（车辆工程专业论文）混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究.pdf

l i i il li ii ii ii i ii i i ii il y 18113 4 4 n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n g d r i v e t r a i ns y s t e m d e s i g na n da n a l y s i s f o r h y b r i d e l e c t r i cc o m m e r c i a lv e h i c l e a t h e s i si n v e h i c l ee n g i n e e r i n g b y y ih a i x i a a d v i s e db y a s s o c i a t e dp r o f y a n gz h e n g l i n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c e m b e r ，2 0 0 9 l，t、 一 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：堡盘重 e l期：型生! 旦! ! 旦 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 在国外纷纷开发混合动力汽车以实现节能减排的大背景下，本文依托国家8 6 3 项目，基于 轻型商用车平台进行混合动力技术的研究，文章主要进行了以下研究工作： ( 1 ) 首先介绍国内外混合动力汽车的发展现状和分类，对混合动力汽车的各种动力系统方 案的优缺点进行了详细的分析，阐述了本课题研究的背景和必要性，为本文混合动力系统方案 的确定奠定了基础。 ( 2 ) 在综合考虑项目所开发车型的需求、各种动力系统方案的优缺点、企业现有技术积累 等因素的基础上确定了动力系统技术方案。对动力耦合机构进行了分析和选型，并进行了动力 系统的概念设计。根据样车的各项设计指标，对动力系统关键部件进行了选型和参数设计。 ( 3 ) 对动力系统的关键部件耦合器的行星轮耦合机构及电液控制系统的特性进行了分 析，并在此基础上建立了行星轮耦合机构和电液控制系统的数学模型，借助该模型进行仿真分 析，为整车模型的建立和控制策略的设计做了准备。 ( 4 ) 在理论分析和试验数据的基础上建立混合动力系统的各部件模型。根据行星轮耦合机 构的特性和动力系统的特点设计了混合动力系统的基于车速、油门开度和电池s o c 值的a m t 三参数换挡规律及整车控制策略。依据在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立的样车的前向仿真模趔， 对控制策略进行了仿真研究。仿真结果表明所设计的整车控制策略具有较好的控制和节能效果。 ( 5 ) 根据项目的研发进度，建立了耦合器特性试验台，对动力系统的关键部件行星轮 耦合机构的稳态特性和动态特性进行了试验研究。试验结果表明文章中对行星轮耦合机构的理 论分析和模型仿真的结果与试验结果能够较好地吻合，故该模型可以用于行星轮耦合并联型动 力系统的匹配和仿真分析。 关键词：混合动力，耦合器，前向模型，仿真，试验 混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究 a b s t r a c t e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i st h ef o c u so ft h ec u r r e n t d e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v et e c h n o l o g y e l e c t r i cv e h i c l e sa n dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sb e c o m et ot h em a i n s t r e a mo ft h e e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nv e h i c l e s t h i sp a p e rp r e s e n t e dm yr e s e a r c ho nt h ed r i v e t r a i no ft h eh y b r i de l e c t r i cl i g h tc o m m e r c i a lv e h i c l ew h i c hr e l i e do nt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t t h e