混合动力汽车耦合技术

3 牵引力耦合式
• 牵引力耦合式
这种耦合方式比较特殊,发动机驱动汽车前轮(后轮),电机 驱动后轮(前轮),通过前后车轮驱动力将多个动力源输出动 力合成在一起。 动力合成规律为，
式中:F为整车驱动力;F1为发动机最终作用在前轮上的驱 动力, n1为从发动机到前轮的传动效 率;i1为从发动机到前轮的传动比;F2为电机最终作用在后轮 上的驱动力,F2=η2i2T2/r;η2′为从电机到后轮的传动效 率;i2为从电机到后轮的传动比。
混合耦合式
• 日本丰田汽车公司开 发的Pruis HEV混合驱 动结构 • 福特汽车公司的Escape
混合耦合方式将几种耦合方式相结合,可方便地实现多模式驱动, 还可实现三动力源输出或更多动力源输出的耦合;能量回馈容易,动 力混合度高。但混合耦合方式的结构复杂,驱动控制相对麻烦。
各种动力耦合方式的比较及 HEV 传动系 统的研制方向与趋势
混合动力汽车的构型分析
混合动力汽车构型分析
车载能源
能量存储 油箱 油箱 动力电池 组 动力电池 组
能量调节和转化
动力生成装 置
动力传动系
特性场转化装置 传动系统
驱动轮
前轴 后轴
发动机 发动机-电动/发电机 1 电动/发电 机2 电动/发电 机1 电动/发电 机2
传动系统
前轴 后轴
• • •
该混合动力驱动系的阶次为4，指数为3。 复杂程度为4×3。 具体为多种能源存储联合式串联 + 双轴联合式并联+驱动 力联合式并联。
扭矩耦合式动力系统是指 2 个 ( 多个) 动力源的输出 动力在耦合过程中 , 两动力源的输出扭矩相互独立 , 而输 出转速必须互成比例 , 最终的合成扭矩是两动力源输出扭 矩的耦合叠加 , 而合成转速则不是 两动力源输出转速的 叠加 , 合成扭矩
式中 :η、k 分别为耦合效率和从动力源 2 到动力源 1 的传动比 。依据机械结构的不同 , 扭矩耦合方式又可分 为 齿轮耦合 、磁场耦合 、链或带耦合 3 种 。
混合动力汽车的构型分析
混合动力驱动系阶次: 混合动力驱动系阶次是指驱动系中所具有的可独立 驱动车辆行驶的单个驱动系数目，记为ND； 混合动力驱动系联结部件：用于实现串联、并联的耦合部件的总称，比如 实现电电混合的功率器件控制单元，用于实现机电混合动力的动力耦合装 置等； 混合动力驱动系指数: 混合动力驱动系指数是指驱动系中所具有的用于实 现动力和能源合成的联接部件个数，记为NC。
• 3 要使发动机一直工作于理想工况,HEV驱动系统 必须具有无级变速功能。HEV能提高燃油经济性、 降低排放的关键是在车辆运行时改善发动机工作 状况，使其工作于经济工况下，而彻底解决这一 问题的方法就是采用无级变速。采用无级变速传 动还可大大提高制动能量再生效率。 • 4 HEV多能源输出的动力耦合或动力切换(驱动模 式从一个动力源切换到另一个动力源)要平顺，以 保证汽车的行驶平顺性和驾驶性能。
表为从动力混合度动力切换平顺性结构复杂程度、耦合效率、 是否容易控制、能否实现多模式驱动及造价等角度对以上各动力耦 合方式进行评价的结果。通过分析和比较, 结合国内外HEV 研究和发 展现状,一款理想、高效、紧凑、经济的HEV 动力系统必须具备以下 5点:
• 1HEV要有高效方便的能量回收功能。能量回收是 提高HEV燃油经济性的最有效途径之一 ，特别是对 城市行驶车辆 。 • 2要从根本上提高燃油经济性，减少排放，HEV的 机(内燃机动力)电( 电机动力)混合度不能太低。因 为混合度太低，则接近一般燃油汽车，很难达到预 期效果。但从目前国内外H EV 技术研究水平来看， 混合度也不能太高，因为太高,电力驱动起主要作 用，势必会增加电池的重量，增加车重，反而增大 燃油消耗 。
T3 = T1 + T2 ; n3 = n1 = n2
扭矩耦合
• 3 链或带耦合式
这种耦合方式通过 链条或皮带将两动力 源输出动力进行合成。 链或带耦合结构简单, 冲击小,但是耦合效率 低。
T3 =η( T1 + k T2 ) , n3 = n1 = 1/ k n2
2 转速耦合
• 转速耦合式
转速耦合式动力系统是指2个(多个)动力源的输出动力在 耦合过程中,两动力源的输出转速相互独立,而输出扭矩必 须互成比例,最终的合成转速是两动力源输出转速的耦合叠 加,合成扭矩则不是两动力源输出扭矩的叠加
混合动力汽车动力耦合技术
LH 车辆1202班
提纲
• 混合动力汽车的构型分析
• 混合动力汽车的动力耦合技术
混合动力汽车的概念
GB/T 19596-2004 电动汽车术语
混合动力(电动)汽车 ( Hybrid Electric Vehicle)
