EVT混合动力汽车构型分析报告

一．研究背景和发展进程

石油资源短缺与环境恶化问题成为传统汽车的发展瓶颈，为了解决这种问题，近年来将节能技术应用在汽车上成为研究的热点。除了对发动机本身进行节能的研究外，

各汽车企业也开始致力于对新能源汽车的开发。于是，各样的新能源汽车应运而生，特别是混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）出现。HEV 是指拥有两种不同动力源的汽车，汽车在不同行驶工况下使这两种动力源分别单独驱动或者联合驱动整车。两种动力源的组合主要是，电能和燃油或者天然气和燃油的组合。作为由传统车

向纯电动过渡的中间车型，油电混合动力汽车利用电能的低成本和无污染的优势来减少燃油消耗和尾气排放，从而实现节油和环保的目的。并且这种车型还可以制动能量回收，将车辆减速或制动时的机械能转变为电能存储在电池中。

90 年代以来，混合动力汽车（HEV）的开发在许多发达国家（美、欧、日等）中受到高度重视，并取得了重大的进展。1997 年丰田公司推出Prius 并在市场上热销，目前Prius 也成为比较成功且已经产业化的混合动力汽车。Prius 采用的是行星齿轮机构结合双电机所构成的动力总成系统。这种混合动力系统也称为功率分流式混合动力系统。

Prius 这套动力总成系统构型特点决定了发动机工作点控制自由整车控制技术[6]，使Prius 燃油量最大节省50%，达到超低排放水平。第三代Prius 的混合动力系统是由双行星排加两个电机所构成

的，这种构型通过后排的减速增扭使汽车动力性能得到大幅度提升。通用公司的双模技术也是比较成功的功率分流式混合动力系统，相比于丰田公司的单模系统，双模系统可以匹配较小的电机并在系统效率上具有优势。

这两种系列的功率分流式混合动力系统各有千秋，并将功率分流式HEV 的技术研究推向世界前沿。

依据动力源的能量耦合方式，可将混合动力汽车分为三类：串联混合汽车、并联混合动力汽车和混联混合动力汽车。

串联混合动力汽车

串联式混合动力汽车的结构图如图1.1 所示。串联式混合动力汽车的结构简单，混合动力系统由发动机、发电机和电动机和蓄电池构成。车辆行驶过程中，发电机将发动机的机械功率转化为电功率；电动机将一部分电功率转化为机械功率驱动车轮转动，而另一部分的电功率则储存到蓄电池之中。当发动机不工作时，可由电驱动系统驱动整车。

并联混合动力汽车

并联混合动力汽车的结构也较为简单，动力总成包括发动机、电动机和发电机和动力电池等，其混合动力系统结构如图1.2 所示。由图

1.2 可知，发动机与电机独立输出动力，通过同轴输出达到转矩耦合的效果，因此，混合动力系统驱动整车时可以选择发动机单独驱动或者发动机电动机联合驱动的工作模式。[1]

由以上分析可以看出，并联式混合动力汽车的动力性能较好，但发动机常于非高效区工作。

混联混合动力汽车

混联混合动力汽车主要有开关式混联混合动力汽车和功率分流式混合动力汽车两大类[11]。其中功率分流式混合动力汽车应用更为广泛并且在发动机工作点控制更为灵活。图 1.3

所示为一种功率分流式混合动力汽车的构型图。功率分流式混合动力系统主要由行星齿轮机构并结合两个电机组成。根据其构型特点，功率分流式混合动力系统可实现发动机工作点与车轮的完全解耦，并通过其中一个电机的调速作用和另一个电机的转矩补偿使发动机稳定工作于高效率区间。混联式的构型分为两种形式，开关式和功率分流式。其中功率分流式构型应用较多，可通过行星机构将发动机的功率进行任意比例分流，一部分通过机械路径输出，另一部分通过电路径输出。构型能将发动机和输出轴的转速转矩解耦，实现无极变速，因此也将这套装置称为电子无极变速器，简称EVT[2]。结构简图如图1.3 所示，该构型的系统效率高，结构紧凑。但有控制方法繁琐，制造工艺要求高等缺点。

目前丰田Prius[3]，通用Volt[4]，凯迪拉克凯雷德[5]等车型都采用了功率分流式EVT构型。其中功率分流式构型能够实现无极变速，这样能更大程度上的降低发动机的燃油消耗和有害气体的排放。这使得此类构型在混合动力汽车构型中占据着巨大的优势，使用功率分流

构型的Prius 也成为了最为畅销的混合动力车型。

国内对功率分流式混合动力汽车（power-split HEV）的研究起步比较晚，至今还没有成为体系。目前，主要集中于一些高校对功率分流式混合动力系统的研究，例如北京理工，清华大学，吉林大学等。另外，国内的各大汽车企业也纷纷致力于研究功率分流式混合动力系统。

2011 年，中汽研在“2011 中国汽车产业发展（泰达）国际论坛”发布了其自行研发的混合动力总成CHS。中汽研公司历经8 年研制出用于深度混联混合动力汽车的双行星排混合动力总成产品。目前，该系列产品主要用于大客车和SUV 的混合动力车型。

国外研究现状

国外对power-split HEV 的研究集中在单模功率分流式混合动力系统和双模功率分流式混合动力系统上。单模混合动力系统主要以丰田Prius 系列为主导构型，双模系统主要以通用双模系统为主导构型。

Toyota

公司的第一代Prius 汽车和第二代Prius 汽车采用的动力系统（THS 系统）将单行星排作为功率分配装置，如图1.4 所示，

其采用的是输入分配式构型为原形的单模混合动力2005 年已经推出第三代2006 款的Prius。其动力系统（THSⅡ）在THS 系统的基

础上增加第二排行星排，第二个行星排起到对主电机的减速增扭作用，从而可以采用较小的主电机或者另一方面提高动力系统的动力性，其构型图1.5 所示。

在2011 法兰克福车展上正式亮相的丰田Plug-inPrius 沿用了第三代Prius 的动力系统[6]。另外，该动力系统已经应用于Lexus RX400h 和Toyota Highlander 混合动力汽车中系统。如图1.6 所示为Lexus GS450h 采用的动力系统构型，