国内外新能源汽车机电耦合机构发展情况.pdf

1 国内外新能源汽车机电耦合机构发展情况 报告 1 机电耦合机构 混合动力电动汽车是内燃机与电动机两种动力混合驱动的车辆 这种混合是通过机电耦 合系统的动力耦合作用实现的 动力耦合系统负责将 HEV 的多个动力组合在一起 实现多动 力源间合理的功率分配并把动力传给驱动桥 它在 HEV 开发中处于重要地位 其性能直接关 系到 HEV 整车性能是否达到设计要求 是 HEV 最核心部分 机电耦合系统的形式不仅决定了 混合动力汽车具备的工作模式 也是功率分配策略制定的依据 并最终对整车的动力性 经济 性和排放性能产生重大影响 机电耦合机构是机电耦合系统的具体实现形式 不同结构的机 电耦合系统将导致其布置形式及 HEV 的适用条件和使用要求各不相同 开发难度也相差很大 所以机电耦合机构的选型决定了 HEV 研究开发的重点和方向 2 国内外机电动力耦合系统研究现状 2 1 国外研究现状 1 丰田汽车公司是目前走在 HEV 最前沿的汽车公司 丰田 1997 年推出首款混合动力汽 车 Prius 2005 年又推出了搭载最新第 3 代机电混合动力系统的 2006 款 Prius 仍采用 THS 混联式结构 灵巧精密的行星排对发动机的输出功率进行重新分配 达到合理平衡发动机负 荷的目的 动力分离装置采用了行星齿轮机构 发动机与行星架相连 电动 发电机 MG1 与 太阳轮相连 电动 发电机 MG2 与齿圈相连 动力分离装置按照一定的控制策略将发动机的 动力分配给 MG1 和 MG2 MG2 通过传动链 中间齿轮和主减速器齿轮减速之后驱动车轮 第 三代 PRIUS 的传动系统采用了三轴结 构结构如图 1 所示 为了实现 MG2 小型轻量化和使系 统更加紧凑 与前两代 PRIUS 传动系统相比 三轴结构采用行星齿轮机构作为 MG2 的减速机 构 取代了原结构中的传动链和中间齿轮 提升了薄型电动 发电机 MG2 的转矩 其缺点是 结构复杂 成本较高 控制复杂 1 发动机 2 扭转减震器 3 4 动力分离装置 5 6 传动链 7 中间齿轮 8 主减速器齿轮 9 驱动桥 10 减 速齿轮 图 1 第三代 PRIUS 机电耦合系统示意图 2 本田汽车公司研发的 Insight 混合动力汽车采用了独特的混合动力系统 IMA 2 Integrated Motor Assist 采用发动机和电动机扭矩叠加方式进行动力混合 结构如图 2 所示 发动机输出轴通过离合器与电动机的转子轴直接相连 电池组通过控制器作用于电 动机定子 两者的动力叠加是在输出轴处实现 变速器仍为单轴输入 该动力系统以发动机 作为主要动力 电动机作为辅助动力 是一种等速的功率叠加系统 属于并联式 HEV 中的单 轴联合式结构 该系统结构简单 紧凑 提高了系统的综合效率 但一些元件和电机的控制 系统需特殊设计 图 3 为本田最新推出的第四代 IMA 混合动力系统将电动机同曲轴固定在一 起 安装在汽油发动机和 CVT 无级变速箱之间 充分利用 CVT 变速器相应迅速的特点 可根 据油门变化迅速提供适宜的传动比 真正实现了无级变速 但是其传动比变化范围有限 传 动效率低且不能传递交大扭矩 图 2 IMA 集成电机辅助系统 图 3 第四代 IMA 混合动力系统 3 通用 戴姆勒 克莱斯勒 宝马在几年前宣布联合开发基于 SUV 车型的双模系统 希望能够借助这一灵活性高且成本低廉的双模混合动力技术把混合动力汽车推向一个新的 高度 双模混合动力系统采用的是双模式变速器 又被称为电子无级变速 EVT Electrically Variable Transmission 它是由发动机 电动机和发电机通过行星齿轮机构构成的电子无 级调速机构 它的显著优点是 1 集成了电控模块探知驾驶情况 并采用了电脑无级控制变 速比 故而系统能始终工作在最有效率的状态下 2 电机与变速装置结合紧密 可以在较为 紧密的空间里进行布置 较一般的混合动力车辆能腾出更大的可利用空间 3 在车辆高速行 驶时相比传统混合动力能更显著的降低油耗 适合那些大排量发动机或对牵引能力要求比较 高的车辆 比如 SUV 两种模式的切换十分平滑 几乎没有震动与顿挫感 双模 EVT 的两种 模式分别是指 模式 1 输入分离模式 主要用于车辆启动及低速巡航 模式 2 复合分离 模式 主要用于车辆急加速及高速巡航 双模 EVT 变速器内部主要包含 3 组行星齿轮机构 4 组离合器 2 组驱动 2 组制动 和 2 个电机 均可工作在发电与电动模式下 其具体元件布置如下图 图 4 所示 图 4 双模 EVT 变速器结构示意图 3 4 为使整车结构更紧凑 性能更优 更可靠 便于控制和有效降低成本 国外的一 些制造厂商以机电一体化为新能源汽车机电耦合机构发展的核心 如麦格纳动力总成公司推 出的 eRAD 同轴式设计的机电耦合传动总成 