3 、混合动力汽车自动变速系统及其控制系统

3、混合动力汽车自动变速系统及其控制系统

混合动力汽车自动变速系统 • 与传统内燃机汽车类似，由于发动机和电机的转速工作范围与车速范围不一致，需要将混合动力汽车动力源的动力变速变矩地传递至驱动车轮，同时混合动力汽车变速传动系统还要完成发动机和电机动力的分配和藕合。

混合动力汽车自动变速系统 • 混合动力汽车可以选用专门针对混合动力系统设计的变速传动系统，也可是使用传统变速系统实现所要功能。现在常见的混合动力轿车有:Prius ( Toyota ) ,Estima ( Toyota ) , Tino ( Nissan ) , Civic ( Honda)和Insight (Honda)，其选用的变速传动系统如表1所示。

混合动力汽车自动变速系统 • 表1 混合动力汽车使用的变速传动系统

混合动力汽车自动变速系统 • 除Prius和Estima外，混合动力轿车多采用CVT，而Toyota采用的THS ( Toyota Hybrid System )是一种区别于传统变速系统的行星齿轮结构，其通过协调发动机、发电机和电动机的转速，实现动力分配和无级变速的双重功能。 • 由于受开发周期、开发成本和技术水平的限制以及自主知识产权方面的要求，我国混合动力汽车开发多选择传统汽车所使用的变速系统。

混合动力汽车自动变速系统 • 按照实现自动变速的原理，自动变速器可分为三类:一类是液力变矩器和行星齿轮变速箱组成的液力自动变速器(Automatic Transmission简称AT);一类是无级变速器(Continuously Variable Transmission，简称CVT);另一类是由传统固定轴式变速箱和干式离合器以及相应的电液控制系统组成的机械式自动变速器(Automatic Mechanical Transmission,简称AMT)

液力自动变速器（AT) • AT，在汽车上应用的历史已有60多年，是现在传统汽车中应用范围最广的自动变速系统，图1所示为宝马7型的6速自动变速器。

液力自动变速器（AT) • 图1 宝马6速自动变速器

液力自动变速器（AT) • 液力自动变速器由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，液力变扭器是AT最关键的部件，由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，它除了起离合器的作用外，还具有在一定范围内无级变速和变矩的能力，对负载有良好的自动调节和适应性。因此，液力自动变速器换档平稳，操作容易，但其缺点也较多:一是对速度变化反应较慢，没有手动变速器灵敏，无法满足对驾驶感觉要求较高的人的需求:二是费油不经济，传动效率低变矩范围有限，近年引入电子控制技术一定程度上改善了这方面的问题;三是机构复杂，设计、制造和维护困难。 • 由于AT的燃油经济性较差，而且结构复杂不容易进行结构改变，应用于混合动力汽车时不仅影响整车燃油经济性，而且还受到其过长的开发周期和过高的开发、使用成本的影响。

无级变速器(CVI) • CVT技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上来用CVT技术的鼻祖，早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上，但由于橡胶带式CVI存在一系列的缺陷，没有被汽车行业普遍接受随着新技术逐步克服原有技术的缺陷，研制出了性能更优良的CVT。进入20世纪90年代，汽车界对CVT技术的研究开发日益重视，特别是在微型车中，CVT被认为是关键技术。 • CVT的结构和工作原理如图2所示，主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。CVI结构简单、体积小，既没有手动变速器的众多齿轮组，也没有AT中复杂的液力变矩器和行星齿轮组。理论上CVT可使发动机始终在经济工况区运行从而较大幅度地改善车辆燃油经济性，但由于CVT是摩擦传动，传动效率较低，且传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷，因此其只能用于在低功率和低转矩汽车，随着技术的不断进步，现在CVT已经开始在中等排量的汽车中得到应用。

无级变速器(CVI) • 图2无级变速器结构图

机械式自动变速器(AMT) • 传统手动变速器是通过驾驶员控制离合器、变速箱来接合发动机动力和改变传动系统档位，通过在手动变速器基础上加装换档、离合器执行机构和相应的自动控制单元实现上述的自动控制即为机械式自动变速器。 • 国外对AMT的研究和开发始于二十世纪七十年代中期，较为典型的有瑞典Scandia的CAG系统、德国Daimler Benz的EPS系统、美国Eaton的SAMT系统，这些系统使换档操纵实现了自动化，换档时仍由驾驶员踩离合器踏板来配合换档。世界上第一台全自动的电控机械式自动变速器是日本五十铃公司在1984年推出的NAVI-5，不久德国波尔舍的C arrera轿车也装用Tip Tropic，同时期出现的还有:日本Nissan, Hino及美国Eaton的全自动变速系统。

