插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力耦合機(jī)理研究本科生

1、 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中文題目 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)耦合機(jī)理研究 英文題目 a research on the principle of dynamic coupling system in the plug-in hybrid electric vehicles 學(xué)生姓名 柴本本 班級(jí) 441002班 學(xué)號(hào) 44100213 學(xué) 院 交通學(xué)院 專 業(yè) 汽車運(yùn)用工程（交通運(yùn)輸類） 指導(dǎo)教師 任有 職稱 副教授 1吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）承諾書 本人鄭重承諾：所呈交的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、調(diào)研等工作基礎(chǔ)上取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用

2、的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。對(duì)本人實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)中做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中以明確的方式注明。本人完全意識(shí)到本承諾書的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 年 月 日摘要 插電式混合動(dòng)力汽車作為傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車向純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型的中間產(chǎn)物，它憑借其良好的節(jié)能環(huán)保效果和優(yōu)越的續(xù)駛能力受到人們的青睞。動(dòng)力電池與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的耦合控制直接關(guān)系到整車性能的好壞。本文把動(dòng)力耦合裝置簡化為一個(gè)三端口、兩自由度的控制模型，通過鎖止行星齒輪機(jī)構(gòu)的不同組件來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池之間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率耦合。在此基礎(chǔ)上，提出了一種由行星齒輪組件和齒輪副

3、組合而成的動(dòng)力耦合裝置，它能夠?qū)崿F(xiàn)不同耦合方式間的自由切換。為了驗(yàn)證此種耦合裝置對(duì)提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的效果，進(jìn)行了整車仿真分析。首先通過積分變化建立了動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；然后在matlab/simulink中搭建了各個(gè)子模塊的控制模型，采用前向仿真的方式在cruise中搭建了整車仿真平臺(tái)，把控制模型和整車模塊進(jìn)行對(duì)接；最后對(duì)在nedc和ftp75循環(huán)工況下得到了整車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果。相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，此種動(dòng)力耦合裝置的插電式混合動(dòng)力汽車具有很好的節(jié)能效果，其動(dòng)力性也能很好的滿足人們?nèi)粘Ｊ褂玫男枰?。關(guān)鍵詞：插電式；耦合；前向仿真；行星齒輪 ；simulink；cruise；a

4、bstract more and more attention is drew to the plug-in hybrid electric vehicles in public because of its excellent performance in fuel-economic and environment protection , and long driving range .the vehicles act as intermediate products from conventional hybrid electric vehicles to pure electric v

5、ehicles. the control of the dynamical coupling between the engine and the battery makes a big difference to the performance of the vehicles. in this thesis, the coupling equipment is simplified as a three-port system with two freedom. a certain coupling relationship between the engine and motor by s

6、peed, torque and power is got by locking different pack of the planetary gear. a new coupling equipment combining a gear set and planetary gear set comes up in this dissertation. it can shift freely among the different types of the coupling. it is essential to perform the simulation of the vehicle t

7、o verify the improvement in fuel- economic and dynamics of this device. first ,a series of mathematical models are established through integral transformation. next ,the sub-modulars of the control system are set up in the matlab/simulink. at the same time a forward-simulation vehicle model is found

8、ed in the software named cruise. therefore it is time to make a connection between the two models above. finally, the simulation is implemented during the nedc and ftp75 driving cycle to get the result of the economic and dynamic. as the result ,the fuel-economic and power of the plug-in electric ve

9、hicles mounted this coupling device can satisfy the needs of the public as expected.keywords : plug-in, coupling, forward-simulation, planetary gear, simulink, cruise目錄第一章 緒論11.1插電式混合動(dòng)力汽車的研究背景11.2國外插電式混合動(dòng)力汽車（phev）技術(shù)發(fā)展簡介21.3 國內(nèi)phev技術(shù)發(fā)展概況4第二章 混合動(dòng)力汽車的分類和動(dòng)力耦合原理42.1混合動(dòng)力汽車的概念和動(dòng)力總成52.2串聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車52.3并聯(lián)結(jié)

10、構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車62.4混聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車72.5 phev的動(dòng)力耦合裝置82.5.1動(dòng)力耦合系統(tǒng)的概念82.5.2動(dòng)力耦合系統(tǒng)的功能92.5.3動(dòng)力耦合系統(tǒng)的分類9本章小結(jié)13第三章 phev的動(dòng)力動(dòng)力耦合系統(tǒng)分析與建模153.1 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)153.2插電式混合動(dòng)力車輛性能參數(shù)163.3插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)建模163.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型163.3.2 電機(jī)模型173.3.3 電池模型183.4汽車行駛動(dòng)力學(xué)模型19第四章 插電式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究214.1 插電式混合動(dòng)力車輛控制策略概述214.2基于aer的插電式混合動(dòng)力汽車控制策略2

11、24.3插電式混合動(dòng)力汽車電池組工作模式分析224.3.1電量消耗模式224.3.2電量保持模式244.4 phev 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制策略24第五章phev動(dòng)力耦合系統(tǒng)仿真分析265.1 仿真軟件cruise的介紹265.2 整車模型的建立265.3 動(dòng)力耦合系統(tǒng)子模塊的建立285.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)功率分配模塊285.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂颇K295.3.3 電機(jī)控制模塊305.3.4 動(dòng)力耦合器模塊315.3.5 再生制動(dòng)模塊325.4 整車性能仿真結(jié)果與分析335.4.1動(dòng)力性仿真結(jié)果345.4.2經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果375.4.3電機(jī)的工作情況375.4.4動(dòng)力電池的情況38本章小結(jié)39結(jié)論40

