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1、“863”项目混合动力电驱动系 概念方案设计“863”项目组二零零九年四月目录一、设计分析11.1转矩耦合11.2 转速耦合41.3转矩耦合与转速耦合并存51.3.1 丰田Prius（THS）系统方案61.3.2 福特Escape HEV系统61.3.3通用双模系统7二、设计综合82.1项目方案结构分析82.2 耦合特性分析92.3双行星轮动力学分析102.4双行星轮动力学原理验证试验112.5动力匹配14三、控制系统173.1耦合装置与AMT的集成控制173.2混合动力系统控制流程193.3能源管理控制原则20四、开发可行性21一、设计分析混合动力汽车配置有不止一个动力源，分析现有混合动力电
2、动汽车传动系统案例，主要是用固定轴齿轮副和行星排机构来实现功率分流和汇流。分别称之为转矩耦合、转速耦合，还有综合了转矩耦合转速耦合的传动系统。通过对现有技术的分析和理解，确认项目概念方案的合理性。1.1转矩耦合转矩耦合是将发动机和电机的转矩一起相加，或将发动机转矩分解成两部分：分别用于驱动和蓄电池充电。（a） (b)图1.1转矩耦合概念图图1（a） 概念性的表明了功率汇流。图1（b）表示了功率分流。功率分流和功率汇流是相对的，利用图（a）进行分析，若忽略损耗（传动效率），输出转矩和转速可表述为：-（1）-（2）-（3）式中，和是取决于转矩耦合装置的常数。转矩耦合的特点：l 转速特点：机构一定时
3、，各转速之间保持一定的比例关系；l 转矩特点：机构一定，且当为一定时，与的代数和保持不变，但其间的分配可任意变化，即转矩解耦。包括其中之一为零或负值，使得输入和输出的关系变化，如图1（b）所示。因此，转矩回合，也可以看作是“分矩式”功率分流或“汇矩式”功率汇流，因此可称之为“差矩机构”。典型的机械转矩耦合装置有变速箱、皮带轮或链式组合件以及传动轴。（a）变速箱（b） 皮带轮或链式组合件（c）传动轴图1.2 常用的机械转矩耦合装置本田IMA是发动机轴转矩耦合式，可用图2中的c表示。转矩耦合混合动力电驱动系设计方案图1.3 发动机和电机配置不同的传动装置图 1.4 发动机和电机配置相同的传动装置该
4、方案中传动装置以相同比例提高发动机和电机的转矩，可采用高速电机。图1.5 前传动装置前传动装置结构中，发动机转矩和电机转矩两者均有传动装置调节，此时，发动机和电机必须有相同的转速范围。这一结构常用于小型电机的情况，被称为轻度混合动力电动系，其中，电机起着发动机的启动机、发电机、发动机的动力辅助和再生制动的作用。图 1.6 后传动装置 后传动装置结构，传动装置仅改进发动机转矩，电机转矩直接传递给驱动轮，这一结构可用于有大范围、恒功率区的大型电机的电驱动系。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。1.2 转速耦合转速耦合装置，如图7所示图 1.7 转速耦合概念图，其
5、特点是：l 转速特点当任一元件转速一定，其他两元件转速代数和为定值，但其间的分配关系可任意改变，即转速解耦。l 转矩特点 三元件所受转矩之间保持一定的比例关系。多用行星排作为转速耦合装置，如下图所示。图1.8 内外啮合单行星排转速耦合装置所以，当功率一定时，由于转速分配的变化，两路的功率可以发生变化，以至于一路为零，甚至于为负值，这便是的输入和输出的关系有所变化。行星排进行功率分流或汇流，可看作是“分速式”或“汇速式”，因此可称之为“差速机构”。华沙工业大学单行星排方案图1.9 华沙工业大学行星排方案由于行星齿轮机构和差速器之间没有变速器，要求发动机和电机的合成转速范围要宽，电机需要提供较宽范