m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh i s t o r y , r e s e a r c hs t a t u sa n dc a t e g o r i e so f t h eh y b r i dv e h i c l e sw e r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r b a s e do nad e t a i l e da n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n th y b r i dp o w e rs y s t e m s ， t h i sp a p e re x p l a i n e dt h eb a c k g r o u n do ft h i sr e s e a r c hp r o j e c t ( 2 ) b ys t u d y i n go nt h em a r k e tn e e d s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n td r i v e - t r a i n s t r u c t u r e sa n de x i s t i n gt e c h n o l o g ya c c u m u l a t i o ni nt h ec o m p a n yw h i c hu n d e r t a k e nt h ep r o j e c t ，t h e p o w e r - t r a i ns y s t e mf o rt h e8 6 3p r o j e c tw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ek e yc o m p o n e n t sw e r e a n a l y s i s e da n dd e s i g n e dt om a t c ht h ev e h i c l ed e s i g nt a r g e t ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fc o u p l i n gd e v i c ea n di t se l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o lu n i tw e r ed i s c u s s e di n t h ea r t i c l e t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h et w oc o m p e n t sw e r ee s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d t h r o u g ht h e a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nw a sp r o v i d e dt h ea c a d e m i cb a s ef o rt h er e s e a r c ho ft h ef o r w a r dv e h i c l em o d e l a n dt h ed e s i g no fv e h i c l ec o n t r o lu n i t ( 4 ) o nt h eb a s i so fs u f f i c i e n t l yr e s e a r c ho nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ld a t a ，m o d e l so ft h ek e y c o m p o n e n t sa n dd r i v e rm o d e lw e r ea d v a n c e di nt h i sp a p e r t h et h r e ep a r a m e t e rs h i f ts c h e d u l eo fa m t , w h i c hi sb a s e do ns p e e d ，t h r o t t l ea n ds o c ，w a si n t r o d u c e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yw a sd e s i g n e d ，a n d t h ev e h i c l e sf o r w a r dm o d e lw a sb u i l ti nm a t l a b s i m u l i n kt oa c c e s st