混合動力耦合系統(tǒng)研究綜述【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　電氣工程及自動化</b></p><p>　　混合動力耦合系統(tǒng)研究綜述</p><p>　　摘要：社會對環(huán)境和節(jié)能的重視有力地促進了混合動力電動車輛的發(fā)展。在混合動力電動汽車( HEV) 開發(fā)過程中,動力傳動系統(tǒng)處于重要地位。文中對HEV

2、動力系統(tǒng)開發(fā)的難點———動力耦合方式進行了分析和比較,研究和總結(jié)了各種動力耦合方式的耦合規(guī)律和優(yōu)缺點,指出了HEV 傳動系統(tǒng)研究的方向和趨勢。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：混合動力（HEV）；動力耦合；耦合方式。 </p><p><b>　　引言</b></p><p>　　混合動力電動汽車（HEV）將內(nèi)燃機、電動機與一定容量的蓄電池通過控

3、制系統(tǒng)相組合[1-2]，電動機可補充提供車輛起步、加速時所需轉(zhuǎn)矩，又可以存儲吸收內(nèi)燃機富余功率和車輛制動能量，從而可大幅度降低油耗，減少污染物排放?；旌蟿恿ζ囯m然沒有實現(xiàn)零排放，但其動力性、經(jīng)濟性和排放等綜合指標(biāo)能滿足當(dāng)前苛刻要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺的矛盾。</p><p>　　HEV 與傳統(tǒng)汽車及EV 的最大差別是其動力系統(tǒng),不同HEV 之間的最大差別是動力耦合方式與結(jié)構(gòu)。HEV 動力系統(tǒng)開發(fā)

4、的核心和實質(zhì)是如何將不同動力源的輸出動力進行合理、高效的合成與分解,從而提高汽車的燃油經(jīng)濟性。HEV 的動力耦合方式?jīng)Q定動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),也決定零部件的數(shù)量、種類及系統(tǒng)的控制策略;不同的動力耦合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致HEV 的適用條件和使用要求各不相同,開發(fā)難度也相差很大?？梢哉f,動力耦合形式與結(jié)構(gòu)決定HEV 動力系統(tǒng)研究開發(fā)的難度和方向,關(guān)系到產(chǎn)品開發(fā)的進度和水平,是HEV 開發(fā)中關(guān)鍵的一步。因此,對HEV 的動力耦合方式進行研究、分析和分類具有十分

5、重要的意義。</p><p>　　1 HEV動力耦合方式的分類與分析</p><p>　　HEV 的動力系統(tǒng)分類方式多種多樣,通常按照其驅(qū)動系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu),可將其分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)和電動輪四種典型結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)實施不同控制策略?？刂撇呗缘闹贫ㄊ腔旌蟿恿﹄妱悠嚢l(fā)的關(guān)鍵，因為其直接影響著能量在車輛內(nèi)部的流動及整車的性能。如今，控制策略研究作為電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，得到了國內(nèi)外汽車科技工作者

6、的普遍重視[3-6];而基于任務(wù)的現(xiàn)代分類方法,則把HEV 動力系統(tǒng)分為輕度混合型(MHV)[7] 、功率混合型( PHV) 和能量混合型( EHV) 3 類?；虬凑振詈衔恢煤婉詈喜考牟煌?將耦合系統(tǒng)分為變速箱耦合、傳動系耦合、行星機構(gòu)耦合等多種類型[8]。動力耦合主要是針對并聯(lián)或混聯(lián)式混合動力車的動力系統(tǒng)。本文根據(jù)多個動力源輸出動力耦合方式的不同,將HEV 動力系統(tǒng)分為扭矩耦合式、轉(zhuǎn)速耦合式、牽引力耦合式和混合耦合式4 類[9-10

7、]。</p><p>　　1. 1 　扭矩耦合式</p><p>　　扭矩耦合式動力系統(tǒng)是指2 個(多個) 動力源的輸出動力在耦合過程中, 兩動力源的輸出扭矩相互獨立,而輸出轉(zhuǎn)速必須互成比例,最終的合成扭矩是兩動力源輸出扭矩的耦合疊加, 而合成轉(zhuǎn)速則不是兩動力源輸出轉(zhuǎn)速的疊加,合成扭矩</p><p>　　2) 在中負(fù)荷運轉(zhuǎn)區(qū)域,氣門重疊角增大,提高內(nèi)部的廢氣再循環(huán)

8、率,可以控制NOx 的產(chǎn)生和減少HC 的含量。而且,氣門重疊角的增大會使進氣管的負(fù)壓降低,減少動力損失。</p><p>　　3) 在高負(fù)荷低速運轉(zhuǎn)區(qū)域,使進氣門提前關(guān)閉(提前角) ,提高充氣效率,得到最大的氣門重疊角(最大提前角)式中:η、k 分別為耦合效率和從動力源2 到動力源1的傳動比。依據(jù)機械結(jié)構(gòu)的不同,扭矩耦合方式又可分為齒輪耦合、磁場耦合、鏈或帶耦合3 種。</p><p>　