6、围的最大转矩以满足行驶需求。同时该系统仅在行驶时可以实现将发动机能量分流，给电池充电；无法实现驻车充电功能。1.3转矩耦合与转速耦合并存还有些混合动力汽车电驱动系采用了转矩耦合与转速耦合并存的方案。低车速时，转矩耦合运行模式将适合于高加速性能和爬坡性能的需求；在高车速时，则采用转速耦合模式，以保持发动机转速处于最佳运行区。1.3.1 丰田Prius（THS）系统方案 图1.10 丰田Prius HEV（THS）系统 图1.11丰田THS简化图发动机和小型电机（几千瓦）通过行星齿轮机构构成转速耦合。齿圈输出和大型的牵引电机（几千瓦到十千瓦）通过固定轴的齿轮组件构成转矩耦合。在低车速时，小型电机正
7、向转速运转，吸收部分发动机的功率。当车速较高时，发动机固定在一定转速范围内，同时为避免发动机转速太高，导致高油耗，小型电机将以负向转速运转，以便向驱动系传递功率。为了使发动机能运行在其最佳转速范围，当采用行星齿轮机构和小型电机调节发动机转速时，可提高燃油经济性。1.3.2 福特Escape HEV系统定子转子TeneRCSTm1nm2nm1TnS-太阳轮 C-行星架 R-齿圈Tm2变速箱图1.12福特 Escape HE混合动力电驱动系示意图发动机和电机/发电机构成转矩耦合，转矩耦合输出通过变速器，变速器的输出与主驱动电机经过行星行星齿轮机构构成转速耦合。结构上，与丰田THS系统的差异在于转矩
8、耦合装置和转速耦合装置的位置前后。转矩耦合经过AMT，增加了发动机工作在经济效率区间的机会。但由于行星齿轮机构输出扭矩直接驱动车辆，对行星齿轮机构的扭矩容量提出较高要求，并且使得电机具有较宽范围的最大扭矩。 1.3.3通用双模系统图1.13 GM 双模式混合动力电驱动系通用采用双模电子无级变速系统，实现发动机输出动力分流以及两动力源的汇流，从而使得发动机沿其经济曲线工作，大幅度降低油耗，同时保证汽车的动力性。在输入分流模式下，离合器2分离，离合器3离合，电机1工作在发电机状态，电机2工作在电机状态。行星齿轮机构1实现发动机和电机1的转速耦合，行星齿轮机构2齿圈锁止，实现行星齿轮机构1行星架输出
9、和电机2的转矩耦合。主要适用于低速行驶或倒车行驶。在复合分流模式下，离合器2离合，离合器3分离，电机根据运行需要工作在发电机和电机状态。行星齿轮机构1和行星齿轮机构2均作为转速耦合装置，行星齿轮机构的行星架同轴输出构成转矩耦合。主要适用于高速行驶、爬坡或拖挂行驶。 二、设计综合2.1项目方案结构分析图2.1 “863”项目混合动力电驱动系 概念设计方案项目概念方案如图2.1所示，动力耦合装置采用内外啮合双星排。发动机/ISG同轴耦合输出与太阳轮相连；牵引电机与行星架相连；AMT变速器输入轴与外齿圈相连。在发动机/ISG和太阳轮之间布置离合器，用于结合或断开行星行星齿轮机构的太阳轮与发动机/IS
10、G的连接；在行星架与太阳轮之间设计一锁止器，用于锁止和分离行星齿轮机构的太阳轮与行星架的运动。通过对离合器和锁止器的控制，实现传动装置工作模式的切换。与上述混合系统方案相比，该机电耦合装置的技术特征是：（1） 采用内外啮合双星排实现转速耦合；（2） 发动机曲轴输出端固连ISG，实现转矩耦合；（3） 前传动装置，即转速耦合装置位于AMT之前；（4） 使用锁止器和离合器进行各种模式的切换；该机电耦合传动装置可以实现纯电动模式、发动机单独驱动模式（ISG的状态根据电池SOC值及发动机负荷决定）、联合驱动模式（ISG的状态根据电池SOC值及发动机负荷决定）、制动能量回收模式等。具体如表2-1所示。表2