h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l s t r a t e g y t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fd e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mm e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n dt h ev e h i c l eh a sas u b s t a n t i a li n c r e a s ei ne c o n o m i cp e r f o r m a n c e ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ep l a n so ft h ep r o j e c t ，t h et e s t - b e do ft h ec o u p l i n gd e v i c ew a sd e s i g n e da n d t h et e s t so fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o u p l i n gd e v i c ew e l ec a r r i e do u t t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee s t a b l i s h e dm o d e li nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l ea n di tc a nb eu s e di n t h em o d e lo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e k e y w o r d s ：h e y , p l a n e t a r yg e a r , f o r w a r dm o d e l ，s i m u l a t i o n , t e s t 一 一 南京航空航天大学硕+ 学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 混合动力汽车发展现状1 1 2 1 国外混合动力汽车的发展现状。1 1 2 2 国内混合动力汽车的发展现状2 1 3 动力耦合系统分类3 1 3 1 转速合成式3 1 3 2 转矩合成式4 1 3 3 功率合成式6 1 4 论文主要研究内容7 第二章基于a m t 的混合动力系统设计9 2 1 基于a m r 的混合动力系统结构设计9 2 2 动力系统部件选型与参数匹配1 0 2 2 1 基于a m t 混合动力样车性能指标。1 0 2 2 2 关键零部件选型与参数设计。1 1 2 2 3 关键零部件匹配验证：。2 2 2 - 3 本章小结2 6 第三章耦合器特性分析2 7 3 1 耦合器结构与功能分析2 7 3 1 1 耦合器结构分析2 7 3 1 2 耦合器功能分析2 8 3 2 耦合机构特性分析2 8 3 2 1 耦合机构运动学分析2 9 3 2 2 耦合机构动力学分析3 0 3 2 3 耦合机构建模与仿真3 4 3 3 液压控制系统3 5 3 3 1 液压控制系统结构分析3 5 3 3 2 反比例减压阀特性分析3 6 3 4 离合器特性分析4 2 3 4 1 离合器结构和一i ：作原理4 2 玎i 混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究 3 4 2 湿式离合器的动力学分析4 2 3 5 本章小结4 4 第四章整车控制系统设计与车辆性能仿真研究4 5 4 1 换挡规律设计4 5 4 2 整车控制策略设计4 9 4 2 1 电力辅助控制策略原理5 0 4 2 2 样车控制策略5l 4 3 前向仿真模型建立5 4 4 3 1 行驶工况5 5 4 3 2 驾驶员模型5 5 4 3 3 关键部件模型5 6 4 4 仿真分析6 3 4 4 1 整车基本性能仿真分析6 3 4 4 2 动力系统部件仿真分析6 3 4 4 3 发动机工作区间分析6 6 4 5 本章小结6 6 第五章耦合装置的特性试验6 7 5 1 耦合器试验台设计6 7 5 1 1 试验台机械系统设计6 7 5 1 2 试验台控制系统设计6 8 5 2 耦合器特性试验7 0 5 2 1 静态特性试验7 0 5 2 2 动态特性试验7 0 5 2 3 试验结果分析7 2 5 3 本章小结7 2 第六章全文总结与展望7 3 6 1 论文工作总结7 3 6 2 进一步1 二作展望7 3 参考文献7 5 致谢7 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文8 0 i v 南京航空航天大学硕+ 学位论文 图表清单 图1 1转速合成式工作原理图4 图1 2 转矩合成式工作原理图。