插电式混合动力汽车动力耦合机理研究本科生毕业论文(编辑修改稿)

插电式混合动力汽车动力耦合机理研究本科生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

构的插电式混合动力汽车 串联插电式混合动力汽车的动力总成由发动机、电动机、发电机、蓄电池、 6 逆变器组成，如图。 在开始起步阶段，蓄电池提前经过一个周 期的充电，电量充足，此时在整车控制器的控制下，发动机不工作，蓄电池提供汽车行驶的全部动力，即为纯电动驱动模式；当汽车需要加速行驶时，加速功率超过蓄电池所能提供的最大功率时，此时发动机开始驱动发电机工作，发电机与蓄电池共同提供的能量经过逆变器转化成定频定压的电流驱动电动机旋转，进而为驱动轮提供加速转矩，此时进入发电机和蓄电池混合驱动模式；当汽车完成加速进入匀速行驶模式时，所需的功率减小，发动机仍能输出较高的功率，除满足车辆行驶外，剩余的电量为蓄电池进行强制补充充电；如果汽车在减速行驶时，此时电动机转速低于车轮 转速，电机被反拖发电，制动能量回馈利用，为蓄电池进行充电。 图 串联式 PHEV 的结构简图 由此可以看出发动机不直接驱动车轮，而是用来带动发电机运转产生电能，和蓄电池一起来带动电动机运转或对蓄电池进行补充充电，车辆的直接驱动机构是电动机，能够很好地匹配驱动系统。 在发动机与驱动系之间布置了起缓冲作用的电动机，取消了二者的机械装置连接，这样可以在很大程度上减少路面上的瞬态载荷对发动机工作性能的影响，从而使发动机能够优化自身的燃油喷射和点火正时控制，使其工作在十分理想的工况点附近，获得较好的动力性和燃料经 济性，经常保持在高效、稳定、低污染的运转状态。 在串联式混合动力汽车的结构中需要将发动机、发电机、电动机以及蓄电池等几大部件总成装配在车身底盘上，虽然它们之间大都是采用电气连接，在布置时可以不考虑彼此间位置的影响，但各个子部件的额定功率相对较大，使得整体的外形尺寸和整车质量也随之增大，所需的布置空间就比较大，因此，在中小型汽车上布置存在一定困难。 由于驱动系统最末端只有一条能量提供路线，如果电力驱动系统出现故障，车辆将不能正常运行。 同时在 电动机—发电机—发动机驱动系统中能量传递链较长，在 机械能—电能—热能 的相互转换过程中，能量损失比较大。 源于发动机的能量经两次转换过程才传递驱动轮，能量的综合利用效率相对于传统内燃机汽车的一次转化较低，因此串联结构的 PHEV 适合在城市大型客车上使用。 7 并联结构的插电式混合动力汽车 并联式 PHEV 的系统结构如图 所示，汽车行驶的动力由发动机、蓄电池电动机单独或者通过机电耦合装置联合提供。 在汽车起步加速时，根据驾驶员踩下加速踏板的力度，整车控制器 判断是采用纯电动模式还是混合驱动模式。 汽车缓慢加速时，若发动机启动，则动力仅靠发动机提供；如果所需加速功率较小，则采用纯电动驱动。 当车辆在低速巡航行驶时，由于整车所需功率较小，为了避免发动机工作在低负荷低效率区域，采用纯电动模式；当车辆行驶速度很高时，驱动功率满足发动机高效工作区要求，发动机开始工作，整车进入混合动力驱动模式，在这个阶段通过增加蓄电池 电动机输出的功率来满足汽车急加速重载荷的工作条件。 当汽车高速巡航时，此时发动机工作在其运转经济区域，为了提高整车的能量利用效率，仅有发动机提供所需的驱动力。 当 汽车减速制动时，发动机停止工作，此时车轮带动电机进入再生发电模式为动力电池充电。 图 并联式 PHEV 的结构简图 由于并联式 PHEV 主要由发动机、蓄电池 电动机两大总成组成，两大动力总成可以进行功率叠加，当发动机与电动机的功率比较低时仍能满足要求，因此可以大大缩减动力系统装配所需的空间，降低了的整备质量，使整车生产成本大幅降低。 并联式 PHEV 的发动机和电动机可以通过机械联轴器与驱动桥直接相联接，在发动机和驱动桥的联轴器间有电磁离合器可以控制发动机的输出动力，能量利用效率较高。 传统内燃机汽车在低速行 驶时，发动机负荷较低，后备功率没有得到充分利用，燃油经济性较差，而并联式 PHEV 此时可以只用电动机来驱动车辆，或者使发动机保持比较合理的负荷状态，后备功率用来驱动电动机进入发电模式，给动力电池补充充电。 