混合動力汽車動力傳動及其控制系統(tǒng)詳細課件

1、混合動力汽車(qch)自動變速系統(tǒng)及其控制系統(tǒng) 共四十四頁混合動力(dngl)汽車自動變速系統(tǒng) 與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車類似，由于(yuy)發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)速工作范圍與車速范圍不一致，需要將混合動力汽車動力源的動力變速變矩地傳遞至驅(qū)動車輪，同時混合動力汽車變速傳動系統(tǒng)還要完成發(fā)動機和電機動力的分配和藕合。共四十四頁混合動力汽車自動(zdng)變速系統(tǒng) 混合動力汽車可以(ky)選用專門針對混合動力系統(tǒng)設(shè)計的變速傳動系統(tǒng)，也可是使用傳統(tǒng)變速系統(tǒng)實現(xiàn)所要功能。現(xiàn)在常見的混合動力轎車有:Prius ( Toyota ) ,Estima ( Toyota ) , Tino ( Nissan ) , Civic

2、( Honda)和Insight (Honda)，其選用的變速傳動系統(tǒng)如表1所示。共四十四頁混合動力汽車(qch)自動變速系統(tǒng)表1 混合動力(dngl)汽車使用的變速傳動系統(tǒng)共四十四頁混合(hnh)動力汽車自動變速系統(tǒng)除Prius和Estima外，混合動力轎車多采用CVT，而Toyota采用的THS ( Toyota Hybrid System )是一種區(qū)別于傳統(tǒng)變速系統(tǒng)的行星齒輪結(jié)構(gòu)，其通過協(xié)調(diào)發(fā)動機、發(fā)電機和電動機的轉(zhuǎn)速(zhun s)，實現(xiàn)動力分配和無級變速的雙重功能。由于受開發(fā)周期、開發(fā)成本和技術(shù)水平的限制以及自主知識產(chǎn)權(quán)方面的要求，我國混合動力汽車開發(fā)多選擇傳統(tǒng)汽車所使用的變速系統(tǒng)。

3、 共四十四頁混合動力汽車自動(zdng)變速系統(tǒng)按照實現(xiàn)自動變速的原理，自動變速器可分為三類:一類(y li)是液力變矩器和行星齒輪變速箱組成的液力自動變速器(Automatic Transmission簡稱AT);一類(y li)是無級變速器(Continuously Variable Transmission，簡稱CVT);另一類(y li)是由傳統(tǒng)固定軸式變速箱和干式離合器以及相應(yīng)的電液控制系統(tǒng)組成的機械式自動變速器(Automatic Mechanical Transmission,簡稱AMT) 共四十四頁液力自動(zdng)變速器（AT)AT，在汽車上應(yīng)用的歷史已有60多年，是現(xiàn)在傳

4、統(tǒng)汽車中應(yīng)用范圍(fnwi)最廣的自動變速系統(tǒng)，圖1所示為寶馬7型的6速自動變速器。共四十四頁液力自動(zdng)變速器（AT) 圖1 寶馬(bo m)6速自動變速器 共四十四頁液力自動(zdng)變速器（AT)液力自動變速器由液力變矩器、行星齒輪和液壓操縱系統(tǒng)組成，液力變扭器是AT最關(guān)鍵的部件，由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪等構(gòu)件組成，它除了起離合器的作用外，還具有在一定范圍內(nèi)無級變速和變矩的能力，對負(fù)載有良好的自動調(diào)節(jié)和適應(yīng)性。因此，液力自動變速器換檔平穩(wěn)，操作容易，但其缺點也較多:一是對速度變化反應(yīng)較慢，沒有手動變速器靈敏，無法滿足對駕駛感覺要求較高的人的需求:二是費油不經(jīng)濟，傳動效率低變矩范圍有限

