第四章 混合动力汽车设计

不能独立控制
2 并联式混合动力驱动系统（机械耦合）
2.1 转矩耦合
右图：端口1为单向的输入；端口2和端口3为双向的输入或输出， 但两者不能同时为输入。 端口1直接地或通过机械传动装置连接到发动机；端口2直
接地或通过机械传动装置连接到电动机；端口3则通过机械耦合
装置连接到驱动轮。 若忽略损耗，则输入功率始终等于输出功率。设端口2处于驱动状况，即电动机为输入功率，则 向驱动轮的输出功率为P3=T33,
五、电动汽车混合动力驱动系统设计
3. 设计原理 牵引电动机的额定功率
在串联式HEV中，电动机的额定功率完全取决于车辆加速性能要求、电动机特性和传动装置特
性。在设计的初始阶段，可按照加速性能估算电动机的额定功率。
（11）
第一项表示用以加速车辆质量的功率；第二项和第三项分别表示克服轮胎滚动阻力和空气阻 力所需的平均功率。
单向能源为燃油箱，而单向的能量变换器（动力装置）为发动机和发电机的组合。发电机的
输出通过可控的电子变流器（整流器）连接到电力 (DC)总线；
双向能源为蓄电池组单元，并通过可控的双向电力电子变换器 (DC-DC变换器）连接到电力 （DC）总线。 电力总线连接到电动机的控制器，控制牵引电动机为电动机或发电机，并以正向或反向运转。
常用的机械转速耦合装置 三、常用的机械转速耦合装置
转速耦合器也是一个三端口、两自由度的机械装置。端口1以单向能量流连接至发动 机，端口2和端口3以双向能量流连接至电动机和载荷（末级驱动）。
转速耦合特性为：
常用的机械转速耦合装置 三、常用的机械转速耦合装置
典型的转速耦合器件——行星齿轮机构。 是一个三端口组件，由分别标记为1、2和3的中心齿轮、齿圈和行星齿轮支架构成。其中心齿 轮、齿圈和行星齿轮支架之间的转速关系为：
前传动装置：发动机和电动机必须有相同的转速范围， 常用于小型电动机的情况，属于轻度混合动力电驱动系，
后传动装置：电动机转矩直接传递到末级驱动， 传动装置仅能调节发动机转矩。可用于有大范围 恒功率区的大型电动机的电驱动系统。
其中电动机起着发动机的起动机、发电机、动力辅助机
和再生制动的作用。
常用的机械转矩耦合装 二、常用的机械转矩耦合装置
Vb2
加速时，若以低速档起步，牵引力按迹线a-b-d-e-f变化。在点f处，电动机达到最大转速，为
五、电动汽车混合动力驱动系统设计
发电机 蓄电 池组 功率变换器 （电耦合器）
机械耦 传动 合器 装置
气的或机械的功率形式，
而不是电气的和机械的 功率形式，呈现着两个 功率的相加或将一个功
燃油箱 功率 变换器 蓄电池组 （电耦合器） 内燃机 机械耦 合器 电动机/ 发电机 功率 变换器 电动机 传动 装置
率分解为两个功率。
一、HEV驱动系统的结构
燃油箱 内燃机 传动 装置 电动机
串联式的特征：在功率变换器中两个电功率相加，该功率变换 器起电功率耦合器的作用，控制从蓄电池组和发电机到电动机 的功率流；或反向控制从电动机到蓄电池组的功率流。燃油箱、
发电机 蓄电 池组 功率变换器 （电耦合器）
内燃机和发电机组成基本能源，而蓄电池组则起能量缓冲器的
(9)
将角度替换为转速，(9)可写为：n1+
α n2－(1+ α)n3=0 (10)
式（10）行星齿轮机构运动学特性方程式。
1. 2. 3. 4. 太阳轮、齿圈与行星齿轮架3者中可任选2个分别作为主动件和从动件，另一固定不动，轮系 可传递动力； 如果有两个被固定在一起，则第三个的速度与前两个相同，传动比为1； 如果三个均为自由转动，则行星齿轮不能传递动力，相当于空档。 行星架被固定时，太阳轮、齿圈转速相反，可作为倒档。
第四章 混合动力驱动系统 的设计原理
一、HEV驱动系统的结构
混合动力电动汽车分类：串联式、并联式、混联式和复合式，其功能如下：
燃油箱
在驱动系统内部存在两
内燃机 传动 装置 电动机
燃油箱 蓄电 池组
内燃机 功率 变换器 电动机
类能量流，分别为机械
能量流和电能量流。在 功率交汇点处，始终以 同一类功率形式，即电
通过增加另一动力装置，可在同一时刻实现兼 有转速和转矩耦合模式的混合动力电驱动系统。 如丰田汽车公司的Prius混合动力电动轿车 行星齿轮机构用作转速耦合装置；固定轴齿轮 组件用作转矩耦合装置。发动机被连接到行星齿 轮支架，而一个小型电动发电机（几千瓦）则连 接到行星齿轮机构的中心齿轮， 组成转速耦合整 体结构。齿圈通过固定轴的齿轮组件（转矩耦合 器）被连接到驱动轮上。同时，牵引电动机也连
此时，行星齿轮机构仅起减速器的作用。
当选择转速耦合运行模式时，离合器1和2啮合，而离合器3脱开，同时，锁定器1和2释放中心齿轮
和齿圈。此时，连接到驱动车轮的行星架的转速是发动机转速和电动机转速的组合。但是，发动 机转矩、电动机转矩以及作用于驱动轮上的转矩保持为固定不变的关系。
