（机械设计及理论专业论文）基于isg的新型混合动力传动装置研究.pdf

摘要 摘要 迫于能源危机和环境保护两大压力，混合动力汽车在全世界范围内得到大 力发展。混合动力传动装置及其控制则是混合动力车辆的关键技术。本文在分 析混合动力传动系统基本要求的基础上，提出了一种基于i s g 的新型混合动力 传动方案，并设计出混合动力传动装置。论文以该混合动力传动装置为主要研 究对象，对传动方案、车辆的驱动模式、控制方式及运行特性等进行了深入研 究。 首先，论文分析了混合动力车辆对传动系统的基本要求，以行星齿轮机构 为基本构架，提出了一种基于i s g 的新型混合动力传动装置方案，并利用杠杆 模拟法对方案的运动学特性和力学特性进行了分析。 其次，根据在整车传动系统中布置关系，设计了混合动力传动装置的机械 结构，分别就行星排、离合元件、润滑及控制液压系统等关键部件进行了设计 和分析，阐述了设计过程的基本思路。利用三维设计软件建立了混合动力传动 装置的三维模型。 然后，根据发动机、i s g 及输出三者之间的状态关系，概括了车辆所有的 行驶模式，详细分析了每一种行驶模式下车辆的动力特性和输出范围，总结了 每种行驶模式的驱动特点。针对车辆行驶过程中的不同运行工况，阐述了不同 运行工况下的不同行驶模式。以车辆动力性和燃油经济性为目标，根据车辆的 动力需求、行驶工况和当前运行状态建立车辆行驶模式决策的控制策略，并给 出了控制系统基本组成结构。 最后，对全文进行了总结。 关键词：混合动力车辆 行星齿轮混合动力传动装置三维建模 控制策略 a b s t r a c t a b s t r a c t u n d e rt w og r e a tp r e s s u r e so ft h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ， a l lo ft h ew o r l da f ed e v o t i n gm a j o re f f o r t st od e v e l o p i n gt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e y ) p o w e r t r a i na n di t sc o n t r o la r et h ek e yp r o b l e m so fh y b r i dv e h i c l e b a s e do n t h ea n a l y s i so fh y b r i dt r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t ，an e ws c h e m eo fh y b r i dp o w e r t r a i n s y s t e mb a s e do ni s gi sp r e s e n t e da n dan o v e lp o w e rs p l i tu n i ti sd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h er e s e a r c hi s f o c u s e do nt h et r a n s m i s s i o ns c h e m e ，d r i v em o d e ，c o n t r o l m e t h o da n dr u nc h a r a c t e ra b o u tt h en o v e lh y b r i dp o w e rs p l i tu n i t f i r s t , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h et r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n to fh y b f i sv e h i c l e m a k ep l a n e tg e a rs e ta sb a s i ce l e m e n t , t h ep a p e rp r o p o s e san o v e ls c h e m eo fh y b r i d p o w e rs p l i tu n i tb a s e do ni s gt h el e v e ra n a l o g yi sa p p l i e dt ot h ep r o c e s so f a n a l y z i n gk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r so ft h en o v l es c h e m e s e c o n d , a c c o r d i n gt ot h el o c a t i o ni nt h ew h o l ev e h i c l e ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e o fp o w e rs p l i tu n i ti sd e s i g n e d i nt h i ss e