5、，近年引入電子控制技術(shù)一定程度上改善了這方面的問題;三是機構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、制造和維護困難。由于AT的燃油經(jīng)濟性較差，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不容易進行結(jié)構(gòu)改變，應(yīng)用于混合動力汽車時不僅(bjn)影響整車燃油經(jīng)濟性，而且還受到其過長的開發(fā)周期和過高的開發(fā)、使用成本的影響。共四十四頁無級變速器(CVI) CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司(n s)是在汽車上來用CVT技術(shù)的鼻祖，早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司(n s)生產(chǎn)的汽油機汽車上，但由于橡膠帶式CVI存在一系列的缺陷，沒有被汽車行業(yè)普遍接受隨著新技術(shù)逐步克服原有技術(shù)的缺陷，研制出了性能更優(yōu)良的CVT。進入20世紀(jì)90

6、年代，汽車界對CVT技術(shù)的研究開發(fā)日益重視，特別是在微型車中，CVT被認(rèn)為是關(guān)鍵技術(shù)。CVT的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示，主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。CVI結(jié)構(gòu)簡單、體積小，既沒有手動變速器的眾多齒輪組，也沒有AT中復(fù)雜的液力變矩器和行星齒輪組。理論上CVT可使發(fā)動機始終在經(jīng)濟工況區(qū)運行從而較大幅度地改善車輛燃油經(jīng)濟性，但由于CVT是摩擦傳動，傳動效率較低，且傳動帶很容易損壞，不能承受較大的載荷，因此其只能用于在低功率和低轉(zhuǎn)矩汽車，隨著技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)在CVT已經(jīng)開始在中等排量的汽車中得到應(yīng)用。 共四十四頁無級變速器(CVI)圖2無級變速器結(jié)構(gòu)圖 共四十四頁機械式自動

7、(zdng)變速器(AMT) 傳統(tǒng)手動變速器是通過駕駛員控制(kngzh)離合器、變速箱來接合發(fā)動機動力和改變傳動系統(tǒng)檔位，通過在手動變速器基礎(chǔ)上加裝換檔、離合器執(zhí)行機構(gòu)和相應(yīng)的自動控制(kngzh)單元實現(xiàn)上述的自動控制(kngzh)即為機械式自動變速器。國外對AMT的研究和開發(fā)始于二十世紀(jì)七十年代中期，較為典型的有瑞典Scandia的CAG系統(tǒng)、德國Daimler Benz的EPS系統(tǒng)、美國Eaton的SAMT系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使換檔操縱實現(xiàn)了自動化，換檔時仍由駕駛員踩離合器踏板來配合換檔。世界上第一臺全自動的電控機械式自動變速器是日本五十鈴公司在1984年推出的NAVI-5，不久德國波爾舍的

8、C arrera轎車也裝用Tip Tropic，同時期出現(xiàn)的還有:日本Nissan, Hino及美國Eaton的全自動變速系統(tǒng)。 共四十四頁各種變速(bin s)系統(tǒng)的比較 各種( zhn)變速系統(tǒng)的比較 共四十四頁各種( zhn)變速系統(tǒng)的比較在混合動力汽車中，由于對燃油經(jīng)濟性以及成本、開發(fā)周期等方面的要求較高，AT不適合于在混合動力汽車上使用(shyng)。由于世界各大汽車公司的參與，CVT的各項技術(shù)不斷走向成熟，國外眾多汽車廠商都致力于CVT的推廣應(yīng)用，由于其燃油經(jīng)濟性較好，因此在混合動力轎車中得到了較好的應(yīng)用。但是由于CVT應(yīng)用于較大型的車輛時還存在一些問題，因此許多混合動力汽車中采用

9、AMT作為變速機構(gòu)。 共四十四頁傳統(tǒng)汽車AMT基本控制(kngzh)原理 圖3 傳統(tǒng)汽車(qch)AMT基本控制原理 共四十四頁AMT應(yīng)用于混合(hnh)動力汽車 使用AMT作為混合動力汽車的動力藕合和變速傳動裝置比較適合(shh)我國的國情。由于混合動力汽車的動力源與傳統(tǒng)汽車不同，AMT應(yīng)用于混合動力汽車時，其功能和控制也與傳統(tǒng)汽車情況有很大的不同。 共四十四頁AMT應(yīng)用于混合動力(dngl)汽車傳統(tǒng)汽車AMT的控制即為整車控制，如圖3所示，控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員對車輛的操縱(加速踏板、制動踏板、操縱手柄等)和車輛狀態(tài)(車速、檔位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等)選擇當(dāng)前(dngqin)行車需要的最佳檔位，如果需

