（动力机械及工程专业论文）单模复合动力分流混合动力系统开发及热平衡技术研究.pdf

摘要 摘要 能源和环境问题给汽车研发提出新的挑战，驱动系统电动化已经成为汽车动 力系统的发展趋势，行星齿轮动力分流变速箱技术成为国际主流的深度混合动力 系统方案。混合动力分流系统集成串联和并联混合动力方案的优点，能更好地适 应行驶路况，同时实现整车的无级变速。动力分流变速箱技术包括动力分流系统 的方案设计、机械结构设计、电机系统开发、独立液压系统丌发以及整车控制策 略开发，是高密度的集成技术体系。本文研究动力分流系统的设计技术、核心控 制算法以及基于动力分流系统控制策略的混合动力变速箱热平衡管理技术。 研究动力分流系统的基本动力分流模式特性，从传动系统效率和扭矩输出能 力角度评估各种可能的结构方案，分析结论可以作为动力分流系统方案设计的基 本依据。介绍单模和双模动力分流系统的设计方法及换挡元件的应用技术，采用 双离合器技术、连接轴切换、电机转速解耦等设计技术开发多款单模和双模动力 分流系统方案，提高了单模动力系统扭矩输出能力和高车速传动系统效率。设计 基于拉维纳复合行星齿轮机构的新型四轴动力分流机构，并开发采用该动力分流 机构的单模复合动力分流系统，填补同类混合动力分流产品的空白，也是目前第 一款三自由度动力分流系统。研究动力分流传动系统的刚度匹配技术，建立动力 分流传动系统的参数化振动模型，实现传动系统刚度的优化匹配。 动力分流系统的控制技术是产品硬件开发的重要中间环节，不仅可以验证动 力系统的设计方案，而且还为各子系统提供设计载荷谱。动力分流系统的控制技 术主要包括工作点优化、驱动模式管理和各部件的扭矩平衡控制。对于行星齿轮 动力分流系统而言，各传动轴之间的扭矩平衡控制是动力系统控制的关键技术， 其核心内容是确定各种扭矩平衡模式的控制参数解耦条件。开发适用于产品设计 的动力分流系统控制策略，仿真分析动力系统在典型标准工况下各部件的工作载 荷，并作为产品设计和校核的载荷条件，电机和传动系统的损失功率谱作为动力 箱热平衡管理系统的设计依据，为液压系统开发提供流量和压力要求。 混合动力变速箱的热平衡管理系统主要研究维持动力电机和传动系统热平衡 状态的管理技术，包括动力箱热平衡功率分析、液压冷却系统方案设计及液压元 件设计。混合动力箱的热功率主要来源于内部电机的损失功率，其大小取决于动 力系统控制策略对电机工作点的控制，因此动力箱的热平衡技术是建立在动力系 统控制策略之上的管理技术。设计动力电机的喷淋直冷方案，实现电机的完全油 冷。考虑到动力箱内部集成两个制动器元件，需要设计高压闭合油路，因此在液 压系统设计时开发了具有电机冷却、传动系统润滑及换挡高压控制油路的集成液 i 江苏大学博士学位论文：单模复合动力分流混合动力系统开发及热平衡技术研究 压方案，同时简化了动力箱的结构设计和油路布置。 深度混合动力系统的多种工作模式使得液压系统的设计不同于传统自动变速 箱，设计机械油泵和电机油泵组成的双液压源方案，满足动力系统在纯电动和混 合驱动模式下的流量需求。机械油泵采用主减速齿轮驱动，其输出流量与车速成 比例关系，只有当车速较低机械油泵无法满足需求流量时，电机油泵才起动进行 流量补偿。当车速达到一定时将由机械油泵单独提供系统需求流量，电机油泵停 止工作，该方案可以通过油泵排量的优化设计降低液压系统的溢流损失。采用先 导式电磁阀设计双压力水平的液压控制油路，实现系统高低油压的自动控制，只 有在制动器闭合时液压系统才工作在高压状态，在制动器打开时液压系统只工作 在满足冷却润滑要求的低压状态，最大程度地降低了液压系统的功率消耗。 根据液压系统各油路的设计压力，通过理论计算确定各液压元件的结构尺寸， 采用有限元技术分析液压阀板油道的密封性能，优化固定螺栓分布使其对阀体产 生的压紧应力覆盖整个油路，避免低应力区域造成流量泄漏。建立冷却润滑油路 的流量分配模型，研究不同油温下各冷却润滑油路流量和压力的变化特性，实现 电机和齿轮冷却润滑流量的比例分配。采用多学科仿真软件i t i s i m u l a i t o n x 建立 完整的液压系统动态仿真模型，验证液压系统原理方案、液压元件尺寸设计以及 液压系统在各种油温和行驶状态下的流量与压力变化特性。 对混合动力变速箱进行台架和整车试验，测试整个动力系统功能以及动力箱 的热平衡状态和液压系统流量压力是否满足设计要求。设计液压系统专用试验台 架，单独测试液压系统各油路的流量和压力特性，试验结果表明液压系统的输出 流量和电磁阀压力调节方案达到了样机设计要求。进行动力箱冷却润滑油路的观 察试验，评估各油路的流量分配。在试验台架上进行动力动力箱的大负荷温升试 验，确定行星齿轮机构必需的冷却润滑流量和电机实际需求的冷却流量，积累试 验数据优化电机冷却流量分配，通过反复试验均衡大小电机的温度变化防止单个 电机提前过热。对动力系统样车进行转鼓试验，测试动力系统在实际运行中的整 体性能和动力箱的温度变化，测试结果表明动力系统能够实现各种设计功能，动 力箱处于良好的热平衡状态，满足动力系统长时间工作的热平衡冷却要求。 混合动力分流变速箱技术作为汽车驱动系统发展的重要方向，已经成为国内 外汽车公司的研究热点，目前国内尚没有该类产品上市。本文研究了动力分流系 统开发的核心技术，形成完整的动力系统设计规范，对于类似行星齿轮动力分流 系统的开发具有指导作用。 