基于混合动力汽车动力系统的概述

d)
电连接
液流连接
机械连接
图 1 混合动力汽车的分类 a)串联式（电耦合） b)并联式（机械耦合） c）混联式（机械和电气的耦合） d）复合式（机械和电气的耦合）
1.1 国内混合动力汽车传动系统的研究现状
目前国内混合动力汽车的动力系统主要有：东风混合动力城市客车采用了基于电控机械自动变速器 (AMT)基础上的“中间轴输入动力耦合系统”以及“二轴输入动力耦合系统”如图 2 所示[5]。其中“中间 轴输入动力耦合系统”具体形式是：动力耦合装置(即混合动力车用变速器)的一轴与发动机曲轴相连， 二轴与输出传动轴相连，中间轴上齿轮与一轴、二轴上齿轮构成常啮合传动齿轮副，中间轴增加一个电 机动力输入装置，采用锥齿轮输入动力。
通用公司提出的新型四模-双电机增程式传动系统备受关注，其结构如图 10 所示[12]。该系统由发动 机、两个电机、三个离合器以及一个行星轮组组成，可以分别工作在纯电动低速单电机模式、纯电动高 速双电机模式、增程低速单电机模式和增程高速双电机模式四种模式下。
本田汽车公司研发的 Insight 混合动力汽车采用了独特的混合动力系统(IMA)，采用发动机和电动机扭 矩叠加方式进行动力混合，结构如图 11 所示[13]。发动机输出轴通过离合器与电动机的转子轴直接相连， 电池组通过控制器作用于电动机定子，两者的动力叠加是在输出轴处实现，变速器仍为单轴输入。该动 力系统以发动机作为主要动力，电动机作为辅助动力，是一种等速的功率叠加系统，属于并联式 HEV 中 的单轴并联式结构。该系统结构简单、紧凑，提高了系统的综合效率，但一些元件和电机的控制系统需 特殊设计。
1
《学科前沿讲座》课程论文
动力系的转矩可以线性叠加，但转矩耦合装置的输入转速不可线性叠加，主要实现方式是传统的机械式 变速器、带轮或链式组合件、传动轴，根据轴数可以分为两轴式或单轴式；在转述耦合装置中，两个动 力系的转速可以线性叠加，但转速耦合装置的输出转矩不可以线性叠加，主要实现方式是行星齿轮机构 和传动电机，转速耦合一般用于对效率对转速敏感，而对转矩不太敏感的动力装置（如斯特林发动机、 燃气轮机）；机械耦合一般用于并联式混合动力汽车。机电耦合是指同时包涵机械耦合和电耦合两种，一 般用于混联式和复合式混合动力汽车。先将四种不同结构形式的混合动力汽车的传动系统和动力耦合方 式分别示于图 1 中[4]。
一汽混合动力轿车采用了双轴输入单轴输出到 AMT 的齿轮啮合传动方式实现转矩合成的动力耦合系 统，即“双轴双离合器并联型固定轴齿轮式”动力耦合系统如图 3 所示[6]，它由一对固定速比的常啮合齿 轮组成，在发动机离合器接合的条件下，动力耦合装置输出端的转速与发动机的转速相同。
北京理工大学与波兰华沙工业大学合作，联合研制了一种单行星排传动方式的机电动力耦合系统，如 图 4 所示[1]，并已申报了国家发明专利。该系统把串联和并联混合驱动的原理接合在一起，使用的零件数 较少(一个电机)，适当调整控制系统可以顺利实现并联到串联驱动的转换，直到由内燃机驱动。比传统的 混合驱动系统更轻，效率和整体性能更高。该系统可以实现无级变速，但是不能实现发动机输出转矩和 电机输出转矩的直接叠加。
由吉林大学等单位联合开发的双行星机构动力耦合无级变速系统，其结构如图 5 所示[1]，系统由发动 机、电机、动力耦合、CVT 组成，其中动力耦合器由一组双行星机构、两组离合器和一组制动器构成。
2
《学科前沿讲座》课程论文
整个系统构成比较复杂，不仅需要协调发动机与电机，离合器及制动器的状态，还需要合理地控制 CVT 的速比。
燃油箱
内燃机
传
发电机
动
装
置
功率变化器
蓄电池组
（电耦合器）
电动机
燃油箱
燃油箱
传
机械
动
耦合器
装
蓄电池组 功率变换器
电动机
置
a) b)
机械
燃油箱
内燃机
耦合器
传
动
发电机
装
置
蓄电池组
功率变化器 （电耦合器）
电动机
燃油箱
内燃机
机械 耦合器
传
功率
电动机/
动
变换器
发电机
装
置
蓄电池组
功率变化器 （电耦合器）
电动机
C）
图 6 丰田 THS 系统的结构
图 7 福特 FHS 机电耦合传动总成的结构