转矩耦合与转速耦合的并联式混合动力电驱动系统 四、转矩耦合与转速耦合的并联式混合动力电驱动系统
固定轴齿轮组件
接到固定轴的齿轮组件，以组成转矩耦合结构。
五、电动汽车混合动力驱动系统设计
1. 设计指标：主要包括：发动机功率、电动机功率，电源峰值功率及能量/容量， 传动装置以及电驱动系统的控制策略。 2. 设计任务： 1）满足要求的性能指标，如爬坡能力、加速性能和最高车速等，此外，还有经济性 指标、排放指标等； 2）实现系统的高效率运行； 3）在高速公路和市区行驶期间，保持蓄电池组荷电状态 在适当的电平，而不必从车 辆外部予以充电； 4）具有再生制动回收系统，且能够回收尽可能多的制动能量。
车梁上，而锁定器1被释放）、③单电动机牵引（锁定器1将中心齿轮锁定在车梁上（发 动机关闭，且离合器脱开），而锁定器2被释放时）、④再生制动（锁定器1和锁定器2的 状态为单电动机牵引的模式，发动机关闭，离合器脱开）、⑤蓄电池由发动机充电。
四、转矩耦合与转速耦合的并联式混合动力电驱动系统
转矩耦合和转速耦合状态交替地选择 当选择转矩耦合运行模式时，锁定器2将行星齿 轮机构的齿圈锁定 在车架上，同时离合器1和离 合器3啮合，而离合器2脱开。于是，通过经由齿 轮Za、Zb和离合器3到中心齿轮轴的转矩相加，发 动机和电动机的动力一起相加。
转矩耦合器可表示为 角速度之间的关系为：
二、常用的机械转矩耦合装置
传动装置可配置在不同的位置，并设计 为不同的排档数，从而导致相异的牵引 特性。优化设计主要取决于牵引需求、
发动机尺寸、电动机尺寸以及转矩——
转速特性等。
二、常用的机械转矩耦合装置
两轴式和单轴式 两轴式结构
采用了两个传动装置，一个位于发动机与
五、电动汽车混合动力驱动系统设计
3. 设计原理
下图是配置有两档传动装置的牵引力和牵引功率与车速的关系。Vb1 进一步加速传动装置应切换到高档。此时，车辆的基速为Vbl。 当应用单档传动装置时，即仅高速档可供应用时，牵引力按迹线c-d-e-f-g变化，且Vb =Vb2 对加速期间给定的终速，如位于点e处的100km/h，配置两档传动装置的车辆加速时间短，主 要是因为在低速时用低档，按a-b-d变化的牵引力, 将大于高档时按c-d变化的牵引力。
｛
M1=F1×r1; M2 = α F 1 × r 1 ; M3=-(α +1)F1×r1;
(7)
根据能量守恒，三个元件输入和输出的功率代数和为0：
M1×ω1+M2×ω2+M3×ω3=0 (8) 其中ω1，ω2，ω3分别为中心齿轮、齿圈和行星架的角速度。
将（7）代入（8）可以得到：ω1+
α ω2高。
燃油箱
内燃机
机械耦 合器 电动机/ 发电机 功率 变换器 电动机 传动 装置
复合式的特征：具有与混联式相似的结构。唯一的差 异在于电耦合功能由功率变换器转移到蓄电池组，并 且在电动机/发电机组和蓄电池组之间加入了一个功 率变换器。
功率 变换器 蓄电池组 （电耦合器）
1 串联式混合动力驱动系统（电耦合）
2 并联式混合动力驱动系统（机械耦合）
机械耦合包括转矩耦合和转速耦合
转矩耦合—机械联轴器将发动机与电动机的转矩相加，并将总转矩传递给驱动轮
发动机和电动机的转矩可分别独立控制，但受到功率守恒的约束。发动机转速、 电动机转速以及 车速以某一确定关系相互耦合，不可能独立控制。
转速耦合—机械联轴器将发动机和电动机的转速相加，且所有的转矩被耦合在一起，
转矩耦合装置之间；另一个位于电动机和 转矩耦合装置之间。两个传动装置可以是 单档或多档的传动装置。
传动装置的档位数决定牵引力——转速特性曲线的形式。故两个多档传动装置能够为发动机和 电动机运行在其最佳区域提供更多的可能性。 但两个多档传动装置将使电驱动系统明显复杂化，并为选择每个传动装置特定的排档而增加 了控制系统的难度。
二、常用的机械转矩耦合装置
a)两个多档传动装置 b)多档发动机传动装置和单档电
动机传动装置
c)单档发动机传动装置和多档电 动机传动装置 d)两个单档传动装置
二、常用的机械转矩耦合装置
另一种两轴式并联混合动力电驱动系统
传动装置位于转矩耦合装置和驱动
轴之间，以相同比例提高发动机和
电动机的转矩。 转矩耦合装置的传动比k1和k2的设计 将使电动机和发动机能同时达到其
中心齿轮1作用在行星轮上的力矩： M1=F1×r1
(1)
齿圈2作用在行星轮上的力矩：
M2=F2×r2
r3=(r1+r2)=(1+ α)r1
(2)
(3) (4)
行星架3作用在行星轮上的力矩： M3=F3×r3
又：
由行星轮的力平衡条件得： F1 = F2 F3=－2F1=－2F2 (5) (6)
将（4）~（ 6 ）代入（1）~（3）可以得到：