c t i o n ，t h ed e s i g ns c h e m ei sd i s c u s s e da n d s o m ek e yc o m p o n e n t ss u c ha sp l a n e tg e a rs e t , c l u t c he l e m e n t s ，l u b r i c a t i o na n d h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma l ea n a l y z e di nd e t a i l t h e3 一dm o d e lo fp o w e rs p l i tu n i ti s b u i l db ys o l i de d g ea tt h ee n d t h i r d , f o rt h ed i f f e r e n ts t a t u s e so fe n g i n e ，i s ga n do u t p u lt h ed i s s e r t a t i o n g e n e r a l i z e sa l lp o s s i b l ed r i v em o d eo ft h eh y b r i dv e h i c l e t h ed r i v ec h a r a c t e r sa n d o u t p u ts c o p ef o re a c hd r i v em o d ea r ea c q u i r e d f o rd i f f e r e n tv e h i c l ec o n d i t i o n s ，t h e a v a i l a b l ed r i v em o d ei sp r o p o s e d f o rt h eo b j e c to fd y n a m i cp r o p e r t ya n df u e l e c o n o m y , ad r i v em o d ec o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e do nt h ep o w e rr e q u i r e m e n t o ft h ev e h i c l e ，r u n n i n gc o n d i t i o na n dc u r r e n tv e h i c l es t a t u s ac o n t r o ls y s t e ms c h e m e i sd e s i g n e da tt h ee n d f i n a l l y , s u m m a r i z ef o rt h er e s e a r c h k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ；p l a n e tg e a rs e t ；h y b r i dp o w e rs p l i tu n i t ； 3 一dm o d e l i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：葫为i 慨研 少。产弓月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 南恤铆 2 一罗年琴月扣e t 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 汽车发明一百多年来，为人类文明做出了巨大的贡献，创造了难以计算的 直接和间接经济利益，但是随之而来的问题也在危害着人类的生存，威胁着人 类的可持续发展。 目前，中国车用石油消费量已占社会石油总消费量的三分之一。我国虽然 是石油生产大国，但是随着需求不断增大，石油依然大量依靠进口。2 0 0 5 年我 国的石油净进口量达到1 4 3 亿吨，占我国石油消费量的4 3 9 ，能源消费量的 9 2 ，分别比1 9 9 5 年提高了3 6 3 个百分点和7 9 个百分点，石油进口额占我 国进口总额的8 ，到2 0 1 0 年进1 ：3 石油可能占我国石油总消耗量的一半【卜3 i 。 与此同时，随着人口的不断增长，汽车的保有量也不断增长。在1 9 8 0 - - 2 0 0 4 、1 9 9 5 - - 2 0 0 4 、2 0 0 0 , - - - 2 0 0 4 期间，中国汽车保有量的增长速度分别为 1 1 9 8 、1 1 1 5 、1 3 7 5 。据统计，2 0 0 6 年末中国民用汽车保有量达4 9 8 5 万 辆，比上年年末增长1 5 2 。预计2 0 2 0 年中国的汽车保有量有可能达到1 2 - - 1 5 亿辆【j 。这些内燃机汽车所排放出来的污染气体将严重影响人类的生存环 境。 迫于能源危机和环境保护两大压力，混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，简称h e v ) 在全世界范围内得到大力发展。与传统汽车相比，混合动 力电动汽车的发动机常常工作在最佳工况下，降低了排放、提高了效率；能量 制动回收，改善了整车的能量利用效率：采用纯电动模式，还能在某些特定区 域实现零排放【7 l 。