通用公司提出的 AHS-2 双排双模式电耦合传动总成主要由发动机、两台电机、两个行星排机构。两 组离合器和一个制动器组成，其结构如图 8 所示[10]。通过两个离合器和一个制动器协调控制可以有效地 扩大输出转速范围，同时对输出转矩和输出功率起到一定的调节作用，该结构主要应用于通用公司的中 型和重型车辆上。
前 言：
现今，在新能源汽车发展方向上，美国倾向于代用燃料汽车的研发，欧洲和日本都倾向于纯电动汽 车和混合动力汽车，而氢燃料电池电动汽车被誉为未来最理想的清洁燃料汽车，但由于其在技术上短时 间内难以有突破，将长期作为一种未来理想方向被人们研究。美国是一个农业大国，同时又拥有最先进 的生物基因技术、化工技术和先进的制造技术，故选择了生物质代用燃料汽车方向，这样在过渡时对现 有传统车辆结构的改动较小,同时，电驱动技术也有所发展。欧洲国家利用其传统的汽车技术，已经基本 对现有车辆实现了柴油机化，车辆中使用柴油机的数量已经超过了 60%，但这只是在一定程度上减少了 环境污染，并没有解决能源危机。在电动汽车领域，欧洲在近些年也有了很大的发展，如英国发明了无 线充电技术、荷兰代尔夫特工业大学的 Mart J.Hoeij makers 教授提出了基于感应电机为原型的双转子机电 能量转换器 EVT（Electrical Variable Transmission）等[1]。日本，由于其能源紧缺，同时电力电子技术先 进，选择了电动汽车方向，其电机制造技术处于世界先进水平。
1. 国内外混合动力汽车传动系统的研究现状
混合动力汽车是指至少能够从可消耗的燃料和可再充电或能量储存装置两类车载储存的能量中获得 动力的汽车，根据混合动力系统结构的不同可将其分为串联式、并联式、混联式和复合式混合动力汽车[3]。 车辆动力传动系统是指由动力源输出的功率传递到驱动车轮的各种装置所构成的系统，其功能主要包括 起步、变速、主减速、差速、驱动力分配以及驱动力方向转换等。在混合动力汽车传动系统中，除了将 其集成小型化以外，最核心的问题是动力耦合和换挡控制。
通用汽车公司 雪佛兰 Silverado
FAS 后轮驱动
发动机类型
电机动类型 动力电池类型
汽油
两个永磁同步型 锂电池
汽油，12 气门 单顶置 SOHC，
VTEC
交流永磁 Ni/MH
汽油，8 气门单 顶置 SHOC，i-
VTEC
Ni/MH
汽油，24 气门 单顶置 SHOC i-VTEC
Ni/MH
汽油
动力电池输出电压（V）
SUV
2004
2001
2005
2005
THSⅡ混联
THS 混联
THS-C
THS
FHPS
前轮驱动
前轮或四轮驱动
四轮驱动
后轮或四轮驱动
前轮或四轮驱动
汽油，阿特金森循环， 双顶置凸轮轴（DOHC）
16 气门，VVT-i
汽油，双顶置凸轮 轴（DOHC）24 气
门，VVT-i
汽油，阿特金森循环， 双顶置凸轮轴（DOHC），
《学科前沿讲座》课程论文
基于混合动力汽车动力系统概述
龙成冰
（武汉理工大学汽车工程学院；汽研 1203 班；1049721202215）
摘 要：本文主要介绍了国内外混合动力汽车传动系统的研究现状，并对现今主要应用于混合动力汽车的五种自动变速器 的结构和原理进行了简要介绍;在此基础上对这五种自动变速器进行比较，并预测未来应用于混合动力汽车动力系统自动变 速器的主要方向。 关键词：混合动力汽车；动力系统；自动变速器
中国政府网发布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》指出，到2015年，纯电动汽车 和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到5O万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产 能力达200万辆、累计产销量超过500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。这说明我 国在新能源汽车的主要方向是插电式混合动力汽车和纯电动汽车[2]。由于我国在传统汽车上的缺陷，导致 我国在混合动力汽车上与国外的差距较大，主要表现在动力传动系统和控制系统上。对于混合动力汽车 和纯电动汽车，其中都涉及到电驱动系统。对于混合动力汽车的动力系统而言，现在最主要的问题就是 存在两套系统，体积庞大，在加上动力电池，使得车辆在布置时较传统车而言可乘用空间较少了。混合 动力汽车的动力系统的集成化研究是目前和未来国内外研究的重点。混合动力汽车的核心是混合动力系 统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。如何有效的解决混合动力汽车动力系统的集成控制， 实现整车高度集成和配置简单化、通用化是目前研究的关键。其中变速器与电机一体化研究仍是现在和 将来国内外混合动力汽车系统集成的重点，混合动力汽车中的动力耦合也将通过此集成装置实现。对于 纯电动汽车，虽然不存在动力耦合问题，但存在变速、调速问题，对电机和变速器的集成问题和控制问 题依旧存在。