4 图1 3 单轴后传动装置式动力系统简图5 图1 4 单轴前传动装置式动力系统简图。5 图1 5 双轴传动装置后置式动力系统简图5 图1 6 双轴传动装置前置式动力系统简图。6 图1 7 丰田p r i u s 混合动力传动系统结构简图6 图2 1基于a m t 的混合动力系统结构简图9 图2 2 单排双星轮机构简图ll 图2 3 基于a m t 混合动力系统结构布置图1 2 图2 4 名爵1 4 l 汽油机外特性曲线1 4 图2 5电机额定转速与最高转速关系图1 6 图2 6 电池s o c 值与电池效率图2 0 图2 7 变速器设计原理图。2 2 图2 8 加速度倒数一车速曲线图2 6 图3 1 耦合器结构图2 7 图3 2 行星轮机构结构示意图2 7 图3 3行星轮机构几何关系图2 7 图3 4 齿圈动力学分析图3 l 图3 5 太ri 轮动力学分析图3l 图3 6 行星轮l 动力学分析图3 2 图3 7 行星轮2 动力学分析图3 2 图3 8 行星架力学分析图3 3 图3 9 单排双行星轮机构的仿真模型3 5 图3 1 0 行星轮机构的稳态扭矩特性图3 5 图3 1 l 行星轮机构的动态扭矩特性| ! f i 3 5 图3 1 2 耦合器液压控制系统机构简图3 6 图3 13 反比例减压阀的外形图3 6 图3 1 4 反比例减压阀的j ：作原理图3 7 v 混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究 图3 1 5 比例电磁铁的传递函数框图3 8 图3 1 6 减压阀传递函数框图4 0 图3 1 7 反比例减压阀传递函数图4 l 图3 1 8 反比例减压阀控制特性仿真图4 1 图3 1 9 湿式离合器工作原理简图4 2 图3 2 0 离合器接合过程简图4 3 图3 2 1 离合器的动力学模型4 4 图4 1驱动电机最大调节扭矩求解图4 4 图4 2s o c 值为0 6 时的最大输出扭矩4 8 图4 5 发动机优化工作区间5 2 图4 6 联合驱动模式动力分配策略5 4 图4 7 制动模式下的控制策略5 4 图4 8 车辆行驶工况模型5 5 图4 9 驾驶员模型5 6 图4 1 0 发动机扭矩、转速和燃油消耗m a p 图5 6 图4 1 1 发动机扭矩、转速和节气门开度m a p 图5 8 图4 1 2 发动机万有特性图5 8 图4 1 3 发动机模型5 8 图4 1 4 电机模型5 9 图4 1 5 内阻等效电路原理图6 l 图4 1 6 蓄电池开路电压和充放电内阻随s o c 变化曲线6 2 图4 1 7 电池模型6 2 图4 1 8 整车动力学模型6 3 图4 ，1 9 目标车速与实际车速6 4 图4 2 0 扭矩分配图6 4 图4 2 1 耦合器驱动模式扭矩关系“ 图4 2 2 蓄电池s o c 时间曲线6 5 图4 2 3 混合动力汽车发动机工作点分布图6 6 图5 1耦合器试验台6 7 图5 2 试验台原理图6 8 图5 3 试验台控制系统原理图6 8 图5 4 耦合器输入输出转速转矩关系7 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 5 循环工况扭矩动态特性7 l 图5 6 行星轮机构的扭矩动态特性试验7 l 表1 1 各种动力耦合方式的优缺点。7 表2 1i v e c o 原型车整车性能数据参数l o 表2 2 单排双行星轮耦合方式1 1 表2 3电化学电池性能比较1 9 表4 1 整车基本性能指标对比6 3 v i i 混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究 v i 注释表 意义 h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s t a t eo fc h a r g e 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 i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r 太阳轮输入转速 齿罔输出转速 行星架输入转速 太阳轮输入转矩 齿圈输出转矩 行星架输入转矩 整车满载总质量 滚动阻力系数 发动机最人功率 电机最大功率 主减速比 变速器速比 车辆需求最火扭矩 太阳轮转动惯鼋 行星架转动惯量 齿圈转动惯量 旋转质鼍换算系数 电磁铁输出推力 减压阀出口压力 动力源的动态输出转矩 离合器传递转矩 从动柱负载转矩 实际车速与需求车速之差 燃油消耗率 发动机转矩 发动机转速 滚动阻力 空气阻力 坡度阻力 加速阻力 行星轮特性系数特唧僦脚硒垤b冕m厂k名尽厶如艿脚删码乃p收毋凡局弓七 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 刖罱 能源是人类社会发展的动力，环境是人类赖以生存的载体。