12、致謝41參考文獻(xiàn)42 第一章 緒論1.1插電式混合動(dòng)力汽車的研究背景 “能源、環(huán)境和安全成為二十一世紀(jì)汽車行業(yè)發(fā)展的三大主題”。在世界范圍內(nèi)，隨著能源危機(jī)的日益加劇和地球環(huán)境的逐漸惡化，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展遇到了由資源和環(huán)境帶來的雙重挑戰(zhàn)。在能源問題中最為突出的是車用能源供應(yīng)體系對(duì)石化燃料的高度依賴。目前，石油成為全世界依賴度最深的能源，而汽車運(yùn)行材料幾乎全部依賴于石油的煉制品。國際能源機(jī)構(gòu)對(duì)能源消耗分布的的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：全球的交通運(yùn)輸領(lǐng)域在石油的消耗占所有行業(yè)石油消耗量的一半以上，并且呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2020年將占全球石油總消耗的以上。全球機(jī)動(dòng)車的保有量也在逐年

13、增加，在2012年的銷售統(tǒng)計(jì)中，已經(jīng)超過了十億輛，每年都在以三千萬輛的速度增長，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉將達(dá)到三十五億輛。隨著全世界汽車保有量的持續(xù)高速增長，汽車上日益增多的能源消費(fèi)與有限的石油資源供應(yīng)之間的矛盾日趨突出。中國的石油資源相對(duì)比較貧乏，從 1993 年起中國的石油已經(jīng)不能滿足本國的消費(fèi)需求，首度成為石油凈進(jìn)口國，此后石油的對(duì)外依存度以很快的速度逐年增加。2009 年我國石油對(duì)外依存程度已經(jīng)高達(dá)，超過百分之五十的，這意味著中國能源已經(jīng)從 向方向轉(zhuǎn)變，2011年甚至超過了美國，達(dá)到56.%。隨著能源消費(fèi)的持續(xù)快速增長，我國石油的對(duì)外依賴度仍將不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到 2015年將達(dá)到百分之六十，20

14、20年達(dá)到百分之六十五，對(duì)汽車行業(yè)而言，到 2020年我國汽車用油缺口預(yù)計(jì)將達(dá)到數(shù)億噸1。 環(huán)境污染方面最為突出的影響是由汽車尾氣排放而引起的大氣污染。據(jù)國家環(huán)境部門統(tǒng)計(jì)，2010年，我國機(jī)動(dòng)車排放污染物總量高達(dá)5.2億噸，在這當(dāng)中，汽車排放的污染物總量最多。隨著人民生活條件的改善，道路的服務(wù)水平不斷提高，隨之而來的是汽車總量的迅速增加，汽車尾氣排放量將會(huì)急劇增多。目前，汽車尾氣排放已成為影響各城市大氣污染程度的關(guān)鍵因素之一。此外，能夠造成溫室效應(yīng)的二氧化碳?xì)怏w排放中，有百分之二十五是來自于汽車尾氣，我國的二氧化碳排放量已居全球第二位。汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，成為大氣環(huán)境污染中最

15、為棘手和亟待解決的問題之一2。發(fā)展和推廣使用新能源汽車也是實(shí)現(xiàn)我國能源戰(zhàn)略安全和保持汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。就目前的技術(shù)條件和制造水平而言，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車存在一些關(guān)鍵技術(shù)上的難題而沒有得到推廣?；旌蟿?dòng)力汽車則具有較好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，還能有效的解決傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)帶來的能耗和排放問題，因此得到各大汽車廠商的青睞，得到快速的推廣和應(yīng)用。表1.1詳細(xì)比較了混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)與不足4。表1.1 純電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn) 近年來插電式混合動(dòng)力汽車（plug-in hybrid electric vehicle: phev）是大家研究的一個(gè)新

16、方向。插電式混合動(dòng)力汽車（phev）是指具有大容量動(dòng)力電池并且可以利用外界電網(wǎng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)充充電的混合動(dòng)力汽車。插電式混合動(dòng)力車輛可以僅在動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)時(shí)行駛較長的里程，在動(dòng)力電池能量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)，切換到傳統(tǒng)的混合動(dòng)力模式下工作，因此它可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)零排放，而且還可以利用外部公用電網(wǎng)設(shè)施對(duì)車載動(dòng)力電池組進(jìn)行充電，減少燃油的消耗，降低車輛使用成本5。phev能夠很好發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)m(xù)駛里程遠(yuǎn)和電動(dòng)汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)，集節(jié)能環(huán)保于一身。因此國內(nèi)外各大汽車制造廠商都把插電式混合動(dòng)力汽車列為自己重點(diǎn)研發(fā)的項(xiàng)目，認(rèn)為其具有很好的應(yīng)用前景。1.2國外插電式混合動(dòng)力汽車（phev）技術(shù)發(fā)展

17、簡介 美國政府十分重視插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，在2008年其能源部就宣布了相關(guān)的插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)的研發(fā)與示范計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃大約為期三年（20082010年），先后投入了3000萬美元用以phev的研發(fā)，而且在不同地區(qū)進(jìn)行了實(shí)車道路運(yùn)行試驗(yàn)，不斷提高改進(jìn)電池性能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在純電動(dòng)模式下行駛40mile的目標(biāo)。最具代表的車型是通用汽車公司在2007年的底特律車展上發(fā)布的volt概念車。通用汽車公司在2008年9月發(fā)布了的雪佛蘭4座插電式混合動(dòng)力汽車volt的量產(chǎn)車型，在2010年下半年該系列車型在美國底特律的整車工廠生產(chǎn)發(fā)售6。圖1.1 美國插電式混合動(dòng)力汽車volt雪佛蘭 volt 電

