（机械设计及理论专业论文）基于isg的混合动力传动系统及其控制研究.pdf

摘要 摘要 动力传动系统及其控制是混合动力车辆酶关键技术。本文在分析混合动力 传动系基本要求的基础上，提出了种基于i s g 的新型混合动力传动系统。论 文以该混合动力传动系统为主要研究对象，对驱动方案、车辆的驱动模式、控 制方式及运行特性进行了深入研究。 首先，论文通过分析了混合动力车辆对动力传动系统的基本要求，以行星 齿轮系为基本元素，提出了基于i s g 的新型混合动力驱动方案。剩用枉抒模拟 法对方案的运动学特性和力学特性进行了分析，建立了动力传动装置的数学模 型。 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动力传动装置的三维模 型。 在前文分析的基础上，根据发动机、i s g 及输出三者之闯豹状态关系，概括 出了车辆所有可能驱动模式，并对其输入输出特性及动力传递方式进行了分析。 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驱动模式。 根据发动机输出特性和i s g 输出特性，详细分析了每一种驱动模式下车辆的动 力特性和输出范围，总结了每种驱动模式的驱动特点。针对新型传动方案的特 点，以传统车辆驾驶习惯为依据重新定义了加速踏板，在研究蓄电池状态的基 础上，建立了车辆动力需求模型。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模式决策的控制策略，并给 出了控制系统基本组成结构。 分糊对车辆起步、发动机启动、制动回馈等特殊驱动模式进行了分析，阐 述了不同行驶工况下的不同控制方式。针对多种行驶驱动模式的切换过渡，根 据切换繁琐程度分类阐述了每一种驱动模式的过渡控制方式。在研究车辆换挡 过渡过糕特性的基础上，研究7 车辆在无变矩器7 主离合器戆情况下确保挡位平 稳切换的控制方法。 最后，对全文进行了总结。 摘要 关键词：混合动力驱动行星齿轮动力传动装置驱动模式决策 模式切换控制换挡过渡控制 i i a b s t r a c t 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 nt h e a n a l y s i so fh y b r i dv e h i c l er e q u i r e m e n t , t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t san o v e lh y b r i d p o w e r t r a i ns y s t e mb a s e do ni s gt h er e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ed r i v es c h e m e ，d r i v e m o d e ，c o n t r o lm 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 晡dp o w e r t r a i n f i r s t , 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 ed i s s e r t a t i o np r o p o s e san o v e l h y b f i dp o w e r t r a i nb a s e do nt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fh y b r i dv e h i c l e s t h el e v e r a n a l o g yi sa p p l i e dt ot h ep r o c e s so fa 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 f p l a n e tg e a rs e ta n dt h ep r o c e s so fb u i l d i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fp o w e rt r a n s m i s s i o n u n i t ( p t u ) 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 eo f 刖 i 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 ds o m ek e yc o m p o n e n t s s 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 dh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m 锄弓 a n a l y z e di nd e t a i l t h e3 一dm o d e li sb u i l dw i t h3 - dc a d s o f t w a r ea tt h ee n 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 t , t h ed i s s e r t a t i o nc l a r i f i e sa l l p o s s i b l ed r i v em o d eo ft h eh y b r i dp o w e r t r a i ns y s t e m , a n a l y z e st h ei n o u tc h a r a c t e r s a n dp o w e rt r a n s m i s s i o nr o u t e s 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 ea v a i l a b l ed r i v e m o d ei sp r o p o s e d t h e n , t h ed r i v ec h a r a c t e ra n ds c o p ef o re a c hd r i v em o d ea r e a c q u i r e db a s e do nt h ee n g i n ea n di s go u t p u tc h a r a c t e r s a c c o r d i n gt ot h eh a b i to f t r a d i t i o n a lv e h i c l ed r i v e r , an e wd e f i n i t i o no fa c c e l e r a t ep e d a li sp r o p o s e d a f t e rt h e s t u d yo fb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g ec h a r a c t e r , p r o p o s eap o w e rr e