石油资源日益枯竭、环境污染 日益加重使得节能环保成为倍受人们关注的话题。目前汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油制 成品，全球汽车保有量的逐年上涨使得汽车成为能源短缺的罪魁祸首【1 l ；汽车在推动社会进步 和经济发展的同时，也加剧了环境污染，汽车尾气中排放的有害气体是大气污染的主要来源之 一，由此而引起的全球变暖、酸雨等等一系列的环境问题不容忽视。 为了可持续发展，研究和开发新型能源车辆已经成为汽车领域的研究重点。纯电动汽车技 术，燃料电池技术和混合动力技术等都是应运时代主题而生的创新技术。纯电动汽车单纯使用 蓄电池作为动力源，可以实现零排放且节约能源，但目前电池的能量密度以及其他方面都还未 达到实用化程度，严重影响了电动汽车的续驶里程和整车性能的发挥，也严重制约了纯电动汽 车的普及【2 】。而燃料电池技术尚不成熟，其研究还处于初级阶段，阻滞了燃料电池汽车的发展。 混合动力是一种折中的方案。它可以充分发挥传统汽车动力性和纯电动汽车节能环保各自的优 势。目前混合动力汽车的动力源一般为发动机和电动机。动力源之一的电动机在大范同转速变 化中为恒功率输出，此输出特性更为接近车辆的理想运行特性【3 1 。通过电动机辅助驱动可以有 效调节发动机使其工作在最佳工作区间；同时发动机的能量源石油的高能量密度的优点可以解 决纯电动汽车续驶里程短的问题，从而实现汽车的最佳动力性、经济性与排放性【4 1 。 1 2 混合动力汽车发展现状 1 2 1 国外混合动力汽车的发展现状 面临能源和环境的压力，国内外著名汽车公司十分重视研究开发混合动力汽车。今后全球 混合动力车市场将进一步扩大，据有关预测从2 0 0 8 年到2 0 1 5 年的年均增长率将达到1 2 。丰 田汽车和本田将引领全球混合动力车市场，到2 0 1 1 年之前，日本的混合动力车年产量将以6 6 的速度增加。2 0 1 2 年美国市场的销量将达到1 0 0 万辆。此外，2 0 1 0 年到2 0 1 5 年的混合动力车 用充电电池市场将以1 0 4 的速度增长。2 0 0 8 年到2 0 1 2 年的其他零部件市场将以1 7 4 的速度 增长。从全球混合动力汽车市场看，美国、日本等市场比较成功【5 1 。 日本混合动力汽车的发展最为成熟。丰田汽车于1 9 9 7 年1 0 月推出的混合动力汽车先驱 p r i u s 车型，是世界上最早实现批量生产从而商业化的混合动力汽车，至2 0 0 7 年已经创造了全 球1 2 5 万辆的销售记录叨。丰田更是将此项技术推广到了豪华晶牌雷克萨斯的多款乍型身上。 混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究 丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前 列。 本田公司在0 7 年日本车展上展出了概念型混合动力汽车c r z 。它是一种全新油电混合 动力技术的探索车型。该车计划2 0 0 9 年在日本本七以及北美市场上推出。另外，本田的第二代 i n s i g h t 车型将在明年的四月份上市。二代i n s i g h t 采用一套低油耗驾驶辅助系统( e c o l o g i c a l d r i v e a s s i s ts y s t e m ) 技术，这一系统能够有效的提高燃油经济性。据称，i n s i g h t 在纯电动的模式下， 能够以5 0 k m h 的最高速度行驶，在混合动力模式下，其1 0 0 公里期望油耗仅为4 3 4 l ，二氧化 碳排放量则有望低于1 0 0 9 k i n $ , 9 1 。 美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，来自日本的混合动力 汽车在美国市场上占据了主导地位。克莱斯勒( c h r y s l e r ) 公司开发出的并联型混合动力汽车2 0 0 3 年己投放市场。动力系统为直喷式1 5 升柴油发动机和2 5 个铅酸电池，能量效率4 1 ，燃油经 济性2 4 8 公里升1 0 1 。 在欧洲，一向致力于柴油轿车研究的德国大众、奔驰、宝马也在今年年初的日内瓦车展上， 分别推出了自己的柴油混合动力概念车型：g o l ft d i 混合动力版本、奔驰g l kb l u e t e c 混合动 力以及宝马x 5 柴油混合动力车型。 1 2 2 国内混合动力汽车的发展现状 2 0 0 8 年北京奥运会的召开和2 0 1 0 年即将开展的上海世博会加快了国内各大汽车企业的混 合动力汽车研究。随着政策的不断出台与能源的约束，新型能源汽车需求逐渐增长。长安汽车、 东风集团、一汽集团、上汽集团、奇瑞、比弧迪等都在积极抢r 与新型能源汽车市场，并且有了 自己的产品发展体系与发展方向【l l l 。 