18、動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電池之間采用的是串聯(lián)的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力不是直接用來驅(qū)動(dòng)車輛前行，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力用來為動(dòng)力電池發(fā)電，動(dòng)力電池通過線控傳動(dòng)技術(shù)帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。純電動(dòng)行駛里程約為64km。16.5kw的鋰離子動(dòng)力電池組箱體采用t型結(jié)構(gòu)，長1.7米，布置于車體中部和后排座椅下。除volt 以外，美國開發(fā)的插電式混合動(dòng)力汽車代表車型如下7： 通用汽車公司的green line整車使用鋰離子電池作為電池組，其在純電動(dòng)狀態(tài)下續(xù)駛里程大約15 mile（約24 km）； 通用汽車公司的 saturn concept，在電動(dòng)汽車平臺(tái)開發(fā)，采用“e-flex”串聯(lián)方式，純電動(dòng)續(xù)駛里程達(dá)34 mile（

19、約54km）； 福特汽車公司的escape混合動(dòng)力suv，采用功率為10kw的鋰電池組，純電動(dòng)續(xù)駛里程達(dá)30 mile（約48 km）。在日本，豐田是最早開始研發(fā)混合動(dòng)力汽車（hev）的汽車公司。豐田公司的prius是全球銷量最高的混合動(dòng)力汽車，該公司在prius車型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了插電式混合動(dòng)力汽車。2009年，豐田公司推出了第三代prius插電式混合動(dòng)力車型 。第三代prius插電式混合動(dòng)力，整車搭載了高性能的鋰離子動(dòng)力電池，額定電壓為345v，電池容量達(dá)到，可以通過普通的居民用電為其進(jìn)行補(bǔ)充充電。這款車在城市循環(huán)工況下純電動(dòng)行駛里程為25 km，純電動(dòng)行駛時(shí)最高車速可達(dá)100 km/h8

20、。本田公司也是日本研發(fā)量產(chǎn)銷售混合動(dòng)力汽車最早的汽車制造商之一。本田公司開發(fā)的 insight 混合動(dòng)力汽車燃油效率很高，燃油經(jīng)濟(jì)性可達(dá)。接著本田公司在2002年推出了思域混合動(dòng)力車 civic hybrid，該車型具有很好的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。2004年12月，本田推出一款混合動(dòng)力版accord，該車配備先進(jìn)的燃料混合系統(tǒng)和可變氣缸管理技術(shù)，使得燃油經(jīng)濟(jì)性得到大幅度的提高9。歐洲各大汽車公司也十分重視插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)。法國雷諾汽車公司研制的和兩款插電式混合動(dòng)力汽車已在法國進(jìn)行了一萬公里的道路運(yùn)行試驗(yàn)。瑞典的沃爾沃汽車公司開發(fā)了一款插電式混合動(dòng)力卡車，該車型是基于沃爾沃改裝而成的，最高

21、車速達(dá)。大眾汽車公司與德國政府制定了共同開發(fā)插電式混合動(dòng)力汽車的新能源合作計(jì)劃，2011年大眾公司成功研發(fā)出第六代高爾夫插電式概念車。奔馳汽車公司在2009年法蘭克福車展上推出了插電式混合動(dòng)力，該車純電動(dòng)行駛里程可達(dá)。寶馬汽車公司也推出了插電式渦輪增壓柴油混合動(dòng)力概念車寶馬 vision efficient dynamics10。1.3 國內(nèi)phev技術(shù)發(fā)展概況 中國政府很早就認(rèn)識(shí)到新能源汽車對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和節(jié)能環(huán)保的巨大促進(jìn)作用，1992年，國家科工委第一次把電動(dòng)汽車列入國家重大攻關(guān)項(xiàng)目，1996年把電動(dòng)汽車列入國家“九五”重大產(chǎn)業(yè)研發(fā)項(xiàng)目。科技部在“十五”規(guī)劃期間特別成立了“863電動(dòng)汽車重大

22、專項(xiàng)”。作為純電動(dòng)汽車的前期產(chǎn)品，插電式混合動(dòng)力汽車在中國的研發(fā)處于剛剛起步階段，各大整車廠家都在積極進(jìn)行技術(shù)探索和產(chǎn)品引進(jìn)。在中國的汽車制造商中，比亞迪在汽車電池的研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新方面一直走在前列，在這次產(chǎn)業(yè)技術(shù)浪潮中走在了前列，成為國內(nèi)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的領(lǐng)軍人物11。在開始階段，比亞迪在2008年推出了一款tx2雙模電動(dòng)車，這款汽車具有純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式，可以通過家庭電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充充電來在純電動(dòng)模式下運(yùn)行，也可以通過在加油站補(bǔ)充加油提高它的續(xù)航能力。駕駛者通過簡單的操作，即可輕松實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式之間的自由切換。此外，比亞迪還推出了雙模電動(dòng)車，該車使用比亞迪自主研發(fā)的鐵電

23、池，這種電池的原材料廣泛、無污染、可回收，其耐熱性、抗壓性都已達(dá)到國家要求的使用標(biāo)準(zhǔn)，而且電池循環(huán)充電能力非常好，在2000次充放電之后電池容量還能保持以上，在實(shí)際使用過程中可達(dá)到4000次左右。2012年比亞迪推出了全新的插電式混合動(dòng)力汽車秦，該車混合動(dòng)力模式下零到百公里加速時(shí)間僅為5.9秒，運(yùn)行最高車速可達(dá)，節(jié)油效果顯著，百公里油耗在3l以內(nèi)。在純電動(dòng)模式下，秦能夠達(dá)到將近50公里的行駛里程，能夠滿足人們?cè)谑袃?nèi)日常出行的需要。長途旅行可以開啟混合動(dòng)力模式，也可以采用1.5tid的黃金動(dòng)力總成單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，完美體現(xiàn)了插電式混合動(dòng)力汽車的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)12。第二章 混合動(dòng)力汽車的分類和動(dòng)力耦合原理2.1

