混合动力汽车的传动系统

混合动力汽车动力传动系统的研究
姓名：邓忠伟
学号：0140209108 混合动力汽车与传统燃油汽车的最大差别是其动力传动系统，动力传动系统是混合动力汽车的核心部分，它主要由两大部分构成，即实现动力合成与分解功能的动力耦合系统和传递动力的传动系统两部分。

其机械系统包括：动力耦合系统、变速器、传动轴、主减速器、差速器和控制接合元件等。

不同混合动力汽车的传动系统的动力耦合方式和结构有很大差别。

混合动力汽车动力传动系统开发的核心是如何将不同动力源的输出动力进行合理、高效地合成与分解，以提高汽车的燃油经济性。

不同结构的动力传动系统导致混合动力汽车的使用要求和适用条件各不相同，开发的难度也相差很大，涉及多学科理论和技术。

可以说，动力传动系统的耦合方式和结构决定着混合动力汽车研究开发的重点和方向，关系到产品的开发水平，是开发混合动力汽车过程中非常关键的一步。

动力传动系统直接影响混合动力汽车动力合成与分解性能、再生制动性能、工作模式完善程度及切换的灵活性与平顺性和整车的控制策略等，对混合动力汽车动力性、燃油经济性、乘坐舒适性、驾驶方便性和行驶平顺性等多方面都有很大影响。

开展对混合动力汽车动力传动系统的研究、开发具有非常重要的理论意义和实用价值。

1动力耦合系统的研究
动力耦合系统是混合动力汽车动力传动系统中实现多个动力源输出转矩、转速合成与分解的装置，对于油-电混合动力汽车来说，就是实现发动机和电机的动力合成与分解。

根据动力传递路线的不同，可把混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式、牵引力合成式四种，其中串联式的结构最简单，并联式次之，混联式和牵引力合成式最复杂，后两种耦合方式是混合动力耦合系统未来的发展方向。

1.1动力耦合系统的功能
尽管不同耦合方式的混合动力汽车动力耦合系统的结构有很大差别，但它们有着共同的基本功能，总结有以下几项：
①动力耦合功能。

实现多个动力源的扭矩、转速及功率的合成及分解，形成驱动车辆的动力。

各动力源输出的动力不相互干涉，每个动力源可单独驱动车辆，也可共同驱动车辆；必要的时候还可以把单个动力源输出的动力进行分解，如行车发电模式就是把发动机的动力分解成两部分，一部分驱动车辆行驶，另一部分驱动电机为电池充电。

②再生制动功能。

再生制动功能是混合动力汽车非常重要的一种节能途径，在汽车减速/刹车时，利用汽车动能通过传动系统拖动电机转子在磁场中旋转产生电流，实现制动能量回收。

在再生制动的过程中动力耦合机构能够在保持驱动轮与电机转子的机械连接的同时断开其与发动机的连接，以提高制动能量回收量。

③工作模式切换功能。

混合动力汽车具有多种工作模式，要求车辆在不同的行驶工况下采用动力性和经济性最佳的工作模式。

动力耦合系统要能够实现不同工作模式之间平顺无冲击的切换。

④其他辅助功能。

动力耦合系统还应具有在起步时利用电机低速、大扭矩特性
的功能；利用电机直接进行倒车，实现车辆变速器倒挡功能，省去变速器倒档机构，简化变速器机构；具有依靠发动机反拖的再生制动功能，以及实现其他复杂的动力传递和组合要求的功能。

1.2 动力耦合系统的分类
混合动力汽车动力耦合系统对动力源的动力耦合主要有以下四种方式：
①扭矩耦合式。

动力源输出的转速成一定的比例关系，扭矩彼此独立，动力耦合系统输出的扭矩为各动力源输出扭矩的线性和。

动力合成关系式为：
T0=αT i1+βT i2;ω0=jωi1=kωi2(1.1) 式中：T0, ω0分别为输出转矩和转速；T i1, T i2，ωi1, ωi2分别为输入转矩和转速；α, β，j, k为常数，由耦合系统决定。

