（车辆工程专业论文）基于amt的混合动力汽车电动变速驱动单元（etdriver）控制策略研究.pdf

上海交通大学博士学位论文摘要 基于a m t 的混合动力汽车电动变速驱动单元( e t d r i v e r ) 控制策略研究 捅要 混合动力汽车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ) 的混合动力系统的集成化研究是 目前和未来国内外研究的重点。 混合动力汽车的核心是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车 性能。如何有效的解决混合动力汽车混合动力系统的集成控制，使整车实现高度集 成和配置简单化，通用化是目前研究的关键。经过十多年的发展，混合动力系统已 从原有离散结构向一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。集成化混合动力 总成系统最能体现h e v 系统的最优化思想，同时也是最复杂，形式最多样，研究 难度最大的结构，是现在和将来的新的研究重点。其中变速器( 箱) 与电机一体化( 变 速系统总成化) 研究仍是目前国内外混合动力汽车混合动力系统研究的空缺点。本 文首次提出了电动变速驱动单元( e l e c t r i ct r a n s m i s s i o nd r i v e r ，e t d r i v e r ) 的概念， 将变速器和永磁同步电机集成为变速驱动集成化混合动力系统。对基于机械自动变 速器( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，a m t ) 的电动变速驱动单元( e t d r i v e r ) 进行了重点研究论述。基于a m t 的电动变速驱动单元，永磁同步电机和a m t 在输 出轴耦合，实现变速、驱动、制动能量回馈等功能。在换档过程中，换档质量，包 括冲击度和摩擦功是最重要的考核指标。本文重点对变速驱动单元如何提高混合动 力汽车在行驶过程中换档和起步过程中换挡的换档质量、行驶平顺性和乘坐舒适性 进行了深入研究。 滑磨功和冲击度这两个指标相互制约，因而为了达到综合最优，针对电动变速 驱动单元不同工作状况，制定了不同的换档控制策略来达到冲击度和滑磨功协调最 优。在e t d r i v e r 输出驱动扭矩大于或等于行驶阻力扭矩的情况下，由于有e t d r i v e r 在离合器分离过程中提供驱动扭矩，在换挡过程中确保离合器分离到结合这个过程 整车驱动扭矩不中断，因而飞轮有充裕时间调整自身转速来达到与离合器从动盘同 步，从而确保飞轮和离合器接合时冲击度和滑磨功都很小。在e t d r i v e r 输出驱动 扭矩小于阻力扭矩时，采用基于最小值原理的换档控制策略对滑摩功和冲击度进行 综合最优控制，使滑磨功和冲击度达到综合最优，并得到了以解析式形式表达的系 统最优控制函数。 上海交通人学博士学位论文摘要 e 。t d r i v e r 独特的结构和相对应的控制策略相结合，既保证在驱动力不中断的 情况下完成换档操作，又能确保换挡质量、行驶的平顺性和乘坐舒适性。此外尤为 重要的是，由于e t d r i v e r 自身独特结构，既可以输出正驱动扭矩又可以提供反向 发电扭矩，从而很好的协调换档过程中加权函数z 值的大小，确保换档质量达到最 优。 作为本项工作的重点之一，本文分别对e t d r i v e r 系统进行了仿真分析和实车 试验。利用大型系统动力学分析软件s i m u l a t i o n x 和c r u i s e ，开发出e t d r i v e r 的仿真模型，通过对e t d r i v e r 换挡过程的仿真分析，为实车试验提供可靠的依据 和数据对比。装配e t d r i v e r 的混合动力大客车道路试验按照国家标准进行，主要 考察小油门起步换挡、加速换挡、高档位等高难度工况。最终的仿真和道路试验结 果表明，变速驱动单元的特定结构，结合本文提出的e t d r i v e r 最优扭矩换档控制 策略，相比传统a m t ，e t d r i v e r 能够极大的提高换档质量、整车驱动平顺性和乘 坐舒适性。本文实施的e t d r i v e r 最优扭矩控制策略使e t d r i v e r 换挡过程具有良 好的动态特性，对复杂工况和多变环境有自适应能力。变速驱动单元的研究将极大 推进混合动力汽车的产业化和混合动力汽车关键技术的进一步发展。 关键词：混合动力汽车( h e v ) ，自适应最优控制，换档质量，换档控制策略，行 驶平顺性，集成化混合动力总成系统，电动变速驱动单元( e t d r i v e r ) 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho i lc o n t r o ls t r a t e g yo fe t d r i v e rb a s e do i la m ti n p a r a l l e lh y b r i del e c t r i cv e h i c l e s a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i o nr e s e a r c ho fh y b r i dp o w e rs y s t e mo f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i s t h ek e yr e s e a r c he m p h a s i sa th o m ea n da b r o a d ，a n dt h et r e n dw i l ls t i l lp r e v a i li nt h e f u t u r e h y b r i dp o w e rs y s t e mi st h ec e n t r a lc o m p o n e