24、混合動(dòng)力汽車的概念和動(dòng)力總成國際電氣工程協(xié)會(huì)對(duì)的定義為：以兩種或兩種以上儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)或者能量轉(zhuǎn)換裝置作為動(dòng)力源，至少有一種動(dòng)力源通過電能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)行駛的車輛13。在這個(gè)比較寬泛的定義中，凡是具有多個(gè)動(dòng)力來源，且能夠采用電能驅(qū)動(dòng)的車輛都可以稱作混合動(dòng)力車輛，因此可以把混合動(dòng)力汽車分為油電混合、氣電混合、電電混合等多種不同的混合行式。本文采用已被廣泛接受的傳統(tǒng)hev概念：是指以混合作為能源組合方式，整車采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的汽車。動(dòng)力總成是混合動(dòng)力汽車最為核心的總成部件，它是汽車上用來存儲(chǔ)、傳遞和轉(zhuǎn)化能量并且為車輛提供符合驅(qū)動(dòng)要求功率的所有裝置或機(jī)構(gòu)的總稱，具體包括車載能源、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和其他

25、輔助裝置四個(gè)部分。（1） 車載能源一般是指汽車上用于存儲(chǔ)其他形式的能量或把其他形式的能量進(jìn)行初始轉(zhuǎn)化進(jìn)而向動(dòng)力裝置提供最初機(jī)械能的部件或者總成。例如，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的車載載能源為油箱，燃料電池電動(dòng)汽車的車載能源由氫氣罐或儲(chǔ)氫金屬和燃料電池堆兩部分組成。（2） 動(dòng)力裝置是用于把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為車輛行駛所需機(jī)械能的裝置，并直接作為傳動(dòng)系的輸入，如傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)，電動(dòng)汽車的電機(jī)。（3） 傳動(dòng)系是用于調(diào)節(jié)和傳遞動(dòng)力裝置輸出的動(dòng)力，使之與汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪處要求的理想動(dòng)力達(dá)到較好的匹配的所有部件的總稱。傳動(dòng)系與動(dòng)力裝置配合工作，保證汽車能夠行駛在不同的工況條件下，同時(shí)能夠滿足車輛動(dòng)力性的要求，得到盡

26、可能低的燃料經(jīng)濟(jì)性。（4） 輔助裝置是指在汽車傳動(dòng)系中，用于從動(dòng)力裝置中獲取動(dòng)力，區(qū)別于直接驅(qū)動(dòng)車輛，主要用于維持汽車良好的調(diào)控特性、舒適性等所有部件的總稱。插電式混合動(dòng)力汽車本身就是一種混合動(dòng)力汽車，主要區(qū)別在于它的車載動(dòng)力電池組能夠利用電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充充電，純電動(dòng)續(xù)駛里程比較長，在動(dòng)力電池電量不足時(shí)，仍可以工作在混合動(dòng)力模式。因此，插電式混合動(dòng)力的動(dòng)力電池組的容量比較大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率比較大，而發(fā)動(dòng)機(jī)的排量相對(duì)于常規(guī)的混合動(dòng)力汽車來說比較小。一般情況下，在動(dòng)力電池組經(jīng)過電網(wǎng)完成充電后，汽車在行駛時(shí)首先在純電動(dòng)模式下工作，直至動(dòng)力電池組電量達(dá)到所規(guī)定的極限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行，整車自動(dòng)切換到傳統(tǒng)的

27、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，而此時(shí)動(dòng)力電池組保持在一個(gè)較低電量的狀態(tài)，直至經(jīng)過下一次電網(wǎng)充電。插電式混合動(dòng)力汽車按照動(dòng)力傳動(dòng)的路線以及發(fā)動(dòng)機(jī)和車載電源之間能量耦合的方式不同可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，下文具體介紹幾種形式的插電式混合動(dòng)力汽車的工作原理和特點(diǎn)。2.2串聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、逆變器組成，如圖 2.1。在開始起步階段，蓄電池提前經(jīng)過一個(gè)周期的充電，電量充足，此時(shí)在整車控制器的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，蓄電池提供汽車行駛的全部動(dòng)力，即為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)汽車需要加速行駛時(shí)，加速功率超過蓄電池所能提供的最大功率時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)開始

28、驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)與蓄電池共同提供的能量經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化成定頻定壓的電流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而為驅(qū)動(dòng)輪提供加速轉(zhuǎn)矩，此時(shí)進(jìn)入發(fā)電機(jī)和蓄電池混合驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)汽車完成加速進(jìn)入勻速行駛模式時(shí)，所需的功率減小，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能輸出較高的功率，除滿足車輛行駛外，剩余的電量為蓄電池進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)充充電；如果汽車在減速行駛時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于車輪轉(zhuǎn)速，電機(jī)被反拖發(fā)電，制動(dòng)能量回饋利用，為蓄電池進(jìn)行充電。圖2.1 串聯(lián)式phev的結(jié)構(gòu)簡圖由此可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輪，而是用來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，和蓄電池一起來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或?qū)π铍姵剡M(jìn)行補(bǔ)充充電，車輛的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)，能夠很好地匹配驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)

29、動(dòng)系之間布置了起緩沖作用的電動(dòng)機(jī)，取消了二者的機(jī)械裝置連接，這樣可以在很大程度上減少路面上的瞬態(tài)載荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠優(yōu)化自身的燃油噴射和點(diǎn)火正時(shí)控制，使其工作在十分理想的工況點(diǎn)附近，獲得較好的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)常保持在高效、穩(wěn)定、低污染的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)中需要將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及蓄電池等幾大部件總成裝配在車身底盤上，雖然它們之間大都是采用電氣連接，在布置時(shí)可以不考慮彼此間位置的影響，但各個(gè)子部件的額定功率相對(duì)較大，使得整體的外形尺寸和整車質(zhì)量也隨之增大，所需的布置空間就比較大，因此，在中小型汽車上布置存在一定困難。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最末端只有一