目前国内外汽车企业开发的扭矩耦合式耦合系统主要有三类：a.磁场耦合式，如图 1.1 所示，电机转子和发动机曲轴在同一轴线上，通过对电机励磁控制实现电机和发动机的扭矩耦合，长安汽车公司的起动/发电一体化电机系统(Integrated Started Generator，ISG)和本田公司的集成电机助力系统(Integrated Motor Assist，IMA)采用的就是这种耦合方式。

b.齿轮耦合式，如图1.2所示，将发动机和电机通过一对啮合齿轮实现耦合，一汽和二汽开发的混合动力城市客车均采用这种结构。

c.链或带耦合式，如图1.3所示，通过链条或皮带将动力源输出的动力进行合成，这种耦合方式结构简单，适用于微混合型混合动力汽车，一汽奔腾、奇瑞混合动力轿车采用的BSG方案就是这种耦合方式。

图1.1 磁场耦合式动力耦合系统
图1.2 齿轮耦合式动力耦合系统
图1.3 链或带耦合式动力耦合系统
②转速耦合式。

这种耦合方式的动力源输出的扭矩成一定的比例关系，转速相互独立，动力耦合系统输出的转速为各个动力源转速的线性和。

其动力合成关系式为：
T0=αT i1=βT i2;ω0=jωi1+kωi2(1.2) 转速耦合式耦合系统一般采用具有多个自由度的行星齿轮机构设计的，通过控制离合器和制动器的分离与接合来实现动力源的动力合成与分解，如图1.4所示为华沙工业大学和北京理工大学共同开发的行星齿轮机构动力耦合系统。

图1.4 转速耦合式动力耦合系统
③混合耦合式。

混合耦合式是同时采用扭矩耦合和转速耦合的动力耦合系统。

丰田的Prius、Lexus RX400h采用的就是混合耦合式。

图1.5所示为Lexus RX400h 的动力耦合系统，发动机和电机MG2通过右边的行星机构进行转速耦合，转速耦合之后再与电机MG1进行扭矩耦合。

通过速度合成实现电机MG2对发动机的速度调节，使发动机转速跟车速独立开来，实现E-CVT功能。

混合耦合方式汇集了前两种耦合方式的优点，通过灵活控制，可大大提高节能减排空间。

图1.5 Lexus RX400h混合耦合式动力耦合系统
④牵引力耦合式。

这种耦合方式是指发动机和电机分别独立地驱动前后车轮，用在四驱混合动力汽车上。

该耦合方式通过前后车轮的牵引力进行动力的合成，前后轴具有很好的驱动独力性。

如图1.6所示为长丰公司开发的一款越野车的牵引力耦合式耦合系统。

图1.6 长丰牵引了耦合式动力耦合系统
1.3 动力耦合系统的发展趋势
由以上分析可知，扭矩耦合式动力耦合系统结构简单，便于控制，开发成本低，但其能实现的工作模式少，仅能满足基本功能要求，具有很大的局限性，对汽车燃油经济性的提高有限。

单纯的转速耦合式耦合系统具有“变速不变矩”的缺点，而且速比变化范围比较小，降低了汽车的动力性，只适合于载荷及其变化均不大的轻微型混合动力汽车。

混合耦合式动力耦合系统兼备了扭矩耦合式和转速耦合式的优点，避免了它们的不足，兼具速度合成和扭矩叠加功能，通过合理控制，可实现多种工作模式及模式间的灵活切换等更完备的功能，是混合动力汽车动力耦合系统的发展趋势。