HEV,指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车：－可消耗的 燃料；－可再充电能/能量储存装置。 • 串联式混合动力(电动)汽车 Series Hybrid Electric Vehicle:SHEV车 辆的驱动力只来源于电动机的混合动力(电动)汽车； • 并联式混合动力(电动)汽车 Parallel Hybrid Electric Vehicle:PHEV 车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力(电动)汽车； • 混联式混合动力(电动)汽车 Combined Hybrid Electric Vehicle: CHEV 同时具有串联式、并联式驱动方式的混合动力(电动)汽车。 • 插电式混合动力(电动)汽车Plug-in Hybrid Electric Vehicle: PHEV可 以使用电力网(包括家用电源插座)对动力电池充电的混合动力汽车，具有 纯电动行驶较长距离的功能，但需要时仍然可以工作在全混合模式。
p、q由耦合器的结构确定。 依据驱动结构的不同,转速耦合方式又可分为行星齿轮 式和差速器式2种。
转速耦合
• 1 行星齿轮式
行星齿轮式这是一种 普遍采用的动力耦合形 式,通常发动机输出轴与 太阳轮连接,电机与齿圈 连接,行星架作为输出端。 行星齿轮式耦合的结 构简单,传动效率高(约 98%),混合程度高,并且 还可实现多形式驱动,动 力切换过程中冲击较小, 但整车驱动控制难度增 大。


混合动力驱动系的复杂程度
混合动力汽车的构型分析
车辆驱动系可抽象为如图示的典型结构。
混合动力汽车的构型分析
混合动力汽车的构型分析
• • •
该混合动力驱动系的阶次为3，指数为2。 复杂程度为3×2。 具体为多种能源存储联合式串联 + 双轴联合式并联。
混合动力汽车的构型分析
混合动力汽车构型分析
扭矩耦合
• 1齿轮耦合式
齿轮耦合这种动力耦合方式 通过啮合齿轮 (组) 将多个输入 动力合成在一起输出 。 这种耦合 方式结构简单 ,可 以实现单输入 、双输入等多种 驱动方式 ,耦合效率较高 ,控制 相对简单 ; 但由于齿轮是 刚性 啮合的 ,在动力切换 、耦合过程 中易产生冲击 。
T3 =η( T1 + k T2 ) ; n3 = n1 = 1/ k n2
牵引力耦合式
• 牵引力耦合式
这种耦合方式 结构简单,改装方 便,可实现单、双 模式驱动及制动 再生多种驱动方 式,但整车的驱动 控制更为复杂。
4 混合耦合式
• 混合耦合式
混合耦合式是一种采用前面2种或2种以上耦合方式的动 力耦合方式。 如日本丰田汽车公司开发的Pruis 的HEV混合驱动结构 (如下图所示)发动机与发电机的动力耦合是行星齿轮式 ,之 后两者的合成动力又与电机动力进行齿轮式耦合,最终的合 动力驱动差速器;再如福特汽车公司的Escape(如下图所示), 其动力合成是磁场扭矩耦合与行星齿轮转速耦合2种方式 的结合;此外,美国加州大学提出的一种先进、高效HEV传动 系统的动力合成也采用混合耦合方式。
转速耦合
• 2 差速器式
差速器实际上是行星齿 轮系k = 1时的一种特殊情 况。对一般差速器,将动力 分解,对此逆用即可实现动 力的耦合。 差速器耦合方式与行星 齿轮耦合方式基本类似,只 是二者对发动机和电机的 动力性能要求不同,从而导 致HEV动力混合程度高低 不同。差速器式HEV要求 发动机和电机动力参数相 当,动力混合程度比较高。
下面将分别从动力学和运动 学规律、传动效率、能量流动路 径等方面分别分析这4类传动方 式的动力耦合过程。以两动力源 为例，设动力源1(发动机)的输 出扭矩为T1，输出转速为n1。动 力源2(电动机)的输出扭矩为T2， 输出转速为n2： 耦合后的输出 扭矩为T3，输出转速为n3。
1 扭矩耦合
扭矩耦合式
提纲
• 混合动力汽车的构型分析
• 混合动力汽车动力耦合技术
根据电动机和发动机的组合形式，可分为 以下三类：
HEV 动力耦合方式的分类
• 动力耦合主要是针对并联或混联式 混合动力车的动力系统，根据多个 动力源输出动力耦合方式的不同， 将HEV动力系统分为：
扭矩耦合式 转速耦合式 牵引力耦合式 混合耦合式
• 5 HEV传动系统的机械结构要尽可能紧凑、高效， 复杂功能的实现尽可能依靠电子软，以降低整车 制造成本，为批量生产打下基础。 • 以上是目前HEV动力传动系统研制的方向和趋势， 也是现阶段使HEV达到较高燃油经济性，较低排 放的理想措施。
谢谢
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车载能源 能量存储
气罐 动力电池组 气罐 动力电池组 发动机-前电动机
能量调节和转化
动力生 成装置
发动机 前电动机 后电动机 后电动机
动力传动系 特性场转化装置
CVT
驱动轮
前轮 前轮 后轮 后轮
• • •
该混合动力驱动系的阶次为4，指数为3。 复杂程度为4×3。 具体为多种能源存储联合式串联 + 双轴联合式并联+驱动 力联合式并联。
扭矩耦合
• 2 磁场耦合式
磁场耦合式 这种耦合方式 是将电机的转子与发动机输出 轴做成一体 ,通过磁场作用力将 电机输出动力与发动 机输出动 力耦合在一起 。 这种耦合方式耦合效率高 , 结构紧凑 ,耦合冲击小 ,能量回 馈方便 、效率 高 ;但混合度 (电 机功率与发动机功率之比) 低 , 电机 一般只能起辅助驱动的作 用 。由于电机转子具有一 定的 惯性 ,所以多用于轻度混合的电 动车上 。