11、-1 耦合装置实现的耦合功能耦合装置状态耦合功能离合器锁止器分离结合纯电动驱动ISG发电发动机停止制动能量回收结合分离发动机、牵引电机联合驱动ISG调整发动机载荷结合结合发动机驱动，ISG发电、驱动或空转分离分离驻车2.2 耦合特性分析项目方案存在转矩耦合和转速耦合两种耦合方式。根据离合器和锁止器的状态，耦合方式有所变化，并实现不同的工作模式。项目方案采用的动力耦合装置简化图如图2.2所示：图2.3 动力耦合装置简化图联合驱动时，离合器结合、制动器分离，发动机和ISG是转矩耦合，行星齿轮机构实现主驱动电机和转矩耦合输出的转速耦合。耦合装置输入输出转矩、转速关系为： （2-11） （2-12）发
12、动机单独驱动时，离合器结合、制动器结合，发动机和ISG转矩耦合输入输出转矩、转速关系为：，主驱动电机单独驱动和制动能量回收时，离合器分离、制动器结合，输入转矩、转速关系为： ，式中、为发动机输出的转矩和转速，、为ISG的扭矩和转速，、为主驱动电机输出的转矩和转速，为齿圈内齿圈齿数与太阳轮齿数的比值。由上述转矩关系式可知，汽车行驶过程中，随着车辆需求转矩T的变化，通过控制发电机可以控制发动机转矩使其在最佳燃油经济区，由转速式可知，其输出转速是发动机与电机的线性和，可以通过控制电机的转速使发动机运行在最佳燃油经济区。2.3双行星轮动力学分析利用经典力学理论，对内外啮合双星排各个元件（包括作周转运动
13、的行星轮）进行分离体受力分析，建立机构动力学方程。在上式基础上，建立matlab/simulink模型验证合理性。图2.4 matlab/simulink模型求解微分方程从上到下依次为太阳轮、齿圈、行星架的外部施加扭矩：图2.5太阳轮、齿圈、行星架、内行星轮、外行星轮的角速度依次为：图2.6可见，当外部施加扭矩符合比例时，各元件转速趋于稳定，系统趋于稳态。惯量影响动态响应速度。2.4双行星轮动力学原理验证试验为验证动力学原理和数学模型的正确性，设计了以电机作为动力源的行星排试验台架。原理样机如右图所示 图2.7 原理样机基于该原理样机，搭建了如下图所示的简易台架。图2.8 原理样机试验台架通过
14、该简易试验台架，得到如下结论：1、 验证了行星轮机构可以作为功率分流或功率汇流，即行星轮机构的三个基本构件（太阳轮、齿圈、行星架）任意两个可以驱动第三个，任意一个也可以驱动另外两个。2、 验证了行星轮机构三个基本构件（太阳轮S，行星架H，齿圈R）间的转速关系，即 （1）或 这里，为行星齿轮特性参数。 图2.9 转速关系验证图把测得的太阳轮转速、行星架转速、齿圈转速代入（1）式的左边，得到其左边的值在0值上下微动，考虑测量误差的影响，其转速关系式（1）是正确的。3、验证行星轮机构各构件（太阳轮S，行星架H，齿圈R）间的转矩关系即 上式是不考虑摩擦、稳态时推导出来的。由于摩擦的存在，且负载较低时电
15、机效率较低，所以低负荷时三者扭矩得不到一定的比例关系，但在中等负荷以上时三者扭矩呈现与上述比例关系一致的趋势，在误差测试范围内，可以验证上述扭矩关系的成立。 图2.10 转矩关系图4、 验证了功率关系不考虑功率损失，系统的输入功率等于输出功率，即即太阳轮端输入功率与行星架端输入功率之和等于齿圈端的输出功率，即。考虑摩擦等效率损失，输入功率比输出功率要大一些，如下图2.10，这是符合理论的。 图2.11 输入功率与输出功率关系图5、验证了行星排耦合装置的可控性通过调整太阳端和行星架端的输入功率，从齿圈端可以得到目标转速，即说明可以通过控制输入端使输出端达到目标值。（1） 保持目标值速度不变如图2