国外一些大型的汽车公司对混合动力汽车的研发起步较早，具有丰富的开发经验和先进的控制技术。

目前他们最新推出的混合动力汽车的动力耦合系统主要采用的是混合耦合方式，以及综合运用混合耦合式和牵引力混合式。

国内一些汽车公司也已开始着手开发功能完备的动力耦合系统。

混合动力汽车的动力耦合系统正在向功能更加完备、控制更为先进的方向发展。

2 混合动力传动系统的研究现状
2.1 几种典型的混合动力传动系统
混合动力传动系统被认为是近期内解决汽车节能与环保问题的有效途径之一。

目前，随着世界各大汽车公司和相关科研单位纷纷致力于混合动力汽车的研发，特别是致力于作为混合动力汽车核心部分的混合动力传动系统的研发，各种各样的混合动力传动系统陆续出现。

其中最为典型的有以下几种：
①ISG 型混合动力传动系统
ISG型混合动力传动系统是目前世界汽车厂商开发混合动力汽车过程中运用较多的传动方案，如长安、吉利、奇瑞、长城、大众、标致-雪铁龙、本田、大陆、伊顿、三菱、依维柯等企业都开发了这种方案的混合动力汽车。

这种传动方案将发动机曲轴直接或通过一个离合器与电机转子同轴相连，然后电机转子与变速器输入轴直接或通过一个离合器相连。

如图2.1为长安羚羊轻度混合动力汽车传动系统，图2.2为大陆集团开发的双离合器ISG型混合动力传动系统。

对于轻度的ISG型混合动力汽车，电机主要起到怠速启停、加速助力和再生制动功能，不能单独驱动汽车。

重度的ISG型混合动力汽车具有纯电动驱动模式，发动机和电机之间通过离合器连接，以避免在再生制动、纯电动驱动或倒车时受到发动机影响，减少不必要的能量损失。

图2.1长安羚羊ISG型轻度混合动力传动系统
图2.2大陆双离合器ISG型混合动力传动系统
在变速器方面，长安最先采用手动的机械变速器(Manual Transmission, MT)开发了羚羊混合动力轿车，后来使用电控机械自动变速器(Automatic Mechanical Transmission, AMT)和金属带式无级变速器(CVT)在相关车型上进行了研发实践；长城嘉誉Plug-in、奇瑞A5 ISG混合动力汽车均采用5挡手动机械变速器；大众
途安采用了双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission, DCT)；标志-雪铁龙、伊顿、三菱公司均选用了AMT；本田公司在Insight和Civic上先后采用了AMT 和CVT；大陆选用液力机械自动变速器(Automatic Transmission, A T)进行了研发实践。

②BSG双电机型混合动力传动系统
BSG(Belt-Driven Starter Generator)双电机型混合动力传动系统的发动机曲轴通过链或带耦合方式与一个小功率电机扭矩耦合连接，同时发动机曲轴输出端通过磁场耦合方式与一个大功率的电机扭矩耦合连接。

一汽、二汽、长安、奇瑞、日产、标志-雪铁龙等汽车公司均采用过这种方案。

如图2.3所示为奇瑞A5 BSG 型混合动力传动系统，图2.4为日产Tino混合动力汽车传动系统。

与ISG型传动系统相比，其两电机工作相互独立，小功率电机分担了主电机的一部分功能，即怠速启停功能。

主电机承担汽车不同行驶工况下的纯电动、电机助力、制动能量回收和吸收发动机盈余功率等功能。

图2.3奇瑞A5 BSG型混合动力传动系统
图2.4日产Tino混合动力汽车传动系统
在变速器方面，一汽、二汽、奇瑞、标致-雪铁龙等汽车公司采用AMT，日产的Tino采用CVT，长安汽车公司也开发了装用CVT的混合动力样车。

另外，与BSG双电机型混合动力传动系统类似的一种基于DCT的混合动力传动系统，如图2.5 所示，其结构与BSG双电机型混合动力传动系统很相似。

小功率电机MG1为怠速启停电机，其转子与发动机输出轴通过一对齿轮相啮合，主电机MG2与三套离合器C1、C2、C3的主动片固定连接，可通过离合器C2、C1分别与奇、
偶数档的输入轴传动连接，实现1、2、3、4 档和倒档的纯电动和再生制动功能及其它混合动力汽车所具有的电机助力、吸收发动机盈余功率等功能。

