為電動機或發電機，并以正向或反向運轉。共三十二頁2 并聯式混合動力驅動系統(xtng)（機械耦合）由發動機直接向驅動輪機械動力，由機械上與傳動系相配合的電動機予以輔助，并通過機械聯軸器使兩者共同配合提供(tgng)動力。特點：發動機和電動機都直接向驅動輪提

4、供轉矩，不存在能量形式的轉換，因而能量損失較少；不需要附加的發電機，牽引電動機相比于串聯式的牽引電動機小，因此結構緊湊；發動機和驅動輪之間存在著機械聯軸器，因此其運行點不可能固定在 一個狹小的轉速和轉矩區域內。共三十二頁2 并聯式混合(hnh)動力驅動系統（機械耦合）轉矩耦合機械(jxi)聯軸器將發動機與電動機的轉矩相加，并將總轉矩傳遞給驅動輪機械耦合包括轉矩耦合和轉速耦合 發動機和電動機的轉矩可分別獨立控制，但受到功率守恒的約束。發動機轉速、電動機轉速以及 車速以某一確定關系相互耦合，不可能獨立控制。轉速耦合機械聯軸器將發動機和電動機的轉速相加，且所有的轉矩被耦合在一起，不能獨立控制共三十二

5、頁2 并聯式混合(hnh)動力驅動系統（機械耦合）2.1 轉矩耦合右圖：端口1為單向的輸入；端口2和端口3為雙向的輸入或輸出，但兩者不能同時為輸入。 端口1直接地或通過機械傳動裝置連接(linji)到發動機；端口2直接地或通過機械傳動裝置連接到電動機；端口3則通過機械耦合裝置連接到驅動輪。若忽略損耗，則輸入功率始終等于輸出功率。設端口2處于驅動狀況，即電動機為輸入功率，則向驅動輪的輸出功率為P3=T33,轉矩耦合器可表示為角速度之間的關系為：共三十二頁二、常用的機械(jxi)轉矩耦合裝置傳動裝置可配置在不同的位置(wi zhi)，并設計為不同的排檔數，從而導致相異的牽引特性。優化設計主要取決于

6、牽引需求、發動機尺寸、電動機尺寸以及轉矩轉速特性等。共三十二頁采用了兩個(lin )傳動裝置，一個位于發動機與轉矩耦合裝置之間；另一個位于電動機和轉矩耦合裝置之間。兩個(lin )傳動裝置可以是單檔或多檔的傳動裝置。兩軸式結構(jigu)傳動裝置的檔位數決定牽引力轉速特性曲線的形式。故兩個多檔傳動裝置能夠為發動機和電動機運行在其最佳區域提供更多的可能性。但兩個多檔傳動裝置將使電驅動系統明顯復雜化，并為選擇每個傳動裝置特定的排檔而增加了控制系統的難度。二、常用的機械轉矩耦合裝置兩軸式和單軸式共三十二頁a)兩個(lin )多檔傳動裝置b)多檔發動機傳動裝置和單檔電動機傳動裝置c)單檔發動機傳動裝置

7、和多檔電動機傳動裝置d)兩個單檔傳動裝置二、常用(chn yn)的機械轉矩耦合裝置共三十二頁傳動裝置(zhungzh)位于轉矩耦合裝置(zhungzh)和驅動軸之間，以相同比例提高發動機和電動機的轉矩。轉矩耦合裝置的傳動比k1和k2的設計將使電動機和發動機能同時達到其最大轉速。這一設計適用于相對采用小型發動機和電動機的情況，同時需應用一個多檔傳動裝置以增大低速時的牽引力。另一種兩軸式并聯混合動力電驅動(q dn)系統二、常用的機械轉矩耦合裝置共三十二頁單軸結構：結構簡單，緊湊(jncu)，其中電動機轉子起轉矩耦合裝置的作用。電動機可布置在發動機和傳動裝置之間，被歸類為前傳動裝置；或布置在傳動裝

8、置和末級驅動之間，被歸類為后傳動裝置。前傳動裝置：發動機和電動機必須有相同的轉速范圍，常用于小型電動機的情況，屬于輕度混合動力電驅動(q dn)系，其中電動機起著發動機的起動機、發電機、動力輔助機和再生制動的作用。后傳動裝置：電動機轉矩直接傳遞到末級驅動，傳動裝置僅能調節發動機轉矩?？捎糜谟写蠓秶愎β蕝^的大型電動機的電驅動系統。二、常用的機械轉矩耦合裝置共三十二頁常用(chn yn)的機械轉矩耦合裝分離軸結構形式：其中一根軸由發動機提供動力(dngl)，而另一根軸則由電動機提供動力(dngl)。應用于發動機和電動機的兩個傳動裝置可采用單檔傳動裝置，也可采用多檔傳動裝置。分離軸的結構形式提供了

