混合动力汽车动力传动及其控制系统-详细课件

AMT应用于混合动力汽车
• 能量管理策略 • 混合动力汽车的能量管理策略包括发动机 和电机的转矩分配策略以及变速系统的换 档策略两方面内容转矩分配策略。
AMT应用于混合动力汽车
• 混合动力汽车能量管理策略研究多集中于转矩分配策略方 面，转矩分配策略的目的是通过调整发动机和电机的转矩 提高车辆综合效率。在一般的并联式混合动力汽车中，发 动机是主驱动装置，电机是辅助驱动装置。由于发动机工 作效率较低，尤其在发动机转速和负荷率较低时，其燃油 经济性极差，为避免发动机工作在低效区，在满足驾驶员 转矩需求的基础上，转矩分配策略通过调整电机转矩使发 动机工作在高效区或关闭发动机并由电机单独驱动车辆。 在发动机工作效率较高时，可以由发动机直接驱动车辆， 此时通过调整电机电动或发电的转矩使发动机工作在高效 区，电机发电生成的电能存储在动力电池中以供电动时使 用，为保证电池充放电时的效率，转矩分配策略还要尽量 维持电池的电量平衡。
液力自动变速器（AT)
• AT，在汽车上应用的历史已有60多年，是 现在传统汽车中应用范围最广的自动变速 系统，图1所示为宝马7型的6速自动变速器。
液力自动变速器（AT)
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图1 宝马6速自动变速器
液力自动变速器（AT)
• 液力自动变速器由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统 组成，液力变扭器是AT最关键的部件，由泵轮、涡轮和 导轮等构件组成，它除了起离合器的作用外，还具有在一 定范围内无级变速和变矩的能力，对负载有良好的自动调 节和适应性。因此，液力自动变速器换档平稳，操作容易， 但其缺点也较多:一是对速度变化反应较慢，没有手动变 速器灵敏，无法满足对驾驶感觉要求较高的人的需求:二 是费油不经济，传动效率低变矩范围有限，近年引入电子 控制技术一定程度上改善了这方面的问题;三是机构复杂， 设计、制造和维护困难。 • 由于AT的燃油经济性较差，而且结构复杂不容易进行结 构改变，应用于混合动力汽车时不仅影响整车燃油经济性， 而且还受到其过长的开发周期和过高的开发、使用成本的 影响。
AMT应用于混合动力汽车
• 在使用AMT作为变速驱动单元的的混合动 力汽车中，AMT不仅需要将发动机和电机 的动力变速变矩地传递至驱动轮(或将车辆 的制动能量反向传递至电机进行能量回收)， 还要完成混合动力系统的动力分配和转矩 藕合，AMT是实现能量管理策略的关键
AMT应用于混合动力汽车
• 能量管理层根据驾驶员操作(加速踏板、制动踏板和手柄 位置)和车辆运行状态(车速、电池SOC、变速箱档位等等) 确定变速系统档位、离合器状态、发动机转矩、电机转矩 以及液压制动转矩，目的是改善车辆的动力性和燃油经济 性。在使用AMT的PHEV中，能量管理策略主要包括发动 机、电机的转矩分配策略和换档策略两个方面的内容。 • 在能量管理策略的实现层，通过对发动机、电机、离合器 和变速箱的协调控制来实现能量管理策略。换档和离合器 动作由控制系统直接控制，对发动机和电机的控制是通过 将控制指令发送至发动机控制器EMS (Engine Management System)和电机控制器MCU (Motor Control Unit)，由EMS和MCU对发动机和电机进行直接控制。
• 传统汽车AMT的控制即为整车控制，如图3所示， 控制系统根据驾驶员对车辆的操纵(加速踏板、制 动踏板、操纵手柄等)和车辆状态(车速、档位、 发动机转速等)选择当前行车需要的最佳档位，如 果需要换档或离合器操作，则借助相应的自动操 纵机构对车辆的动力和传动系统进行控制，因此， 传统汽车AMT控制主要指换档策略和动力、传动 系统控制两个方面的内容区别于传统汽车，由于 混合动力汽车中电驱动系统的存在，AMT控制在 这两个方面的问题与传统汽车有较大不同，混合 动力汽车整车控制包括能量管理策略和能量管理 策略的实现两方面的内容。
AMT应用于混合动力汽车
• 并联式混合动力汽车有两个动力源:汽油发 动机和永磁同步电机，使用AMT作为动力 藕合装置和变速传动系统，电机与变速箱 输入轴直接相连，发动机通过AMT系统中 的离合器与主电机(即变速箱输入轴)连接， 混合动力系统的结构如图2-1所示
AMT应用于混合动力汽车
• 图4 并联式混合动力汽车动力传动系统
双轴并联混合动力总成
