一种混合动力概念车驱动系统设计.pdf

第 2 7卷 第 1期 2 O 1 0年 1月 机 电 工 程 J o u r na l o f Me c h a ni c a l El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng Vo 1 2 7 NO 1 J a n 2 0 1 0 一 种混合动力概念车驱动系统设计 徐 寅 陈 东 华南理丁大学 机械与汽车工程学院 广东 广州 5 1 0 6 4 0 摘 要 为研 究 开发更 先进 的混合 动力汽 车驱 动 系统 分析 了现行 的起 动机 发 电机 电动机 一体化 混合 动力 汽车 I S G H E V 和 混联 式 混合 动 力汽 车 P S HE V 驱 动 系统 指 出 了其 各 自不足 之 处 去掉 传 统 变 速 箱和 复杂 的动 力耦 合 装置 结合 电子差 速控制 系统 设 计 了一种 无级 变速 新型 P S HE V驱动 系统 并分 析 了该 驱动 系统 工作过程 控制 策略及 能 量流 向 最后 分析 论证 了该 系统 的可行性 研 究结 果表 明 该 系统 的结构布 局和 驱动 效率都 优 于现 行 混合动 力 系统 关键 词 混联 式混合 动 力汽车 电子差 速 起 动机 发 电机 电动机 一体化 混合 动力 汽车 驱 动 系统 中图分 类号 U 4 6 4 9 文献标 识码 A 文 章编号 1 0 0 1 4 5 5 1 2 0 1 0 O 1 0 0 7 2 0 4 A k i nd o f hy b r i d e l e c t r i c c o nc e p t v e hi c l e dr i v i ng s ys t e m XV Yi n CHEN Do n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 C h i n a Abs t r a c t Ai mi n g a t r e s e a r c h i n g a n d d e v e l o p i n g mu c h mo r e a d v a n c e d h y br i d e l e c t r i c v e hi c l e t he pr e s e n t i n t e g r a t e d s t a r t e r g e n e r a t o r h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e I S G HE V a n d p a r a l l e l s e r i e s h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e P S HEV d r i v i n g s y s t e ms we r e d i s c u s s e d Th e i n s u ffi c i e n c i e s o f t h e m we r e p o i nt e d o u t Ta k i ng o u t t h e t r a ns mi s s i o n c a s e a nd t he po we r s p l i t d e v i c e a n d us i n g t h e e l e c t r o n i c d i f f e r e n t i a l t he s t r uc t u r e o f a ne w P SHEV d r i v i n g s y s t e m wa s de s i g ne d W o r k i ng p r o c e s s c o n t r o l t a c t i c s a n d t h e e ne r g y d i s t r i b u t i o n o f t he s y s t e m we r e a na