因此，混合动力电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实 可行的有效方案。 本课题受到上海市科委“混合动力汽车核心技术研究 项目和上海市科教 兴市重大产业科技攻关项目“混合动力汽车系统平台产业化 的支持。课题对 混合动力的关键技术混合动力传动系统进行了研究，在传统车辆传动系统的基 础上，提出了一种新型混合动力传动方案，对传动方案中的关键部件混合 动力传动装置进行了结构设计和三维建模。在此基础上，通过杠杆模拟法等多 第1 章绪论 种分析手段，分析了混合动力传动装置的动力学特性，对新型混合动力传动装 置的控制策略以及车辆各工况下的行驶驱动模式进行了分析和研究。 1 2 混合动力车辆概述 1 2 1定义 国际电子委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 对 混合动力车辆的定义为：“在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量 存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其中至少有一种存储器 或转化器要安装在汽车上。混合动力电动汽车至少有一种能量存储器、能量源 或能量转化器可以传递电能。串联式混合动力车辆只有一种能量转化器可以提 供驱动力，并联式混合动力车辆则不止一种能量转化器提供驱动力1 7 1 。 混合动 力车辆通过辅助动力源的引入，使内燃机始终处于高效运行状态，并可在制动 阶段回收能量，从而实现降低排放、提高能效的目的。本文所涉及的混合动力 车辆均指采用内燃机和电动机蓄电池作为驱动能源的混合动力电动汽车。 1 2 2 分类 由于混合动力电动汽车有两个以上的动力源，其驱动系统从能源输入、原 动机到机械能的传递，组成方式多种多样，具体的结构也各不相同。因此，它 的驱动方式就有多种形式。为了满足不同的使用要求，驱动系及传动系结构也 多种多样。 根据混合动力汽车驱动桥的多少，可以分为单轴驱动、双轴驱动或多轴驱 动三种1 8 l 。单轴驱动的混合动力车辆一般仅以前轮或后轮进行驱动，动力通过 传动系在驱动轮之前即已实现汇合，典型的如丰田p r i u s l 叭、本田c i v i ch y b r i d l l 们； 双轴或多轴驱动则由前、后轮共同驱动，各驱动桥的动力可分别来自不同的动 力来源，也可来自多动力源汇合后的分配，典型的如丰田e s t i m a 混合动力车【1 1 i 、 同济大学研制的“登峰一号混合动力概念车。 根据混合动力电动汽车传动系结构的不同，可以分为串联式混合动力电动 汽车( s h e v ，s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 、并联式混合动力电动汽车( p h e v ， 2 第1 章绪论 p a r a l l e l h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 、混联式混合动力电动汽车( p s h e v ， p a r a l l e l s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 、复合式混合动力电动汽车( c h e v ， c o m p o s i t eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 1 1 2 1 。 串联式混合动力车辆( s h e v ) s h e v 是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发 电机和驱动电动机采用“串联的方式组成s h e v 的驱动系统，如图1 1 所示。 发动机是唯一的动力源，由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接，发 动机可以不受汽车行驶工况的影响，始终在最佳工作区稳定运行。汽车正常行 驶时，发动机带动发电机发电，使驱动电动机运转，电动机通过变速器驱动车 辆；当汽车低负荷运转时，发电机发出的多余电能储存在蓄电池内；当汽车高 负荷运转时，发电机和蓄电池共同为驱动电动机供电。 s h e v 驱动系统的结构比较简单。动力电池组、发动机一发电机组和驱动 电动机在底盘上的布置有较大的自由度，控制系统也比较简单。因为只有唯一 的电动机驱动模式，其动力特性更加趋近于e v 。s h e v 的缺点是驱动电动机的 功率要求比较大，因此尺寸较大且质量较重；在机械能一电能一机械能的转换 过程中，能量转换损失大，机电能量转换效率较低，使燃油利用率比较低；发 动机一电动机组与动力电池组之间的匹配要求比较严格，需要庞大的动力电池 组，这使得在中小型汽车上布置有一定的困难，一般适合大型客车采用。 电气连接 一 机械连接 图1 1串联式混合动力车辆传动系统结构框图 并联式混合动力车辆( p h e v ) p h e v 是由发动机、电动发电机或驱动电动机两大动力总成组成，发动 3 第1 章绪论 机、电动发电机或驱动电动机采用“并联 的方式组成p h e v 的驱动系统， 如图1 2 所示。