30、條能量提供路線，如果電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，車輛將不能正常運(yùn)行。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中能量傳遞鏈較長，在的相互轉(zhuǎn)換過程中，能量損失比較大。源于發(fā)動(dòng)機(jī)的能量經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換過程才傳遞驅(qū)動(dòng)輪，能量的綜合利用效率相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的一次轉(zhuǎn)化較低，因此串聯(lián)結(jié)構(gòu)的phev適合在城市大型客車上使用。2.3并聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車并聯(lián)式phev的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，汽車行駛的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池-電動(dòng)機(jī)單獨(dú)或者通過機(jī)電耦合裝置聯(lián)合提供。在汽車起步加速時(shí)，根據(jù)駕駛員踩下加速踏板的力度，整車控制器判斷是采用純電動(dòng)模式還是混合驅(qū)動(dòng)模式。汽車緩慢加速時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，則動(dòng)力僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)提供；如果所需加速功率較小，則采用純

31、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)車輛在低速巡航行駛時(shí)，由于整車所需功率較小，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷低效率區(qū)域，采用純電動(dòng)模式；當(dāng)車輛行駛速度很高時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作區(qū)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，整車進(jìn)入混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，在這個(gè)階段通過增加蓄電池-電動(dòng)機(jī)輸出的功率來滿足汽車急加速重載荷的工作條件。當(dāng)汽車高速巡航時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，為了提高整車的能量利用效率，僅有發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)汽車減速制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，此時(shí)車輪帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電模式為動(dòng)力電池充電。圖2.2 并聯(lián)式phev的結(jié)構(gòu)簡圖由于并聯(lián)式phev主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池-電動(dòng)機(jī)兩大總成組成，兩大動(dòng)力總成可以進(jìn)行功率疊加，當(dāng)發(fā)

32、動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的功率比較低時(shí)仍能滿足要求，因此可以大大縮減動(dòng)力系統(tǒng)裝配所需的空間，降低了的整備質(zhì)量，使整車生產(chǎn)成本大幅降低。并聯(lián)式 phev的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以通過機(jī)械聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)橋直接相聯(lián)接，在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋的聯(lián)軸器間有電磁離合器可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力，能量利用效率較高。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車在低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低，后備功率沒有得到充分利用，燃油經(jīng)濟(jì)性較差，而并聯(lián)式phev此時(shí)可以只用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛，或者使發(fā)動(dòng)機(jī)保持比較合理的負(fù)荷狀態(tài)，后備功率用來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，給動(dòng)力電池補(bǔ)充充電。相比于串聯(lián)式phev，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)都可以直接向驅(qū)動(dòng)輪提供轉(zhuǎn)矩，不存在能量的轉(zhuǎn)換，

33、能量損失少；由于不需要附加的發(fā)電機(jī)，而且電動(dòng)機(jī)相比于串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)要小，因此結(jié)構(gòu)緊湊。 2.4混聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)具備了并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電耦合以及串聯(lián)式混合動(dòng)力的電電耦合的特點(diǎn)?；炻?lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力裝置同時(shí)集成了并聯(lián)結(jié)構(gòu)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)的功能，其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。當(dāng)蓄電池具有較高的電量且滿足整車行駛所需求的功率時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷和燃油消耗低效率區(qū)域，混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)以純電動(dòng)工作模式工作，關(guān)閉車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池給電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)車輪前行；當(dāng)車輛需求功率增加或者蓄電池能量偏低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作，若發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率滿足汽車行駛所需功率且蓄電池

34、不需要充電時(shí)，此時(shí)僅有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功 率分為兩部分，一部分通過行星齒輪直接輸出給驅(qū)動(dòng)輪，另一部分經(jīng)過行星齒輪、發(fā)電機(jī)、逆變器和電動(dòng)機(jī)后供驅(qū)動(dòng)輪使用；當(dāng)汽車需要更大的功率時(shí)，整車工作在混合動(dòng)力模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池同時(shí)供能；若蓄電池能量不足或者發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量富裕時(shí)，實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)向蓄電池強(qiáng)制充電工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力分為三部分，一部分通過行星齒輪機(jī)構(gòu)直接輸送給驅(qū)動(dòng)車輪，一部分經(jīng)過發(fā)電機(jī)、逆變器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化后平衡車輛負(fù)載，一部分經(jīng)過發(fā)電機(jī)、逆變器轉(zhuǎn)化之后為蓄電池充電。圖2.3 混聯(lián)式phev的結(jié)構(gòu)簡圖混聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合裝置的驅(qū)動(dòng)模式的控制策略是：在汽車低速小功率行駛時(shí)，動(dòng)力

35、系統(tǒng)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合輸出動(dòng)力，充分消耗動(dòng)力電池儲(chǔ)存的能量，從而獲得較好的排放性能；當(dāng)汽車高速大功率行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)則采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為車輛提供足夠的功率，獲得較好的動(dòng)力性?；炻?lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力分配裝置，這種機(jī)構(gòu)有兩個(gè)自由度，可以自由的控制兩個(gè)動(dòng)力源，車輛并不是單純的串聯(lián)結(jié)構(gòu)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而是兩種驅(qū)動(dòng)形式并存?；炻?lián)式插電混合動(dòng)力汽車集中了串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力車輛的優(yōu)點(diǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)了在不同的行駛條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和動(dòng)力電池組之間轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的合理分配，充分發(fā)揮了插電式混合動(dòng)力車輛低油耗、低排放的特點(diǎn)。但是混聯(lián)式phev的動(dòng)力系統(tǒng)在控制器的設(shè)計(jì)和動(dòng)