9、某些傳統車輛的優點。它保持了原始發動機和傳動裝置不變，并在另一軸上附加了一個電牽引系統。它也有四輪驅動形式，由此可優化在光滑路面上的牽引力，且減小了作用于單個輪胎上的牽引力。二、常用的機械轉矩耦合裝置共三十二頁常用的機械(jxi)轉速耦合裝置轉速耦合器也是一個(y )三端口、兩自由度的機械裝置。端口1以單向能量流連接至發動機，端口2和端口3以雙向能量流連接至電動機和載荷（末級驅動）。轉速耦合特性為：三、常用的機械轉速耦合裝置共三十二頁常用的機械轉速(zhun s)耦合裝置典型的轉速耦合器件行星齒輪機構。是一個三端口組件，由分別標記為1、2和3的中心齒輪、齒圈和行星齒輪支架(zhji)構成。其中

10、心齒輪、齒圈和行星齒輪支架(zhji)之間的轉速關系為：三、常用的機械轉速耦合裝置中心齒輪1作用在行星輪上的力矩： M1=F1r1 (1)齒圈2作用在行星輪上的力矩： M2=F2r2 (2)行星架3作用在行星輪上的力矩： M3=F3r3 (3)又： r3=(r1+r2)=(1+ )r1 (4)由行星輪的力平衡條件得： F1=F2 (5) F3=2F1=2F2 (6)共三十二頁將（4）（ 6 ）代入（1）（3）可以得到： M1=F1r1; M2= F1r1; (7) M3=-( +1)F1r1;根據(gnj)能量守恒，三個元件輸入和輸出的功率代數和為0： M11+M22+M33=0 (8)其中1

11、，2，3分別為中心齒輪、齒圈和行星架的角速度。將（7）代入（8）可以(ky)得到：1+ 2(1+ ) 3=0 (9)將角度替換為轉速，(9)可寫為：n1+ n2(1+ )n3=0 (10) 式（10）行星齒輪機構運動學特性方程式。太陽輪、齒圈與行星齒輪架3者中可任選2個分別作為主動件和從動件，另一固定不動，輪系可傳遞動力；如果有兩個被固定在一起，則第三個的速度與前兩個相同，傳動比為1；如果三個均為自由轉動，則行星齒輪不能傳遞動力，相當于空檔。行星架被固定時，太陽輪、齒圈轉速相反，可作為倒檔。共三十二頁常用(chn yn)的機械轉速耦合裝置當中心齒輪、齒圈或行星(xngxng)齒輪支架中的某一個

12、部件固定（如被鎖定在靜止的車架上）時，該行星(xngxng)齒輪機構將成為一個單檔傳動裝置（一端輸入和一端輸出）。當不同的部件被固定時，其轉速和轉矩關系見下表。三、常用的機械轉速耦合裝置共三十二頁轉速(zhun s)耦合的電驅動系統發動機通過離合器和傳動裝置向中心齒輪傳遞動力，傳動裝置用以調整發動機的轉速轉矩特性，以便匹配牽引的要求?；诎l動機的轉速轉矩特性圖，傳動裝置可以是多檔的或單檔的。電動機通過一對(y du)齒輪向齒圈供給動力，鎖定器1和鎖定器2用來將中心齒輪和齒圈鎖定在靜止的車梁上，以便滿足不同運行模式的需要。可實現混合牽引（鎖定器1和2被釋放時）、單發動機牽引（鎖定器2將齒圈鎖定在

13、車梁上，而鎖定器1被釋放）、單電動機牽引（鎖定器1將中心齒輪鎖定在車梁上（發動機關閉，且離合器脫開），而鎖定器2被釋放時）、再生制動（鎖定器1和鎖定器2的狀態為單電動機牽引的模式，發動機關閉，離合器脫開）、蓄電池由發動機充電。共三十二頁四、轉矩耦合與轉速耦合的并聯式混合動力(dngl)電驅動系統轉矩耦合和轉速耦合狀態交替地選擇(xunz)當選擇轉矩耦合運行模式時，鎖定器2將行星齒輪機構的齒圈鎖定 在車架上，同時離合器1和離合器3嚙合，而離合器2脫開。于是，通過經由齒 輪Za、Zb和離合器3到中心齒輪軸的轉矩相加，發動機和電動機的動力一起相加。此時，行星齒輪機構僅起減速器的作用。當選擇轉速耦合運

14、行模式時，離合器1和2嚙合，而離合器3脫開，同時，鎖定器1和2釋放中心齒輪和齒圈。此時，連接到驅動車輪的行星架的轉速是發動機轉速和電動機轉速的組合。但是，發動機轉矩、電動機轉矩以及作用于驅動輪上的轉矩保持為固定不變的關系。共三十二頁轉矩耦合與轉速耦合的并聯式混合(hnh)動力電驅動系統通過增加另一動力裝置，可在同一時刻實現兼有轉速和轉矩耦合模式的混合動力電驅動系統。如豐田汽車公司的Prius混合動力電動轎車行星齒輪機構用作轉速耦合裝置；固定軸齒輪組件用作轉矩耦合裝置。發動機被連接到行星齒輪支架，而一個小型電動發電機（幾千瓦）則連接到行星齒輪機構的中心齒輪， 組成轉速耦合整體結構(jigu)。齒