图2.5基于DCT的混合动力传动系统
③丰田THS混合动力传动系统
丰田THS(Toyota Hybrid System)是世界上第一个商业化量产的混合动力传动系统，已在丰田多款混合动力汽车上装备。

目前THS系统已发展到第三代，前两代THS系统采用单级行星齿轮机构，外加一个链传动和两级齿轮传动的减速系统，如图2.6所示。

第三代THS系统如图2.7所示，采用了两个同轴的行星齿轮机构和两个齿轮减速系统，用右边的行星机构取代了原结构中的传动链和中间齿轮轴，结构更紧凑，并提高了输出扭矩。

图2.6第一代/第二代THS传动系统
图2.7第三代THS传动系统
THS传动系统同时具有扭矩耦合和转速耦合两种耦合方式，针对不同的汽车行驶工况采用相应的工作模式，通过控制能量流动路径，获得较好的燃油经济性，其控制策略为：
1) 起步或小负荷工况时，若电池电量充足，采用纯电动驱动；若电池SOC过低，由发电机带动发动机曲轴至启动转速后，打开节气门由发动机驱动，同时带动发电机为电池充电。

2) 中等负荷工况时，采用发动机单独驱动，根据行驶工况需要，发电机处于静止或发电状态，电动机处在空转或电动状态。

有以下几种情况：仅发动机通过行星机构直接驱动车轮；发动机的一部分动力直接驱动车轮，另一部分通过发电机给蓄电池充电；发动机的一部分动力直接驱动车轮，另一部分经发电机后直接通过能量控制单元输送给电动机，再由电动机驱动车轮；发动机的一部分动力直接驱动车轮，另一部分又分为两部分，即将一部分能量输送给电动机的同时，将多余的能量为蓄电池充电。

3) 大负荷或加速工况时，发动机和电动机共同驱动。

4) 减速、制动时，电动机作为发电机工作，回收制动能量。

5) 怠速停车时，关闭发动机油门，避免不必要的燃油消耗。

6) 汽车行驶过程中，如果SOC过低，强制发动机工作，利用发动机盈余功率发电，避免蓄电池处于过放状态；SOC过高时，强制发动机停止工作，由电动机驱动，避免蓄电池处于过充状态。

THS传动系统中的行星齿轮机构使发动机的运行工况调节变得非常灵活，对其燃油经济性的提高有良好效果。

但THS系统也有本身的缺点：
1) 存在发动机、发电机、蓄电池、电动机之间频繁传递能量的现象，沿袭了串联混合动力传动系统发动机热能—机械能—电能—机械能的多次能量转化的缺点，能量损失较大。

2) 工作过程中传动系统一直处于两自由度状态，决定了发动机单独驱动时需要发电机提供与之平衡的扭矩才能保证动力向外输出，势必增加能耗，影响发电机使用寿命。

3) 因电动机也可处在发电状态，某些情况下可能产生循环功率流。

另外，丰田公司推出的THS-C混合动力传动系统也颇具代表性。

THS-C已先后配置在Estima和Alphard两款车上。

如图 2.8为Estima混合动力传动系统布置图，图2.9 所示为THS-C结构方案图。

这两款车均为四驱混合动力汽车，前轮采用96kw的发动机与13kw的永磁同步电机通过双级行星齿轮机构耦合驱动，并集CVT于一体。

后轮采用18kw 的交流同步电机驱动，此电机与主减速器集于一体，还有一个专门起动发动机的3.5kw电机。

当前轮地面附着力不足将滑转时，发动机将一部分动力经过CVT 变速后驱动前轮，将另一部分通过行星机构带动前电机发电，然后通过能量控制单元将产生的电量供给后电机驱动后轮，实现发动机动力的分解，充分地利用了四个轮子的地面附着力。