关键词：深度混合动力，动力分流、扭矩平衡技术、热平衡管理、液压系统 a b s t r a c t a st h ef e a ro fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o na sw e l la st h ee n e r g yc r i s i s ，t h ep r e s s u r ef o r t h er e d u c t i o no ff u e lc o n s u m p t i o na n de x h a u s te m i s s i o n sb e c o m e san e w c h a l l e n g ef o r a l lv e h i c l em a n u f a c t u r e r s d e v e l o p i n gt h ee l e c t r i f i e dv e h i c l ep o w e r - t r a i nb e c o m e st h e m a i nt r e n do fp r e s e n tv e h i c l et e c h n o l o g y a m o n gt h ev a r i o u sp o w e r - t r a i n sf o rh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，t h ep l a n e t a r yg e a rp o w e rs p l i th y b r i ds y s t e m ，w h i c hi sa l s ok n o w na s s e r i e s p a r a l l e lh y b r i d ，h a sb e e nw i d e l yr e g a r d e d a st h em o s tp r o m i s i n gh y b r i d c o n f i g u r a t i o n p o w e rs p l i th y b r i ds y s t e m sa r em o r eb e n e f i c i a lb e c a u s et h e yh a v et h e a d v a n t a g e so fb o t hs e r i e sa n dp a r a l l e lt y p e s ，a n de n a b l et h ee - c v t f u n c t i o n t h ek e y d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fp o w e rs p l i th y b r i ds y s t e mi n c l u d e s t h e p o w e rs p l i t c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，e l e c t r i cm o t o rs y s t e m ，h y b r i dt r a n s m i s s i o nt h e r m a lm a n a g e m e n t t e c h n o l o g ya n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c ha r cs t u d i e di nt h i st h e s i s p o w e rc i r c u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a s i cp o w e r s p l i tm o d e s a t ea n a l y z e d ，a n d t h ep e r f o r m a n c ei nt h et r a n s m i s s i o nc o n f i g u r a t i o nd e s i g ni se s t i m a t e da c c o r d i n gt ot h e p o w e r - t r a i ne f f i c i e n c ya n dt o r q u eo u t p u ta b i l i t y , w h i c hc a nb eu s e dt og u i d et h e d e v e l o p m e n to fp o w e rs p l i ts y s t e m d e s i g nr e g u l a t i o n sf o rs i n g l em o d ea n dt w om o d e h y b r i ds y s t e m sa n dt h ea p p l i c a t i o no fs h i f t i n ge l e m e n t sa r es u m m a r i z e d d u a lc l u t c h t e c h n o l o g y , e l e c t r i cm o t o rs p e e dd e c o u p l et e c h n o l o g y , f i x e dg e a rd r i v i n gm o d e ，e t c a g eu s e dt op e r f e c tt h eo p e r a t i n gm o d e so fp o w e rs p l i ts y s t e m s e v e r a ls i n g l em o d e a n dt w om o d eh y b r i ds y s t e m sa t ed e s i g n e d ，a n dt h er e c o m m e n d e ds i n g l em o d es y s t e m h a sah i g h l yf l e x i b l ec o n f i g u r a t i o n ，w h i c hi se s p e c i a l l yp r a c t i c a lf o ri m p m v i n gt h e t o r q u eo u t p u ta b i l i 哆a n dt h eh i 【g hv e h i c l es p e e dp o w e r - t r a i ne f f i c i e n c y an e ws i n g l e m o d eh y b r i ds y s t e mw h i c hu t i l i z e sa ni n n o v a t i v ef o u r - s h a f tp o w e rs p l i td e v i c eb