10、要換檔或離合器操作，則借助相應(yīng)的自動操縱機構(gòu)對車輛的動力和傳動系統(tǒng)進行控制，因此，傳統(tǒng)汽車AMT控制主要指換檔策略和動力、傳動系統(tǒng)控制兩個方面的內(nèi)容區(qū)別于傳統(tǒng)汽車，由于混合動力汽車中電驅(qū)動系統(tǒng)的存在，AMT控制在這兩個方面的問題與傳統(tǒng)汽車有較大不同，混合動力汽車整車控制包括能量管理策略和能量管理策略的實現(xiàn)兩方面的內(nèi)容。 共四十四頁AMT應(yīng)用于混合動力(dngl)汽車能量管理策略混合(hnh)動力汽車的能量管理策略包括發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)矩分配策略以及變速系統(tǒng)的換檔策略兩方面內(nèi)容轉(zhuǎn)矩分配策略。共四十四頁AMT應(yīng)用(yngyng)于混合動力汽車混合動力汽車能量管理策略研究多集中于轉(zhuǎn)矩分配策略方面，轉(zhuǎn)矩

11、分配策略的目的是通過調(diào)整發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)矩提高車輛綜合效率。在一般的并聯(lián)式混合動力汽車中，發(fā)動機是主驅(qū)動裝置，電機是輔助驅(qū)動裝置。由于發(fā)動機工作效率較低，尤其在發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率較低時，其燃油經(jīng)濟性極差，為避免發(fā)動機工作在低效區(qū)，在滿足駕駛員轉(zhuǎn)矩需求的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)矩分配策略通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)矩使發(fā)動機工作在高效區(qū)或關(guān)閉發(fā)動機并由電機單獨驅(qū)動車輛。在發(fā)動機工作效率較高時，可以由發(fā)動機直接驅(qū)動車輛，此時(c sh)通過調(diào)整電機電動或發(fā)電的轉(zhuǎn)矩使發(fā)動機工作在高效區(qū)，電機發(fā)電生成的電能存儲在動力電池中以供電動時使用，為保證電池充放電時的效率，轉(zhuǎn)矩分配策略還要盡量維持電池的電量平衡。 共四十四頁AMT應(yīng)用(y

12、ngyng)于混合動力汽車換檔策略 在并聯(lián)式混合動力汽車中，發(fā)動機和電機布置在變速箱之前，主電機與變速箱輸入軸直接連接，發(fā)動機的動力通過離合器傳遞至變速傳動系統(tǒng)。變速箱檔位切換改變了發(fā)動機和電機的工況進而(jn r)影響車輛燃油經(jīng)濟性和排放性能指標(biāo)。因此，并聯(lián)式混合動力汽車的能量管理策略包括轉(zhuǎn)矩分配策略和換檔策略兩個方面。共四十四頁AMT應(yīng)用(yngyng)于混合動力汽車并聯(lián)式混合動力汽車有兩個動力源:汽油發(fā)動機和永磁同步電機，使用AMT作為(zuwi)動力藕合裝置和變速傳動系統(tǒng)，電機與變速箱輸入軸直接相連，發(fā)動機通過AMT系統(tǒng)中的離合器與主電機(即變速箱輸入軸)連接，混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2