36、力之間的耦合轉(zhuǎn)換變得更為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)動(dòng)力耦合裝置的可靠性要求比較高13-15。2.5 phev的動(dòng)力耦合裝置2.5.1動(dòng)力耦合系統(tǒng)的概念混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一般都有兩個(gè)動(dòng)力源，這兩個(gè)動(dòng)力源發(fā)出的動(dòng)力需要通過一定的機(jī)械或電氣裝置進(jìn)行整合疊加之后再經(jīng)過傳動(dòng)裝置輸送給驅(qū)動(dòng)車輪來供車輛利用。動(dòng)力耦合裝置就是把混合動(dòng)力汽車的兩條或者多條獨(dú)立的動(dòng)力傳遞系輸出的動(dòng)力進(jìn)行耦合疊加的所有部件的總稱。對(duì)于經(jīng)常使用的油-電混合動(dòng)力汽車而言，就是指能把發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池組的動(dòng)力耦合輸出的裝置。對(duì)于并聯(lián)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力車輛，動(dòng)力耦合裝置就是把車輛的多個(gè)動(dòng)力源進(jìn)行合理的組合分配，更好地滿足車輛行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)特

37、性，它直接關(guān)系到車輛的各種性能是否滿足乘客的使用要求，在混合動(dòng)力整車開發(fā)中處于至關(guān)重要的作用。動(dòng)力耦合裝置中最為典型的是豐田采用ths混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，通過使用精密的行星齒輪組對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池的輸出的功率進(jìn)行重新分配，通過與太陽輪相連的電機(jī)來不斷調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)。本田汽車公司的 insight混合動(dòng)力汽車搭載的混合動(dòng)力系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)矩耦合的形式，把發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的扭矩進(jìn)行疊加后輸出。2.5.2動(dòng)力耦合系統(tǒng)的功能插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力耦合系統(tǒng)在耦合方式上雖然存在比較大的差別，但它們?cè)谲囕v上發(fā)揮的主要作用大抵相同，主要概括有以下功能：（1） 動(dòng)力合成功能，將不同動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率進(jìn)行

38、組合再分配，提供車輛所需的動(dòng)力。動(dòng)力耦合裝置在輸出動(dòng)力時(shí)要能夠保證各個(gè)動(dòng)力源既可以獨(dú)自工作，也可以采用聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的形式，而且彼此之間不發(fā)生運(yùn)動(dòng)的干涉。（2）能量反饋功能，在汽車進(jìn)行減速制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該能切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，同時(shí)要保持傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電機(jī)之間的機(jī)械連接，此時(shí)車輪的轉(zhuǎn)速高于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。（3）模式切換簡單方便，過程平順無沖擊。在結(jié)構(gòu)上動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該盡量簡單，方便與傳動(dòng)裝置之間的配合，同時(shí)保證動(dòng)力模式切換過程中操縱簡單方便，驅(qū)動(dòng)可靠安全無沖擊。（4）輔助功能，動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該能夠緩沖起步時(shí)路面對(duì)車輛的沖擊，保證車輛在低速行駛時(shí)的平順性，同時(shí)還可以利用電動(dòng)機(jī)的

39、反轉(zhuǎn)特性，在不增加倒檔齒輪的前提下實(shí)現(xiàn)倒車16。2.5.3動(dòng)力耦合系統(tǒng)的分類 動(dòng)力耦合裝置根據(jù)能量源耦合方式的不同可以分為電電耦合裝置和機(jī)電耦合裝置，一般串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用的是電電耦合，并聯(lián)結(jié)構(gòu)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車中，采用的是機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)。根據(jù)各個(gè)部件之間轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的量化關(guān)系，動(dòng)力耦合裝置可以分為轉(zhuǎn)速耦合、轉(zhuǎn)矩耦合和功率耦合三種，以下具體介紹此三種耦合裝置的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)。 1. 轉(zhuǎn)矩耦合式 轉(zhuǎn)矩耦合裝置的主要作用是把發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過機(jī)械聯(lián)軸器疊加到一起，并將總轉(zhuǎn)矩傳遞到傳動(dòng)系以驅(qū)動(dòng)車輛。如圖2.4所示，簡單表明了一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合的原理圖，可以簡化為一個(gè)三端口、兩

40、自由度的裝置。其中端口1只能單向輸入，端口2和端口3既能輸入又可輸出，但端口2和端口3不能同時(shí)輸入。結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源組成可知，端口1與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，端口2與電動(dòng)機(jī)相連，端口3則與驅(qū)動(dòng)輪相連。 （a） (b)圖2.4 轉(zhuǎn)矩耦合原理簡圖如圖2.4b為一種雙齒輪式轉(zhuǎn)矩耦合裝置，忽略傳遞過程中的能量損耗，則有輸入端口的總能量應(yīng)當(dāng)和輸出端口的總能量相等，即 （2-1）轉(zhuǎn)矩耦合的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （2-2） （2-3）其中，、分別為。、分別為以上三個(gè)端口對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，、 為以上三個(gè)端口對(duì)應(yīng)的角速度，、為傳動(dòng)比。根據(jù)式（2-2）、（2-3）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩、之間沒有固定的數(shù)量關(guān)系，可以分別獨(dú)

41、立控制，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩不受車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩和路面載荷的影響。而角速度、存在固定的數(shù)量關(guān)系，不能獨(dú)立控制。轉(zhuǎn)矩耦合裝置根據(jù)耦合部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有兩軸式和單軸式兩種： 1.兩軸式耦合裝置，也可稱為齒輪耦合式，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別從兩根軸輸入，一般采用固定速比的齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的耦合，國內(nèi)生產(chǎn)的大多混合動(dòng)力客車采用這種方式。2.單軸式耦合裝置，也稱為磁場耦合式，是將發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在同一條軸上，通過調(diào)整電機(jī)的勵(lì)磁電流大小來控制輸出耦合轉(zhuǎn)矩的大小。本田insight的集成電機(jī)助力系統(tǒng)（integrated motor assist-ima）和長安集團(tuán)的起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)（integr