各种变速系统的比较 • 各种变速系统的比较

各种变速系统的比较 • 在混合动力汽车中，由于对燃油经济性以及成本、开发周期等方面的要求较高，AT不适合于在混合动力汽车上使用。由于世界各大汽车公司的参与，CVT的各项技术不断走向成熟，国外众多汽车厂商都致力于CVT的推广应用，由于其燃油经济性较好，因此在混合动力轿车中得到了较好的应用。但是由于CVT应用于较大型的车辆时还存在一些问题，因此许多混合动力汽车中采用AMT作为变速机构。

传统汽车AMT基本控制原理 • 图3 传统汽车AMT基本控制原理

AMT应用于混合动力汽车 • 使用AMT作为混合动力汽车的动力藕合和变速传动装置比较适合我国的国情。由于混合动力汽车的动力源与传统汽车不同，AMT应用于混合动力汽车时，其功能和控制也与传统汽车情况有很大的不同。

AMT应用于混合动力汽车 • 传统汽车AMT的控制即为整车控制，如图3所示，控制系统根据驾驶员对车辆的操纵(加速踏板、制动踏板、操纵手柄等)和车辆状态(车速、档位、发动机转速等)选择当前行车需要的最佳档位，如果需要换档或离合器操作，则借助相应的自动操纵机构对车辆的动力和传动系统进行控制，因此，传统汽车AMT控制主要指换档策略和动力、传动系统控制两个方面的内容区别于传统汽车，由于混合动力汽车中电驱动系统的存在，AMT控制在这两个方面的问题与传统汽车有较大不同，混合动力汽车整车控制包括能量管理策略和能量管理策略的实现两方面的内容。

AMT应用于混合动力汽车 • 能量管理策略 • 混合动力汽车的能量管理策略包括发动机和电机的转矩分配策略以及变速系统的换档策略两方面内容转矩分配策略。

AMT应用于混合动力汽车 • 混合动力汽车能量管理策略研究多集中于转矩分配策略方面，转矩分配策略的目的是通过调整发动机和电机的转矩提高车辆综合效率。在一般的并联式混合动力汽车中，发动机是主驱动装置，电机是辅助驱动装置。由于发动机工作效率较低，尤其在发动机转速和负荷率较低时，其燃油经济性极差，为避免发动机工作在低效区，在满足驾驶员转矩需求的基础上，转矩分配策略通过调整电机转矩使发动机工作在高效区或关闭发动机并由电机单独驱动车辆。在发动机工作效率较高时，可以由发动机直接驱动车辆，此时通过调整电机电动或发电的转矩使发动机工作在高效区，电机发电生成的电能存储在动力电池中以供电动时使用，为保证电池充放电时的效率，转矩分配策略还要尽量维持电池的电量平衡。

AMT应用于混合动力汽车 • 换档策略 • 在并联式混合动力汽车中，发动机和电机布置在变速箱之前，主电机与变速箱输入轴直接连接，发动机的动力通过离合器传递至变速传动系统。 • 变速箱档位切换改变了发动机和电机的工况进而影响车辆燃油经济性和排放性能指标。因此，并联式混合动力汽车的能量管理策略包括转矩分配策略和换档策略两个方面。

AMT应用于混合动力汽车 • 并联式混合动力汽车有两个动力源:汽油发动机和永磁同步电机，使用AMT作为动力藕合装置和变速传动系统，电机与变速箱输入轴直接相连，发动机通过AMT系统中的离合器与主电机(即变速箱输入轴)连接，混合动力系统的结构如图2-1所示

AMT应用于混合动力汽车 • 图4 并联式混合动力汽车动力传动系统

AMT应用于混合动力汽车 • 在使用AMT作为变速驱动单元的的混合动力汽车中，AMT不仅需要将发动机和电机的动力变速变矩地传递至驱动轮(或将车辆的制动能量反向传递至电机进行能量回收)，还要完成混合动力系统的动力分配和转矩藕合，AMT是实现能量管理策略的关键

AMT应用于混合动力汽车 • 能量管理层根据驾驶员操作(加速踏板、制动踏板和手柄位置)和车辆运行状态(车速、电池SOC、变速箱档位等等)确定变速系统档位、离合器状态、发动机转矩、电机转矩以及液压制动转矩，目的是改善车辆的动力性和燃油经济性。在使用AMT的PHEV中，能量管理策略主要包括发动机、电机的转矩分配策略和换档策略两个方面的内容。 • 在能量管理策略的实现层，通过对发动机、电机、离合器和变速箱的协调控制来实现能量管理策略。换档和离合器动作由控制系统直接控制，对发动机和电机的控制是通过将控制指令发送至发动机控制器EMS (Engine Management System)和电机控制器MCU (Motor Control Unit)，由EMS和MCU对发动机和电机进行直接控制。