l y z e d The f e a s i b i l i t y o f t h e s y s t e m wa s a l s o a n a l y z e d a nd p r o v e d i n t h e e nd Th e r e s e a r c h r e s u t s s h o w t h a t t he s t r uc t u r e a n d e ffi c i e n c y o f t h e s y s t e m a r e mu c h mo r e be t t e r t h a n t h e pr e s e n t h y b r i d e l e c t r i c v e hi c l e Ke y w o r d s p a r a l l e l s e r i e s h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e P S H E V e l e c t r o n i c d i ff e r e n t i a l i n t e g r a t e d s t a r t e r g e n e r a t o r h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e I S G HEV d r i v i n g s y s t e m 0 引 言 I S G H E V驱动 系统 中 的 I S G直接安 装 在 内燃机 曲 轴输出端 取代了内燃机的飞轮 I S G能实现怠速 自动 停机和 自动起 动功 能 在 加速 时提 供辅 助 动力 或者 以 发 电机状 态运 行 将 减 速或 制 动 时 的动 能 转换 成 电能 驱动 电机 的加 入并 没有改动后续传 动 系统 只需要对 内 燃机进行改造即可 比较容易在现有传统内燃机汽车上 实现 然而 I S G H E V选用 了较小功率的驱动电机 主 要依靠 内燃机 运行 电动机 辅助 动 力 的范 围有 限 因此 只能适当地提高燃油经济性和改善排放条件 以丰 田 P r i u s混 合 动 力 系 统 E F O U R 为 例 的 P S HE V动力 系统 中汽 油 机 和 驱 动 电 机通 过 功 率 分 流 机构和 减速齿 轮形成 了 2路 能量 通 道 内燃 机通 过 功率分流机构驱动车轮的机械动力通道 动力耦合 机构 经过发 电机 和 P r i u s的动 力 性 达 到 了 同类 汽油 机 汽 车的水平 而 百公 里燃油 油耗 只是 同类汽 车 的一半 尾气 排放平 均 只有 日本 运输 省 严 格 规定 值 的 1 1 0左 右 然而 P r i u s 的动力耦 合机 构是 相 当复杂 的 行星 齿 轮结构 对汽车底盘的改动较大 综 合 I S G H E V和 P S H E V各 自的优 缺 点 本 研 究 提 出一种新 型混 合动 力概念 车无 级变 速混联 式驱 动系 统 方案 l 新 型 P S HE V驱动系统结构 1 1 整体 结构 驱 动 系 统 结 构 简 图如 图 l所 示 发 动 机 为一 台 1 0 L稀薄 燃烧 汽油机 I S G直 接安 装在 内燃 机 曲轴输 出轴 的一端 内燃 机 曲轴 的飞轮接 离合 器 离合 器再 接 收 稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 8 作者简介 徐寅 1 9 8 6一 男 湖北 枝江人 主要从事电子差速控制 系统方面的研究 E ma i l j d x x y 1 2 6 c o in 通信联系人 陈东 男 副教授 硕士生导师 E ma i l c i t y e a s t s c a t e d u c n 第 1期 徐寅 等 一种混合 动力 概念车驱动 系统设计 一 个 变速齿 轮 与差 速 器 总 成 机 构 由变 速 齿 轮 与 差 速 器 