a s e d o nt h e r a v i g n e a u xc o m p o u n dp l a n e t a r yg e a r s e ti si n t r o d u c e d t h i sh y b r i d c o n f i g u r a t i o ni st h ef i r s ts i n g l em o d ep o w e rs p l i tp r o d u c t i o nw i t hc o m p o u n dp o w e r s p l i tm o d e ，w h i c hi sa l s ot h ef i r s tt h r e e d e g r e e o f - f r e e d o mh y b r i ds y s t e m t o r s i o n a l v i b r a t i o na n a l y s i sm e t h o df o rp o w e rs p l i th y b r i dp o w e r - t r a i ni ss t u d i e d p a r a m e t r i c p o w e r - t r a i nv i b r a t i o nm o d e li sb u i l tt oo p t i m i z et h er e s o n a n tf r e q u e n c yt h r o u g ht h e t o r s i o n a ld a m p e rs t i f f n e s sm a t c h c o n t r o ls t r a t e g yd e v e l o p m e n ti sak e ys t e po ft h ep o w e rs p l i th y b r i dt r a n s m i s s i o n m 江苏大学博士学位论文：单模复合动力分流混合动力系统开发及热平衡技术研究 d e s i g n ，w h i c hc a nb eu s e dt ov e r i f yt h ep o w e r - t r a i np e r f o r m a n c ea n ds u p p l yt h el o a d c y c l ef o ra l lt h em e c h a n i c a lp a r t sd e s i g n t h ec o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d e sd r i v i n gp o w e r i n t e r p r e t a t i o n ，d r i v i n gm o d em a n a g e m e n ta n dt o r q u eb a l a n c et e c h n o l o g y a st oa l l k i n d so ft h ep l a n e t a r yg e a rp o w e rs p l i ts y s t e m ，t h et o r q u eb a l a n c et e c h n o l o g yi st h e n e c e s s a r yt e c h n o l o g y t o r q u eb a l a n c em o d e so fd i f f e r e n td r i v i n gm o d e s a r es t u d i e dt o d e c o u p l et h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h ep o w e rs p l i th y b r i ds y s t e m c o n t r o ls t r a t e g yo f t h ec o m p o u n dp o w e rs p l i ts y s t e mi sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eu n d e r d i f f e r e n ts t a n d a r dl o a dc y c l e s s i m u l a t i o nd a t ai sa l s oa p p l i e dt og u i d ea n dc h e c kt h e d e s i g no fa l lt h em e c h a n i c a lp a r t s t h el o s sp o w e rs p e c t r u mo fe l e c t r i cm o t o r sa n d p o w e r - t r a i ni su s e dt od e v e l o pt h et r a n s m i s s i o nt h e r m a lb a l a n c em a n a g e m e n ts y s t e m a n dc o n f i r mt h eo i lf l o wa n dp r e s s u r er e q u i r e m e n to ft h eh y d r a u l i cs y s t e m t h e r m a lb a l a n c em a n a g e m e n ts y s t e mi sm a i n l yu s e dt ok e e pt h et h e r m a lb a l a n c e s t a t u so ft h eh y b r i dt r a n s m i s s i o n ，w h i c hi n c l u d e st h et h e r m a lp o w e rc a l c u l a t i o n ， h y d r a u l i cs y s t e mp r i n c i p l ed e s i g na n dt