n to fh e v t h ep e r f o r m a n c eo fh e v i s g r e a t l ya c h i e v e db yt h ec a p a b i l i t yo fh y b r i dp o w e rs y s t e m h o wt oe f f i c i e n t l ya c h i e v et h e i n t e g r a t e dc o n t r o lo fh e va n dt om a k et h ew h o l ep o w e rc o n f i g u r a t i o nb e c o m eh i g h l y i n t e g r a t e da n ds i m p l ea r et h ek e yp o i n ta n dd i f f i c u l tp o i n tf o rr e s e a r c h n o w , t h eh y b r i d p o w e rs y s t e mh a sa l r e a d yb e e nd e v e l o p e df r o mad i s c r e t es t r u c t u r ei n t oa ni n t e g r a t e do n e ， w h i c hi sc a l l e dt h ei n t e g r a t e dh y b r i dp o w e rs y s t e mi np a s tt e ny e a r s t h ei n t e g r a t i v e h y b r i dp o w e rs y s t e mc a nw e l lr e p r e s e n tt h eo p t i m i z a t i o ni d e ao fh e v a n di ti sa l s ot h e m o s td i f f i c u l ts t r u c t u r ef o rs t u d y , w h i c hh a st h em o s tc o m p l e x i t ya n dt h em o s td i v e r s i t y s oi tw i l la l w a y sb et h ei m p o r t a n tr e s e a r c he m p h a s i se v e ni nt h ec o m i n gs e v e r a ly e a r s a sf o rt h ei n t e g r a t i o nr e s e a r c ho ft r a n s m i s s i o n ( g e a rb o x ) a n dm o t o r , a l s oc a l l e d t r a n s m i s s i o ns y s t e mi n t e g r a t i o n ，t h e r ei ss t i l ln or e s e a r c hi nt h i sf i e l db o t hi nc h i n aa n d o t h e rc o u n t r i e s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ei d e ao fe t d f i v e r ( e l e c t r i ct r a n s m i s s i o n d r i v e r ) f o rt h ef i r s tt i m e t h ee t d r i v e ri n t e g r a t e st h et r a n s m i s s i o na n dp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o ri n t oac o m p o s i t i v eh y b r i dp o w e ru n i ts y s t e m ，w h i c hc a np e r f o r ms h i f t ， g e n e r a t ee l e c t r i c i t y , r e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dd r i v ef u n c t i o n t h em a i nr e s e a r c ho ft h i s d i s s e r t a t i o ni st h ee t d r i v e r , w h i c h i n t e g r a t e sa m t ( a u t o m a t i cm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ) a n dap e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri n t oah y b r i dp o w e rs y s t e m i n t h ee t d r i v e rb a s e do na m t , t h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri sm o u n t e do n t h eo u t p u ts h a f to fa m ta n dt h er o t o ro fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri sc o u p l e d w i t ht h eo u t p u ts h a f to fa m td i r e c t l yo rw i t hac o u p l i n gd e v i c e t h