总成机 构输 出轴 驱 动汽 车前 轮 电动后轮 J 图 1 混联式 驱动系统的结构简 图 I S G所 产生 的 电流 可 对 蓄 电 池 组 进 行 充 电 蓄 电 池 组连 接汽 车 电动后 轮 的驱 动 电机 蓄 电池 组也 可 以 在 停车 时 由外接 电源 进 行充 电 1 2变 速齿 轮 与差 速器 总成 结构 变速 齿 轮与差 速 器 总成结 构 简 图如 图 2所 示 同 传统用于发动机前置前驱两轴式变速器一样 动力传 递 主要依 靠 两 根 相 互 平 行 的轴 输 入 轴 和 输 出 轴 完 成 动力 从输 入轴 1 输 入 经 变 速 齿 轮传 动 后 直 接 由输 出轴 4 输 出 输入 轴 1 接 离合 器 齿 轮 2 和齿 轮 3 是一 对分 别 固定 连 接在 输 入 轴 和 输 出轴 上 的变 速齿 轮 它 们 构成超 速 档 其传 动 比为 Z3 3 4 0 8 5U 4U 图 2 变速齿轮与差速器 总成 结构 简图 l 一 输 入 轴 2 一 输 入 轴 变 速 齿 轮 3 一 输 出 轴 变 速 齿 轮 4 一 输 出轴 5 一 主 减 速 器 主 动 齿 轮 6 一 主 减 速 器 从 动 齿 轮 7 一 差 速 器 齿 轮 2 和齿 轮 3 构 成 的 超 速 档 用 于发 动 机 单 独驱 动汽 车高 速行 驶 齿轮 5 和齿 轮 6 分别 为 主 减 速器 主 从 动齿 轮 齿 轮 5 齿 轮 6 和差 速 器 7 的 构造 同传 统汽 车主 减速 器 和差 速器 一样 该 变速 齿 轮 与差速器总成机构与传统变速器相 比 去掉了传统的 1 4档 倒档 同步器以及换挡机构 因此结构更加简 单 制造更加方便 成本更低 1 3 电动 后轮 驱 动结构 电动 轮结 构简 图如 图 3所示 为 了使备 用轮 胎 既 车 高负 荷 运 行 需 要 电 动 机 作 为图3 电动轮结构简图 辅 助动 力 时 该 离 合 器 接 合 同 时离合器也可以对电动机起到保护作用 两个 电动后轮 由电动机直接驱 动 同传统驱动系 统 相 比 两 电动 后轮 间 没有 差速 器 两者 之 问的差 速通 过 电子 差速 器来 完成 1 4离合 器控 制 系统 结构 离合 器 控制 系统 结 构简 图 如 图 4所示 该 离合 器 的控制系统 原理和传统 汽车摩擦片式离合器 基本相 同 所不 同的是 该 系统 由具 有 自锁性 的 滑动螺 旋代 替 了 主缸推 杆 电动机 代替 了离 合 器踏板 接合发动机的离合器 左后电动轮离合器 右后电动轮离合器 图 4离合 器控制 系统结构简 图 当汽 车 以纯 电动 汽 车模 式 运 行 时 E C U控 制 电 动 机 1 反转 电动 机 2 正 转 在 电动 机 1 的转 动下 滑动 螺旋 带动 活塞 1 移 动至液 压 主缸 1 的 B端 在 电动 机 2 的转 动 下 滑动 螺旋 带动 活 塞 2 移 动 至 液 压主缸 2 的 a端 此时 左 后 电动轮离合器 和右后 电动 轮离 合器 处 于紧 密 接 合 状 态 接 合 发 动 机 的 离合 器 处 于分 离状 态 当汽 车 以发动 机 单 独 驱动 模 式 运 行 时 E C U控 制 电动机 1 正转 电动机 2 反转 在 电动 机 1 的转 动 下 滑动螺旋带动活塞 1 移 动至液压 主缸 1 的 A 端 在 电动 机 2 的转 动 下 滑动 螺 旋 带 动 活 塞 2 移 动 至液 压 主 缸 2 的 b端 此 时 左 后 电动 轮 离 合 器 和右后 电动轮离合器处于分离状 态 接合发动机的离 机 电 工 程 第 2 7卷 合器处于紧密接合状态 而当汽车以高负荷状态运行或者制动 E C U控制 电动机 1 和 2 使滑动螺旋带动活塞 1 和 2 分别 处 于主缸 1 的 B端 和 主 缸 2 的 b端 此 时 左 右 后电动轮离合器 以及接合发动机的离合器都处于紧密 接合 状 态 2 新型 P S HE V动力系统控制策略 2 1 起步 