p h e v 的发动机和驱动电动机两大动力总成都是驱动动力装置， 在p h e v 上可以实现发动机驱动模式、 驱动模式和能量制动回馈等驱动模式。 电动机驱动模式、发动机一电动机混合 当发动机提供的功率大于驱动汽车所需 要的功率或者制动能量回收时，电动机工作在发电状态，将多余的能量充入蓄 电池；当发动机提供的功率小于驱动汽车所需要的功率时，电动机利用蓄电池 提供的能量与发动机共同驱动，达到汽车所需要的功率； 电气连接 一机械连接 图1 2 并联式混合动力车辆传动系统结构框图 p h e v 有多种不同的结构模型，但都是以发动机为主要驱动模式。发动机 控制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转。由于发动机与驱动 车轮之间机械连接，没有串联将机械能转换为电能的发电机，因此提高了能量 转化效率。 由于p h e v 中发动机和发电机的功率可以叠加，因此可以采用较小功率的 发动机和驱动电动机，使得整个动力总成的尺寸较小，质量较轻，造价也较低， 比较适用于轿车。由于是以发动机驱动模式为主要驱动模式，因此连续行驶能 力和动力特性更加趋近于内燃机汽车。但并联混合动力车辆的传动系统较为复 杂，工作模式较多，控制系统复杂。 混联式混合动力车辆( p s h e v ) 混联式混合动力电动汽车( p s h e v ) 是综合s h e v 和p h e v 结构特点组成 的，由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，如图1 3 所示。p s h e v 与s h e v 相比增加了机械动力的传递路线，与p h e v 相比增加了电力驱动路线。 相应地，p s h e v 也可有多种不同的结构模式。 4 第1 章绪论 匦丑 叠范由 图1 3 混联式混合动力车辆传动系统结构框图 p s h e v 兼有s h e v 和p h e v 的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动 的驱动模式，发功机、发电机和驱动电动机的功率可以是p s h e v 总功率的1 3 , - 一 1 倍，车辆的整体质量可以降低，而且性能更加完善，经济性更好，在动力性 能方面接近和达到内燃机汽车的水平，有害气体的排放更少，达到“超低污染 的标准要求。尽管它具有串联式和并联式的优点，但其结构更复杂，成本更高， 控制也更加困难。 复合式混合动力车辆( c h e v ) 1 7 1 复合式混合动力( c h e v ) 结构更为复杂，由发动机、电动发电机和驱动 电机组成，如图1 4 所示。 电气连接 一 机械连接 图1 4 复合式混合动力车辆传动系统结构框图 其结构似乎与混联式混合动力车相似，均有两个电机参与，二者的主要区 别在于c h e v 的电机通过不同驱动轴分别助力驱动，且两电机均允许功率流双 向流动，而p s h e v 中的发电机一般只起发电的作用。这种结构相当于在一套 完整的串联系统基础之上再增加一套完整的并联系统，工作模式更加多样化， 5 第1 章绪论 成本最高，控制系统也最复杂。但近年来，随着控制技术和制造技术的发展， 一些新型的混合动力电动汽车也开始采用这种双轴驱动的复合式混合动力系 统。 1 3 国内外发展现状 作为一项崭新的技术，9 0 年代初以来，混合动力电动汽车的开发得到了美、 日及西欧等许多发达国家的高度重视，并已取得了一些重大的成果和进展。中 国作为世界上最大的发展中国家，在一批嗅觉敏锐的科学家倡导下和新兴民族 汽车企业的推动下，国家也做出了发展清洁能源车辆的战略规划，混合动力车 辆的开发也开始起步1 引。 1 3 1 国外发展现状 美国 9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合，并以混合动 力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各 大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1 9 9 3 年9 月美 国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国 “新一代汽车合作伙伴计划 ( 简称p n g v 计划) ，旨在开发新代高效节能汽 车。 通用汽车公司同时致力于燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车等清洁能 源车辆的研制。1 9 9 8 年1 月，通用汽车公司推出了e v l 型4 座混合动力电动 汽车。2 0 0 4 年5 月，开始限量销售被誉为“全球首款 的混合动力皮卡“雪佛 莱s i l v e r a d o 。2 0 0 5 底特律车展上，通用展出了配备有正在与戴姆勒克莱斯勒 公司联合开发中的混合动力装置“双模式完全混合动力系统( t w o m o d ef u l l h y b r i ds y s t e m ) 的概念车“g m cg r a p h y t e 。