q u i r e m e n tm o d e l o ft h eh y b r i dv e h i c l e 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 le c o n o m y , ad r i v e m o d ej u d g es 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 to 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 ei sd e s i g n e da t t h ee n d f o rs o m es p e c i a lr u n n i n gc o n d i t i o n sl i k ev e h i c l es t a r t , s t a r te n g i n ea n db r a k e r e g e n e r a t e ，t h ed i s s e r t a t i o nd e v e l o p ss o m ed i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d sa n de x e c u t e w a y sf o re a c ho n e i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h ed r i v em o d et r a n s i t i o ni sd i v i d e di n t ot h r e e c l a s s e sa c c o r d i n gt ot h ef e a s i b i l i t yo fe a c ht r a n s i t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yo fe a c h i i i 一 垒垒墅型 d r i v em o d et r a n s i t i o ni sa l s od e v e l o p e do n e b yo n e b a s e do nt h es t u d yo fg e a rs h i f t c h a r a c t e r s ，d e v e l o pt h eg e a rs h i f ts t r a t e g yt ok e e pv e h i c l ep e a c e f u la n ds h i f ts m o o t h l y f o r t h ep o w e r t r a i nw i t h o u t h y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e ro rm a i nc l u t c h i nt h ef i n a l i t 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 dd r i v e ，p l a n e tg e a rs e t p o w e rt r a n s m i s s i o nu n i t , d r i v em o d e s t r a t e g y , d r i v em o d et r a n s i t i o nc o n t r o l ，g e a rs h i f tc o n t r o l i v 学位论文版权使用授权书 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。 学位论文作者签名痧等 寸年p 月 两济大学学位论文原创性声明 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 研究工作所取褥的成果。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： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 人类生活的地球，物产富饶，环境宜人。人们利用他们的聪明才智不断地 改善生活环境，提高生活质量。然而，人类在不断进步的同时，无意中却对赖 以生存的地球家园造成了许多负面影响。环境闯题、资源问题、入口问题 这些日益凸显的矛盾正逐步威胁饕人类的可持续发展。汽车作为现代文明的标 志之一，在加快生活节奏、给人们带来方便的同时，也给人类的生存环境带来 了极力深刻的负面影镌。 1 1 课题背景 诞生于1 9 世纪末的汽车，在过去一个多世纪中获得了迅猛发展，成为人们 墨常生活中不可或缺的一部分。然两，与汽车发展相伴焉行的是几大阂题的曰 益凸显： 汽车数量加速增长 伴随者人口的不断增长，工业化程度和人们生活水平不断提高，汽车的保 有量也不断增长。在19 8 0 - - 2 0 0 4 、19 9 5 - - 2 0 0 4 、2 0 0 0 - 2 0 0 4 期间，中国汽车傈 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l 。2 l 。5 亿辆。 1 - 3 1 能源问题 蜀蓊，中国车用石油消费量己占社会石油总消费量的三分之一。2 0 0 5 年， 我国的车用石油消费量为1 0 6 亿吨，比2 0 0 0 年增长了l 倍【4 j 。虽然，近年来能 源生产和建设能力大大提高，但是我国的石油资源有限，不得不依靠石油进口 加以解决，并且进口的数量随着经济发展越来越大。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 个酉分点和7 9 个吾分点，石油进臼额占我国进嚣总额豁8 5 1 。 环境问题 车用石油大量消耗，随之而来的排放污染问题日益凸显。据测算，2 0 0 3 年 第1 章绪论 全国机动车碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 和氮氧化物( n o x ) 排放量已 分别达到8 3 6 1 万吨、3 6 3 9 8 万吨和5 4 9 2 万吨。在北京、广州等城市，8 0 以 上的一氧化碳、4 0 以上的氮氧化物来自于汽车的排放 6 1 。2 0 0 6 年，在被监测的 5 5 9 个中国城市中，空气质量达到一级标准的城市占4 3 、二级标准的城市占 5 8 1 、三级标准的城市2 9 5 、劣于三级标准的城市占9 1 2 1 。 严峻的能源形势和环境问题已经严重威胁到了人们的生活质量和生存状 态。为此，世界各国纷纷出台相关环境政策，提高汽车排放标准，严格限制汽 车的污染排放，降低能源消耗。美国早在1 9 6 0 年就开始对汽车排放进行控制， 1 9 9 4 年开始执行极其严格的低污染汽车法规( l e v ) ，并不断提高标准：日本于 1 9 6 6 年开始控制汽车排放，限定车辆排放的最高值和每一极度的平均值：欧洲 经济委员会( e c e ) 从1 9 7 0 年开始制定法规对汽车排放进行控制，并分别于1 9 9 2 年、1 9 9 6 年、2 0 0 0 年、2 0 0 5 年开始执行欧i 、欧l i 、欧i 、欧标准1 7 j 。 