1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 混合动力耦合系统研究综述 摘要：社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力电动车辆的发展。在混合动力电动汽车 ( HEV) 开发过程中 ,动力传动系统处于重要地位。文中对 HEV 动力系统开发的难点 动力耦合方式进行了分析和比较 ,研究和总结了各种动力耦合方式的耦合规律和优缺点 ,指出了 HEV 传动系统研究的方向和趋势。 关键词：混合动力（ HEV）；动力耦合；耦合方式。 引言 混合动力电动汽车（ HEV）将内燃机、电动机与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合 1-2，电动机可 补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，
2、从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。 HEV 与传统汽车及 EV 的最大差别是其动力系统 ,不同 HEV 之间的最大差别是动力耦合方式与结构。 HEV 动力系统开发的核心和实质是如何将不同动力源的输出动力进行合理、高效的合成与分解 ,从而提高汽车的燃油经济性。 HEV 的动力耦合方式决定动力系统的结构 ,也决定零部件 的数量、种类及系统的控制策略 ;不同的动力耦合结构导致 HEV 的适用条件和使用要求各不相同 ,开发难度也相差很大。可以说 ,动力耦合形式与结构决定
3、HEV 动力系统研究开发的难度和方向 ,关系到产品开发的进度和水平 ,是 HEV 开发中关键的一步。因此 ,对 HEV 的动力耦合方式进行研究、分析和分类具有十分重要的意义。 1 HEV 动力耦合方式的分类与分析 HEV 的动力系统分类方式多种多样 ,通常按照其驱动系统布置结构 ,可将其分为 串联、并联、混联和电动轮四种典型结构，不同结构实施不同控制策略。控制策略的制定是混合动力电动汽车 发的关键，因为其直接影响着能量在车辆内部的流动及整车的性能。如今，控制策略研究作为电动汽车的关键技术之一 ， 得到了国内外汽车科技工作者的普遍重视 3-6;而基于任务的现代分类方法 ,则把HEV 动力系统分为
4、轻度混合型 (MHV)7 、功率混合型 ( PHV) 和能量混合型 ( EHV) 3 类。或按照耦合位置和耦合部件的不同 ,将耦合系统分为变速箱耦合、传动系耦合、行星机构耦合等多种类型 8。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。本文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、牵引力耦合式和混合耦合式 4 类 9-10。 1. 1 扭矩耦合式 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
5、是两动力源输出转速的叠加 ,合成扭矩 ）（ TTT 213 k 2) 在中负荷运转区域 ,气门重叠角增大 ,提高内部的废气再循环率 ,可以控制 NOx 的产生和减少HC 的含量。而且 ,气门重叠角的增大会使进气管的负压降低 ,减少 动力损失。 3) 在高负荷低速运转区域 ,使进气门提前关闭 (提前角 ) ,提高充气效率 ,得到最大的气门重叠角(最大提前角 )式中 :、 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。 1. 1. 1 齿轮耦合式 这种动力耦合方式通过啮合齿轮 (组 ) 将多个输入动力合成
6、在一起而输出。深圳明华环保汽车有限公司开发的一款复合电动环保汽车动力转换器就属于此类型。 图 1 齿轮耦合式 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。 1. 1. 2 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。 图 2 磁场耦合式 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
7、定的惯性 ,所以多用于轻度混合的电动车上。 1. 1. 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。图中为带耦合式传动结构。为满足电机大功率的需求 ,在原来 12 V 的基础上串联 36V 电池。 图 3 链或带耦合式 链或带耦合结构简单 ,冲击小 ,但是耦合效率低。动力学和运动学规律与齿轮耦合式一致。 1. 2 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 , nnn 213 qp
8、, 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。 1. 2. 1 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。 图 4 行星齿轮式 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 。少齿差行星齿轮耦合也是行星齿轮耦合的一种，它具备了行星齿轮的特点传动率高、结构简单。 1. 2. 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
9、动力分解 ,对此逆用即可实现动力的耦合。 图 5 差速式 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。 1. 3 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。 图 6 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。 1. 4 混合耦合式 混合耦合式是一种采用前面
10、 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 HEV 混合驱动结构 (如图 7 所示 )11 ,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 (如图 8 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。 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。
11、但混合耦合方式的结构复杂 ,驱动控制相对麻烦。 2 各种动力方式比较及 HEV的研究方向和趋势 表 1 为从动力混合度、动力平顺性、结构复杂程度、耦合效率、控制难易度、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几点 : 1) HEV 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
12、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 HEV 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。 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
13、性和驾驶性能。 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件 ,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 12-13,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。 3 结 语 本文在详细研究国内外各种 HEV 传动系统的基础上 ,从动力合成方式的角度 ,将 HEV 的传动系统分为扭矩耦合式、转速耦合式、牵引力耦合式和混合耦合式 4 类 ;同时研究和总结了各种动力耦合方式的耦合规律和优缺点 ,并指出了 HEV 传动系统研究的方向和趋势。可为进一步开发设计紧凑、高效的 HEV 动力耦合
14、系统提供参考和依据。而对于 少齿差行星齿轮动力耦合系统它具有高度的耦合效率、简单的机械结构和低成本，在研究上也是非常可取的。 参考文献 1 王世新 ;徐勇 .混合电动汽车动力系 统的研究 J.机械研究与应用 .2005(12) 2 陈世全 . 混合动力电动汽车结构分析 J.汽车技术 .2001 3 孙逢春 ,何洪文 . 混合动力车辆的归类方法研究 J . 北京理工大学学报 , 2002 , 22 ( 1) : 40244. 4 梅小安，张乃平世界电动汽车技术发展状况及趋势 J汽车研究与开发， 2004， (2)； 19-23 5 陈清泉，孙逢春，祝嘉光现代电动汽车技术 M北京：北京理工大学出版
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