相比于串联式 PHEV，并联式混合动力汽车的发动机和电动机都可以直接向驱动轮提供转矩，不存在能量的转换，能量损失少；由于不需要附加的发电机，而且电动机相比于串联式驱动系统中的电动机要小，因此结构紧凑。 混联结构的插电式混合动力汽车 混联结构的混合动力系统同时具备了并联式动力系统的机电耦合以及串联式混合 动力的电电耦合的特点。 混联结构的动力装置同时集成了并联结构与串联结构的功能，其结构如图 所示。 当蓄电池具有较高的电量且满足整车行驶所 8 需求的功率时，为了避免发动机工作在低负荷和燃油消耗低效率区域，混联混合动力系统以纯电动工作模式工作，关闭车辆的发动机，动力电池给电动机提供驱动转矩，带动车轮前行；当车辆需求功率增加或者蓄电池能量偏低时，发动机起动工作，若发动机输出功率满足汽车行驶所需功率且蓄电池不需要充电时，此时仅有发动机驱动车辆，此时发动机输出的功 率分为两部分，一部分通过行星齿轮直接输出给驱动轮，另一部 分经过行星齿轮、发电机、逆变器和电动机后供驱动轮使用；当汽车需要更大的功率时，整车工作在混合动力模式，此时发动机和蓄电池同时供能；若蓄电池能量不足或者发动机提供的能量富裕时，实施发动机向蓄电池强制充电工作模式，发动机输出的动力分为三部分，一部分通过行星齿轮机构直接输送给驱动车轮，一部分经过发电机、逆变器和电动机转化后平衡车辆负载，一部分经过发电机、逆变器转化之后为蓄电池充电。 图 混联式 PHEV 的结构简图 混联结构的动力耦合装置的驱动模式的控制策略是：在汽车低速小功率行驶时，动力系统采用串联结构进 行耦合输出动力，充分消耗动力电池储存的能量，从而获得较好的排放性能；当汽车高速大功率行驶时，动力系统则采用并联结构进行驱动，为车辆提供足够的功率，获得较好的动力性。 混联式混合动力结构采用行星齿轮机构作为动力分配装置，这种机构有两个自由度，可以自由的控制两个动力源，车辆并不是单纯的串联结构或并联结构，而是两种驱动形式并存。 混联式插电混合动力汽车集中了串联结构和并联结构混合动力车辆的优点，更好地实现了在不同的行驶条件下的发动机、电动机、发电机和动力电池组之间转矩、转速和功率的合理分配，充分发挥了插电式混合动力 车辆低油耗、低排放的特点。 但是混联式 PHEV 的动力系统在控制器的设计和动力之间的耦合转换变得更为复杂，同时对动力耦合装置的可靠性要求比较高 [1315]。 PHEV 的动力耦合装置 动力耦合系统的概念 混合动力电动汽车一般都有两个动力源，这两个动力源发出的动力需要通过一定的机械或电气装置进行整合叠加之后再经过传动装置输送给驱动车轮来供车辆利用。 动力耦合装置就是把混合动力汽车的两条或者多条独立的动力传递系 9 输出的动力进行耦合叠加的所有部件的总称。 对于经常使用的油 电混合动力汽车而言，就是指能把 发动机和电机或者发动机和动力电池组的动力耦合输出的装置。 对于并联和混联结构的混合动力车辆，动力耦合装置就是把车辆的多个动力源进行合理的组合分配，更好地满足车辆行驶时的驱动特性，它直接关系到车辆的各种性能是否满足乘客的使用要求，在混合动力整车开发中处于至关重要的作用。 动力耦合装置中最为典型的是丰田 Prius 采用 THS ）（ S ys te m H yb r id T oy ot a 混联式结构，通过使用精密的行星齿轮组对发动机和动 力电池的输出的功率进行重新分配，通过与太阳轮相连的电机来不断调整发动机负荷的波动。 本田汽车公司的 Insight 混合动力汽车搭载的 ）（ A s s is t e dM ot o r I nt e gr a t e dI M A 混合动力系统，采用转矩耦合的形式，把发动机和电动机提供的扭矩进行叠加后输出。 动力耦合系统的功能 插电式混合动力汽车的动力耦合系统在耦合方式上虽然存在比较大的差别，但它们在车辆上发挥的主要作用大抵相同，主要概括有以下功能： （ 1） 动力合成功能，将不同动力源输出的转速、转矩和功率进行组合再分配，提供车 辆所需的动力。 动力耦合装置在输出动力时要能够保证各个动力源既可以独自工作，也可以采用联合驱动的形式，而且彼此之间不发生运动的干涉。 （ 2）能量反馈功能，在汽车进行减速制动时，动力耦合装置应该能切断发动机的动力输出，同时要保持传动机构与电机之间的机械连接，此时车轮的转速高于电机的转速，拖动电机工作在发电状态。 （ 3）模式切换简单方便，过程平顺无冲击。 在结构上动力耦合装置应该尽量简单，方便与传动装置之间的配合，同时保证动力模式切换过程中操纵简单方便，驱动可靠安全无冲击。 （ 4）辅助功能，动力耦合装置应该能够缓冲 起步时路面对车辆的冲击，保证车辆在低速行驶时的平顺性，同时还可以利用电动机的反转特性，在不增加倒档齿轮的前提下实现倒车 [16]。 动力耦合系统的分类 动力耦合装置根据能量源耦合方式的不同可以分为电电耦合装置和机电耦合装置，一般串联混合动力电动汽车采用的是电电耦合，并联结构和混联结构的混合动力汽车中，采用的是机电耦合结构。 根据各个部件之间转速、转矩和功率的量化关系，动力耦合装置可以分为转速耦合、转矩耦合和功率耦合三种，以下具体介绍此三种耦合装置的结构、原理和特点。 转矩耦合装置的主要作用是把发动机和电动机的输出转矩通过机械联轴器叠加到一起，并将总转矩传递到传动系以驱动车辆。 如图 所示，简单表明了一个机械转矩耦合的原理图，可以简化为一个三端口、两自由度的装置。 其中端口 1 只能单向输入，端口 2 和端口 3 既能输入又可输出，但端口 2 和端口 3 不能同时输入。 结合混合动力系统的动力源组成可知，端口 1 与发动机相连，端口 2与电动机相连，端口 3 则与驱动轮相连。 10 （ a） (b) 图 转矩耦合原理简图 如图 为一种双齿轮式转矩耦合装置，忽略传递过程中的能量损耗，则有输入端口的总能量应当和输出端口的总能量相等，即 221121333 TTPPTP   （ 21） 转矩耦合的数学表达式为： 22113 TkTkT  （ 22） 322311 k k   （ 23） 其中， 1P 、 2P 、 3P 分别为 率入功率和驱动桥输出功发动机输入功、电机输。 1T 、 2T 、 3T 分别为以上三个端口对应的转矩， 1 、 2 、 3 为以上三个端口对应的角速度， 1k 、 2k 为传动比。 根据式（ 22）、（ 23）可知，发动机和电动机提供的转矩 1T 、 2T 之间没有固定的数量关系，可以分别独立控制，从而使得发动机的瞬时转矩不受车辆负载转矩和路面载荷的影响。 而角速度 1 、 2 存在固定的数量关系，不能独立控制。 转矩耦合装置根据耦合部件的机械结构主要有两轴式和单轴式两种： ，也可称为齿轮耦合式，发动机和电动机分别从两根轴输入，一般采用固定速比的齿轮传动来实现转矩的耦合，国内生产的大多混合动力客车采用这种方式。 ，也称为磁场耦合式，是将发动机曲轴和电机转子布置在同一条轴上，通过调整电机的励磁电流大小来控制输出耦合转矩的大小。 本田Insight 的集成电机助力系统（ Integrated Motor AssistIMA）和长安集团的起动 /发电一体化电机（ Integrated Started GeneratorISG）均采用该耦合方式 [17]。 2 转速耦合式 混合动力的动力源也可以通过转速关系进行耦合，如图 所示。 同转矩耦合器一样，转速耦合器也可以简化为一个三端口、两自由度的机械装置。 端口 1连接发动机，只能单向输入，端口 2 和端口 3 分别连接电动机和驱动车轮，既能 11 输入又能输出，但二者不能同时输入。 （ a） (b) 图 转速耦合原理简图 行星齿轮机构通常是由一个太阳轮、一个结合齿圈、一个行星架和若干行星轮组成的轮系结构，其中太阳轮、齿圈和行星架可以看做动力耦装置的三个端口组件，根据行星齿轮转速耦合原理，转速耦合装置的运动关系可表示为： 2231133 ii   （ 24） 根据功率守恒原理，同时得出它们之间的转矩 关系如下： 1331221 i Ti TT  （ 25） 式中 13i 、 23i 为转速耦合器的结构参数，是与结构和几何形状设计相关的常数。 根据式（ 24）、（ 25）可知，发动机和电动机提供的角速度 1 、 2 之间没有固定的数量关系，可以分别独立控制，从而使得发动机的瞬。