PHEV动力传动及其控制系统 • 图 PHEV动力传动及其控制系统

混合动力汽车动力总成结构 • 按动力传动系结构不同，混合动力汽车可分为串联、并联和混联三种构型，每种构型又有一多种结构方案 • 下而对这三种型式的部件组成、工作原理和各自的优缺点进行简要分析

1串联混合动力总成构型 • 串联式HEV动力传动系的结构组成如下图所示。由发动机、发电机、电机、变速箱等构成。

1串联混合动力总成构型 • 该结构方式的优点： • (1)结构布置灵活 • 由于发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，这样便于进行整车布置。 • (2)发动机工作效率高 • 可对发动机进行独立控制，使发动机可稳定于高效区或低排放区附一近工作。同时，该结构尤其适合于那类与驱动轮难于进行机械连接的高效发动机，如燃气轮机、斯特林发动机等。 • (3)整车的控制简单 • 由于发动机独立于行使工况，小存在发动机与电机之间的功率分配，因此整车的控制简单。

1串联混合动力总成构型 • 该结构方式的缺点为: • (1)系统综合效率低 • 由于发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失，因此，系统综合效率降低。 • (2)成本高 • 对于混合动力客车，由于需要的电机功率很高，这样所需要的电池数量增加，带来重量和成本增高。对于轿车而言，它的三个动力总成(发动机、发电机、电动机)也会给系统总布置带来困难。

2 双轴并联混合动力总成构型 • 双轴并联式混合动力总成的结构根据动力合成装置在变速箱的前与后可分为前置式(动力合成装置在变速箱前)双轴并联结构和后置式(动力合成装置在变速箱后)双轴了并联结构分别如下图和图所示

前置式双轴并联式HEV动力传动系结构 • 图前置式双轴并联式HEV动力传动系结构简图

后置式双轴并联式HEV动力传动系结构 • 图后置式双轴并联式HEV动力传动系结构简图

双轴并联混合动力总成 • 双轴并联式HEV动力传动系，发动机与电动机可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联式HEV动力传动系中的专用发电机，因此更象传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点: • (1)由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少; • (2)电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大大减小。

双轴并联混合动力总成 • 缺点: • (1)由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况实时地受到汽车行驶工况的影响，因此对整车排放工作点的优化小如串联形式好。 • (2)这种结构，要维持发动机在最佳工作区工作，需要复杂的控制系统和控制策略。对于双轴并联式混合动力汽车(PHEV，动力传动系的主要元件之一为动力合成装置。动力合成的实现方法可归类为:转速合成式、牵引力合成式和扭矩合成式三大类。

转速合成式PHEV动力传动系

转速合成式PHEV动力传动系 • 常用的转速合成装置有行星齿轮系和电动转速计，它们构成的动力传动系结构分别如图2-5 ,图2-6所示。 • 转速合成式PHEV动力传动系中，两个动力总成之间的转速分配较为灵活，适用于那些对转速变化敏感而对扭矩变化小太敏感的动力总成间的输出功率叠加。但由于两动力总成的输出扭矩存在着一定的比例关系(如式2-1)，要求发动机的工作特性调节必须与电动机的输出特性相配合，增加了控制系统的难度。另外，转速合成式装置固有的输出特性也限制了电动机低速大转矩特性的利用，而低速大转矩却对车辆的起动十分有利。

牵引力合成式PHEV动力传动系 • 图2-7牵引力合成式PHEV动力传动系

牵引力合成式PHEV动力传动系 • 牵引力合成式PHEV动力传动系的具体结构如图2-7所示。发动机和电动 • 机之间无任何机械连接，它们通过各自的传动轴分别驱动车辆的前轮和后轮

牵引力合成式PHEV动力传动系 • 该动力传动系的一显著优点是:汽车的驱动力由两个驱动轴承担，因此作用于每一驱动轴上的驱动力小会超出其轮胎地而附一着极限，但由于电机驱动系统与内燃机驱动系统分离，结构小紧凑，给动力传动系的具体布置带来困难。

单轴并联混合动力总成构型 • 单轴并联式混合动力总成型式系是指发动机和电机同轴联接和布置，根据电机在变速箱的前与后可分为前置式(电机在变速箱前)单轴并联结构和后置式(电机在变速箱后)单轴并联结构，分别如图2-9和图2-10所示。 • 单轴并联结构形式的优缺点除如上所述外，还有一个特点是有利于电机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量生产中的模块化供货和整车装配。 • 单轴并联结构的合成方式为扭矩合成。这种结构(发动机和电动机的输出轴采用了同一根传动轴)将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值，限制了电动机的工作区域，造成两者特性的小匹配，为改善这种关系，需要布置一多速变速箱，这又会导致控制系统较为复杂。

后置式单轴并联结构 • 图2-9后置式单轴并联结构

前置式单轴并联结构 • 图2-10前置式单轴并联结构

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3 、混合动力汽车 自动变速系统 及其控制系统