9、　1. 1. 1 　齒輪耦合式</p><p>　　這種動力耦合方式通過嚙合齒輪(組) 將多個輸入動力合成在一起而輸出。深圳明華環(huán)保汽車有限公司開發(fā)的一款復(fù)合電動環(huán)保汽車動力轉(zhuǎn)換器就屬于此類型。</p><p><b>　　圖1 齒輪耦合式</b></p><p>　　這種耦合方式結(jié)構(gòu)簡單,可以實現(xiàn)單輸入、雙輸入等多種驅(qū)動方式,耦合效率較高,

10、控制相對簡單;但由于齒輪是剛性嚙合的,在動力切換、耦合過程中易產(chǎn)生沖擊。</p><p>　　1. 1. 2 　磁場耦合式</p><p>　　這種耦合方式是將電機的轉(zhuǎn)子與發(fā)動機輸出軸做成一體,通過磁場作用力將電機輸出動力與發(fā)動機輸出動力耦合在一起。</p><p><b>　　圖2 磁場耦合式</b></p><p>

11、;　　這種耦合方式耦合效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,耦合沖擊小,能量回饋方便、效率高;但混合度(電機功率與發(fā)動機功率之比) 低,電機一般只能起輔助驅(qū)動的作用。由于電機轉(zhuǎn)子具有一定的慣性,所以多用于輕度混合的電動車上。</p><p>　　1. 1. 3 　鏈或帶耦合式</p><p>　　這種耦合方式通過鏈條或皮帶將兩動力源輸出動力進行合成。圖中為帶耦合式傳動結(jié)構(gòu)。為滿足電機大功率的需求,在原來12

12、V 的基礎(chǔ)上串聯(lián)36V 電池。</p><p>　　圖3 鏈或帶耦合式</p><p>　　鏈或帶耦合結(jié)構(gòu)簡單,沖擊小,但是耦合效率低。動力學(xué)和運動學(xué)規(guī)律與齒輪耦合式一致。</p><p>　　1. 2 　轉(zhuǎn)速耦合式</p><p>　　轉(zhuǎn)速耦合式動力系統(tǒng)是指2 個(多個) 動力源的輸出動力在耦合過程中,兩動力源的輸出轉(zhuǎn)速相互獨立,而輸出扭

13、矩必須互成比例,最終的合成轉(zhuǎn)速是兩動力源輸出轉(zhuǎn)速的耦合疊加,合成扭矩則不是兩動力源輸出扭矩的疊加, , p、q 由耦合器的結(jié)構(gòu)確定。依據(jù)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的不同,轉(zhuǎn)速耦合方式又可分為行星齒輪式和差速器式2 種。</p><p>　　1. 2. 1 　行星齒輪式</p><p>　　這是一種普遍采用的動力耦合形式,通常發(fā)動機輸出軸與太陽輪連接,電機與齒圈連接,行星架作為輸出端。</p>

14、<p><b>　　圖4行星齒輪式 </b></p><p>　　行星齒輪式耦合的結(jié)構(gòu)簡單,傳動效率高(約98 %) ,混合程度高,并且還可實現(xiàn)多形式驅(qū)動,動力切換過程中沖擊較小,但整車驅(qū)動控制難度增大。少齒差行星齒輪耦合也是行星齒輪耦合的一種，它具備了行星齒輪的特點傳動率高、結(jié)構(gòu)簡單。</p><p>　　1. 2. 2 　差速器式</p>

15、<p>　　差速器實際上是行星齒輪系k = 1 時的一種特殊情況。對一般差速器,將動力分解,對此逆用即可實現(xiàn)動力的耦合。</p><p><b>　　圖5差速式</b></p><p>　　差速器耦合方式與行星齒輪耦合方式基本類似,只是二者對發(fā)動機和電機的動力性能要求不同,從而導(dǎo)致HEV 動力混合程度高低不同。差速器式HEV 要求發(fā)動機和電機動力參數(shù)相當(dāng),動

16、力混合程度比較高。</p><p>　　1. 3 　牽引力耦合式</p><p>　　這種耦合方式比較特殊,發(fā)動機驅(qū)動汽車前輪(后輪) ,電機驅(qū)動后輪(前輪) ,通過前后車輪驅(qū)動力將多個動力源輸出動力合成在一起。</p><p><b>　　圖6牽引力耦合式</b></p><p>　　這種耦合方式結(jié)構(gòu)簡單,改裝方便,可

