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1、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 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 l l 混合动力混合动力( (电动电动) )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
2、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
3、念 GB/T 19596-2004 GB/T 19596-2004 电动汽车术语电动汽车术语 n n 混合动力驱动系阶次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可独立混合动力驱动系阶次是指驱动系中所具有的可独立 驱动车辆行驶的单个驱动系数目，记为驱动车辆行驶的单个驱动系数目，记为N N D D ； n n 混合动力驱动系联结部件：用于实现串联、并联的耦合部件的总称，比如混合动力驱动系联结部件：用于实现串联、并联的耦合部件的总称，比如 实现电电混合的功率器件控制单元，用于实现机电混合动力的动力耦合装实现电电混合的功率器件控制单元，用于实现机电混合动力的动力耦合装 置等；置
4、等； n n 混合动力驱动系指数混合动力驱动系指数: : 混合动力驱动系指数是指驱动系中所具有的用于实混合动力驱动系指数是指驱动系中所具有的用于实 现动力和能源合成的联接部件个数，记为现动力和能源合成的联接部件个数，记为N N C C 。 n n 混合动力驱动系的复杂程度混合动力驱动系的复杂程度 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混合动力汽车的构型分析 该混合动力驱动系的阶次为该混合动力驱动系的阶次为3 3，指数为，指数为2 2。 复杂程度为复杂程度为3232。 具体为多种能源
5、存储联合式串联具体为多种能源存储联合式串联 + + 双轴双轴联合式联合式并联。并联。 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 该混合动力驱动系的阶次为该混合动力驱动系的阶次为4 4，指数为，指数
6、为3 3。 复杂程度为复杂程度为4343。 具体为多种能源存储联合式串联具体为多种能源存储联合式串联 + + 双轴联合式并联双轴联合式并联+ +驱动驱动 力联合式并联。力联合式并联。 混合动力汽车构型分析混合动力汽车构型分析 混合动力汽车的构型分析混合动力汽车的构型分析 该混合动力驱动系的阶次为该混合动力驱动系的阶次为4 4，指数为，指数为3 3。 复杂程度为复杂程度为4343。 具体为多种能源存储联合式串联具体为多种能源存储联合式串联 + + 双轴联合式并联双轴联合式并联+ +驱动驱动 力联合式并联。力联合式并联。 混合动力汽车构型分析混合动力汽车构型分析 车载能源车载能源 动力生成装动力生
7、成装 置置 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 油箱油箱发动机发动机传动系统传动系统前轴前轴 油箱油箱发动机发动机- -电动电动/ /发电机发电机1 1电动电动/ /发电机发电机 2 2 后轴后轴 动力电池动力电池 组组 电动电动/ /发电机发电机 1 1 传动系统传动系统前轴前轴 动力电池动力电池 组组 电动电动/ /发电机发电机 2 2 后轴后轴 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 根据电动机和发动机的组合形式，可 分为以下三类： HEV HEV
8、动力耦合方式的分类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 1 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
9、 , 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 。 扭矩扭矩耦合耦合 1 1齿轮耦合式齿轮耦合式 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
10、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 扭矩扭矩耦合耦合 2 2 磁场耦合式磁场耦合式 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
11、 扭矩扭矩耦合耦合 3 3 链或带耦合式链或带耦合式 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 2 2 转速转速耦合耦合 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。 转速转速耦合耦合
12、1 1 行星齿轮式行星齿轮式 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。 转速转速耦合耦合 2 2 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
13、 要求发动机和电机动力参 数相当,动力混合程度比 较高。 3 3 牵引力耦合式牵引力耦合式 牵引力耦合式牵引力耦合式 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。 牵引力耦合式牵引力耦合式 牵引力耦合式牵引力耦合式 这种耦合方式 结构简单,改装 方便,
14、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。 4 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。 混合耦合式混合耦合式 日本丰田
15、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。 各种动力耦合方式的比较及各种动力耦合方式的比较及 HEV HEV 传动系传动系 统的研制方向与趋势统的研制方向与趋势 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HE
16、V 动力系统必须具备 以下5点: 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 。 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