ee t d r i v e rb a s e d o na m tc a np e r f o r mt h ed r i v e ，g e n e r a t i o no fe l e c t r i c i t y , r e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dp o w e r t r a n s m i s s i o nf u n c t i o n t h eg e a rs h i f tq u a l i t y , i n c l u d i n gs h o c ki n t e n s i t ya n ds l i p p i n g f r i c t i o nw o r k ，i st h em o s ti m p o r t a n ta p p r a i s a b l et a r g e td u r i n gt h eg e a rs h i f tp h a s e t h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l ym a k e sad e e pr e s e a r c ho nh o wt h ee t d r i v e ri m p r o v e st h eg e a rs h i f t q u a l i t y , d r i v i n gs m o o t h n e s sa n dr i d i n g c o m f o r td u r i n gt h ed r i v i n gs h i f tp h a s ea n d s t a r t u pg e a rs h i f tp h a s e t h ei n d e xo fs l i p p i n gf r i c t i o nw o r ki si n c o m p a t i b l ew i t ht h a to fs h o c ki n t e n s i t y i n o r d e rt of o r ma ni n t e g r a t i v eo p t i m i z a t i o nb e t w e e ns h o c ki n t e n s i t ya n ds l i p p i n gf r i c t i o n w o r k d i f f e r e n tg e a rs h i f tc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e nm a d et of i n dac o m p r o m i s eb e t w e e n s h o c ki n t e n s i t ya n ds l i p p i n gf r i c t i o nw o r ka c c o r d i n gt od i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o no f e t d r i v e r u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ed r i v i n gt o r q u eo fe t d r i v e ri sl a r g e rt h a no r e q u a lt ot h er e s i s t a n c et o r q u e ，t h ef l y w h e e lh a se n o u g ht i m et o 仃a c kt h er o t a t i o n a ls p e e d o ft h ef r i c t i o nc l u t c hp l a t e ，b e c a u s et h ee t d r i v e rc a np r o v i d ee n o u g hd r i v i n gt o r q u et o a s s u r et h ed r i v i n gt o r q u eo fv e h i c l ei sn o ti n t e r r u p t e dd u r i n gt h ec l u t c hd e t a c h m e n tp h a s e m e l lt h er o t a t i o n a ls p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef l y w h e e la n dc l u t c hd i s kp l a t ei ss m a l l e n o u g h ，t h a ti st os a y , t h er o t a t i o n a ls p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e n t h ef l y w h e e la n dc l u t c hd i l s k p l a t ei ss m a l l e rt h a nw h a ti s s e ti na d v a n c e ，t h ef l y w h e e la n dt h ec l u t c hd i s kw i l le n g a g e 鹪 q u i c k l ya st h e yc a l l s ot h es h o c ki n t e n s i t ya n ds l i p p i n gf r i c t i o nw o r ka r e a l lv e r ys m a l lw h e n t h ec l u t c he n g a g e sw i t ht h ef l y w h e e l w h e nt h ed r i v i n gt o