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1、“863”项目混合动力电驱动系 概念方案设计“863”项目组二零零九年四月目录一、设计分析 .11.1 转矩耦合 .11.2 转速耦合 .41.3 转矩耦合与转速耦合并存 .51.3.1 丰田 Prius（THS ）系统方案 .61.3.2 福特 Escape HEV 系统 .61.3.3 通用双模系统 .7二、设计综合 .82.1 项目方案结构分析 .82.2 耦合特性分析 .92.3 双行星轮动力学分析 .102.4 双行星轮动力学原理验证试验 .112.5 动力匹配 .14三、控制系统 .173.1 耦合装置与 AMT 的集成控制 .173.2 混合动力系统控制流程 .193.3 能源管
2、理控制原则 .20四、开发可行性 .211一、设计分析混合动力汽车配置有不止一个动力源，分析现有混合动力电动汽车传动系统案例，主要是用固定轴齿轮副和行星排机构来实现功率分流和汇流。分别称之为转矩耦合、转速耦合，还有综合了转矩耦合转速耦合的传动系统。通过对现有技术的分析和理解，确认项目概念方案的合理性。1.1 转矩耦合转矩耦合是将发动机和电机的转矩一起相加，或将发动机转矩分解成两部分：分别用于驱动和蓄电池充电。机械转矩耦合1inT2 outtT（a） (b)图 1.1 转矩耦合概念图图 1（a） 概念性的表明了功率汇流。图 1（b）表示了功率分流。功率分流和功率汇流是相对的，利用图（a）进行分析
3、，若忽略损耗（传动效率） ，输出转矩和转速可表述为：-（1）12outininTkT-（2）12ininout-（3）21iniinioutt TT式中， 和 是取决于转矩耦合装置的常数。1k2转矩耦合的特点： 转速特点：机构一定时，各转速之间保持一定的比例关系； 转矩特点：机构一定，且当 为一定时， 与 的代数和保持不变，但其间的分配可任意outT1inT2i变化，即转矩解耦。包括其中之一为零或负值，使得输入和输出的关系变化，如图 1（b）所示。因此，转矩回合，也可以看作是“分矩式”功率分流或“汇矩式”功率汇流，因此可称之为“差矩机构” 。典型的机械转矩耦合装置有变速箱、皮带轮或链式组合件以
4、及传动轴。21iniT2iniouttTz3 1iniTouttz2ii2321/zk1z- - - 齿轮齿数212/zk1z- - - 齿轮齿数（a）变速箱1iniT2iniTouttT1iniT2ii outt4321/rkr34 r21/rkr134- - - 皮带轮半径 21r- - - 皮带轮半径（b） 皮带轮或链式组合件 1iniT 2iniToutt12k（c）传动轴图 1.2 常用的机械转矩耦合装置本田 IMA 是发动机轴转矩耦合式，可用图 2 中的 c 表示。转矩耦合混合动力电驱动系设计方案3图 1.3 发动机和电机配置不同的传动装置图 1.4 发动机和电机配置相同的传动装置
5、该方案中传动装置以相同比例提高发动机和电机的转矩，可采用高速电机。图 1.5 前传动装置前传动装置结构中，发动机转矩和电机转矩两者均有传动装置调节，此时，发动机和电机必须有相同的转速范围。这一结构常用于小型电机的情况，被称为轻度混合动力电动系，其中，电机起着发动机的启动机、发电机、发动机的动力辅助和再生制动的作用。4图 1.6 后传动装置后传动装置结构，传动装置仅改进发动机转矩，电机转矩直接传递给驱动轮，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。传动装置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。1.2 转速耦合转速耦合装置，如图 7 所示转速耦合11 i ni
6、 nT 22 i ni nT o u to u tT 图 1.7 转速耦合概念图，21ininout k21kiniout其特点是： 转速特点当任一元件转速一定，其他两元件转速代数和为定值，但其间的分配关系可任意改变，即转速解耦。 转矩特点三元件所受转矩之间保持一定的比例关系。多用行星排作为转速耦合装置，如下图所示。5图 1.8 内外啮合单行星排转速耦合装置所以，当功率一定时，由于转速分配的变化，两路的功率可以发生变化，以至于一路为零，甚至于为负值，这便是的输入和输出的关系有所变化。行星排进行功率分流或汇流，可看作是“分速式”或“汇速式” ，因此可称之为“差速机构” 。华沙工业大学单行星排方案
7、图 1.9 华沙工业大学行星排方案由于行星齿轮机构和差速器之间没有变速器，要求发动机和电机的合成转速范围要宽，电机需要提供较宽范围的最大转矩以满足行驶需求。同时该系统仅在行驶时可以实现将发动机能量分流，给电池充电；无法实现驻车充电功能。1.3 转矩耦合与转速耦合并存还有些混合动力汽车电驱动系采用了转矩耦合与转速耦合并存的方案。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。61.3.1 丰田 Prius（THS）系统方案图 1.10 丰田 Prius HEV（THS）系统 图 1.11 丰田 THS 简化图发动机和小
8、型电机（几千瓦）通过行星齿轮机构构成转速耦合。齿圈输出和大型的牵引电机（几千瓦到十千瓦）通过固定轴的齿轮组件构成转矩耦合。在低车速时，小型电机正向转速运转，吸收部分发动机的功率。当车速较高时，发动机固定在一定转速范围内，同时为避免发动机转速太高，导致高油耗，小型电机将以负向转速运转，以便向驱动系传递功率。为了使发动机能运行在其最佳转速范围，当采用行星齿轮机构和小型电机调节发动机转速时，可提高燃油经济性。1.3.2 福特 Escape HEV 系统定子转子TeneRCSTm1nm2nm1 TnS-太阳轮 C-行星架 R-齿圈Tm2变速箱图 1.12 福特 Escape HE 混合动力电驱动系示意图发动机和电机/发电机构成