13、-1所示 共四十四頁AMT應(yīng)用于混合動力(dngl)汽車圖4 并聯(lián)式混合(hnh)動力汽車動力傳動系統(tǒng)共四十四頁AMT應(yīng)用于混合(hnh)動力汽車在使用AMT作為變速(bin s)驅(qū)動單元的的混合動力汽車中，AMT不僅需要將發(fā)動機和電機的動力變速(bin s)變矩地傳遞至驅(qū)動輪(或?qū)④囕v的制動能量反向傳遞至電機進行能量回收)，還要完成混合動力系統(tǒng)的動力分配和轉(zhuǎn)矩藕合，AMT是實現(xiàn)能量管理策略的關(guān)鍵 共四十四頁AMT應(yīng)用于混合(hnh)動力汽車能量管理層根據(jù)駕駛員操作(加速踏板、制動踏板和手柄位置)和車輛運行狀態(tài)(車速、電池SOC、變速箱檔位等等)確定變速系統(tǒng)檔位、離合器狀態(tài)、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)

14、矩以及液壓制動轉(zhuǎn)矩，目的是改善車輛的動力性和燃油經(jīng)濟性。在使用AMT的PHEV中，能量管理策略主要包括發(fā)動機、電機的轉(zhuǎn)矩分配策略和換檔策略兩個方面的內(nèi)容。在能量管理策略的實現(xiàn)層，通過對發(fā)動機、電機、離合器和變速箱的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)能量管理策略。換檔和離合器動作由控制系統(tǒng)(kn zh x tn)直接控制，對發(fā)動機和電機的控制是通過將控制指令發(fā)送至發(fā)動機控制器EMS (Engine Management System)和電機控制器MCU (Motor Control Unit)，由EMS和MCU對發(fā)動機和電機進行直接控制。共四十四頁PHEV動力傳動(chundng)及其控制系統(tǒng) 圖 PHEV動力傳動

15、(chundng)及其控制系統(tǒng) 共四十四頁混合動力汽車(qch)動力總成結(jié)構(gòu)按動力傳動系結(jié)構(gòu)不同，混合動力汽車可分為(fn wi)串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種構(gòu)型，每種構(gòu)型又有一多種結(jié)構(gòu)方案 下而對這三種型式的部件組成、工作原理和各自的優(yōu)缺點進行簡要分析 共四十四頁1串聯(lián)混合動力(dngl)總成構(gòu)型串聯(lián)式HEV動力傳動系的結(jié)構(gòu)組成(z chn)如下圖所示。由發(fā)動機、發(fā)電機、電機、變速箱等構(gòu)成。共四十四頁1串聯(lián)混合(hnh)動力總成構(gòu)型該結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)布置靈活由于發(fā)動機與汽車驅(qū)動輪之間無機械連接，這樣便于進行整車布置。(2)發(fā)動機工作效率高可對發(fā)動機進行獨立控制，使發(fā)動機可穩(wěn)定于高效區(qū)或低排

16、放(pi fn)區(qū)附一近工作。同時，該結(jié)構(gòu)尤其適合于那類與驅(qū)動輪難于進行機械連接的高效發(fā)動機，如燃氣輪機、斯特林發(fā)動機等。(3)整車的控制簡單由于發(fā)動機獨立于行使工況，小存在發(fā)動機與電機之間的功率分配，因此整車的控制簡單。共四十四頁1串聯(lián)混合(hnh)動力總成構(gòu)型該結(jié)構(gòu)方式的缺點為:(1)系統(tǒng)綜合效率低由于發(fā)動機輸出的機械能由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，再由電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能用以驅(qū)動汽車，途經(jīng)兩次能量轉(zhuǎn)換，中間必然會伴隨著能量的損失，因此，系統(tǒng)綜合效率降低。(2)成本高對于混合動力客車，由于需要的電機功率(gngl)很高，這樣所需要的電池數(shù)量增加，帶來重量和成本增高。對于轎車而言，它的三個動力總成