2 0 0 7 年1 月，公布了插入式 混合动力车( p l u g i nh y b r i dv e h i c l e ) 的概念车“2 0 0 7c h e v r o l e tv o l tc o n c e p t ”。 该车配备通用定位于新一代驱动系统的、称为“e f l e x ”的混合动力系统，该 系统通过接入家用电源为配备的充电电池充电，充电后可仅凭充电电池作为电 动汽车行驶约4 0 英里。在充电电池的剩余电量用完后，通过发动机带动发电机， 6 第1 章绪论 利用由此产生的电力为充电电池充电，继续用马达行驶，从而形成了串联方式 的插入式混合动力车i l 训。 福特汽车公司近年来也大力投入混合动力汽车的开发和研制。初期开发的 福特p 2 0 0 0 型5 座并联式混合动力电动汽车、“优异2 0 1 0 概念车等的性能已 达到了p n g v 计划的部分目标：每加仑汽油行驶8 0 英里。2 0 0 4 年8 月，开始 生产混合动力s u v ( 多功能运动车) e s c a p eh y b r i d ，年产量将达2 万辆。e s c a p e h y b d 是在北美地区率先实现量产的混合动力车，也是全球首款混合动力 s u v l l 4 1 。目前，已经上市和即将上市的福特混合动力车型包括e s c a p eh y b r i d 、 m a z d at r i b u t e 、m e r c u r ym a r i n e r 、f u s i o n 、m e r c u r ym i l a n 等五款，福特汽车计 划2 0 1 0 年之前将混合动力车产量提高至2 5 万辆。 1 9 9 8 年1 月，克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏e s x 2 串联式混合动 力电动汽车。近年来，该公司侧重于燃料电池混合动力车、柴油混合动力车等 新型替代燃料车辆的研发。2 0 0 4 年1 月，戴姆勒克莱斯勒在底特律车展上展出 了油电混合车“v i s i o ng r a n ds p o r t st o u r e r 。2 0 0 5 年底特律车展上，展出了油 电混合动力的“s 级 奔驰，在s 级v 8 柴油发动机车上配备了油电混合动力 装置“p l 2 ”，在发动机与变速器之间装备了2 台马达及离合器，得到了1 5 。2 5 的燃效改善效果i i 训。 日本 ： 日本最早于2 0 世纪7 0 年代开始研制电动汽车。在第3 2 届东京汽车展上， 日本各大汽车公司共推出6 款混合动力汽车，日本汽车界将重点从纯电动汽车 转向混合动力汽车。经过3 0 多年的研发和积累，日本如今已经成为混合动力汽 车发展最快的国家，其中最具代表性的为丰田公司和本田公司。 丰田汽车于1 9 9 7 年1 2 月推出5 座并联式混合动力电动汽车p r i u s ，一面市 就受到市场的好评。p r i u s 最新的型号基于t o y o t a 混合动力系统i i ( t h s i i ) 技 术，开拓了混合动力电动汽车技术与应用领域的新天地，创造性地首次采用了 两套动力系统混联的方式，采用高度精密的机械装置实现了动力系统的连接和 能源的传递。截至2 0 0 6 年4 月，p r i u s 的总销量已经突破5 0 万辆。2 0 0 7 年7 月，丰田公司宣布开发出可用家用电源充电的混合动力车“t o y o t ap l u g i nh v 。 目前，已经或即将上市的丰田混合动力车型包括：t o y o t a 的p r i u s 、c a n a r y h y b r i d 、e s t i m ah y b r i d 、h a r d e rh y b r i d 、k l u g e rh y b r i d ，l e x u s 的g s4 5 0 h 、 7 第1 章绪论 l s 6 0 0 h l 等多种【1 4 1 。 本田汽车公司是日本另一家在混合动力汽车方面具有领先地位的公司。 1 9 9 7 年，本田公司开发出了混合动力系统i m a ( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) ，并于 1 9 9 9 年1 2 月推出了搭载第一代i m a 系统的i n s i g h t 混合动力汽车。2 0 0 3 年， 改进的第二代i m a 系统被配置在四f - j , j , 型轿车c i v i c 上，深受消费者欢迎。2 0 0 4 年底，装配有第三代i m a 系统的本田a c c o r d 上市，与普通款式相比，市区模 式及高速模式下的燃效分别提高了4 3 和2 3 ，成为世界上第一款混合动力中 型轿车。2 0 0 6 年，最新研制的第四代i m a 系统已经被装配到2 0 0 6 款c i v i c 混 合动力车上【l o l 。 此外，日本日产( n i s s a n ) 汽车公司也加紧推动混合动力汽车的研发。1 9 9 5 年5 月日产公司开发出了可以使续驶里程增加一倍的串联式混合动力型微型轿 车。同年9 月日产公司又开发出使燃料费降低一半，并且可以批量生产的并联 方式混合动力型汽车系统。