17、實現(xiàn)單、雙模式驅(qū)動及制動再生多種驅(qū)動方式,但整車的驅(qū)動控制更為復(fù)雜。</p><p>　　1. 4 　混合耦合式</p><p>　　混合耦合式是一種采用前面2 種或2 種以上耦合方式的動力耦合方式。如日本豐田汽車公司開發(fā)的Pruis HEV 混合驅(qū)動結(jié)構(gòu)(如圖7 所示)[11] ,發(fā)動機與發(fā)電機的動力耦合是行星齒輪式,之后兩者的合成動力又與電機動力進行齒輪式耦合,最終的合動力驅(qū)動差速器;

18、再如福特汽車公司的Escape (如圖8所示) ,其動力合成是磁場扭矩耦合與行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合2 種方式的結(jié)合;此外,美國加州大學(xué)提出的一種先進、高效HEV 傳動系統(tǒng)的動力合成也采用混合耦合方式。</p><p>　　混合耦合方式將幾種耦合方式相結(jié)合,可方便地實現(xiàn)多模式驅(qū)動,還可實現(xiàn)三動力源輸出或更多動力源輸出的耦合;能量回饋容易,動力混合度高。但混合耦合方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,驅(qū)動控制相對麻煩。</p>&

19、lt;p>　　2 各種動力方式比較及HEV的研究方向和趨勢</p><p>　　表1 為從動力混合度、動力平順性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、耦合效率、控制難易度、能否實現(xiàn)多模式驅(qū)動及造價等角度對以上各動力耦合方式進行評價的結(jié)果。通過分析和比較,結(jié)合國內(nèi)外HEV 研究和發(fā)展現(xiàn)狀,一款理想、高效、緊湊、經(jīng)濟的HEV 動力系統(tǒng)必須具備以下幾點:</p><p>　　1) HEV 要有高效方便的能量回收

20、功能。能量回收是提高HEV 燃油經(jīng)濟性的最有效途徑之一,特別是對城市行駛車輛。</p><p>　　2) 要從根本上提高燃油經(jīng)濟性, 減少排放,HEV 的機(內(nèi)燃機動力) 電(電機動力) 混合度不能太低。因為混合度太低,則接近一般燃油汽車,很難達(dá)到預(yù)期效果。但從目前國內(nèi)外HEV 技術(shù)研究水平來看,混合度也不能太高,因為太高,電力驅(qū)動起主要作用,勢必會增加電池的重量,增加車重,反而增大燃油消耗。</p>

21、<p>　　3) 要使發(fā)動機一直工作于理想工況, HEV 驅(qū)動系統(tǒng)必須具有無級變速功能。HEV 能提高燃油經(jīng)濟性、降低排放的關(guān)鍵是在車輛運行時改善發(fā)動機工作狀況,使其工作于經(jīng)濟工況下,而徹底解決這一問題的方法就是采用無級變速。采用無級變速傳動還可大大提高制動能量再生效率。</p><p>　　4) HEV 多能源輸出的動力耦合或動力切換(驅(qū)動模式從一個動力源切換到另一個動力源) 要平順,以保證汽車的

22、行駛平順性和駕駛性能。</p><p>　　5) HEV 傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)要盡可能緊湊、高效,復(fù)雜功能的實現(xiàn)盡可能依靠電子軟件,以降低整車制造成本,為批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。</p><p>　　以上是目前HEV 動力傳動系統(tǒng)研制的方向和趨勢[12-13],也是現(xiàn)階段使HEV 達(dá)到較高燃油經(jīng)濟性、較低排放的理想措施。</p><p><b>　　3 　結(jié)　語&

23、lt;/b></p><p>　　本文在詳細(xì)研究國內(nèi)外各種HEV 傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,從動力合成方式的角度,將HEV 的傳動系統(tǒng)分為扭矩耦合式、轉(zhuǎn)速耦合式、牽引力耦合式和混合耦合式4 類;同時研究和總結(jié)了各種動力耦合方式的耦合規(guī)律和優(yōu)缺點,并指出了HEV 傳動系統(tǒng)研究的方向和趨勢。可為進一步開發(fā)設(shè)計緊湊、高效的HEV 動力耦合系統(tǒng)提供參考和依據(jù)。而對于少齒差行星齒輪動力耦合系統(tǒng)它具有高度的耦合效率、簡單的機械

24、結(jié)構(gòu)和低成本，在研究上也是非?？扇〉?。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　王世新;徐勇.混合電動汽車動力系統(tǒng)的研究[J].機械研究與應(yīng)用.2005(12)</p><p>　　陳世全. 混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)分析[J].汽車技術(shù).2001</p><p>　　孫逢春,何洪文. 混合動力車輛的

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28、.2003</p><p>　　[11] Prius product information 2000.PR-E-00UJ03,TOYOTA.July 2000. </p><p>　　[12] 黃賢廣,林　逸,何洪文,等. 混合動力汽車機電動力耦合系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J ] . 上海汽車,2006 (7) .</p><p>　　[13] 馬友良. 混合動力電動汽