r q u ep r o v i d e db ye t d r i v e ri s s m a l l e rt h a nt h er e s i s t a n c et o r q u e ，t h em u l t i o b je c t i v eo p t i m a lt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y , b a s e d u p o nt h em i n i m u m v a l u ep r i n c i p l e ，i sa d o p t e dt oc o m p r o m i s et h es h o c ki n t e n s i t y a n ds l i p p i n gf r i c t i o nw o r ka n dm a k et h e mt or e a c ha ni n t e g r a t i v eo p t i m i z a t i o n 。t h e o p t i m a lt o r q u ec o n t r o lf u n c t i o ni sd e r i v e da n dd e s c r i b e db ya na n a l y t i cf u n c t i o n t h eg e a rs h i f to p e r a t i o nc a nb ef i n i s h e du n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ed r i v i n gt o r q u e i sn o ti n t e r r u p t e d f u r t h e r m o r e ，t h eg e a rs h i f tq u a l i t y , d r i v i n gs m o o t h n e s sa n dr i d i n g c o m f o r ta l s oc a nb ee n s u r e db e c a u s eo ft h es p e c i a ls t r u c t u r eo fe t d r i v e r , c o m b i n i n g t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m a lt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b e s i d e s t h i s ，t h ee s p e c i a l l yi m p o r t a n tt h i n gi st h ee t d r i v e rc a no u t p u tp o s i t i v ed r i v i n gt o r q u e a n da l s oc a no u t p u tn e g a t i v et o r q u ef o re l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n ，w h i c hc a nw e l lh a r m o n i z e t h ec o e f f i c i e n tv a l u eo fw e i g h tf u n c t i o nz t h i sc a ne n s u r et h eg e a rs h i f tq u a l i t yt oa t t a i n o p t i m i z a t i o n a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o na n dt h e p r a c t i c a lo n v e h i c l ee x p e r i m e n tf o rt h ee t d r i v e r a r em a d e t h ev i r t u a lp r o t o t y p e s i m u l a t i o ni sm o d e l e db ys i m u l a t i o n xa n dc r u i s es o f t w a r ea n dv e r i f i e db y p r a c t i c a lv e h i c l ee x p e r i m e n t s t h ep r a c t i c a l o n v e h i c l ee x p e r i m e n t sc a ng a i nt h e o r y b a s e m e n ta n dd a t ac o n t r a s tf r o mt h es i m u l a t i o nm o d e lb ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h er o a de x p e r i m e n t so fh y b r i de l e c t r i c a lb u se q u i p p e dw i t he t d r i v e ra r e c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fc h i n a ，a n dm a i n l ya t t e n t i o ni sf o c u s e do nt y p i c a l d i f f i c u l tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha ss m a l lt h r o t t l es t a r t u pg e a rs h i f t ，g e a rs h i f td u r i n