公司2 0 0 0 年4 月也推出了混合动力电动汽车t i n o h y b r i d 并开始接受日本国内网上订购。2 0 0 7 年2 月，部分采用丰田技术的混合 动车“a l t i m ah y b r i d 开始投放北美市场1 1 3 1 。 欧洲 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的工作。 德国大众在9 0 年代初就开始改装混合动力车，并进行了一些测试。2 0 0 5 年4 月3 日在e v s 2 1 ( 第2 l 届国际电池、混合动力及燃料电池车论坛暨展示 会) 上，德国大众进行了正在开发的柴油混合动力车“g o l ft d ih y b r i d 的行 驶演示。该混合动力车的特点是：单马达配套使用发动机，可进行起动及能量 回收等所有条件下的行驶l l 训。 奥迪公司在2 0 0 5 年9 月的法兰克福车展上，奥迪发布了计划投放北美市场 的“q 7 混合动力车( q 7h y b r i d ) ”。q 7 混合动力车在纵置v 8 发动机与6 速自 动变速箱之间配备了干式离合器及3 2 k w 马达，是一款并联混合动力车【1 4 l 。 法国标致雪铁龙集团( p s a ) 2 0 0 6 年发表了在“标致3 0 7 ”及“雪铁龙c 4 上配备柴油混合动力系统的展示车。混合动力系统采用以发动机为主动力、利 用马达进行辅助的并联驱动方式。为了在停止发动机工作后仍可凭借马达行驶， 在发动机与马达之间采用了干式离合器，预计将在2 0 1 0 年前后向市场投放柴油 混合动力车【1 4 i 。 8 第1 章绪论 除整车企业外，西门子( s i e m e n s ) 、博世( b o s c h ) 、德尔福( d e l p h i ) 等 汽车零部件企业也积极投入到混合动力系统及其关键零部件的研发中。 1 3 2 国内发展现状 我国有关电动汽车的研制开始于9 0 年代。随着国家对能源战略和环境问题 的逐步重视，混合动力电动汽车的研究与开发也日益受各方的关注。国家科技 部已将其作为“十五 8 6 3 重大专项的内容，相关的科研院校和汽车企业也积 极投入到混合动力电动汽车的研发中l b _ 17 1 。 一汽在2 0 0 1 年4 月第3 届北京国际清洁车展上推出一款串联式混合动力轿 车红旗c a 7 1 8 0 a e ，这是一汽汽研所、美国电动车亚洲7 公司、汕头国家 电动汽车试验示范区三方共同合作的成果。同时，一汽还承担着国家8 6 3 混合 动力客车项目，现已完成了“解放牌混合动力城市客车样车开发。东风汽车 公司承接“8 6 3 一混合动力客车研制项目也已完成，东风混合动力客车已实现批 量生产，截至2 0 0 7 年5 月底，武汉街头行驶的混合动力公交车达到2 0 辆，0 7 年全年还将销售1 0 0 辆混合动力公交车。长安汽车承担了国家8 6 3 项目集 成发电栅电动机混合动力长安轿车整车匹配项目，并已通过国家级验收。2 0 0 5 年1 1 月的北京国际清洁能源汽车展上，长安集团展出了一款混合动力m p v 。 该车型目前被命名为“c v l l ，是长安欧洲研发中心与国内联合开发的拥有自 主知识产权的车型。在2 0 0 7 上海国际汽车展上，上汽展出了一辆基于荣威7 5 0 平台自主研发的混合动力轿车。奇瑞汽车同时推进多种新能源技术，与高校和 科研单位合作，重点研发混合动力、纯电动和灵活燃料车。2 0 0 7 上海国际车展 上，奇瑞推出了一款并联式弱混合动力轿车奇瑞a 5 b s g 。该车采用皮带传动方 式进行动力混合，发动机与电机和变速器相并联。根据整车运行状况的不同， 电机可在怠速、发电和启动三种模式下工作，优化了电机系统效率，降低了油 耗、减少了尾气排放。 1 4 本文主要研究内容 本文在分析混合动力传动系统基本要求的基础上，以行星轮系为基本单元， 提出了一种基于传统车辆的新型混合动力传动方案，并对该方案进行了深入研 9 第】章绪论 究，主要研究内容如下： 争分析混合动力传动系统要求，提出一种混合动力传动方案； 参对传动方案从运动学及动力学角度进行分析，建立其运动学关系和动力 学模型； 参根据传动要求进行混合动力传动装置的结构设计及校核，并使用s o l i d e d g e 建立三维实体模型； 参分析混合动力传动装置的运行模式，研究各运行模式的适用工况； 夸分析各运行模式下的车辆行驶特性，制定混合动力传动装置的控制策 略； 根据以上内容组织论文结构，全文章节安排如下： 第一章：绪论。介绍课题研究背景，综述国内外发展现状，说明本文主要 内容。 第二章：混合动力传动方案的分析与设计。分析混合动力传动系统的基本 要求和现今世界各种混合动力传动方案；介绍行星轮系的杠杆分析法，并利用 杠杆分析法对可行方案进行对比分析，提出新型混合动力传动装置方案； 第三章：混合动力传动装置的分析与设计。对混合动力传动装置的运动学 和力学特性进行分析；分析混合动力传动装置的运行模式，探讨其适用工况； 优化混合动力传动装置的结构布置，对行星轮系、离合元件等关键部件进行设 计校核，阐述其它辅助结构的设计思路。 第四章：基于s o l i de d g e 的三维结构设计。介绍s o l i de d g e 软件的功能特 性和使用方法；阐述参数化设计的各种方法和特点；给出在结构设计中的基本 原则；利用s o l i de d g e 软件对混合动力传动装置的各个零部件进行三维设计建 模，并完成虚拟装配。 