汽车保有量的不断增长，导致能源消耗量不断攀升，随之而来的环境问题 让人类面临严峻挑战。因此，寻找替代能源、研究节能技术、开发环保产品成 为当前亟待解决的关键问题，刻不容缓。混合动力车辆就是在这样一种背景下 应运而生的。 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，提出了一种新型混合动力 传动方案，通过杠杆模拟法等多种分析手段，对新型混合动力传动系统的驱动 模式选择策略、模式切换策略、挡位切换以及车辆各工况下的行驶驱动模式进 行了深入分析和研究。 1 2 混合动力车辆概述 1 2 1 定义 根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，混合动力车辆 是指由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作为驱动能源，其中至少有一 种提供电能的车辆，其驱动能源可以是内燃机、蓄电池、超级电容、燃料电池、 液压蓄能器等【引。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 2二 第1 章绪论 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是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 根据混合动力电动汽车驱动桥的多少，可以分为单轴驱动、双轴驱动或多 轴驱动三种【9 1 。单轴驱动的混合动力车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m p r i u s 1 0 1 、本m c i v i ch y b r i d 1 1 l ； 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 i m 混合动力车l l 列、 同济大学研制的“登峰一号一混合动力概念车。 根据混合动力车辆动力系统构成特点的不同，可以分为串联式混合动力车 辆( 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 ) 、并联式混合动力车辆( p h e v ，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 ) 、混联式混合动力车辆( p s h e v ，p a r a l l e l s e r i e sh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 、复合式混合动力车辆( c h e v ，c o m p o s i t eh y b r i de l e c t r i c v e h i c i e ) 1 1 3 。 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。s h e v 用发动机一发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使s h e v 的行驶里程得到延长。实际上s h e v 的发动机一发电机组只能看作一种电能供 应系统，发动机并不直接参与s h e v 的驱动。 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，其特点是动力特性更加趋近于e v 。s h e v 的缺点是在机械能 电能机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机汽车，且三大动力 总成的体积较大，质量也较重，还有庞大的动力电池组，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。 3 第1 章绪论 一奄气连袭- - 一税藏莲撩 图1 i 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，发动机、 电动发电机或驱动电动枕采用“著联”的方式组成p h e v 的驱动系统，如图 1 2 所示。从p h e v 的动力系统组成，可大致分为发动机、驱动系统( 变速器和驱 动桥) 、驱动轮等，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：在发动机 输出轴处进行组合；在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合：在驱动轮处进 行组合。相应地，p h e v 可以商多种不同的结构模式。 圆甲 li 争橱 il 匦丑 三橱白 电气逡接- 一橇援连接 图1 2 并联式混合动力车辆传动系统结构框图 虽然p h e v 有不同的结构模型，但都是以发动机为主要驱动模式。发动机 控制在低抽耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转。发动机直接带动 p h e v 的驱动系统驱动p h e v 行驶，采用传动效率高的机械传动系统，没有s h e v 在机械能电能机械能的转换过程中的能量损耗。 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、电动机驱动模式、发动机一电动机混合驱动模式和 能量制动蹈馈等驱动模式。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， 4 第i 章绪论 质量较轻，造价也较低，可以应用在中小型p h e v 上由于是以发动机驱动模 式为主要驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于内燃机汽车。 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。电动机 的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：在变速器( 包括驱动桥) 处进行组 合；在驱动轮处进行组合。相应地，p s h e v 也可有多种不同的结构模式。 电气连接 一机械连授 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 i 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“超低污染一 的标准要求。 复合式混合动力车辆( c h e v ) 瞬l 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。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 中的发电机一般起发电机的作用。双向 流动的功率流可以有更多的运行模式，这对于采用三个驱动力装置的混联式混 合动力车辆而言是不可能达到的。虽然结构复杂，成本较高，但随着控制技术 和制造技术的发展，现在有些新型的混合动力电动汽车也采用双轴式驱动的复 合式系统。 