电机 变速器 如图 5 格特拉克 Getrag 公 司推出的增程式混合动力变速器如图 6 艾里逊变速箱公司的混合动力系统机电耦合机构如 图 7 和采埃孚公司的混合动力单电机耦合机构如图 8 等 其中麦格纳动力总成公司的 eRAD 同轴式电驱动后桥包括驱动电机 行星齿轮变速器 它带有完全集成的电机模块和车桥断开装置 系统采用了自由旋转怠速模式的高效结构和小 于 100ms 接合 分离 集成 ECU 和电机执行器 格特拉克 Getrag 公司的增程式混合动力 变速器 此系统将只能行驶 50km 的驱动电机和可长途形式的内燃机相结合 使配有增程式 混合动力系统的车辆的行驶里程可与传统汽车相媲美 采埃孚混合动力单电机机电耦合机构 包括一个电机 安装在 8 档自动变速器内 电机安放在前部 其还配有启动 停止装置 图 5 麦格纳 eRAD 同轴式机电耦合 图 6 格特拉的增程式混合动力变速器 图 7 艾里逊变速箱公司的混合动力系统机电耦合 图 8 采埃孚公司的混合动力单电机耦合 2 2 国内研究现状 1 东风汽车采用了固定轴式动力耦合装置如图 9 所示 其混合动力城市客车采用了 基于电控机械自动变速器 AMT 基础上的 中间轴输入动力耦合系统 以及 二轴输入动力 耦合系统 适应了多种灵活布置方式 其中 中间轴输入动力耦合系统 具体形式是 动力耦合装置 即混合动力车用变速器 的一轴与发动机曲轴相连 二轴与输出传动轴相连 中间轴上齿轮与一轴 二轴上齿轮构成常啮合传动齿轮副 中间轴增加一个电机动力输入装 置 采用锥齿轮输入动力 满足了混合动力城市客车电机低速大扭矩的要求 新设计专用 AMT 和耦合器 能保证电动机与发动机高效工作 4 2 双耦合机械自动变速器也是由东风电动汽车股份有限公司开发 它是在传统系统 的基础上 将电机集成在变速箱体内 电机为双输出 图 10 双输出电机的一端通过第一 离合器 第一惰性轮与变速器输入轴构成传动耦合链 另一端通过第二离合器 第二惰性轮 与变速器输出轴构成传动耦合链 整个结构具有较高的集成性和一体性 图 9 固定轴式动力耦合系统 图 10 双耦合混合动力系统 3 北京理工大学与波兰华沙工业大学合作 联合研制了一种单行星排传动方式的机 电动力耦合系统 该结构中 发动机通过离合器 制动器 行星齿轮变速器的太阳轮相连 电机通过一系列部件与齿圈相连 最终通过行星架将转速输出 如图 5 所示 其中发动机与 电机为转速耦合 通过调整发动机或电机的转速 可实现无级变速 可实现混合动力的各种 工作模式 缺点是发动机或电机单独驱动时 无法利用行星排进行变速 图 11 行星排动力耦合系统 4 长安和奇瑞公司的混合动力轿车均采用了单轴并联式混合动力系统 ISG 如图 12 只是混合度不同 长安羚羊混合型电动汽车实现了电动助力和发电的两大功能 采用发 动机和电动机扭矩叠加方式进行动力混合 发动机与电动机和变速器相联 按照不同的行驶 工况要求 发动机和电动机的扭矩在变速器前进行多种形式复合 以实现最优的驱动效率 以发动机为整车主动力源 电机系统起 补峰平谷 作用 加速时电机助力 弥补发动机低 速低扭矩的不足 在减速和制动时实施刹车能量回收 使电机发电并存储于动力电池中 在 停车时发动机关闭 消除费油 高排放的怠速状态 起动时电机瞬时启动发动机进人工作状 态 ISG 系统结构简单 紧凑 重量轻 可以大幅度改善燃油经济性并降低排放 5 长城汽车于广州车展上带来的该套新混合动力系统 代号为 GW6HVG25 它由 2 5 升 V6 汽油机和一台最大功率 38 千瓦的电机组成 特别是这台 2 5 升机型采用了涡轮增压 缸内直喷等技术 最大功率 185 千瓦 1800 转即可达到最大扭矩 375 牛 米 性能参数在同 级中非常出众 而这套混合动力系统未来将会运用于长城新 SUV 车型 SC60 上 如图 13 5 图 12 行星排动力耦合系统 图 13 GW6HVG25 混合动力系统 3 总结 新能源汽车机电耦合机构应根据车辆动力源具体不同的布置方案而确定其具体结构 由 于串联式和并联式 HEV 都有各自的优缺点 混联方式是相对比较完善的一种混合动力系统 它能较好地将燃油汽车与电动汽车的优点有机统一起来 电动机效率高 噪声低 无污染 发动机总在最高效率下工作 具有很好的燃油经济性 加速性和平稳性 能够有效地弥补 串联式和并联式混合动力汽车的不足 所以今后开发的新型混合动力系统即动力耦合机构应 综合串联和并联结构的优点 使之在一种结构上得到体现 现在许多的企业和科研单位逐渐 将混联式混合动力电动汽车列为开发重点 为使整车结构更紧凑 性能更优 更可靠 便于控制和有效降低成本 混合动力系统已 从离散结构向发动机 电机和变速器模块化和一体化方向发展 即集成化混合动力总成系统 采用模块化设计思想进行动力耦合系统的集成化设计和综合管理控制 以实现整车总体设计 和模块化设计