有混合动力汽车的动力耦合主要有电耦合、机械耦合、机电耦合三种[4]。电耦合是指将发动机输出的 机械能通过发电机转化为电能，在通过电耦合装置将其与动力电池的电能耦合，同时由于驱动车辆，主 要用于串联式混合动力汽车。机械耦合是指通过机械耦合装置将发动机输出机械能和电动机输出的机械 能进行耦合，再将其用于驱动车辆。机械耦合分为转矩耦合和转矩耦合两种，在转矩耦合装置中，两个
表一 国外上市的重度混合动力汽车列表
混合类型 公司名称 汽车名称
车型 上市时间（年）
混合动力系统 驱动形式
发动机类型
电机动类型
动力电池类型
重度混合动力汽车
普锐斯 Prius 轿车
丰田汽车公司
highlander hybrid
Estima
SUV
MPV
雷克萨斯 RX400H SUV
福特汽车 福特翼虎 Escape
混合类型 公司名称 汽车名称
车型 上市时间（年） 混合动力系统
驱动形式
日产汽车公司 Tino 轿车 2000 并联
前轮驱动
Insight 小型轿车
1999 IMA 第一代 前轮驱动
适度混合动力车 本田汽车公司
思域 Civic 小型轿车
2002 IMA 第二代 前轮驱动
雅阁 轿车 2005 IMA 第三代 前轮驱动
144
CVT
5－MT 或 CVT
CVT 或 5－MT
5—AT
4－AT
日本丰田 THS 系统由发动机、发电机、电动机通过行星轮机构实现转速与转矩的耦合，发动机转速 与车速没有直接联系，在行驶过程中能使发动机始终处于最佳工况，其结构如图 6 所示[8]。丰田 THS 系 统经过十几年的发展，已从注重经济油耗为主的第一代发展为注重高功率和高经济效益的第三代 THS 系 统，丰田普锐斯轿车的成功推向市场表明了混合动力技术已经逐渐成熟。福特公司开发的 FHS 机电耦合 传动总成结构相当于丰田 THS 系统并联了一个齿轮啮合机构，实现了电动机转速和齿圈转速的匹配，充 分利用了电机转速，其结构如图 7 所示[9]。
图 8 通用 ASH-2 双排双模式机电耦合动力总成结构 4
《学科前沿讲座》课程论文
铁姆肯公司开发的双排行星传动机电耦合传动总成结构与通用 AHS-2 双模式结构相近，其结构如图 9 所示[11]，主要通过两个离合器和两个制动器实现工作模式转换，从而满足车辆实际工作需要。
图 9 铁姆肯公司的双排行星传动机电耦合传动总成的结构
图 2 东风垂直双轴耦合并联混合动力总成图
图 3 一汽平行双轴并联混合动力总成
图 4 单排行星排动力耦合系统
图 5 双行星机构动力耦合无级变速系统的机构
1.2 国外混合动力汽车传动系统的研究现状
表一和表二分别列出了近些年已经上市了的重度混合动力汽车和轻度混合动气汽车的相关资料[7]。 从表一和表二中可以看出，国外混合动力汽车现今市场化做的最好是日本，其次是美国，其次欧洲一些 国家在混合动力系统方向上也有很大的发展。
动力电池输出电压
201.6VDC
288VDC
216VDC
300VDC
发电机类型 变速器形式
交流永磁同步型 （ISG）
电控无级变速（行 星齿轮）
电控无级变速 （行星齿轮）
水冷式三相交流起动 机/发电机（ISG）
双行星排，CVT
3
传统的 ECVT
电控无级变速(行星 齿轮）
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表二 国外已经上市的轻度混合动力汽车列表
VVT-i
汽油，阿特金森循环， 双顶置凸轮轴
（DOHC）， 24 气门， VVT-i
汽油，阿特金森循环， 双顶置凸轮轴直列式四
缸（DOHC I-4）
交流永磁同步型
2 个交流永磁同 步型 1 个驱动前 轮 1 个驱动后轮
两个交流永磁同步型
Ni/MH，长方形
Ni/MH
Ni/MH，长方形
Ni/MH
Ni/MH