g a c c e l e r a t i o nc o u r s ea n dh i g hg e a rp o s i t i o n f r o mt h ef i n a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dr o a d 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t t e s tr e s u l t s ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h es p e c i a ls t r u c t u r ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l s t r a t e g yo fe t d r i v e rc a ng r e a t l ye n h a n c et h eg e a rs h i f tq u a l i t y , d r i v i n gs m o o t h n e s sa n d d r i v i n gc o m f o r to fh e vc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la m t w i t ht h eo p t i m a lt o r q u e c o n t r o ls t r a t e g yp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee t d r i v e ra c h i e v e sg o o dd y n a m i c c h a r a c t e r , w h i c hi sa d a p t i v et ot i m ev a r y i n gd r i v i n gc o n d i t i o no fh e v a n dc o m p l i c a t e d s u r r o u n d i n g s t h er e s e a r c ho fe t d r i v e rc a ng r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dh e v sk e yt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ，a d a p t i v eo p t i m a lc o n t r o l ，g e a rs h i f tq u a l i t y , g e a rs h i f tc o n t r o ls t r a t e g y , d r i v i n gs m o o t h n e s s ，i n t e g r a t e dh y b r i dp o w e rs y s t e m ，e l e c t r i c t r a n s m i s s i o nd r i v e r ( e t d r i v e o v 上海交通大学博士学位论文 符号说明 a b c d c c d 劬l e e d ，e b ，e c e e k f f e p e 乃 迎风面积( m 2 ) 阻尼系数； 空气阻力系数 e t d r i v e r 输入轴减振器阻尼 燃料密度，( g c m 3 ) 柴油发动机目标转速和当前转速的差值，( r a d s ) 永磁同步电机定子相绕组电动势，( ； 膜片弹簧材料的弹性模量 实验过程中电量消耗量，； 滚动阻力，( n ) 坡度阻力，( 惩罚函数系数 离合器压盘压紧力，( n ) 空气阻力， e t d r i v e r 传动比 永磁同步电机定子相绕组电流，( a ) e t d r i v e r 中电机和变速器输出轴耦合齿轮传动 比 高压电池电流，( a ) 主减速器传动比 ，1 冲击度，( m ) 飞轮，离合器压盘和发动机曲轴的全部转动惯 量，( k g m z ) 从动盘转动惯量，( k g m 2 ) 车轮和车身转动惯量，( k g m 2 ) 传动系统转动惯量，( k g m 2 ) 从动盘转动惯量，车轮和车身转动惯量，。， 传动系统转动惯量，d 的总和，( k g m z ) 永磁同步电机的转动惯量，( k g m 2 ) ； 输出轴转动惯量 p i e ) 控制器的比例系数 传动轴弹簧刚度系数 p i d 控制器的积分系数 p i e ) 控制器的微分系数 一l l k ；，止 以几儿z 厶以k 以巧 上海交通大学博十学位论文 符号说明 瓦 z 乙 砭 i 乩曲 曲 e t d r i v e r 输入轴减振器弹簧系数 永磁同步电机每相绕组的自感，( h ) ； 整车质量，( k 曲 永磁同步电机每两相绕组间的互感，( h ) ； 发动机转速，( r p m ) 永磁同步电机极对数。 离合器从动盘转速，( r p m ) 高压电池允许输出最大功率，) e t d r w e r 输出功率，( 1 n 微分算子p = d d t 车轮滚动半径，( m ) 高压电池内阻，( r ) 离合器摩擦面的外径，( m m ) 离合器摩擦面的内径，( m m ) 飞轮和离合器开始结合时刻，( s ) 离合器传输摩擦扭矩值和e t d r i v e r 输出扭矩值的 和等于阻力扭矩时刻 飞轮和离合器完全结合时刻，( s ) 环境温度，( ) 永磁同步电机电磁转矩，( n m ) ； 永磁同步电机中负载转矩，( n m ) ； 发动机输出扭矩，州m ) 摩擦离合器传递扭矩，( n m ) e t d r i v e r 输出扭矩，烈m ) 作用在离合器从动盘上的阻力扭矩，( n m ) e t d r i v e r 中电机输出扭矩，( n m ) 作用在车轮上的行驶阻力扭矩，( n m ) 同步器扭矩 高压电池正常工作允许最低电压， e