42、ated started generator-isg）均采用該耦合方式17。2轉(zhuǎn)速耦合式 混合動(dòng)力的動(dòng)力源也可以通過轉(zhuǎn)速關(guān)系進(jìn)行耦合，如圖2.5所示。同轉(zhuǎn)矩耦合器一樣，轉(zhuǎn)速耦合器也可以簡化為一個(gè)三端口、兩自由度的機(jī)械裝置。端口1連接發(fā)動(dòng)機(jī)，只能單向輸入，端口2和端口3分別連接電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車輪，既能輸入又能輸出，但二者不能同時(shí)輸入。 （a） (b)圖2.5 轉(zhuǎn)速耦合原理簡圖 行星齒輪機(jī)構(gòu)通常是由一個(gè)太陽輪、一個(gè)結(jié)合齒圈、一個(gè)行星架和若干行星輪組成的輪系結(jié)構(gòu)，其中太陽輪、齒圈和行星架可以看做動(dòng)力耦裝置的三個(gè)端口組件，根據(jù)行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合原理，轉(zhuǎn)速耦合裝置的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可表示為： （2-4）根據(jù)功率守恒

43、原理，同時(shí)得出它們之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下： （2-5）式中、為轉(zhuǎn)速耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是與結(jié)構(gòu)和幾何形狀設(shè)計(jì)相關(guān)的常數(shù)。 根據(jù)式（2-4）、（2-5）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的角速度、之間沒有固定的數(shù)量關(guān)系，可以分別獨(dú)立控制，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速不受車速和車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩的制約。而發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、存在固定的數(shù)量關(guān)系，不能獨(dú)立控制。3功率耦合式功率耦合裝置同時(shí)兼顧了轉(zhuǎn)速耦合與轉(zhuǎn)矩耦合的共同特點(diǎn)，其輸出轉(zhuǎn)矩為發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩的線性和，其工作轉(zhuǎn)速為兩個(gè)動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速的線性和，即式（2-2）和（2-4）同時(shí)成立。 （a)結(jié)構(gòu)簡圖 (b)模型簡圖圖2.6 豐田ths結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖2.6

44、為豐田的ii系統(tǒng)的功率耦合裝置簡圖，即單行星排功率耦合裝置?？梢钥闯霭l(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，作為輸入端口；發(fā)電機(jī)與太陽輪相連，作為控制端口；齒圈輸出并與電動(dòng)機(jī)通過齒輪以固定速比連接，作為輸出端口。該裝置實(shí)際上可以看作是單行星排的轉(zhuǎn)速耦合裝置與雙軸式齒輪轉(zhuǎn)矩耦合裝置集成而得到的。其工作原理如下：在車輛低速運(yùn)行時(shí)，一般所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，此時(shí)發(fā)電機(jī)把太陽輪鎖止，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架的相連，電動(dòng)機(jī)與齒圈相連，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)通過行星架與結(jié)合齒圈之間通過兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，把動(dòng)力通過與齒圈嚙合的同軸齒輪輸出，即發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)二者之間通過轉(zhuǎn)矩耦合方式共同驅(qū)動(dòng)車輛。在車輛高速運(yùn)行時(shí)，為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，此時(shí)

45、齒圈與電動(dòng)機(jī)脫離嚙合，直接與驅(qū)動(dòng)橋相連，發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成單行星排的轉(zhuǎn)速耦合裝置，通過不斷調(diào)節(jié)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)而平衡車輛運(yùn)行中載荷的波動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域17-19。行星齒輪機(jī)構(gòu)如圖2.7，是一個(gè)三端口、兩自由度的裝置，通過對(duì)鎖止其中任何一個(gè)部件都可以得到其他兩個(gè)元件之間的傳動(dòng)關(guān)系。 圖2.7 行星齒輪機(jī)構(gòu)首先鎖定行星架，即，此時(shí)從太陽輪到齒圈的傳動(dòng)比可表示為： （2-6）和分別是太陽輪和齒圈的角速度，和分別是太陽輪和齒圈的齒數(shù)，定義逆時(shí)針方向?yàn)檎撬俣确较?，因太陽輪和齒圈具有不同的旋轉(zhuǎn)方向，故傳動(dòng)比為負(fù)。當(dāng)行星架以角速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)太陽輪和齒圈均未鎖止時(shí)，此時(shí)可

46、以看作在和上同時(shí)加上，就變成了式（2-6）的形式，即 （2-7）得到 （2-8）通過功率守恒得到如下關(guān)系： （2-9） 聯(lián)立（2-8）和（2-9）得到如下關(guān)系： （2-10） 當(dāng)鎖定太陽輪、行星架和齒圈中一個(gè)部件時(shí)，即行星齒輪機(jī)構(gòu)有一個(gè)自由度被約束，此時(shí)該行星齒輪機(jī)構(gòu)就成為一個(gè)單輸入單輸出的傳動(dòng)裝置。當(dāng)固定不同的部件時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性如下表所示：表2.1 行星齒輪各部件轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性鎖定部件轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速太陽輪齒圈 行星架 本章小結(jié) 在采用轉(zhuǎn)矩耦合裝置的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，可以調(diào)節(jié)控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，但發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有固定的線性關(guān)系，不可以單獨(dú)控制。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開

47、度的影響，不易實(shí)現(xiàn)精確的控制，但是可以通過控制電機(jī)的勵(lì)磁電流來比較精確的控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在最低油耗曲線附近工作，而且轉(zhuǎn)矩耦合裝置結(jié)構(gòu)簡單，采用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，無需額外設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)，便于在原車基礎(chǔ)上改裝，易于批量生產(chǎn)。采用轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩具有線性約束關(guān)系，不能單獨(dú)調(diào)節(jié)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以自由調(diào)節(jié)。因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持固定的轉(zhuǎn)速范圍在最低油耗曲線附近工作，通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來滿足車輛行駛過程中車速的波動(dòng)。還可以通過連續(xù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)車速的無極變化，因此采用轉(zhuǎn)速耦合裝置的混合動(dòng)力汽車不需要安裝無級(jí)變速器就可以實(shí)現(xiàn)整車的無級(jí)變速。