• 缺点: • (1)由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接， 发动机运行工况实时地受到汽车行驶工况的影响， 因此对整车排放工作点的优化小如串联形式好。 • (2)这种结构，要维持发动机在最佳工作区工作， 需要复杂的控制系统和控制策略。对于双轴并联 式混合动力汽车(PHEV，动力传动系的主要元件 之一为动力合成装置。动力合成的实现方法可归 类为:转速合成式、牵引力合成式和扭矩合成式三 大类。
1串联混合动力总成构型
• 该结构方式的优点： • (1)结构布置灵活 • 由于发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，这样便于进行 整车布置。 • (2)发动机工作效率高 • 可对发动机进行独立控制，使发动机可稳定于高效区或低 排放区附一近工作。同时，该结构尤其适合于那类与驱动 轮难于进行机械连接的高效发动机，如燃气轮机、斯特林 发动机等。 • (3)整车的控制简单 • 由于发动机独立于行使工况，小存在发动机与电机之间的 功率分配，因此整车的控制简单。
PHEV动力传动及其控制系统
•Baidu Nhomakorabea
图 PHEV动力传动及其控制系统
混合动力汽车动力总成结构
• 按动力传动系结构不同，混合动力汽车可 分为串联、并联和混联三种构型，每种构 型又有一多种结构方案 • 下而对这三种型式的部件组成、工作原理 和各自的优缺点进行简要分析
1串联混合动力总成构型
• 串联式HEV动力传动系的结构组成如下图 所示。由发动机、发电机、电机、变速箱 等构成。
1串联混合动力总成构型
• 该结构方式的缺点为: • (1)系统综合效率低 • 由于发动机输出的机械能由发电机转化为电能， 再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车， 途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损 失，因此，系统综合效率降低。 • (2)成本高 • 对于混合动力客车，由于需要的电机功率很高， 这样所需要的电池数量增加，带来重量和成本增 高。对于轿车而言，它的三个动力总成(发动机、 发电机、电动机)也会给系统总布置带来困难。
2 双轴并联混合动力总成构型
• 双轴并联式混合动力总成的结构根据动力 合成装置在变速箱的前与后可分为前置式 (动力合成装置在变速箱前)双轴并联结构和 后置式(动力合成装置在变速箱后)双轴了并 联结构分别如下图和图所示
前置式双轴并联式HEV动力传动系结 构
• 图 前置式双轴并联式HEV动力传动系结构简图
传统汽车AMT基本控制原理
• 图3
传统汽车AMT基本控制原理
AMT应用于混合动力汽车
• 使用AMT作为混合动力汽车的动力藕合和 变速传动装置比较适合我国的国情。由于 混合动力汽车的动力源与传统汽车不同， AMT应用于混合动力汽车时，其功能和控 制也与传统汽车情况有很大的不同。
AMT应用于混合动力汽车
AMT应用于混合动力汽车
• 换档策略 • 在并联式混合动力汽车中，发动机和电机布置在 变速箱之前，主电机与变速箱输入轴直接连接， 发动机的动力通过离合器传递至变速传动系统。 • 变速箱档位切换改变了发动机和电机的工况进而 影响车辆燃油经济性和排放性能指标。因此，并 联式混合动力汽车的能量管理策略包括转矩分配 策略和换档策略两个方面。
各种变速系统的比较
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各种变速系统的比较
各种变速系统的比较
• 在混合动力汽车中，由于对燃油经济性以 及成本、开发周期等方面的要求较高，AT 不适合于在混合动力汽车上使用。由于世 界各大汽车公司的参与，CVT的各项技术 不断走向成熟，国外众多汽车厂商都致力 于CVT的推广应用，由于其燃油经济性较 好，因此在混合动力轿车中得到了较好的 应用。但是由于CVT应用于较大型的车辆 时还存在一些问题，因此许多混合动力汽 车中采用AMT作为变速机构。
混合动力汽车自动变速系统
• 按照实现自动变速的原理，自动变速器可 分为三类:一类是液力变矩器和行星齿轮变 速箱组成的液力自动变速器(Automatic Transmission简称AT);一类是无级变速器 (Continuously Variable Transmission，简 称CVT);另一类是由传统固定轴式变速箱和 干式离合器以及相应的电液控制系统组成 的机械式自动变速器(Automatic Mechanical Transmission,简称AMT)