5 第1 章绪论 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 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，国家也作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 4 1 1 3 1 国外发展现状 1 3 1 1 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) ，旨在开发新一代高效节能汽 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 lh y b r i d 6 第1 章绪论 s y s t e m ) 劳的概念车群g m cg r a p h y 3 毫捧。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 一该车配备 通用定位于新代驱动系统的、称为靠e f l e x 静的混合动力系统，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，利用由 此产生的电力为充毫电池充电，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。【婚】 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 修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) 搿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 r i 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 t b l 。嚣前，已经上市和即将上市鳇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，戴姆勃克莱矮勒在底特律车展上展邂了 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 合动力秽s 级 奔驰，在s 级v 8 柴油发动机车上醚备了油电混合动力装置“p 1 2 一， 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 采湖。 1 0 1 。2 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，基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。 丰豳汽车于1 9 9 7 年1 2 旁推如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= = 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 7 第1 章绪论 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焉电源充电的混合动力车靠t o y o t ap l u g - i nh v 捧。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 m r yh y b r i d 、e s t i m a h y b r i d 、h a r r i 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 、l s 6 0 0 h l 等多种醛习。 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 ra 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 系统的本瞬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，最薪研制的第四代i m a 系统已经被装配到2 0 0 6 款c i v i c 混合动力车上叫。 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 月网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 4 】。 1 3 1 3 欧洲 欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的王作。 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 1 届国际电池、混合动力及燃料电池车论坛暨展示会) 上，德雷大众进行了正在开发的柴油混合动力车“g o l f t 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 有条件下的行驶嘲。 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 7 h 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。【醛j 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 s 第1 章绪论 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 5 】 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 部己将其作为“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 l 射 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 混合动力客车研制项目已完成，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 电机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。 9 第l 章绪论 1 4 混合动力传动系统研究现状 1 4 1 混合动力传动方案的研究 目前，除串联式混合动力系统外，其他系统均有机械方式参与实现动力混 合，且动力混合的位置一般处于传动系中。基于混合动力系统多动力源的特性， 必然要求其传动系具有多动力源合成与分解的功能，以实现各种不同动力源混 合驱动。随着各汽车厂商和相关科研单位纷纷投入混合动力汽车的研发，其动 力传动方案也层出不穷，不尽相同。综合各家传动方案，较为典型的有以下几 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 ) ； 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 ) ； 双模式完全混合动力系统a h s 2 ( a d v a n c c dh y b r i ds y s t e m2 ) 。 