再生制动时，前后电机均可参与制动能量的回收。

图2.8 Estima混合动力汽车传动系统
图2.9 THS-C机构方案图
④通用Two-mode 混合动力传动系统
雪佛兰Tahoe混合动力汽车装备了Two-mode混合动力传动系统，在双模式下工作的发动机保持恒速稳定运行，燃油效率可提高25%，如图2.10所示为Two-mode混合动力传动系统的典型设计方案图。

图2.10 Two-mode混合动力传动系统
Two-mode混合动力传动系统运行模式分析：
1) 运行模式1：离合器C1和B接合，离合器C2分离，此模式分为两个阶段。

车速uα≤25km/h时，MG1作为发电机工作，MG2作为电动机工作；当车速uα= (25~34) km/h时，MG1和MG2均作为电动机工作，此阶段过程中随着车速的增加MG1转速可从500r/min降到−750r/min，则在这个过程中MG1出现一个速度为零的点，此处传动系统效率高。

2) 运行模式2：离合器C1、C2接合，离合器B分离，此模式可分为三个阶段。

车速uα= (34~40) km/h时，MG1作为发电机工作，MG2作为电动机工作；当车速uα= (40~55) km/h时，MG1和MG2均作为电动机工作，此阶段过程中随着车速的增加MG1转速可从−500r/min逐渐升到1000r/min，同样在此过程中MG1
又出现一个速度为零的点；当车速uα≥55km/h时，MG1作为电动机工作，MG2 作为发电机工作，当车速uα在100 km/h左右时，MG2转速为零，此处传动系统效率高。

由上述分析可知，Two-mode混合动力传动系统在其两种运行模式的每个阶段均始终处于两自由度状态，两电机的工作状态随着行驶车速的变化而变化，同时存在转速耦合和扭矩耦合，在保证提供足够大的驱动力的同时，更大范围调节发动机运行区域，并且传动系统存在三个电机转速为零的状态，传动系统在此状态运行时效率很高。

但该传动系统采用三个行星排、三个离合器和两个大功率电机，结构复杂，同时需要更为先进的控制系统。

与THS传动系统一样存在发动机热能—机械能—电能—机械能的多次能量转化现象，能量损失较大。

2.2 混合动力传动系统开发趋势
混合动力传动系统方案多种多样，它们各有特点，各有优势，也相应适合不同类型的混合动力汽车。

随着混合动力汽车技术的不断成熟，简单的扭矩耦合式和速度耦合式已不能满足发展趋势要求，功能相对完备的混合性耦合方式能较好地将传统燃油汽车和电动汽车的优点结合起来，逐渐被很多汽车企业和科研单位列为开发重点，特别是采用行星齿轮机构的动力耦合系统。

行星齿轮机构结构紧凑、载荷分布均匀、噪声小，而且兼有变速和动力合成的功能，在混合动力汽车动力传动系统的开发中将备受亲睐。

在变速器方面，目前，机械变速器(MT)、电控机械自动变速器(AMT)、液力机械自动变速器(A T)、双离合器自动变速器(DCT)和无级变速器(CVT)在混合动力汽车上都有应用和尝试，其中使用最多的是AMT，CVT 正逐渐被越来越多的汽车企业重视。

本田公司1999年推出Insight混合动力轿车，2001年对Insight选装CVT，2006年以1加仑汽油跑66
英里的成绩位居第一之后将CVT作为Insight的标准变速器。

日产于2000年初推出的一款CVT混合动力轿车Tino，油耗达到4.3L/100 km，与相同级别轿车相比，在城市工况的燃油消耗量降低了50%，CO2排放降低了50%。

比利时的Punch 公司开发了以VT2型金属带式CVT为变速器的混合动力总成。

此外，马来西亚的Proton公司推出的Gen.2 EVE混合动力跑车，韩国现代公司推出Kai Rio混合动力轿车也都选择CVT作为变速装置。

随着对混合动力汽车的传动系统进行针对性开发的不断深入，结构紧凑、控制方便、工作模式齐全、集动力耦合与变速于一体的专用混合动力传动系统将越来越多。

如丰田公司开发的THS-C传动系统、通用Two-mode传动系统就是典型的例子。