后置式双轴并联式HEV动力传动系结构
• 图 后置式双轴并联式HEV动力传动系结构简图
双轴并联混合动力总成
• 双轴并联式HEV动力传动系，发动机与电动机可 以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联 式HEV动力传动系中的专用发电机，因此更象传 统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点: • (1)由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥， 中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统 效率较高，燃油消耗也较少; • (2)电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发 动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大 大减小。
混合动力汽车自动变速系统及其控制 系统
混合动力汽车自动变速系统
• 与传统内燃机汽车类似，由于发动机和电 机的转速工作范围与车速范围不一致，需 要将混合动力汽车动力源的动力变速变矩 地传递至驱动车轮，同时混合动力汽车变 速传动系统还要完成发动机和电机动力的 分配和藕合。
混合动力汽车自动变速系统
• 混合动力汽车可以选用专门针对混合动力 系统设计的变速传动系统，也可是使用传 统变速系统实现所要功能。现在常见的混 合动力轿车有:Prius ( Toyota ) ,Estima ( Toyota ) , Tino ( Nissan ) , Civic ( Honda)和Insight (Honda)，其选用的变速 传动系统如表1所示。
无级变速器(CVI)
• 图2无级变速器结构图
机械式自动变速器(AMT)
• 传统手动变速器是通过驾驶员控制离合器、变速箱来接合 发动机动力和改变传动系统档位，通过在手动变速器基础 上加装换档、离合器执行机构和相应的自动控制单元实现 上述的自动控制即为机械式自动变速器。 • 国外对AMT的研究和开发始于二十世纪七十年代中期，较 为典型的有瑞典Scandia的CAG系统、德国Daimler Benz 的EPS系统、美国Eaton的SAMT系统，这些系统使换档 操纵实现了自动化，换档时仍由驾驶员踩离合器踏板来配 合换档。世界上第一台全自动的电控机械式自动变速器是 日本五十铃公司在1984年推出的NAVI-5，不久德国波尔 舍的C arrera轿车也装用Tip Tropic，同时期出现的还有: 日本Nissan, Hino及美国Eaton的全自动变速系统。
混合动力汽车自动变速系统
• 表1 混合动力汽车使用的变速传动系统
混合动力汽车自动变速系统
• 除Prius和Estima外，混合动力轿车多采用CVT， 而Toyota采用的THS ( Toyota Hybrid System )是 一种区别于传统变速系统的行星齿轮结构，其通 过协调发动机、发电机和电动机的转速，实现动 力分配和无级变速的双重功能。 • 由于受开发周期、开发成本和技术水平的限制以 及自主知识产权方面的要求，我国混合动力汽车 开发多选择传统汽车所使用的变速系统。
无级变速器(CVI)
• CVT技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车 上来用CVT技术的鼻祖，早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该 公司生产的汽油机汽车上，但由于橡胶带式CVI存在一系列的缺陷， 没有被汽车行业普遍接受随着新技术逐步克服原有技术的缺陷，研制 出了性能更优良的CVT。进入20世纪90年代，汽车界对CVT技术的研 究开发日益重视，特别是在微型车中，CVT被认为是关键技术。 • CVT的结构和工作原理如图2所示，主要包括主动轮组、从动轮组、 金属带和液压泵等基本部件。CVI结构简单、体积小，既没有手动变 速器的众多齿轮组，也没有AT中复杂的液力变矩器和行星齿轮组。理 论上CVT可使发动机始终在经济工况区运行从而较大幅度地改善车辆 燃油经济性，但由于CVT是摩擦传动，传动效率较低，且传动带很容 易损坏，不能承受较大的载荷，因此其只能用于在低功率和低转矩汽 车，随着技术的不断进步，现在CVT已经开始在中等排量的汽车中得 到应用。