转矩耦合的并联式混合动力电驱动系统结构及配置

转矩耦合的并联式混合动力电驱动系统结构及配置

1．转矩耦合配置

图5-4概念性地表明了一个机械转矩耦合方案，它是三端口、两自由度的机械配置。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。这里，输入意味着能量流进入机械配置，而输出意味着能量流流出机械配置。在混合动力电动汽车应用中，端口1直接地或通过机械传动装置连接到内燃机；端口2直接地或通过机械传动装置连接到电动机轴；端口3则通过机械耦合装置连接到驱动轮。

图5-4转矩耦合配置若在稳定运行状态下忽略损耗，则对转矩耦合器而言，其输入功率始终等于其输出功率。这时，设端口2处于驱动状况（电动机），即输入功率，那么向驱动轮输出的功率为

T3w3=T1w1+T2w2 (5-1)

从而，转矩耦合器可表示为

T3 =ki Ti +k2T2 (5-2)

式中，ki .k2为转矩耦合器的结构参数，由传动比予以描述，且当该装置设计不变时，通常为常数。就转矩耦合器而言，T3为载荷转矩；Ti和T2为驱动转矩，它们彼此无关，并可分别独立控制。但由于式(5 -1)的约束，角速度∞1、倒2和∞3相互关联在一起，且不能独立控制，其关联式为

w3=w1/k1=w2/k2

图5-5为一些常用的机械转矩耦合装置。

2．转矩耦合的电驱动系结构

转矩耦合的并联式混合劫力电驱动系可有多种不同的结构。它们可分类为两轴或单轴式、设计，在每一类内，传动装置可配置在不同的位置，并设计为不同的排挡数，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、纯电动汽车电动机尺寸及其转速一转矩特性等。图5-6为一个两轴式的结构，其中应用了两个传动装置：其一位于发动机和转矩耦合装置之间；另一位于电动机和转矩耦合装置之间。两个传动装置可以是单挡或多挡的传动装置。图5-7给出了具有不同传动装置参数的车辆总牵引力一转速特性曲线。显然，两个多挡传动装置形成了众多的牵引力一转速特性曲线。因为两个多挡传动装置为发动机和电牵引系统（电设备和蓄电池组），两者运行于其最佳区域，提供了更多的可能性，故此电驱动系的性能和整体效率可超过其他类型的设计。这一设计也在发动机和电动机特性的设计中提供了很大的灵活性。但是，两个多挡传动装置将使电驱动系明显复杂化，并为选择每个传动装置特定的排挡而增加了控制系统的难度。

两轴式结构

在图5-6中，可应用多挡传动装置1和单挡传动装置2 0关于传动装置和电动机的相对位置，该结构被归人前传动装置类结构（电动机在传动装置之前）o其牵引力一转速特性曲线如图5 -7(b)所示。在混舍动力电驱动系设计中，与传动装置配置相联系的最大牵引力可足以满足车辆爬坡性能的要求，由于轮胎与地面接触的附着力的限制，并不需要更大的牵引力。单挡传动装置2的应用是利用了低速时电动机高转矩特性的内在优点。采用多挡传动装置1可用以克服内燃机转速一转矩特性的缺陷（在其整个转速变化范围内无明显变动的转矩输出）。多速的传动装置1也有助于改进发动机的效率，并减小车速范围（此时，电动机必须单独驱动车辆），从而也就防止了蓄电池迅速放电。与上述设计相对照，图5- 7(c)所表明的电驱动系的牵引力一转速特性曲线，其中对发动机应用了单挡传动装置1，对电动机应用了多挡传动装置2 0因在该结掏中没有利用两个动力装置的优点，故为一个不适宜的设计。图5 - 7(d)所表明的电驱动系的牵引力一转速特性曲线对应于两个单挡传动装置，这一配置导致简单的结构和控制。该电驱动系的应用限制在于其最大的牵引力。当发动机、电动机和蓄电池组的额定功率以及传动装置的参数均正确地设计时，该电驱动系将以令人满意的性能和效率适用于车辆。

图5-7 在不同传动装置配置下的牵引力与车速间的关联

另一两轴式的并联式混合动力电驱动系的结构如图5-8所示，其中传动装置位于转矩耦合装置和驱动轴之间，可归类为前传动装置。该传动装置以相同比例提高发动机和电动机两者的转矩。在转矩耦合装置中，传动比ki和k2的设计将使电动汽车电动机和发动机能同时达到其最大转速。这一设计适用于相对采用小型发动机和电动机的情况，同时需应用一个多挡传动装置以增大低速时的牵引力。对于转矩耦合的并联式混合动力电驱动系，其简单且紧凑的构造是单轴结构，其中电动机转子起着转矩耦合装置的作用(在式(5 -2)和式(5 -3)中，ki—1和k2 =1），如图5-9所示。电动汽车电动机可安置在发动机和传动装置之间，被归类为前传动装置，或可安置在传动装置和末级驱动之间，被归类为后传动装置，如图5 - 10所示。在前传动装置绪构（见图5-9）中，发动机转矩和电动机转矩两者均由传动装置调节，此时，发动机和电动机必须有相同的转速范围。这一结构常用于小型电动机的情况，被归类为轻度混合动力电驱动系，其中电动机起着发动机的起动机、发电机、发动机的动力辅助机和再生制动的作用。

然而，在如图5 - IO所示的后传动装置结构中，当电动汽车电动机转矩直接传递给末级驱动时，传动装置仅能调节发动机转矩。这一结构可用于有大范围恒功率区的大型电动机的电驱动系。传动装置仅用于改变发动机的运行工作点，以改进车辆性能和发动机的运行效率。应该注意，当车辆停止并且电动机刚性地连接到驱动轮时，蓄电池组不可能由发动机通过带动电动机作为发电机而充电。另一种转矩耦合的并联式混合动力电驱动系是分离轴的构造，其中一个轴由发动机给予动力，而另一轴则由电动机给予动力(见图5 - 11)o来自两个动力系的牵引力通过车辆底盘

和行车道路相加，其运行原理类似于图5-6所示的两轴式结构。应用于发动机和电动机的两个传动装置可采用单挡传动装置，或也可采用多挡传动装置。这一结构具有如图5-7所示相似的牵引力特性。

分离轴转矩组合的并联式混合动力电驱动系

分离轴的构造提供了某些传统车辆的优点。它保持了原始发动机和传动装置不变，并在另一轴上附加了一个电牵引系统。它也有四轮驱动形式，由此可优化在光滑路面上的牵引力，且减小了作用于单个轮胎上的牵引力。然而’电设备和末端差速齿轮系占有可观的空间，致使有效的乘客和行李装载空间减小。但若位于电动机后面的传动装置是单挡的，并以装置在两驱动轮内的两个小尺寸的电动机替代该电动机，则可以解决这一问题。应该注意，当车辆处于停止状态时，电动汽车蓄电池组不可能由发动机予以充电。