48、 采用功率耦合裝置的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，可以自由調(diào)節(jié)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，車輛所處工況變化時(shí)對(duì)整車性能的影響很小。因此可以通過不斷調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在油耗最低點(diǎn)附近，但電動(dòng)機(jī)的頻繁調(diào)整不但使車輛的舒適性降低，還會(huì)使經(jīng)濟(jì)性有所下降，所以通常的做法是將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速限定在經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)，通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)的電流來平衡車輛的負(fù)載波動(dòng)，從而使經(jīng)濟(jì)性能大大提高。采用功率耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?yán)碚撋峡梢灾苯訚M足行走機(jī)械的驅(qū)動(dòng)特性，不需要添加離合器和變速機(jī)構(gòu)，而且可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的耦合系統(tǒng)相比，功率耦合系統(tǒng)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)的標(biāo)定和整車性能的提高方面都更具優(yōu)越性。第三章

49、phev的動(dòng)力耦合系統(tǒng)分析與建模插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的和傳統(tǒng)汽車的數(shù)學(xué)模型在很大程度相似，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗計(jì)算模型基本一致，但是插電式混合動(dòng)力汽車還有動(dòng)力電池組的放電模型，電機(jī)的工作模型，對(duì)動(dòng)力耦合裝置各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，是計(jì)算整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)，是進(jìn)行仿真的前提。為了能夠很好的對(duì)不同工況的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行縱向比較，本文通過微積分變換，把基于對(duì)時(shí)間所求的評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為基于距離的評(píng)價(jià)指標(biāo)。3.1 插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本文在插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力總成中增設(shè)3個(gè)離合器和2個(gè)制動(dòng)器來自由控制車輛在轉(zhuǎn)矩耦合方式和轉(zhuǎn)速耦合方式間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，進(jìn)而使整車能夠較好地滿足動(dòng)力性

50、和經(jīng)濟(jì)性的要求。為探究混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力耦合方式及其工作方式具有很好的研究價(jià)值。通過下圖來具體說明轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合交替控制的實(shí)現(xiàn)原理和方式。在低速運(yùn)行時(shí)，要求車輛采用轉(zhuǎn)矩耦合方式來滿足起步加速以及爬坡等大轉(zhuǎn)矩工況要求，此時(shí)斷開離合器，結(jié)合制動(dòng)器，太陽輪被鎖止，從電動(dòng)機(jī)到太陽輪之間的動(dòng)力傳遞中斷，離合器和結(jié)合，制動(dòng)器斷開，此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過離合器傳遞到齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩通過和疊加后，經(jīng)過離合器、齒輪、齒圈、行星架傳遞給驅(qū)動(dòng)車輪。在這里行星齒輪結(jié)構(gòu)僅僅起到降速增扭的作用。在車輛高速運(yùn)行時(shí)，為了使發(fā)動(dòng)極轉(zhuǎn)速始終工作在最低燃油消耗區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間采用轉(zhuǎn)速耦合方式，此時(shí)離合器斷開，中斷

51、了從電動(dòng)機(jī)到齒輪的動(dòng)力傳遞，離合器和結(jié)合，制動(dòng)器和斷開，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力經(jīng)過齒輪和傳到齒圈，電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過離合器傳到太陽輪，驅(qū)動(dòng)車輪與行星架相連，此時(shí)構(gòu)成了行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合結(jié)構(gòu)，車輛運(yùn)行速度是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性代數(shù)和。圖3.1 整車動(dòng)力耦合裝置結(jié)構(gòu)簡圖3.2插電式混合動(dòng)力車輛性能參數(shù) 為了方便進(jìn)行下文的建模和仿真計(jì)算，通過查找豐田的一些車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于缺少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和完整的車身結(jié)構(gòu)參數(shù)，這里簡要給出一些參數(shù)，如下表所示20。表3.1主要部件的參數(shù)整車性能參數(shù)數(shù)值空載整車質(zhì)量/kg1625 滿載整車質(zhì)量m/kg2125滾動(dòng)阻力系數(shù)f0.0125車輪半徑r/m0.31空氣阻力

52、系數(shù)0.30車身迎風(fēng)面積/2.25發(fā)動(dòng)機(jī)排量/l1.4最大功率（kw）/轉(zhuǎn)速（r/min）65/6000主減速器速比3.75電機(jī)類型永磁無刷直流電機(jī)電機(jī)額定功率/kw25電機(jī)峰值功率/kw45動(dòng)力電池li-ion電池容量/()32電池額定電壓/v3403.3插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)建模3.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型 發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是排量為一款四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于缺少比較精準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與油耗的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)汽車?yán)碚撝械慕?jīng)驗(yàn)公式給出發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率之間的關(guān)系，如下所示： （3-1）式中的；。對(duì)單位時(shí)間的燃油消耗進(jìn)行積分可以得到從初始時(shí)刻運(yùn)行時(shí)間為時(shí)的燃油消耗量，即有： （3-2）汽車車速的計(jì)算有如下公式： （3-3）式中。為了方便比較，需要把對(duì)時(shí)間積分的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗計(jì)算轉(zhuǎn)化為對(duì)距離積分的，把式（3-3）帶入（3-2）即有： （3-4）3.3.2 電機(jī)模型 永磁無刷電機(jī)利用電子換相，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組安裝在定子上，具有很好的導(dǎo)熱性能，結(jié)構(gòu)比較簡單，可以節(jié)省布置的空間，不容易發(fā)生失步、振蕩等問題，是目前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)。本文采用永磁無刷電機(jī)作為混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電