第五章：混合动力传动装置控制策略研究。详细列出车辆驱动的各种模式， 分析各驱动模式的输出特性，结合发动机的燃油经济性和车辆动力需求组成， 根据混合动力传动装置各运行模式及其适用工况，制定混合动力传动装置的控 制策略。 第六章：总结与展望。对全文进行总结，展望进一步研究方向。 1 0 第2 章混合动力传动方案的分析和设计 第2 章混合动力传动方案的分析与设计 2 1混合动力传动方案研究现状 随着世界石油资源的紧张和各国政策的鼓励，不少国家的汽车厂商和相关 科研机构纷纷投入大量的人力物力进行混合动力汽车的相关技术研究，各种混 合动力传动方案也层出不穷。经过理论研究和实际使用效果比较，当今世界公 认的较为典型的方案有以下几种： 丰田混合动力系统t h s ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ) 【l 8 j ； 本田混合动力系统i m a ( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) 【l9 2 0 l ； 双模式完全混合动力系统a h s 2 ( a d v a n c e dh y b r i ds y s t e m2 ) 1 2 3 驯。 2 1 1 丰田混合动力系统 丰田混合动力系统t h s 是世界上最早商业化量产的混合动力系统，目前该 系统装备于丰f f l 的多款混合动力车型上。该系统为典型的混联式混合动力系统， 目前已经发展到第二代( t h s i i ) ，其结构如图2 1 所示。 l 一一一一一一i b 州v a n s a x l e _ _ m e c h a n i c a lp o w e rp a t h _ 墨躅_ e l e c t r i cp a t h 图2 1t h s i i 系统结构 丰阳混合动力系统在行车过程中可以不断探测车辆行驶工况，然后通过控 制系统，对车辆动力分配装置的工作模式进行调整，以达到满足动力需求下的 节能效果： 第2 章混合动力传动方案的分析和设计 当车辆处于起步或中低速运转时，发动机不用于驱动车辆，而由电池供电 给电动机，电动机直接驱动车辆，车辆不排放废气： 当车辆处于正常行驶状态时，发电机起到启动电机的作用，启动发动机使 之开始旋转，直到点火。此时，车辆的行驶动力由发动机和电动机提供。发动 机同时带动发电机运转供电给电池； 当车辆瞬间加速时，车辆电池会提供额外的功率给电动机，用以提高整车 动力，改善整车加速性能，此时发动机瞬态加速性能大幅提高； 当车辆减速、制动时，车轮驱动电动机，电动机起到发电机作用，再生制 动系统将动能转变为电能，并储存于镍氢能电池： 在行车过程中，根据需要，发动机可随时驱动发电机给电池充电。 t h s i i 的传动系统由动力分配装置、发电机、电动机和减速器等组成。发 动机的动力由动力分配装置分为两部分，一部分传输给电动机和驱动车轮，另 一部分传输出给发电机。这样，发动机动力从两条路线传递，即机械路线和电 路。动力分配装置采用行星齿轮机构，行星架直接与发动机连接，通过行星齿 轮把动力传给外齿圈和太阳轮，齿圈的转轴与电动机连接，同时还与车轮连接， 把驱动力传给车轮，而太阳轮与发电机连接，如图2 2 所示。 r 图2 2t h s i i 系统动力分配装置 2 1 2 本田混合动力系统 本田最新的第四代i m a 混合动力技术，是目前唯一可以适用于现有量产车 型的混合动力技术，已经应用于本田2 0 0 6 款c i v i c 混合动力车上捌。该系统 1 2 第2 章混合动力传动方案的分析和设计 为典型的并联式混合动力系统，其结构如图2 3 所示。 图2 3 本田i m a 系统示意图 第四代i m a 系统主要部件由一个1 3 li - v t e c4 缸汽油机、一个高功率的 超薄永磁同步电动机、一个无级变速器( c v t ) 和一个智能动力单元( i p u ， i n t e l l i g e n tp o w e ru n i t ) 组成。电动机安装在发动机和c v t 之间，可提供辅助动 力给发动机或在低速行驶时提供动力，也可作为发电机在减速和制动时回收动 能给电池充电。该系统所配备的发动机采用了可变气缸管理技术( v c m ) ，提 供了高速、低速和间歇三种配气正时模式，通过四个气缸全部问歇来提高减速 时的能量回收效率，是目前最为先进的气门控制技术之_ _ 1 2 0 , 2 1 l 。 i m a 系统在不同的行驶状态下工作过程如下： 1 ) 起步加速：发动机以低速配气正时状态运转，同时电机提供辅助能量。 2 ) 急加速状态：发动机以高速配气正时状态运转，此时电池会提供额外 的功率给电机与发动机共同驱动车辆，改善整车的加速性能。 3 ) 低速巡航状态：发动机的4 个气缸阀门全部关闭，燃烧停止，车辆以 纯电动状态驱动车辆。 4 ) 一般加速或高速巡航：发动机以低速配气正时状态运转单独驱动车辆。 5 ) 减速制动状态：发动机关闭，电机此时作为发电机将动能最大限度转 化为电能回收。 6 ) 停车状态：发动机自动关闭，减少燃效损失和排放。 