t d r i v e r 中电机正常工作允许最低工作电压，( 车速，( k m h ) 高压电池开路电压，( 换档开始时车速，( m s ) ， 永磁同步电机定子相绕组电压，( 也l m mb己p r墨r乞 岛k 乃死z cv协 口 c o a狄 上海交通人学博十学位论文符号说明 ， w z p d q m t 一晰 7 唧 刁鲫 吐 吃 见 8 吐 巳 缈” 见 如 国少 聊 占 口 4 也 缈细i i l a t 【， 等效燃料循环量，( l ) 离合器摩擦功，( j ) 加权系数 离合器摩擦面摩擦系数 燃料燃烧的低热值，( j g ) ； 发电工况下，发动机的平均工作效率 发电工况下，发电机的平均工作效率 发动机转速，( r a d s ) 输出轴角速度 输出轴角度 电子加速踏板开度( 呦 离合器从动盘角速度，( r a d s ) e t d r i v e r 输入轴角度 e t d r i v e r 输入轴角速度 e t d r i v e r 中电机角速度，( r a d s ) e t d r i v e r 工作效率 传动轴角速度。 传动轴角度 泊松比常数， 离合器接合时大端的变形 发动机目标转速，( r a d s ) 传动系统传输效率 汽车旋转质量换算系数 制动踏板开度，( ) 起步开始时发动机初始角速度，( r a d s ) 换档开始时发动机初始角速度，( r a d s ) 发动机最低转速，( r a d s ) 补偿发动机反应滞后的时间常数。 电压的变量，( 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密d o ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名 日期：洳孑年内月岁d 日 趴 日 速 弦 强明 名 事 戤 陴 师 硕 狮 协 誊 期 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立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，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名a 錾j 爻茹n 日期：o 譬年lo 岛oe l 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 在混合动力汽车中，需要在传统动力系统之外再附加一套电驱动系统，整车控制系 统也更加复杂，因此整车对动力及传动系统的集成要求也越来越高。混合动力汽车原有 结构也存在各种各样的问题，因此如何有效解决原有混合动力汽车的结构简单化，控制 集成化，混合动力系统的配置通用化、产业化，成为目前研究的难点。 1 1 1 混合动力汽车动力系统分类 混合动力汽车按照驱动系统分类，可以根据驱动系统的结构特点，分为4 种类型：串 联式、并联式、混联式和复合式，但也有的将复合式分类到混联式中【“l 。由于复合式可 以看成是一类特殊的混联式结构，有明显的特点，因此使用4 种类型的分类模式，结构 简图如图1 1 所示。图中粗实线表示机械连接，双细实线表示电气连接，其中串联式和并 联式是两种基本结构型式，其他的结构型式是在这两者的基础上发展起来的【7 1 9 1 。 图1 1 ( a ) 串联式混合动力汽车 ( a ) s e r i e sh y b r i de l e c t n cv e h i c l e 图1 1 ( b ) 并联式混合动力汽车 ( b ) p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 图1 1 ( c ) 并联式混合动力汽车图1 1 ( d ) 复合式混合动力汽车 ( c ) p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( d ) s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 图卜1混合电动汽车驱动系统结构简图 f i g u r e1 一ls t r u c t u r es k e t c ho fd r i v i n gs y s t e mo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 各种布置方案的混合动力汽车各有优缺点。 1 ) 串联式 串联式混合电动汽车是纯电力驱动的汽车，结构简单，行驶功率由内燃机发电机组 和电池组提供，在车辆功率传递的过程中，经历了热能、电能到 机械能的转化过程，能量损失较大，经济性较差。外形尺寸及质量较大，布置的难度 较大，比较适合于大中型汽车上，特别是城市公交车。 2 ) 并联式 并联式混合电动汽车有发动机驱动和电力驱动两套驱动系统，两者既可单独驱动车 辆，也可共同驱动车辆。驱动系统可以选择功率较小的部件，外形尺寸及质量较小，整车 效率较高，主要适用于小型汽车上。但整车结构比较复杂，控制难度较大。按对原动机 输出机械功率进行组合的方式可分为3 种类型：扭矩合成式( 联接部件为c vt 、带传 动、齿轮啮合传动等) 功率合成式( 行星轮系传动等) 牵引力合成式( 4 轮驱动，前、后 轮分别与不同的单个驱动系相连) 。而文献中则按照动力组合的方式将其分为3 种类型 2 0 - 2 9 ：发动机轴动力组合式，即两套驱动系统的驱动力在发动机输出轴处进行结合；动 力组合器动力组合式，即两套驱动系统的驱动力在变速器处进行组合；驱动轮动力组合 式，即两套驱动系统的驱动力在驱动轮处进行组合。从驱动系统的结构来看也可分为3 种类型：单轴式、双轴式和分路式。图1 2 中给出了这3 种型式的结构简图。单轴式结 构中的发动机通过主传动轴与变速箱相连，电动机转矩通过齿轮与内燃机的转矩在变速 器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两者的和。