15、圈通過固定軸的齒輪組件（轉矩耦合器）被連接到驅動輪上。同時，牽引電動機也連接到固定軸的齒輪組件，以組成轉矩耦合結構。四、轉矩耦合與轉速耦合的并聯式混合動力電驅動系統固定軸齒輪組件共三十二頁五、電動汽車混合動力驅動(q dn)系統設計設計指標：主要包括：發動機功率、電動機功率，電源峰值功率及能量/容量，傳動裝置以及電驅動系統的控制策略。設計任務：1）滿足要求的性能指標，如爬坡能力、加速性能和最高車速等，此外，還有經濟性指標、排放指標等；2）實現系統的高效率運行；3）在高速公路和市區行駛期間，保持蓄電池組荷電狀態 在適當的電平，而不必從車輛外部予以充電；4）具有再生制動回收系統，且能夠(nnggu

16、)回收盡可能多的制動能量。共三十二頁五、電動汽車混合動力(dngl)驅動系統設計牽引電動機的額定功率( dn n l)在串聯式HEV中，電動機的額定功率完全取決于車輛加速性能要求、電動機特性和傳動裝置特性。在設計的初始階段，可按照加速性能估算電動機的額定功率。3. 設計原理第一項表示用以加速車輛質量的功率；第二項和第三項分別表示克服輪胎滾動阻力和空氣阻力所需的平均功率。（11）共三十二頁五、電動汽車混合動力(dngl)驅動系統設計下圖是配置有兩檔傳動裝置的牽引力和牽引功率與車速的關系。Vb1 Vb2 加速時，若以低速檔起步，牽引力按跡線a-b-d-e-f變化。在點f處，電動機達到最大轉速，為進

17、一步加速傳動裝置應切換到高檔(godng)。此時，車輛的基速為Vbl。 當應用單檔傳動裝置時，即僅高速檔可供應用時，牽引力按跡線c-d-e-f-g變化，且Vb =Vb2對加速期間給定的終速，如位于點e處的100km/h，配置兩檔傳動裝置的車輛加速時間短，主要是因為在低速時用低檔，按a-b-d變化的牽引力, 將大于高檔時按c-d變化的牽引力。3. 設計原理共三十二頁五、電動汽車混合動力(dngl)驅動系統設計下圖是某電動機額定功率值與轉速比之間的關系。其中(qzhng)，轉速比定義為最高轉速與基速之比3. 設計原理上述方法確定的電動機額定功率可以滿足加速性能的基本要求，是一個估算值共三十二頁五、

18、電動汽車混合動力驅動(q dn)系統設計爬坡時牽引功率 在某些特定應用(yngyng)中，例如就越野軍用車輛而言，越野運行是首要關注的問題。此時，牽引電動機必須足夠有效地克服越野小徑上要求的最大坡度。爬坡時牽引功率可表達為：3. 設計原理不同轉速比和電動機額定功率下牽引力與車速的關系曲線（12）共三十二頁五、電動汽車混合動力驅動系統(xtng)設計發動機/發電機額定功率 在串聯式HEV中，發動機/發電機用于提供穩定功率，以防止峰值電源完全放電。因此，對于發動機/發電機的設計，應考慮兩種駕駛情況：長時間采用恒定車速的行駛情況，如在高速公路上的運行和在軟路面上的越野行駛；采用頻繁(pnfn)的停車

19、起動模式。3. 設計原理在平坦路面上恒速行駛時，輸出功率為：可見，在恒定車速時的功率需求小于加速所需的功率.（13）共三十二頁五、電動汽車混合動力驅動(q dn)系統設計車輛在市區內以停車-起動模式行駛時，發動機/發電機所產生的功率應等于或略大于平均的負載功率，以保持峰值電源穩定的能量(nngling)儲存。平均的負載功率可表示為第一項為克服輪胎滾動阻力和空氣阻力所消耗的平均功率；第二項為消耗于加速和減速的平均功率。當車輛具有回收其全部動能的能力時，消耗于加速和減速的平均功率為零。3. 設計原理共三十二頁五、電動汽車混合動力(dngl)驅動系統設計在發動機/發電機設計(shj)中，其功率容量應大于或至少不小于維持車輛恒速 (運行于高速公路）行駛所需的功率，以及運行于市區時所需的平均功率；有兩種合理的設計方法 使發動機的運行點在其 效率最高點處，如圖中的a點所示。但因汽車行駛的大多數工況都不會用到發動機的最大功率， 故此方法設計的發動機功率偏大； 令發動機的運行點為點b，接近最大功率，以滿足加速和爬坡能力的需求。此方法設計的發動機功率較小，其運行效率低于，同時也沒有額外的功率供給車輛。3. 設計原理共三十二頁五、電動汽車混合動力(dngl)驅動系統設計峰值電源設計 要求在任何時刻均能向牽引電動機提供