和倒 车状态 当 汽车起步 时 若 以发 动机作 为动 力源 则 发 动机 的热 效率较 低 此时汽 车排放 状况 很差 而 P S H E V动 力 系统在 此工况 下 由 电动 轮 驱动 汽 车 所 需 能量 由蓄 电池 供 给 以纯 电动 汽车 的模式起 动 汽车倒 车 时同样 以纯 电动 汽 车 模 式 运 行 这 样 既 可 以 提 高 系 统 的 效 率 又可以降低汽车的排放 在 起 步和倒 车状 态 下 接 合 发动 机 的离合 器 始 终 处 于分离状 态 变速齿 轮 与差 速器 总成 机构 不工作 汽 车前轮 为从 动轮 电动 轮 离合 器 处 于 紧 密接 合 状 态 电动后 轮作 为驱 动轮 此 种工 况下 能量 流 向如 图 5 箭 头 所 示 电动后轮 l 前轮 电动后轮 J 图 5 起 步和倒 车状态 能量流 2 2低速 行驶 状态 当汽车在城市 中行驶 时 速度较 低且在 经过红绿 灯 时需要不停地减速 停车和加速 此时 汽车 以纯 电动汽 车 的模式运行 发动机处 于关闭状态 离合器 的状 态同起 步时一样 变速齿轮与差速器总成机构 同样不工作 若此 时蓄 电池 中的 电能不 足 以供 给 电动轮驱 动汽 车 则 I S G可作为起动机起动发动机后 发动机一直稳 定工 作 于 省油 的高 效率 工 况 下 I S G也 可 作为 发 电机 发 电 所产生 的 电能一 部分 直接供 给 电动轮 驱动汽 车 部分可给蓄电池充电 此时 P S HE V动力系统变为串 联式 动力系统 此 工况下 以车轮 的滑移 率为控 制 目标 基 于滑 模 控制 S M C 的 电 子 差 速 控 制 策 略 根 据 每 个 车 轮 的转 矩需 求合 理分 配 左 右 两个 电 动 轮 电 机转 矩 以 实 现 差 涑 此 种工 况下 能量 流 向如 图 6 箭 头 所示 电动后轮 3 前轮 接外 电 源充 电 一 I 2 3高速 行驶 状态 当汽车行 驶在 高 速公 路 上 时 速 度较 快 且 减 速 和 停 车 的机会 较少 发动机 运行 于高效 率 工况下 此时可 同传统汽车一样直接用发动机驱动前轮 额外功率可 带 动 I S G发 电并 将 电能存 储 于蓄 电池 中 汽车 由低 速到高速 的加速 阶段 控制 电动轮 的电动 机转速增 大 汽车 以纯 电动 汽车 的形 式 开始 加 速 当汽 车速度加 速至接 近 于发动 机高 效率 工况 运行 时 的汽 车 速度 时 I S G起动发动机 并 且 I S G作 为发电机发 电 当发动机 已经 运 行 于高 效 率工 况 且 汽 车速 度达 到 E C U同时控制电动轮离合器逐渐分开 变速齿轮与差速 器总成机 构的离合器逐 渐接合 此后 汽车运 行在相 当 于传统汽 车 由发 动机 驱动 挂入 最高 档 时 的运行 状 态 汽车前轮作 为驱动轮 电动后轮作 为从动轮 此种 工况下 能量 流 向如 图 7 箭头 所 示 电动后轮 前轮 电动后轮 J 一 加速阶段 高速稳定运行阶段 图 7 高速行驶状态能量流 2 4全 负荷 运行 状态 当汽车处 于爬 陡坡 或其 它系统 处 于全负 荷运行状 态时 接合发动机的离合器和电动轮离合 器都处于紧 密接合状态 发动机和电动机均以满功率状态运行 共 同驱动汽 车 在此 种工 况下 能量 流 向如图 8 箭 头 所示 2 5减 速或 制动状 态 在汽 车低 速行 驶工 况下 当汽 车减速 或制 动时 蓄 电池停止对电动轮 中的电动机供电 此时电动轮中的 第 1 期 徐 寅 等 一种 混合动力概念车驱动 系统设 计 电动 机作 为制 动再 生 能 量 的发 电机 工 作 将 一 部 分 能 量转 换为 电能 储存 于 蓄 电池 中 I U动后轮 J 图 8全 负荷运行状态能量流 当汽车 在高 速 行驶 中减 速 或 制 动 时 接 合 发 动 机 的离合器分离 同时 电动轮离合器接合 电动轮电动机 作 为发 电机 工作 将 部分 能量 转换 为 电能存 储在 蓄 