17、(發(fā)動機、發(fā)電機、電動機)也會給系統(tǒng)總布置帶來困難。共四十四頁2 雙軸并聯(lián)(bnglin)混合動力總成構(gòu)型 雙軸并聯(lián)式混合動力(dngl)總成的結(jié)構(gòu)根據(jù)動力(dngl)合成裝置在變速箱的前與后可分為前置式(動力(dngl)合成裝置在變速箱前)雙軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)和后置式(動力(dngl)合成裝置在變速箱后)雙軸了并聯(lián)結(jié)構(gòu)分別如下圖和圖所示 共四十四頁前置式雙軸并聯(lián)式HEV動力(dngl)傳動系結(jié)構(gòu)圖 前置式雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動(chundng)系結(jié)構(gòu)簡圖共四十四頁后置式雙軸并聯(lián)式HEV動力(dngl)傳動系結(jié)構(gòu)圖 后置式雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動(chundng)系結(jié)構(gòu)簡圖共四十四頁雙軸并聯(lián)混合動力

18、(dngl)總成雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動系，發(fā)動機與電動機可以分別獨立地向汽車驅(qū)動輪提供動力，沒有串聯(lián)式HEV動力傳動系中的專用發(fā)電機，因此更象傳統(tǒng)的汽車動力傳動系，并具有了許多顯著的優(yōu)點: (1)由于發(fā)動機的機械能可直接輸出到汽車驅(qū)動橋，中間沒有能量的轉(zhuǎn)換，與串聯(lián)式布置相比，系統(tǒng)效率較高，燃油消耗也較少; (2)電動機同時又可作為(zuwi)發(fā)電機使用，系統(tǒng)僅有發(fā)動機和電動機兩個動力總成，整車質(zhì)量和成本大大減小。共四十四頁雙軸并聯(lián)混合(hnh)動力總成缺點:(1)由于發(fā)動機與車輛驅(qū)動輪間有直接的機械連接(linji)，發(fā)動機運行工況實時地受到汽車行駛工況的影響，因此對整車排放工作點的優(yōu)化小如

19、串聯(lián)形式好。(2)這種結(jié)構(gòu)，要維持發(fā)動機在最佳工作區(qū)工作，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和控制策略。對于雙軸并聯(lián)式混合動力汽車(PHEV，動力傳動系的主要元件之一為動力合成裝置。動力合成的實現(xiàn)方法可歸類為:轉(zhuǎn)速合成式、牽引力合成式和扭矩合成式三大類。共四十四頁轉(zhuǎn)速合成式PHEV動力(dngl)傳動系 共四十四頁轉(zhuǎn)速(zhun s)合成式PHEV動力傳動系 常用的轉(zhuǎn)速合成裝置有行星齒輪系和電動轉(zhuǎn)速計，它們構(gòu)成的動力傳動系結(jié)構(gòu)分別如圖2-5 ,圖2-6所示。轉(zhuǎn)速合成式PHEV動力傳動系中，兩個動力總成之間的轉(zhuǎn)速分配較為靈活，適用于那些對轉(zhuǎn)速變化敏感(mngn)而對扭矩變化小太敏感(mngn)的動力總成間的輸出

20、功率疊加。但由于兩動力總成的輸出扭矩存在著一定的比例關(guān)系(如式2-1)，要求發(fā)動機的工作特性調(diào)節(jié)必須與電動機的輸出特性相配合，增加了控制系統(tǒng)的難度。另外，轉(zhuǎn)速合成式裝置固有的輸出特性也限制了電動機低速大轉(zhuǎn)矩特性的利用，而低速大轉(zhuǎn)矩卻對車輛的起動十分有利。共四十四頁牽引力合成式PHEV動力(dngl)傳動系 圖2-7牽引力合成式PHEV動力(dngl)傳動系共四十四頁牽引力合成式PHEV動力(dngl)傳動系牽引力合成式PHEV動力傳動系的具體結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。發(fā)動機和電動機之間無任何機械連接，它們(t men)通過各自的傳動軸分別驅(qū)動車輛的前輪和后輪 共四十四頁牽引力合成式PHEV動力(dngl)傳動系該動力傳動系的一顯著優(yōu)點是:汽車的驅(qū)動力由兩個(lin )驅(qū)動軸承擔(dān)，因此作用于每一驅(qū)動軸上的驅(qū)動力小會超出其輪胎地而附一著極限，但由于電