h eh y d r a u l i cp a r t sd e s i g n t h et h e r m a le n e r g y o ft h eh y b r i dt r a n s m i s s i o ni sm a i n l yf r o mt h ee l e c t r i cm o t o rl o s sp o w e ra n dt h e p o w e r - t r a i nf r i c t i o nl o s sp o w e r t h e r e f o r e ，t h et h e r m a lm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yc a nb e c o n s i d e r e da sac o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do i lt h es y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y t h et w o e l e c t r i cm o t o r sr o t a t ei nt h eo i lm i s ta n da r ef u l l yo i l c o o l e dt h r o u g ht h ed i r e c ts p r a y c o o l i n gm o d e a t fo i li si n j e c t e dd i r e c t l yo n t ot h ec a b l ee n d so ft h em o t o rs t a t o r st o a b s o r bt h em o t o rl o s sp o w e r ah i g hp r e s s u r eo i lc i r c u l a t i o ni sn e e d e dt os u p p l y p r e s s u r eo i lf o rb r a k ee l e m e n t s s oam u l t i - f u n c t i o ni n t e g r a t e dh y d r a u l i cs y s t e mi s d e s i g n e di n c l u d i n gt h ec o o l i n gc i r c u l a t i o na n dh i g hp r e s s u r ec o n t r o le l e m e n t s t h e i n t e g r a t e dh y d r a u l i cs y s t e mi sp r a c t i c a lt os i m p l i f yt h et r a n s m i s s i o ns t r u c t u r ea n dt h e l a y o u to fo i lc h a n n e l si nt h et r a n s m i s s i o nh o u s i n g t h eh y d r a u l i cs y s t e md e s i g no ff u l lh y b r i dt r a n s m i s s i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h a to f c o n d i t i o n a la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，b e c a u s ei ns o m ed r i v i n gm o d e st h ec o m b u s t i o n e n g i n ec a nb es t o p p e d b e c a u s eo ft h i sr e a s o n ，an e w o i ls u p p l ys y s t e mo ft w oo i l p u m p si sd e s i g n e d af i r s to i lp u m pi sl o c a t e db e l o wt h eo u t p u t - g e a ra n db e c o m e s d r i v e nb yt h a ts h a f t ，s oi tc a nb er u n n i n ge v e nw h e nt h ec o m b u s t i o ne n g i n es t a n d ss t i l l as e c o n dp u m pi sd e f i n e da sa na s s i s t a n t eo n ed r i v e nb yas m a l le l e c t r i cm o t o rw h i c h i so n l ya c t i v a t e da tr e v e r s ev e h i c l es p e e da n dw h e nt h ef l o wr a t ef r o mt h ef i r s tp u m pi s n o te n o u g h t h er o t a t i n gs p e e do fe l e c t r i cp u m pi sc o n t r o l l e dt oc o m p e n s a t et h e i v r e q u i r e do i lf l o wa n de n s u r et h en e c e s s a r yo i lf l o wf o rm o t o rc o o l i n ga n dp o w e r - t r a i n l u b r i c a t i o n s e l f - a d a p t e dp r e s s u r er e g u l a