从结构上看，本田i m a 系统通过发动机与电动机转子直接连接的方式进行 动力合成与分解，在电机与变速器之间保留了作为车辆起步装置的主离合器， 其控制仍是一个难点。由于其后连接的是c v t 无级变速器，因此其换档过程平 1 3 第2 章混合动力传动方案的分析和设计 顺性可以得到保证。 在改进发动机控制技术、提高电机效率和输出能力以及改进控制策略后， 装备有i m a 系统的车辆燃油经济性有了显著提高2 2 1 。 2 1 3 双模式完全混合动力系统 双模式完全混合动力系统( 正式名称为a d v a n c e dh y b r i ds y s t e m2 ，a h s 2 ) 是美国通用汽车公司联合宝马、戴姆勒克莱斯勒汽车公司共同开发的混合动力 系统2 3 1 。该装置可在两种模式下工作，即低速模式( i n p u ts p l i t ) 和高速模式 ( c o m p o u n ds p l i t ) 。其结构如图2 4 所示。 、n ， i s t e t j e r u l , ti i 住k 1 帕 q e 2 h nd e 1b 、 i - - _ y c i v m i 1 l 跚l 骱 i 。t _ j 。一( 1 l 闷l丑i 厂 i i | i i l hri 一一ihr 一 ， _ _ _ _ - ， 图2 4 双模式完全混合动力系统示意图 为了使适用范围在无需大型马达的情况下便可覆盖至大型车辆，动力传动 系统的运行模式分为两种：一种为从起动覆盖至低速区域的“i n p u ts p l i t ”，另 一种为高速区域使用的“c o m p o u n ds p l i t 。变速箱设计有2 种模式，利用离合 器切换哪一个马达为主驱马达来选择模式。图2 5 为a h s 2 的结构及动力传递 方式。左侧连接发动机，右侧为驱动轴，内部并排配置有两组带有行星齿轮的 电动机，利用位于右侧的离合器来选择模式。具体而言，“i n p u ts p l i t ( 低速模 式) 时离合器k 2 结合，利用靠近发动机的电动机e 2 发电，以驱动轴一侧的电 动机e l 为主来驱动；而“c o m p o u n ds p l i t ( 高速模式) 时离合器k l 结合，以 靠近发动机的电动机e 2 为主来驱动。并且，无论使用哪种模式，仅靠发动机、 仅靠电动机或两者配合使用均可驱动车辆行驶1 2 引。 1 4 第2 章混合动力传动方案的分析和设计 图2 5 双模式完全捏合动力系统 该系统借鉴变速器的原理，用机械方法放大扛矩，相比于单模式混合动力 系统，可以大大减小电机、功率转换元件及电池的尺寸，从而更有利于在各种 夫、中、小型车辆中布置。但是相应地，由于存在两个电动机，控制策略将更 为复杂。 2 2 混合动力传动方案基本要求 混合动力车辆与传统车辆晟大的区别在于有多个动力源的存在。由于混合 动力车辆存在两种或两种以上的动力源和能量转换装置，因此不同的配置方式 a t 以形成不同的传动系统结构。除了串联式结构外，其他混合动力传动系统均 应能够完成多动力的合成与分解且满足车辆节能降耗的要求。根据混合动力 车辆的实际使用要求，混台动力传动系统应谶具备以下几个基本功能： 功力合成与分解功能 应具有多种动力合成与分解助能。”f 实现山电动机、发动机分别驰功或k 同驱动车辆的运行模式。 自动变速功能 应具有输出速度控制和车辆自动变速功能。需要具有自动变速功能的多档 位变速器或无级变速器实现车速与发动机转速的良好匹配，使发动机运行住高 教节油工况。 输出扭矩控制助能 应_ i i _ 有多曲力源输 扭婚控制功能。需要匹配平衡扦动力源的输出扭矩， ”鹾器 嚣、 黝 潍 第2 章混合动力传动方案的分析和设计 解决零车速起步牵引控制、换档过渡扭矩控制以及行驶过程中的发动机快速平 稳启停等问题。 2 2 1 动力合成与分解功能 基于混合动力车辆多动力源和能量转换装置的特点，需要传动系具有多动 力的合成与分解功能。从动力合成与分解的形式上看，有扭矩和转速两种。与 之相对应，目前有两种不同的动力合成与分解途径：一种采用单自由度传动系 统实现扭矩的合成与分解，另一种则是采用多自由度传动系统实现转速的合成 与分解。 单自由度系统 单自由度系统一般通过简单的并联实现两种动力的合成与分解，两者扭矩 合成，转速关联成比例，如式( 2 1 ) 所示。 r o = 嵋+ 以2 ( 2 1 ) 【c o o - - j q l = k c o l 2 式中，瓦，翰为输出扭矩和转速，乃i ，如，啦i ，娩为输入扭矩和转速，t g , 届j ，k 为系数。 由式( 2 1 ) 可以看出，在系统中控制任意一个输入转速，便可确定系统的 输出转速，同时输出扭矩由两个动力源合成。 多自由度系统 两自由度系统是最简单的多自由度系统，通过差动方式实现两种动力的合 成与分解，两者运动合成，扭矩关联成比例，如式( 2 2 ) 所示。 j 瓦= 孵- = 磨z ( 2 2 ) 【t o o = i j f q l + 足够2 式中参数意义同式( 2 1 ) 。 由式( 2 2 ) 可以看出，在系统中控制任意一个输入扭矩，便可确定系统的 输出扭矩，同时输出转速由两个动力源合成。 1 6 第2 章混合动力传动方案的分析和设计 2 2 2 自动变速功能 自动变速功能是近代汽车工业发展至定阶