长安混合动力汽车超越国内各大企业，首批进入发改委公告。2 0 0 5 年1 1 月的北京国际清 沽能源汽车展上，长安展出了由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混合 动力m p v 。长安混合动力产业化从轻度混合动力汽车入手，逐步发展中度混合和重度混合动力 汽车。 东风的混合动力客车和电动小巴已经实现小规模的量产，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，电动小巴达到1 9 9 辆。示范运营累计行驶6 8 5 9 2 万公里，已 有1 0 8 3 万人乘坐了电动汽车【1 2 】。东风混合动力汽车将走高、中、低档相结合的道路。目前， 东风混合动力客车已经实现批量生产，混合动力轿车也在按计划进行开发。 一汽的混合动力客车的研究虽然处于研发阶段，但已经具备混合动力汽车的部件和整车的 研发能力。一汽集团承担的“解放牌混合动力城市客车研究开发”项目，是国家“8 6 3 ”计划电 动汽车重大专项资助项目。在混合动力整车集成、控制系统开发、部件以及整车试验能力方面， 2 南京航空航天大学硕士学位论文 取得了一系列科研成果。经过四年刻苦攻关，自主完成了解放牌混合动力客车的样车开发，试 制整车7 辆，其中2 辆已投入长春市示范运营【13 1 。 上汽集团2 0 0 7 年在上海国际汽车展上展出了基于荣威7 5 0 平台自主研发的混合动力轿车。 上汽商用车技术中心在混合动力汽车方面也做了深入研究，在大客上完成了世博会用混合动力 大巴和纯电动大巴的研制，在轻型商用车上完成了轻度混合动力依维柯车的研制。在2 0 1 0 年世 博会前，上汽集团将规模投产混合动力轿车和客车。 奇瑞汽车重点开发混合动力、纯电动和燃料电池乘用车，奇瑞推出以奇瑞a 5 为平台，匹 配混合动力系统的奇瑞a 5 b s g 、生物柴油动力的新车型v 5 和匹配燃料电池动力系统的b l l 。 奇瑞的a 5 b s g 是一款并联式弱混合动力轿车，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，降低了油耗和减少了尾气排放。 比亚迪有着全球锂离子电池技术领先的平台资源，在研究混合动力汽车和纯电动汽车有一 定的技术优势。它在近几年一直专注研发新能源汽车，其中f 3 d m 已经上市，这是一辆纯电动 车和油电混合动力车的结合体，车辆既可以单独使用电力驱动，也可以电动机与内燃机同时工 作，用混合动力的方式行驶。 1 3 动力耦合系统分类 传统内燃机汽车要满足车辆设计的动力性能指标则后备功率较大，发动机运行的平均负荷 较小，不能有效发挥出内燃机的经济性优势。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 ) ，是有 两种或者两种以上的动力源来提供动力的汽车i l ，它可有效降低车用发动机的后备功率。 目前，混合动力汽车动力传动拓扑结构具有串联式、并联式以及混联式三种类型1 5 】。其中 串联式混合动力系统中发动机不直接与传动装置相连，其输出的机械能必须通过发电机转化为 电能经电动机和传动装置驱动车轮，属于电驱动模式。s h e v 的动力系统需要接近于车辆需求 最大功率的发动机一发电机组与主驱动电机，因此三大动力总成占用的体积较大，质量也较重， 给动力系统的布置带来难度。 并联式和混联式结构属于机械驱动和电驱动的结合，有发动机单独驱动、电动机单独驱动 和发动机与电动机联合驱动等多种工作模式，可以选择相对较小型的发动机和电动机。其制造 成本较低、可靠性高而且节油效果明显，本文主要针对并联式和混联式两种混合动力系统的结 构进行分析。并联式及混联式混合动力汽车根据原动机输出机械功率进行混合的方式不同分为 转矩合成式、转速合成式以及综合转矩和转速合成的耦合器合成式。 1 3 1 转速合成式 转速合成式动力系统工作原理如图1 1 所示。 3 混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究 图1 1 转速合成式工作原理图 转速合成式混合动力系统的转速、转矩的输入输出特性如式1 1 与式1 2 所裂阍。 ( o o u r = k l l + 七2 2 ( 式1 1 ) = 瓦。k , = 毛2 乞 ( 式1 2 ) 式中：丁一扭矩；c o 转速；i n 一输入；o u t 一输出；k l ，k 2 一转速耦合装置特性参数。 转速合成式混合动力系统中，当车辆需求转速一定，即转速合成装置输出转速一定时，两 动力之间的输入转速的分配较为灵活，从而实现了输入输出转速解耦。但是三元件的转矩之间 为一定的比例关系，使得发动机工作特性调节需与电动机的输出特性相配合，增加了控制系统 的难度。转速合成式动力系统的输出特性在实现转速解耦的同时限制了电动机低速大转矩特性 的利用。 1 3 2 转矩合成式 转矩合成式动力系统中发动机与电动机输出动力经过转矩耦合装置耦合后带动车轮行驶， 其t 作原理如图1 2 所示。 