t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e df o rt h eb r a k ee l e m e n t e n g a g e m e n tv i as o l e n o i dv a l v e sw h i c ho n l yh a p p e n si nt h ee l e c t r i cd r i v i n gm o d ea n d t h eo v e r s p e e dm e c h a n i c a lp o i n td r i v i n gm o d e o t h e r w i s et h eo i lp r e s s u r ei sc o n t r o l l e d a r o u n dt h el o wc o o l i n g l u b r i c a t i o nl e v e l t h ep r e s s u r ec o n t r o lc i r c u l a t ec a l lb eu s e dt o d e c r e a s et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m d i m e n s i o n so ft h eh y d r a u l i cv a l v e sa r ed e s i g nb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n f i n i t e e l e m e n tt e c h o n o l g yi s a p p l i e dt oc h e c kt h ec h a n n e ll e a k a g eo fh y d r a u l i cb l o c ka n d o p t i m i z et h el a y o u to fc o n n e c t i n gb o l t s o i lf l o wd i s t r i b u t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt o d i s t r i b u t et h eo i lf l o wa n dt oo b s e r v et h ef l o wa n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cu n d e r d i f f e r e n to i lt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n td r i v i n gm o d e s d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo f t h ew h o l eh y d r a u l i cs y s t e mi sb u i l tt oi n v e s t i g a t et h ef u n c t i o no fh y d r a u l i cp r i n c i p l e ， v a l v ed i m e n s i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fo i lf l o wa n dp r e s s u r e 、析t hi t i s i m u l a t i o n x s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h eh y d r a u l i cs y s t e mi sp r a c t i c a la n dt h ee l e m e n td e s i g n p a r a m e t e r sc a nr e a c ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t b e n c ht e s ta n dh y b r i dv e h i c l et e s ta r em a d et oc h e c kt h eh y b r i ds y s t e mf u n c t i o n a n dt h ep e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cs y s t e m as p e c i a lh y d r a u l i ct e s tb e n c hi sb u i l tt ot e s t t h eo i lf l o wa n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s t h eh y d r a u l i ct e s tr e s u l t si n d i c a t et h eo u t p u t c o o l i n gf l o wa n dp r e s s u r ec o n t r o lp r i n c i p l ea r ep r a c t i c a l ，w h i c hr e a c ht h er e q u i r e m e n t o ft h ef i r s tp r o t o t y p ep r o d u c t i o n f u l ll o a db e n c ht e s ti sd e s i g n e dt oc h e c kw h e t h e rt h e c o o l i n go i lf l o wf o re l e c t r i cm o t o r sa n dp l a n e t a r yg e a ri se n o u g ho rn o t t e s td a t ai s r e c o r d e da n du s e dt om o d i