混合动力汽车机电动力耦合系统现状及发展趋势.doc

混合动力汽车机电动力耦合系统现状及发展趋势

2006-07-24 [ 字体：大 中 小 ]

黄贤广 林逸 何洪文 魏跃远
    1 机电动力耦合系统
    混合动力汽车(HEV)与传统汽车及纯电动汽车相比，最大差别是动力系统。对于并联和混联式HEV，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。
    机电动力耦合系统最关键的技术是其布置方案，不同结构的机电耦合系统将导致HEV的适用条件和使用要求各不相同，开发难度也相差很大。机电动力耦合系统结构的选型决定了HEV研究开发的重点和方向。机电动力耦合系统必须具有以下功能：
    (1)动力合成功能。将来自不同动力源的动力分别输入并进行动力合成。
    (2)输出不干涉功能。让来自不同动力源的动力单独输出驱动HEV，或让多个动力共同输出驱动HEV，彼此之间不发生干扰，不影响传动效率。
    (3)动力分解与能量反馈功能。将发动机动力的全部或一部分传递给电动机，使电动机转换为发电机发电，在再生制动时回收能量，让电动机处于发电状态，将机械能转换为电能进行存储。
    (4)辅助功能。能充分发挥电动机的低速、大转矩的特点起动HEV，利用电动机的反转特性使HEV倒车，从而取消驱动系统的倒档机构。由于发动机和电动机的功率及转速输出特性不同，机电耦合系统需要满足多项复杂的动力传递、组合要求。
    如果一辆混合动力汽车的动力耦合系统设计合理，能以最低的能量消耗获得良好的动力性、经济性和最低的排放，就能得到良好的社会和经济效益，缓解我国能源紧张和环境污染的状况。
    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，结构如图1所示。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。该系统将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将小部分转矩传给发电机，发电机发出的电能根据指令用于电池充电或电动机，以增加驱动力。这种结构可以通过调节发电机转速使其产生变化，使发动机一直处于高效率区或低排放区。此外，通过调节行星排各元件的转速，使其像无级变速器一样工作。

图1 THS混合动力系的传动示意图
    (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)，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2 IMA集成电机辅助系统
    (3)戴姆勒-克莱斯勒公司2005年底特律车展上展出一款结合V8柴油发动机和最新一代混合动力驱动系统的油电混合动力S级奔驰车，该车的机电耦合系统由2台电动机与7档自动变速器组成，如图3所示。该油电混合动力耦合系统为“P1/2”，在发动机与变速器之间配备了2台马达及离合器。车辆起动时由发动机一侧的马达进行发电，由变速器一侧的马达进行驱动。在提速阶段与离合器联动，能够实现高级车特有的平稳行驶性能。该车的传动系统基于7G-Tronic自动变速器，另外结合了Pl/2混合动力变速器，设计紧凑。

图3 奔驰公司双模式混合动力系统
    2.2 国内研究现状
    “十五”期间，科技部启动了“863”电动汽车重大专项课题，其中混合动力汽车专题分混合动力城市客车和混合动力轿车两个课题，分别由我国一汽、东风以及长安汽车公司等单位承担，目前，均完成了样车的研制和性能考核试验。一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司竞相开发出混合动力样车，节油30%以上，排放减少30%，轿车和客车最高车速分别超过160km/h和80km/h，部分车型正在申报国家汽车产品公告。
    在机电动力耦合系统方面，一汽和东风均采用了固定轴式动力耦合装置(如图4所示)，只是具体的连接方式和结构不同。东风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”。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。一汽混合动力轿车采用了双轴输入单轴输出到AMT的齿轮啮合传动方式实现转矩合成的动力耦合系统，即“双轴双离合器并联型固定轴齿轮式”动力耦合系统，它由一对固定速比的常啮合齿轮组成，在发动机离合器接合的条件下，动力耦合装置输出端的转速与发动机的转速相同。

图4 固定轴式动力耦合系统
    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，如图5所示，并已申报了国家发明专利。该系统把串联和并联混合驱动的原理接合在一起，使用的零件数较少(一个电机)，适当调整控制系统可以顺利实现并联到串联驱动的转换，直到由内燃机驱动。比传统的混合驱动系统更轻，效率和整体性能更高。该系统可以实现无级变速，但是不能实现发动机输出转矩和电机输出转矩的直接叠加。

图5 单行星排动力耦合系统
    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6所示，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。

图6 单行星排动力耦合系统
    3 发展趋势
    HEV包含多个互相耦合的动力源，应根据车辆的具体结构和使用情况采用不同的布置方案。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。
    .目前，混合动力汽车动力系统包含3种型式：具有怠速关机、快速启动功能的轻混合；具有快速启动、电动助力功能的中混合；以混联式为特征的重混合。随着电功率比例的逐步提高，混合程度不断增强，混合动力系统最终将实现全混合。
    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，是今后动力耦合系统的发展方向。
    此外，采用CVT或AMT也成为混合动力系统发展的一个方向。由CVT来选择发动机的高效工作点，优化发动机的工作特性，用较小的电动机确保所需要的驱动转矩，同时减小逆变器与驱动用蓄电池的体积，由此降低成本、提高装车性，同时显示出采用混合动力系统的节油效果。对典型的混合动力汽车来说，从提高效率的角度考虑，AMT是最好的选择，这是由于手动变速器与自动变速器相比可以使总效率提高8%以上。目前，我国一汽、东风开发的动力耦合系统中均采用了AMT。
    未来的动力耦合系统会采用更多的控制策略，对控制策略进行优化是目前的一个发展方向。采用控制策略，并配备专门的管理模块，根据车辆不同的状态和驱动需求采取符合要求的驱动模式，达到最佳的经济性和排放性。动力系统如内燃机、电机在工作状态切换工程中，采取合适的控制方法，使切换动作迅速完成并使整个动力系统的动力输出变化平稳。目前控制策略(尤其并联式混合动力汽车)还不十分成熟。由于混合动力汽车运行模式比较复杂，控制策略不仅仅要实现整车最佳的燃油经济性，同时要考虑适应汽车各种运行工况，兼顾发动机排放、电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求，并针对汽车各部件的特性进行综合控制。兼顾各方面要求进行控制策略的研究是今后工作的重点和难点。