16、.12所示，通过控制行星架端和太阳轮端电机的转速，可以使输出端转速保持在期望值。图2.12目标值速度保持不变（2） 目标值速度变化如图2.13所示，太阳轮转速基本保持不变，调节行星架端电机的转速，从而得到目标值齿圈的转速。图2.13 目标值速度变化2.5动力匹配应用该混合动力电驱动系统的混合动力功能样车的性能指标 见表2.1AER（纯电动行驶里程）10km混合模式下最高车速120km/h最大爬坡度30%0100km/h全加速时间40s原型车参数，见表2.2m满载质量3550 kgi04.88A迎风面积4.325 m2i1524f滚动阻力系数0.018i23296Cd风阻系数0.5i31.913
17、r滚动半径0.339 mi41.266动力传动效率0.9i51.000匹配所依据的道路循环工况见图2.14图2.14 UDDS循环工况图 图2.15 时间-功率分布图功能样车在该道路循环工况下，负载功率需求见图2.15。混合动力电驱动系需要提供出满足在社会丁工矿下的扭矩和功率需求，供求关系如2.16所示 。图2.16从功能要求到概念设计参数的映射过程如图2.17 图2.17 映射过程动力匹配算法流程如下图2.18图2.18 动力匹配计算流程匹配计算结果见2.3动力系统组件特征描述性能参数发动机1.4升直列四缸汽油机最大功率75kW/6000rpm最大扭矩123Nm/4500rpm驱动电机永磁同
18、步交流电机额定功率15kW，额定扭矩60Nm峰值功率35kW，峰值扭矩130Nm基速2500rpm， 最高转速10000rpmISG永磁同步交流电机 额定功率10kW，额定扭矩60Nm峰值功率25kW，峰值扭矩140Nm基速1700rpm， 最高转速6000rpm变速箱5排档AMT5.24 3.296 1.913 1.266 1 5.024(R)动力电池磷酸铁锂电池45kW， 336V， 40Ah动力耦合器双行星轮单排行星齿轮机构特性参数k=2.258表2.3 动力组件参数列表三、控制系统为方便耦合装置与AMT的选配并提高其协同工作能力，拟采用耦合装置与AMT的机构和控制功能的集成设计，同时为
19、了简化混合动力汽车的整车集成难度，该综合控制系统还具有多能源管理和控制功能。3.1耦合装置与AMT的集成控制耦合器需要对其中的离合器和锁止器进行控制来实现混合动力汽车运行在不同的工作模式下。该机电耦合动力传动装置的控制与传统控制有着很大的不同。由于AMT与机电耦合装置的集成设计，离合器安装在耦合装置中，故对AMT进行换挡控制时需要对耦合装置中的离合器进行控制。同时，由于在耦合装置不同的工作状况下，混合动力汽车的工作模式发生了变化，AMT需要根据耦合装置的工作状况选择不同的换挡规律。针对机电耦合装置的AMT系统变速箱前端与行星轮没有离合器脱开，且集成设计的结构改变导致AMT的输入端的惯量变大，换
20、档时还必须靠电机精确调速实现同步。为了降低混合动力汽车的控制系统集成难度，在自主开发AMT控制策略、耦合器控制策略的基础上，集成混合动力汽车的多能源管理控制策略，将其设计成综合控制系统，对混合动力整车的能源管理和机电耦合动力传动装置进行控制。这样，设计的综合控制系统只要能够满足整车的通讯协议，采用集成的机电耦合动力传动装置和综合控制系统，并对综合控制系统进行标定，可以很容易地实现混合动力汽车的整车集成。图3.1 综合控制系统结构原理图根据以上分析，机电耦合动力传动装置的综合控制系统的控制原理如图3.1所示。多能源管理控制模块根据汽车及其他能源器件工作的状态，选择合适的工作模式和AMT的换挡规律
21、，并对AMT换挡模块和耦合器执行模块提出控制要求。AMT执行模块、耦合装置执行模块、电机控制系统再相互协调实现耦合装置的工作。以发动机单独驱动模式为例对综合控制系统的工作过程进行介绍，其控制结构原理如图3.2所示。多能源管理控制模块根据汽车及各电池的工作状态决定混合动力汽车应该工作在纯发动机驱动模式，多能源管理和协调控制模块选取对应的AMT换挡规律提供给AMT换挡执行模块，同时对耦合装置执行模块提出控制要求。AMT根据多能源管理和协调控制模块的要求，在进行换挡时向耦合装置执行模块提出离合器控制的要求，向主驱动电机控制系统提出齿圈及一轴的转速控制要求。当离合器的控制和一轴转速的控制满足换挡要求，