f yt h eo i ld i s t r i b u t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t s t h ec o o l i n gf l o w f o rt w om o t o r sa n dp l a n e t a r yi sa d j u s t e da c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s v e h i c l et e s ti s c a r r i e do u tt oc h e c kt h er e a lp e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rs p l i th y b r i ds y s t e ma n dt h e t h e r m a ls t a t u so ft h et r a n s m i s s i o n v e h i c l et e s tr e s u l t si n d i c a t et h eh y b r i ds y s t e mc a n c o m p l e t ea l lt h ed e s i g nf u n c t i o n sa n dd r i v i n gm o d e s ，a n dt e m p e r a t u r el e v e lo ft h e h y b r i dt r a n s m i s s i o ni si nt h eg o o dc o n d i t i o n i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ea a e n f i o ni sp a i dt ot h er e s e a r c ho fp o w e rs p l i t h y b r i dt r a n s m i s s i o n ，w h i c hh a sb e c o m eo n ei m p o r t a n td i r e c t i o no fv e h i c l ep o w e r - t r a i n d e v e l o p m e n t u n f o r t u n a t e l y , , s of a rt h e r ei sn ot h i sk i n do fh y b r i dt r a n s m i s s i o n t h e k e yt e c h n o l o g i e so fp o w e rs p l i th y b r i dt r a n s m i s s i o na r es t u d i e di nt h i st h e s i s ，w h i c h c a l lb eu s e dt og u i d et h es i m i l a rh y b r i dt r a n s m i s s i o nd e v e l o p m e n t v 江苏大学博士学位论文：单模复合动力分流混合动力系统开发及热平衡技术研究 k e yw o r d s ：f u l lh y b r i ds y s t e m ，p o w e rs p l i ts y s t e m ，t o r q u eb a l a n c et e c h n o l o g y , v i t h e r m a lb a l a n c em a n a g e m e n t ，h y d r a u l i cs y s t e m 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 混合动力系统研究背景 目前，能源安全、全球变暖和大气污染等问题r 益严峻，各大汽车研究机构 积极采取应对措施。一是控制石油的使用，另一则是摆脱对石油能源的依赖，开 发多种新能源驱动系统。在降低石油使用方面主要集中在主流内燃机系统的改进， 使其能源效率得到大幅提升。在新能源系统开发方面主要以电动驱动系统为研究 对象，驱动系统的电动化已经成为汽车技术的发展趋势【1 ，2 1 。在汽车驱动系统电动 化的进程中一般认为需要经过混合动力( h v b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 、外插充 电式混合动力( p l u g i nh e v ，p h e v ) 和纯电动( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 三个阶段， 但也不排除由于关键技术的突破，实现跨越式发展【3 1 。电动汽车可以实现零污染并 可以问接利用太阳能、水力等非石油资源能量，是理想的汽车动力系统。目前电 动汽车的产业化进程还受制于电池技术的发展，电动汽车还无法与传统汽车抗衡， 因此结合内燃机汽车和电动汽车两者优点的混合动力系统得到了长足地发展，尤 其是深度混合动力系统1 4 s l 。 混合动力汽车在美国、欧洲及日本已经进入了产业化阶段，市场销量呈逐年 上升趋势，具有代表性的是丰田汽车公司的t h s ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ) 混合动 力系统和通用汽车公司的a h s ( a d v a n c e dh y b ms y s t e m ) 混合动力系统。丰田于 1 9 9 7 年推出世界首款批量生产的混合动力轿车p r i u s ，截止2 0 1 1 年2 月丰田及雷 克萨斯品牌混合动力轿车全球销量突破3 0 0 万辆。丰田公司将混合动力技术定位 为蕴含了开发各种环保汽车必需技术要素的关键技术，并不断扩充混合动力车型 阵容。混合动力汽车的产业化发展同样对我国汽车工业有着重要的影响，开发混 合动力汽车不仅仅是动力系统的研发还可以带动整车相关技术的发展，为电驱动 系统的开发积累核心技术。