图1 2 转矩合成式工作原理图 转矩合成式混合动力系统的转速、转矩输入输出特性如式1 3 与式1 4 所剥1 刀。 缈训= i k i = 2 七2 ( 式1 3 ) t o ，= k l 瓦l + k 2 瓦2 ( 式1 4 ) 分析以上转矩、转速的输入输出特性可知，转矩合成式与转速合成式不同的是三构件之间 的转速为一定的比例关系而两动力源输入转矩之间的分配较为灵活，可以实现输入转矩与输出 转矩之间的解耦。典型的机械转矩耦合装置有齿轮组、皮带轮组或链式组。根据传动轴数目的 不同，转矩合成式又分为发动机与驱动电机同轴的单轴式和发动机与驱动电机通过动力耦合装 置并联在一起的双轴式两种动力系统布置形式。 4 南京航空航天大学硕十学位论文 1 3 2 1 单轴转矩合成式 在单轴式转矩合成式动力系统中，动力源发动机、电动机与传动装置之间有两种布置方案。 一种为后传动装置式，如图1 3 所示。其传动装置与发动机、电动机的输出轴相连，传动系统 的动力会中断。在此结构中，传动装置能同时调节发动机和电机转矩与转速，降低电机技术要 求的同时提高了汽车的动力性能，可以采用小型的发动机与电动机，但是此种动力系统结构中 发动机和电机必须具有相同的转速范围，限制了电动机的工作区间。 图1 3 单轴后传动装置式动力系统简图图1 4 单轴前传动装置式动力系统简图 另一种布置方案为前传动装置式，如图1 4 所示。传动装置位于发动机与电动机之间，传 动系统的动力不中断，但其仅改进了发动机输出转矩。此动力系统结构中电机没有变速机构调 节其工作区间，因此对电机的要求较高，这一结构可用于有大范围恒功率区的大型电机的电驱 动系统。此种动力系统结构仅用于改变发动机的运行工作点，以改进车辆性能和发动机的运行 效率。 1 3 2 2 双轴转矩合成式 双轴转矩合成式根据传动装置位置不同，同样可以分为传动装置后置式和传动装置前置式。 图1 5 双轴传动装置后置式动力系统简图 传动装置后置式结构简图如图1 5 所示，传动装置位于动力耦合装置和减速器之间，以相 5 混合动力商用车动力系统设计及性能分析研究 同比例提高了发动机和电动机的转矩，电动机的转速调节范围比单轴式宽，可采用高速电机。 传动装置前置式结构简图如图1 6 所示，传动装置位于动力源与减速器之间，提高了整车 的动力性以及驱动系的总效率，但传动系统复杂，增加了布置难度。 1 3 3 功率合成式 图1 6 双轴传动装置前置式动力系统简图 目前，越来越多的动力系统采用了转矩耦合与转速耦合并存的方案，即功率合成式。比如 丰田p r i u s ( t h s ) 动力系统、福特e s c a p e 动力系统、通用双模式系统。丰田p r i u s 技术最为成熟， 其动力系统结构原理图如图1 7 所示。 图1 7 丰田p r i u s 混合动力传动系统结构简图 丰田p r i u s 的动力耦合机构是单排行星齿轮机构，发动机与行星架连接， 连接，电动机与齿圈连接，且齿圈通过减速器输出动力驱动车辆。 此耦合机构的转速输入输出关系如式1 5 所示弧1 9 1 。 ， 刀删n m 2 【刀删= ( 1 + 七) 七】n 。一( 1 k ) 刀，。 发电机与太阳轮 式中：以删一减速器输入转速： n 。、2 、刀。分别为发电机输出转速、电动机输出转速、发动机输出转速： k 一行星齿轮机构的特性参数。 6 ( 式1 5 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 此耦合机构的转矩输入输出关系如式1 6 所示。 甚1 。i 叫, 0 笼；l ： c 枷 【毛，= + 七) 】+ l 2 。 7 式中：毛，一减速器输入转矩； 乙、乙。、乙：一分别为发动机、发电机、电动机的输出转矩 由上述耦合机构的转速转矩关系的分析可知，在此动力系统中可以由发电机调节发动机的 转速工作区间，同时可以通过调节主驱动电机的输出转矩调节发动机的转矩输出，从而使得各 动力源工作在最佳工作区间。 此类动力系统结构的特点是在低车速时，转矩耦合运行模式将适合于高加速性能和爬坡性 能的需求；在高车速时，则采用转速耦合模式，以保持发动机转速处于最佳运行区。 综合上述分析，总结各种耦合方式的优缺点如表1 1 所示。 表1 1 各种动力耦合方式的优缺点 耦合方式优点缺点 转速合成式两动力源之间的输入转速分配较为灵活，输入输出扭矩之间成一定比 可以实现输入输出转速的解耦。例关系，限制了电机低速大扭 矩特性的利用。 单轴转矩合成式两动力源之间的输入扭矩分配较为灵活， 电机与发动机的转速范围相 可以实现输入输出扭矩的解耦。动力系统同，限制了电机的工作区间。 结构简单，易于动力系统的改进和布置。 双轴转矩合成式两动力源之间的输入扭矩分配较为灵活，动力系统结构布置及控制系 可以实现输入输出扭矩的解耦。统较复杂， 功率合成式两动力源的输入输出动力实现解耦，可以机械传动系统及控制系统最 有效利用电机低速大扭矩特性：并且可以为复杂。 利用电机调节发动机的最佳工作区