电池 中 若 汽车 减速 完 成 后 的速 度 未 低 于 又 重 新 开 始 加速过程 此时电动轮离合器分离 接合发动机的离合 器重 新接 合 由发 动 机 驱 动 汽 车 若 汽 车一 直 减 速 至 以下 接合 发动 机 的离 合 器保 持 分 离 状 态 以保 证 发 动 机 始 终 工 作 于 高 效 率 工 况 下 此 时 发 动 机 可 带 动 I S G发 电 若 是减 速停 车 则可 由司 机关 闭发 动 机 若 当 汽 车减 速 至 以下 又重新 加 速 时 蓄 电池 给 电动 轮 的 电动 机供 电以驱动 汽 车加 速 至 速 度 电动 轮 离 合 器 分离 接合发动机的离合器重新接合 再次由发动机驱 动汽 车运 行 此 种 工况 下 能量 流 向如 图 9 箭 头 所 示 电动后轮 前轮 电动 后轮 J 图 9减 速 或 制 动 状 态 能 量 流 3 系统可 行性 验证 本 研究 所设 计 的驱 动系 统处 于发 动 机单 独驱 动汽 车工作模式时 其工作原理同传统内燃机汽 车工作原 理一 样 故该 工作 模 式 是 可 行 的 再 分 析 论 证 驱 动 系 统 处于 纯 电动模 式及 发 动机 和 电动后 轮共 同驱 动 汽车 工作 模 式下 的可 行性 在 这两种 工 作模 式 下 无 机 械差 速 器 连 接 的两 个 电动 后 轮在 电子 差速 控 制 系统 不 可 行 的情 况 下 是 不 可能实现差速运行 的 故汽车也就不可能实现转弯 因 此该 驱 动系统 的设计 是否 可行 的关 键 在 于 电子 差速 控 制 系统是 否可 行 对于 电子 差速 控 制 系 统 的 研 究 国 内外 的 学 者做 了大量 的研 究 已经 取 得 了重 大突破 设 计 了许多 可行 的 电子差 速 控 制 系 统 因 此 无 机 械 差 速 器 连 接 的两 电动 轮在 电子 差 速系 统 的控制 下是 可 以实现 差速 的 从 而可 以论 证本 研 究 所 设 计 的 驱 动 系 统方 案是 可 行 的 4 结束 语 本研究设计的驱动系统取消 了动力耦合装置 因 而系统结构更加简单 对传统内燃机汽车底盘 的改动 就更 小 同时 当汽 车 电动轮 运行 时 采用 以 电子差 速 器代替传统机械式差速器 电机直接驱动的方式 降低 了传动中的能量损失 提高了传动效率 并且 该驱动 系统 取 消 了变速 箱 实现 了汽 车 的无级 变速 研 究 结果 表 明 该 系统 相 比现 行 混 合 动 力 驱 动 系 统 具 有更 简单 的结 构 布局 和更 高 的驱 动效 率 参考文献 Re f e r e n c e s 1 吴光强 汽 车理 论 M 北京 人 民交通 j J 版社 2 0 0 7 2 陈家瑞 汽 车构 造 上 下册 M 5版 北京 人民交 通 版 社 2 0 0 6 3 俞明 罗玉涛 黄榕清 一种混联式 电动汽车驱动系统 J 华南理工大学学报 自然科学版 2 0 0 1 2 9 8 9 O一 9 2 4 熊伟 威 舒 杰 张 勇 等 一种 混联式混合动力客车 动 力系统参数匹 配 J 上 海 交通 大学 学报 2 0 0 8 4 2 8 l 32 4 1 3 28 5 王家明 郭晋晟 冒晓建 等 新 型混联式混合动力客车 动 力 系统分析 J 汽车技术 2 0 0 8 9 1 4 6 赵艳娥 张建武 轮毂 电机驱动 电动汽车电子差速系统研 究 J 系统仿 真学报 2 0 0 8 2 0 1 8 4 7 6 7 4 7 7 5 7 葛英辉 轮式驱 动电动 车控 制系 统 的研究 D 杭州 浙 江大 学机械工程学 院 2 0 0 4 8 靳力 强 王庆年 张缓缓 等 电动轮驱 动电动汽车差速技 术研究 J 汽 车工程 2 0 0 7 2 9 8 7 0 0 7 0 4 9 万 钢 陈 辛波 沈 勇 等 四轮 电子差 速转 向控 制系 统 q 1 国 C N 0 2 1 3 6 4 9 8 2 P 2 0 0 4 0 2 1 8 1 O T