一种并联式混合动力汽车传动系设计
1.4本课题的研究内容
(1) 并联式混合动力电动汽车传动系的特点分析 (2) CS6100并联式混合动力电动汽车传动系的设计
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一种并联式混合动力汽车传动系设计
2并联式混合动力电动汽车传动系的结构特点分析
2.1 混合动力汽车动力传动系布置方案
由于混合动力汽车采用2 种动力源作为动力装置, 它的各个组成部件、布置方式及控制策略的不同, 因而形成了各式各样的结构型式。混合动力汽车的分类方法也有多种。根据动力源的数量及动力传递方式的不同, 分为串联型、并联型和混联型; 根据发动机和电机的功率比的大小, 分为里程延长型、动力辅助型和双模式型; 根据发动机运行模式的不同, 分为发动机开/关模式和发动机连续运行模式; 根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上, 分为单轴式和双轴式; 根据蓄电池组的荷电状态SOC (State of charge) 的变化情况, 又可分为荷电消耗型和荷电维持型。
2.2并联式HEV 动力传动系
并联式HEV 动力传动系(Parallel Schedule, 又称PHEV ) 的结构组成如图2.1所示。在并联式HEV 动力传动系中, 发动机与电动机可以分别独立地为汽车驱动轮提供动力, 没有串联式HEV 动力传动系中的发电机, 因此更像传统的汽车动力传动系, 并具有了许多显著的优点: ①由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥, 中间没有能量的转换, 与串联式布置相比, 系统效率较高, 燃油消耗也较少。②电动机同时又可作为发电机使用, 系统仅有发动机和电动机两个动力总成, 整车质量和成本大大减小。③假定汽车所要求的最大功率为P , 则每台动力总成的功率总和往往是在P～ 2P 之间, 由于设备功率较小, 所需的设备费用也较小。但由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接, 发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响, 要维持发动机在最佳工作区工作, 则控制系统和控制策略较复杂。
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图 2.1并联式HEV动力传动系统结构图
2.3并联式HEV 动力传动系结构分析
2.3.1 转速合成式PHEV 动力传动系
转速合成式PHEV 动力传动系的动力合成装置为转速合成装置, 其工作原理如图2.2所示。
图2.2转速合成装置工作原理简图
如果用i1、i2 分别表示转速合成装置对应于1 输入、2 输入的机械传动比, 则存在下述关系式：
????????=??1·??????1=??2˙??????2 (2-1)
Vout=
式中 T、V —— 扭矩和转速 in、out——输入和输出
此结构有2 套结构机械变速器, 内燃机和电动机各自与一套变速结构相联, 然后通过齿轮进行复合。在此种结构中, 可以通过变速机构调节内燃机、电动机之间的转速关系, 使发动机的工况调节变得更灵活。此种结构目前是最有生命力
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Vin1Vin2
+i i12
(2-2)
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的结构, 主要采用行星差动系统的结构。
行星齿轮动力复合机构, 可以实现多个部件转速的复合, 即各个部件间的转矩保持一定的比例关系。这种功率复合形式被称为速度复合。行星机构有2 个自由度, 通过不同离合器和制动器的作用, 可以实现单自由度、固定传动比的传动。
在此机构中发动机与行星架相联, 通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太阳轮, 齿圈轴与电动机和传动轴相联, 太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上, 将另一小部分转矩传给发电机, 发电机发出的电能根据指令给电池充电或用于电动机以增加驱动力。
通过对行星机构的变速比和受力分析可以得到
1+?? ·????=??·????+????
??·????= 1+1 ?? ·????= 1+?? ·????
(2-3) ????=????
??=??+??=??+??·?? 1+??
?????? ??
????=???? ??= 1+?? ·???????·???? ??
式中 ρ——太阳轮齿数与齿圈齿数之比(0<ρ< 1)
????、????、????、????、???? ——分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转速
????、????、????、????、????——分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转矩
K ——齿圈与驱动轴间的传动比
这种结构可以通过调节发电机转速使发动机转速产生变化, 此外, 发动机的转矩与作用在齿圈上的转矩是成一定比例的, 传到驱动轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩(为负时代表制动能量回收) 的和, 这种结构可以有非常灵活的控制策略, 可实现对混合动力能量流的最优控制。目前，应用这种结构最成功的是丰田公司Prius 的驱动系统。
2.3.2 扭矩合成式PHEV 动力传动系
扭矩合成式PHEV 动力传动系的动力合成装置为扭矩合成装置, 其工作原理如图2.3 所示。
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图 2.3 扭矩合成装置工作原理图
如果用??1、??2分别表示扭矩合成装置对应于1 输入、2 输入的机械传动比, 则存在下述关系式
Tout=i1·Tin1+i2·Tin2 (2-4)
Vout=
Vin1i1
+
Vin2i2
(2-5) 由于两动力总成通过扭矩合成装置(啮合齿轮传动、链传动、传动带及CV T 传动等) 直接驱动车辆, 因此它们的输出特性总和应能满足车辆的牵引需求, 否则, 应在传动系中适当的位置布置变速箱。另外, 由于所采用的扭矩合成装置结构以及传动轴数目的不同, 扭矩合成式PHEV 动力传动系又具有以下几种典型的结构型式。
（1） 单轴扭矩合成式PHEV 动力传动系 如图2.4 所示,
图 2.4 单扭矩合成式PHEV动力传动系统结构图
发动机通过主传动轴与变速器相联, 电动机的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之和。关系式如下：
????= ????+??·???? ·??(2-6)
????=????=???? ??
式中????、????、????—— 分别为发动机、电动机和变速器输入转矩 ????、????、????—— 分别为变速器输入轴转速、发动机转速和电动机转速 η、K —— 传动效率和传动比
在此结构中, 发动机、电动机和变速器输入轴之间的转速成一定的比例关系,随着路况和车速的变化, 这些转速会随着变化。输出转矩的变化, 可以通过式中的转矩关系, 在发动机转矩保持恒定的条件下, 通过调节电动机的转矩而获得。
(2) 双轴扭矩合成式PHEV 动力传动系
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