双轴式结构中有两套机械 变速器，分别与发动机和电动机相连，它们通过各自的变速器之后，经齿轮系进行 复合。分路式结构中的发动机和电动机各成一套驱动系统，它们分别驱动前轮和后轮。 3 ) 混联式 混联式混合电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比，它增 加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。因此它具有更多 的工作模式，是现代混合电动汽车倾向选择的一种结构型式。尽管它具有串联式和并联 式两者的优点，但结构复杂，控制难度大。混联式驱动系统结构的复杂程度可用下述方 法描述：混合动力驱动系的阶次是指该驱动系所具有的可独立工作的单个驱动系数目 混合动力驱动系的指数是指该驱动系所具有的联接部件的个数。则混合动力驱动系 的复杂程度越大，则阶次和指数的乘机越大，混合动力驱动系统越复杂，系统的控制难 度也就越大。 一2 一 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 【a ) 图卜2 并联混合动力电动汽车的基本结构型式 f i g 2 b a s i ct y p eo ft h ep a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( a ) 单轴式( b ) 双轴式( c ) 分路式 f 燃油箱e 内燃机d 传动装置b 电池m 电动机 t 变速器p 功率转换器 4 ) 复合式 复合式混合电动汽车的结构型式主要集中于双轴驱动混合动力系统中，在这种系统 中，前轴和后轴独立驱动，前轮和后轮之间没有任何驱动轴或转换器相连，可以同时回收 4 个车轮的制动动能。它和混联式混合电动汽车的主要区别在于：复合式中的电动机允 许功率流双向流动，而混联式中的发电机只允许功率流单向流动，因此它可以有更多的 工作模式。根据前后轮驱动方式的不同，它包括两种型式：前轮由混合动力驱动，后轮 由电动机驱动。前轮由电动机驱动，后轮由混合动力驱动。 在一些文献中又有一些具体的其他分类方法，见图1 3 。 混合动力系统是混合动力汽车的关键所在，它的性能直接关系到混合动力汽车整车 性能。但是由以上所述看出，混合动力汽车动力系统各种结构形式都占用大量整车布置 空间，而且存在不同的优缺点。因而经过数十年的发展，在对混合动力汽车动力系统提 出了集成化、一体化的要求的基础上，混合动力汽车动力系统也经历从离散化向集成化 发展的历程。即集成化混合动力总成系统。一般来讲，目前国际上在混合动力汽车中可 以采用两种方式进行系统的集成，第一种集成方式是发动机一电机集成化，例如将发动 机和启动发电机( i s g ) 进行集成形成弱混合型的混合动力汽车，第二种集成方式是对 电驱动系统和变速传动系统进行集成。上述两种集成方式都能够使动力及传动系统的结 构更加紧凑，更好地利用有限的布置空间，方便混合动力系统的散热和提高车辆性能， 从而有利于混合动力汽车的整车开发，其中方案一需要对发动机本体及发动机 一3 一 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 f 串联式厂按功率组合方式分：扭矩合成式、功率合 i 并联式 成式、牵引力合成式 厂按结构分j 混联式学结构分：单轴式、双轴式、分路式 l1厂前轮混合驱动、后轮电动机驱动 li 复合式1 前轮电动机驱动、后轮混合动力驱动 混合动力电动车j l r 动机主动型 、按原动机提供功率分t 电力主动型 lr 单一能源存储联合式 l 按车载能源数量分1 多种能源存储联合式 lr 续航里程型 按混合比分1 助力型 k 双模式型 控制作较多修改以改善车辆的性能，由于我国目前尚无完全自主知识产权的发动机 电控系统产品，因而无法对发动机电控系统进行有效的适应性改造，因此该方案的节能 降耗和减少污染能力受到了很大的局限。方案二则没有对发动机电控系统提出过多要 求，该方案不仅能够实现强混合，而且具备自动变速能力，能够提高整车行驶的舒适性， 因此方案二较方案一更适合在我国推广应用，为此基于方案二提出了“电动变速驱动单 元”总成的概念，本项目的目标就是丌发适合于混合动力汽车的集成化变速驱动单元。 下面对这国内外变速系统和电机集成的混合动力系统技术动态及产品现状进行介 1 1 2 国内外研发动态及典型产品介绍 1 ：国外 国外首先要提的就是日本丰田公司t h s 和t h si i 系列混合动力系统。在1 9 9 5 年丰 田公司成功开发了实用型混合动力轿车普锐斯( p 耻u s ) ，并于1 9 9 7 年开始量产并销售。 丰田p r i u s 采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将 减速器、发电机和电动机等动力部件耦合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功 能，形成一个集成化混合动力总成系统来控制电机、发动机、发电机和车轮之间的功率 流动，控制比较复杂。其基本思路是在给定车速下，由驾驶循环或驾驶员输入决定期望 4 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 的输出命令： 决定发动机期望的工作点；( 2 ) 决定发电机的速度( 该速度由发电机扭矩决定) 使 发动机工作在期望的工作点；( 3 ) 决定电机扭矩( 或再生功率) 来给车轮提供必要功率 ( 或从车轮获取制动能量) ；( 4 ) 当发动机功率不足时，电池提供额外功率。为使启动 时排放降到最低，发动机温度应保持在正常工作温度附近。 其动力总成t h s 【3 0 ，3 1 的主要组成部份是：镍氢蓄电池组，逆变器总成( i n v e r t e r ) ，1 台 发动机( i c e ) ，2 台电动机发电机( m o t o r g e n e r a t o r ，m g ) 和1 个行星齿轮机构，连接方式 见图1 4 和图l