1 4 1 1 丰田混合动力系统( t h s ) b 9 1 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 系统装备于丰田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1 5 所示。 t h s i i 在行车过程中根据不同行驶工况采用不同的工作模式，以达到最佳 效果。 伊在车辆起步及中低速运转时，只要电池电量在合理范围内，汽车由电动 机驱动，此时整车处于电动车模式，不排废气。 伊当整车进入一般行驶条件时，此时发电机起到启动电机的作用，使发动 机从静止开始旋转，直到点火。整车动力一部分来自发动机，另一部分 则由发动机带动发电机后给电动机供电驱动车轮。 伊瞬间加速时除与一般行驶条件相同外，电池会提供额外的功率给电机来 改善整车加速性能，此时发动机瞬态加速性能大幅提高。 伊减速、制动，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。 伊在行车过程中，根据需要，发动机可随时驱动发电机给电池充电。 1 0 第l 章绪论 图16t h s i i 系统动力分配装置 从方案的结构看，丰田混合动力系统存在以下问题： 咖动力分配装置以两自由度状态运行，若要使发动机参与驱动，发电机必 须处于工作状态，提供与之平衡的扭矩，发动机才能向外输出动力，因 此发电机长期处于工作状态，寿命需要得到保证； 伊由于电动机也可以工作在发电状态，在某些情况下可能产生功率循环， 1 1 第1 章绪论 发动机动力通过动力分配装置传递至电动机，并驱动电动机发电，回传 至发电机驱动，从而产生循环功率； 伊系统需要在发电机、电动机、蓄电池之间频繁传递电能，沿袭了部分串 联式系统的缺点，往往会产生较大的能量损失。 相比于第一代丰田混合动力系统t h s ，第二代丰田混合动力系统t h s i i 在 上述方面有了很大进步，取得了显著的效果。0 9 1 在典型t h s 系统基础上，丰田还对该方案进行了延伸，通过增加两级电机减 速装置( t w o - s t a g em o t o rs p e e dr e d u c t i o nd e v i c e ) 以扩大车辆的输出扭矩范围， 减小电机的尺寸，应用于后轮驱动车型上。【2 0 2 i 】 此外，丰田还提出了一种弱混合驱动方案( t h s - m ) 【2 五2 3 1 ，如图1 7 所示。 方案在传统车辆传动系统的基础上，外挂一个电机，并通过离合器与发动机曲 轴另一端相连。主要实现以下功能： 实现发动机快速重新启动； 起步过程的电驱动； 正常行驶过程中的发电功能： 正常工况下的制动回馈功能； 在停车状态下驱动附属装置运行。 图1 7 丰田弱混合驱动方案( t h s m ) 该方案可以在保持原有系统尽量不变的基础上，通过发动机怠速停机、制 动回馈、纯电动起步等措施达到节能的目的。但是由于电机功率较小，系统调 节能力有限，整体节能效果相对不如t h s i i 。 1 2 第1 章绪论 1 4 量2 本墨混合动力系统( i m a ) 队2 5 1 本刚最新的第四代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 c 混合动力车主。豳该系统为典 型的并联式混含动力系统，其结构如图1 8 所示。 圈1 s 本匿i m a 系统示意匿 第四代i m a 系统主要部件包括一个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 正1 ) 。电动枫安装在发动机和c v t 之阅，可提供辅助动力绘发 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溺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，通过四个气缸全部间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一1 2 5 , 捌。 i m a 系统在不同的行驶状态下工作过程如下： 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。 急加速状态：发动机以高速配气正时状态运转，此时电池会提供额静豹 功率给电机与发动机共同驱动车辆，改善整车的加速性能。 低速巡航状态：发动机的4 个气艇阀门全部关闭，燃烧停止，车辆以纯 电动状态驱动车辆。 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。 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。 停车状态：发动机自动关闭，减少燃效损失和摊放。 1 3 第1 章绪论 v e h i c l es 删 固 团 囡 团 团 囤固 。 自动变速功能 为使发动机运行在高效节油王况，需要具有自动交速功畿的多接位 变速器或无级变速器实现车速与发动机转速的良好匹配。 动力合成与分解功能 应具有多种动力合成与分解功能，实现由电动力装置平衡发动机的 扭矩( 功率) 盈亏。 输出扭矩控制功能 需要解决零车速起步牵引控制、换挡过渡扭矩控制以及行驶过程中 的发动机快速平稳扇停等闷题。 2 1 i 自动变速功畿 自动变速功能是近代汽车工业发展至一定阶段为缓解驾驶者强度、简化车 辆驾驶操作的产物，主要依靠电子控制单元来自动切换变速器挡位，无需驾驶 者频繁地踩离合切换挡位。自动交速功能挡位切换的基本原则是使发动机输出 与车辆行驶速度匹配，具体切换时机则由系统的控制策略确定。 在混合动力系统中，为使车辆高效节能，发动机往往处在高效工作状态或 2 l 第2 章混合动力传动系统的分析与设计 停机状态。与此同时，在车辆的行驶过程中，其行驶状态由驾驶员的驾驶意图 及行驶环境所共同决定。除发动机驱动外，电机也将根据需要参与到车辆的行 驶驱动中。因此，如何最优化地匹配发动机输出与车辆行驶状态，是混合动力 车辆的一个非常关键的问题。由于手动变速功能只能依靠驾驶者的主观判断来 确定换挡时机，无法使各单元达到最佳配合。这一问题只能由自动变速功能来 解决，通过对发动机状态、电动机状态、车辆行驶状态、驾驶员意图等各方面 信息的采集，由电子控制单元( e c u ) 来确定当前变速器应处的挡位以及挡位 切换的时机，从而使发动机始终处于最佳工作状态，车辆随驾驶员意图行驶。 2 。1 2 输出扭矩控制功能 对采用自动变速器的车辆而言，由于发动机输出特性的局限，无法提供零 转速下的输出扭矩，且不能带载启动，而与之相对应地，起步过程需要较大驱 动扭矩来克服惯性和摩擦阻力，因此需要借助起步装置来实现起步。起步装置 的主要功能是调节发动机输出特性，使其在零车速或较低车速下也能向传动系 提供输出扭矩，并随着车辆行驶状态的变化而做出相应改变。同时，在车辆换 挡过程中，也需借助起步装置来缓解换挡前后车速和发动机输出不匹配而引起 的冲击，使两者重新达到平衡匹配状态。 现有自动变速车辆的起步装置有两种：液力变矩器和主离合器。 2 1 3 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，有运动和扭矩两种，其 最终结果均可实现功率的