22、则AMT换挡执行模块进行换挡操作。当完成换挡后，耦合装置执行模块和电机控制系统再各自按自己的需要进行工作。图3.2 发动机单独驱动工况控制原理3.2混合动力系统控制流程混合动力系统控制流程如图3.3：图3.21HCU通过接收驾驶员信息（包括：油门开度大小、刹车位置、离合器状态、挡位信息）确定整车的运行状态，并估算驾驶需求功率；2HCU接收电机、电池和发动机模块的信息，获得当前各模块的运行点，据此估算在当前电机转速下电机的最大输出功率（根据电机转速、电池SOC确定）和内燃机的最大输出功率；3合理分配驾驶需求功率：HCU通过控制策略的决策与运算，确定发动机分配功率和电机的分配功率以及ISG的功率；
23、4HCU输出控制命令：节气门执行器根据节气门开度命令控制发动机节气门开度大小，电机ECU根据电机分配功率控制电机运行。发动机与电机的输出转矩通过行星齿轮耦合后，再通过传动系统驱动车辆，从而控制整车的正常运行。图3.43.3能源管理控制原则图 3.5 混合动力电驱动系的设计理念如图3.5所示，车辆频繁加速、减速、上坡和下坡，其负载功率在实际运行过程中是随机变化的。事实上，负载功率由两部分组成：一是稳定的（平均的）功率，它是一恒定值；另一为具有零平均值的动态功率。在混合动力汽车中，稳定功率由发动机提供。因为动态功率取自于动态功率源，故采用的发动机比传统汽车的发动机要小得多，于是便能令其稳定地运行在
24、最佳效率区。动态功率由配置蓄电池组的电动机提供。在整个行驶循环过程中，来自于动态动力系的总能量输出将为零。这意味着动态动力系的能源在整个行驶循环终结时，不失去能量的容量，其功能仅作为功率调节器。因此，在混合动力汽车能源管理中，普遍遵循以下原则：1控制发动机在高效区工作，在较高转速范围和较大负荷时，发动机效率比较高；“怠速”停车时关闭发动机2避免发动机频繁启动和关闭，尽可能降低启动阶段发动机的污染排放3保持主电机工作在高效区，与发动机相比，电机的高效区范围宽的多，即使在低载时也有比较高的效率。在本系统的控制策略问题上，主要根据试验得到的部件稳态效率MAP图，通过采用不同的门限值确定发动机和电机之
25、间的动力分配，优化发动机启动功率阈值、发动机停止功率阈值、发动机保持工作最小时间、发动机保持关闭最小时间、电池SOC高状态放电功率比例、电池SOC低状态充电功率比例等控制参数，根据工作模式调整发动机、ISG、电机、行星齿轮、变速箱的工作状态，使发动机、电机、电池工作在较优的工作区间，达到降低能耗的目的。四、开发可行性原理的可行性经过前阶段的理论探索和实验验证，确认了原理的正确性和方案的合理性。研发团队HEV工作站已开发出一款并联式轻度混合动力功能样车，团队具备一定的技术积累；高新部经过前期项目开发，具备了一定的软硬件开发能力。设备研究院正在进行汽车电子平台的建设，目前已经拥有了Dspace、CANoe、CANape、Simulator、AutoBox等汽车电子开发及标定工具，为项目的开发提供了设备保障。合作方合作方安徽奥马特汽车传动系统有限公司和清华大学可提供一定的技术支持。CVT工作站的合作单位湖南容大汽车电子技术有限公司，可为项目提供行星轮机构耦合装置的设计和改造提供一定程度的帮助，有助于降低成本和风险； 公司管理层的支持项目立项以来，得到了高层的持续关注和支持，营造出一种促使项目成功的氛围。开发流程在“863”项目过程中，借鉴标准化、规范化开发流程，力图从方法上、流程上保证项目开发的进度和质量。