汽车驱动系统电动化所带来的一系列问题，尤其是安 全问题，需要混合动力这样一个探索实践的过程。混合动力技术一旦突破，过渡 到纯电动时代将是水到渠成的事情。混合动力系统的研发为整车技术全面发展提 供了新的平台，对推动我国汽车工业的电动化进程有着重要的意义。 从汽车传动技术的发展来看，目前变速装置已经发展到成熟的八挡自动变速 程度( 8 s p e e da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，8 a t ) 【6 l ，已有产业化生产的前驱和后驱系 统，z f 公司还完成了9 a t 样机的开发。继续增加变速挡位对燃油经济性的提高空 1 江苏大学博士学位论文：单模复合动力分流混合动力系统开发及热平衡技术研究 间将会逐渐减小，只会增加机械结构的复杂性和换挡元件的功率消耗 7 1 。自动变速 箱技术将如何进一步发展是值得思考的，以变速箱技术为基础集成电机与传动机 构的混合动力机电耦合箱正得到快速发展【羽。混合动力变速箱不仅可以实现基本的 变速功能，还可以优化发动机的工作状态、实现制动能量回收，为汽车变速装置 未来的发展提供了一个方向【9 】。目前国际上已经将能否拓展成混合动力变速箱作为 自动变速箱设计方案的重要评价指标。 1 2 混合动力系统基本结构 根据动力电池一电机与发动机的功率匹配，混合动力系统可以分为：只具备 自动起停、怠速停机功能的微混合动力系统( m i c r oh y b r i d ) ，电机助力但不能单 独驱动车辆行驶的轻度混合动力系统( m i l dh y b r i d ) 以及电机和发动机都可以独 立驱动车辆的深度混合动力系统( f u l lh y b r i d ) 【1 0 ，1 1 】。根据混合动力系统的结构形 式又可以分为串联系统、并联系统以及混联系统。 1 2 1 串联混合动力系统 串联混合动力系统( s e r i e sh y b r i d ) 由发动机、发电机和电动机三部分组成， 由电动机通过变速机构直接驱动车辆行驶，系统结构如图1 1 所示。在串联系统中 发动机不直接驱动车辆，从而实现发动机转速和车速的解耦，使得发动机可以工 作在经济区域。电池通过控制器布置在发电机与电动机之间，吸收发电机的多余 电量或对电动机供电，起到功率平衡的作用。在串联系统中发电机功率要与发动 机相匹配，整车动力需求单独由电动机提供，一般要求电机功率都比较大【1 2 1 。除 此之外，传动系统的多次能量转换使得系统效率降低，不利于长距离高速行驶， 因此串联系统较多地应用于城市公共交通1 1 3 , 1 4 。 2 图1 1 串联混合动力系统 f i g 1 1s e r i e sh e vc o n f i g u r a t i o n 第一章绪论 1 2 2 并联混合动力系统 并联混合动力系统( p a r a l l e lh y b r i d ) 由发动机、电动机及动力耦合装置组成， 系统结构如图1 2 所示。在并联系统中由于发动机直接与传动系统连接，使得传动 效率高于串联系统，但是发动机工作状态受行驶路况的影响较大，因此该系统比 较适合于中高速行驶路况【1 5 , 1 6 l 。电机可以根据系统功能需要进行功率匹配，可以 降低电机功率要求。在动力系统结构上还需要动力耦合机构，用于协调发动机和 电机的输入输出。根据动力耦合机构的工作原理又可以分为扭矩耦合机构和转速 耦合机构或者两种方式的组合机构。 图1 2 并联混合动力系统 f i g 1 2p a r a l l e lh e vc o n f i g u r a t i o n 1 2 2 1 扭矩式动力耦合机构 在扭矩耦合并联系统中，各动力源的扭矩相互独立，转速符合一定的比例关 系，如式( 1 - 1 ) 、( 1 - 2 ) 所示。耦合机构的输出扭矩等于各输入扭矩的线性之和， 发动机和电动机作为输入端，动力耦合后驱动车辆行驶。 t o u t = k 1 t i n l + k 2 t i n 2 ( 1 - 1 ) n o u t ：粤= 警 ( 1 2 ) ：百= 百 l z 式中，t 伽t 、为输出轴的扭矩和转速，t m 、为输入轴的扭矩和转速，k l 、 k 2 为耦合机构传动比。 扭矩耦合机构可以进一步细分为以下三种基本类型： 齿轮耦合式，根据布置需要可以设计成两轴或三轴结构，如图1 3 ( a ) 所示。 该方案较多地应用在电机与变速箱输出轴集成的混合动力方案中。 链或带耦合式，通过链条或皮带将动力源输出的动力进行合成，例如常见 的b s g ( b e l t - d r i v e ns t a r t e rg e n e r a t o r ) 系统，如图1 3 ( 1 9 ) 所示。 江苏大学博士学位论文：单模复合动力分流混合动力系统开发及热平衡技术研究 磁场耦合式，电机转子直接布置在发动机输出轴上实现电机的扭矩耦合， 如图1 3 ( c ) 所示。采用较多的布置方案是将电机安装在发动机和变速箱之间，如起 动发电一体化i s g 电机系统( i n t e g r a t e ds t a r t e dg e n e r a t o r ) 和本田汽车公司的i m a 电机助力系统( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) 【1 刀。 t ( a ) 齿轮传动 ( b ) 带式传动 ( c ) 电磁耦合 图1 3 典型扭矩动力耦合机构 f i g 1 3t y p i c a lt o r q u e - c o u p l i n gd e v i c e , s 牵引力耦合式，整车前后轴分别由独立的动力源驱动，通过前后轴的驱动 力实现动力耦合。图1 4 为p s a 公司的深度混合动力方案，前轮驱动由发动机和 i s g 电机组成，后轮由单独的大电机驱动，该方案同时实现整车的四轮驱动。 图1 4p s a 深度混合动力系统 f i g 1 4f u l lh y b r i ds y s t e mo fp s a 1 2 2 2 转速式动力耦合机构 在转速耦合动力系统中，各动力源转速相互独立，而扭矩成一定的