混合動力汽車自動變速系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)

混合動力汽車自動變速系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混合動力汽車自動變速系統(tǒng)

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車類似，由于發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)速工作范圍與車速范圍不一致，需要將混合動力汽車動力源的動力變速變矩地傳遞至驅(qū)動車輪，同時混合動力汽車變速傳動系統(tǒng)還要完成發(fā)動機和電機動力的分配和藕合。第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混合動力汽車自動變速系統(tǒng)

混合動力汽車可以選用專門針對混合動力系統(tǒng)設(shè)計的變速傳動系統(tǒng)，也可是使用傳統(tǒng)變速系統(tǒng)實現(xiàn)所要功能。現(xiàn)在常見的混合動力轎車有:Prius(Toyota),Estima(Toyota),Tino(Nissan),Civic(Honda)和Insight(Honda)，其選用的變速傳動系統(tǒng)如表1所示。第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混合動力汽車自動變速系統(tǒng)表1混合動力汽車使用的變速傳動系統(tǒng)第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混合動力汽車自動變速系統(tǒng)除Prius和Estima外，混合動力轎車多采用CVT，而Toyota采用的THS(ToyotaHybridSystem)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)變速系統(tǒng)的行星齒輪結(jié)構(gòu)，其通過協(xié)調(diào)發(fā)動機、發(fā)電機和電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)動力分配和無級變速的雙重功能。由于受開發(fā)周期、開發(fā)成本和技術(shù)水平的限制以及自主知識產(chǎn)權(quán)方面的要求，我國混合動力汽車開發(fā)多選擇傳統(tǒng)汽車所使用的變速系統(tǒng)。第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混合動力汽車自動變速系統(tǒng)按照實現(xiàn)自動變速的原理，自動變速器可分為三類:一類是液力變矩器和行星齒輪變速箱組成的液力自動變速器(AutomaticTransmission簡稱AT);一類是無級變速器(ContinuouslyVariableTransmission，簡稱CVT);另一類是由傳統(tǒng)固定軸式變速箱和干式離合器以及相應(yīng)的電液控制系統(tǒng)組成的機械式自動變速器(AutomaticMechanicalTransmission,簡稱AMT)第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月液力自動變速器（AT)AT，在汽車上應(yīng)用的歷史已有60多年，是現(xiàn)在傳統(tǒng)汽車中應(yīng)用范圍最廣的自動變速系統(tǒng)，圖1所示為寶馬7型的6速自動變速器。第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月液力自動變速器（AT)圖1寶馬6速自動變速器第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月液力自動變速器（AT)液力自動變速器由液力變矩器、行星齒輪和液壓操縱系統(tǒng)組成，液力變扭器是AT最關(guān)鍵的部件，由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪等構(gòu)件組成，它除了起離合器的作用外，還具有在一定范圍內(nèi)無級變速和變矩的能力，對負(fù)載有良好的自動調(diào)節(jié)和適應(yīng)性。因此，液力自動變速器換檔平穩(wěn)，操作容易，但其缺點也較多:一是對速度變化反應(yīng)較慢，沒有手動變速器靈敏，無法滿足對駕駛感覺要求較高的人的需求:二是費油不經(jīng)濟(jì)，傳動效率低變矩范圍有限，近年引入電子控制技術(shù)一定程度上改善了這方面的問題;三是機構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、制造和維護(hù)困難。由于AT的燃油經(jīng)濟(jì)性較差，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不容易進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，應(yīng)用于混合動力汽車時不僅影響整車燃油經(jīng)濟(jì)性，而且還受到其過長的開發(fā)周期和過高的開發(fā)、使用成本的影響。第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月無級變速器(CVI)CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車上來用CVT技術(shù)的鼻祖，早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油機汽車上，但由于橡膠帶式CVI存在一系列的缺陷，沒有被汽車行業(yè)普遍接受隨著新技術(shù)逐步克服原有技術(shù)的缺陷，研制出了性能更優(yōu)良的CVT。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，汽車界對CVT技術(shù)的研究開發(fā)日益重視，特別是在微型車中，CVT被認(rèn)為是關(guān)鍵技術(shù)。CVT的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示，主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。CVI結(jié)構(gòu)簡單、體積小，既沒有手動變速器的眾多齒輪組，也沒有AT中復(fù)雜的液力變矩器和行星齒輪組。理論上CVT可使發(fā)動機始終在經(jīng)濟(jì)工況區(qū)運行從而較大幅度地改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，但由于CVT是摩擦傳動，傳動效率較低，且傳動帶很容易損壞，不能承受較大的載荷，因此其只能用于在低功率和低轉(zhuǎn)矩汽車，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在CVT已經(jīng)開始在中等排量的汽車中得到應(yīng)用。第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月無級變速器(CVI)圖2無級變速器結(jié)構(gòu)圖第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月機械式自動變速器(AMT)傳統(tǒng)手動變速器是通過駕駛員控制離合器、變速箱來接合發(fā)動機動力和改變傳動系統(tǒng)檔位，通過在手動變速器基礎(chǔ)上加裝換檔、離合器執(zhí)行機構(gòu)和相應(yīng)的自動控制單元實現(xiàn)上述的自動控制即為機械式自動變速器。國外對AMT的研究和開發(fā)始于二十世紀(jì)七十年代中期，較為典型的有瑞典Scandia的CAG系統(tǒng)、德國DaimlerBenz的EPS系統(tǒng)、美國Eaton的SAMT系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使換檔操縱實現(xiàn)了自動化，換檔時仍由駕駛員踩離合器踏板來配合換檔。世界上第一臺全自動的電控機械式自動變速器是日本五十鈴公司在1984年推出的NAVI-5，不久德國波爾舍的Carrera轎車也裝用TipTropic，同時期出現(xiàn)的還有:日本Nissan,Hino及美國Eaton的全自動變速系統(tǒng)。第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月各種變速系統(tǒng)的比較各種變速系統(tǒng)的比較第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月各種變速系統(tǒng)的比較在混合動力汽車中，由于對燃油經(jīng)濟(jì)性以及成本、開發(fā)周期等方面的要求較高，AT不適合于在混合動力汽車上使用。由于世界各大汽車公司的參與，CVT的各項技術(shù)不斷走向成熟，國外眾多汽車廠商都致力于CVT的推廣應(yīng)用，由于其燃油經(jīng)濟(jì)性較好，因此在混合動力轎車中得到了較好的應(yīng)用。但是由于CVT應(yīng)用于較大型的車輛時還存在一些問題，因此許多混合動力汽車中采用AMT作為變速機構(gòu)。第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)汽車AMT基本控制原理圖3傳統(tǒng)汽車AMT基本控制原理第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車使用AMT作為混合動力汽車的動力藕合和變速傳動裝置比較適合我國的國情。由于混合動力汽車的動力源與傳統(tǒng)汽車不同，AMT應(yīng)用于混合動力汽車時，其功能和控制也與傳統(tǒng)汽車情況有很大的不同。第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車傳統(tǒng)汽車AMT的控制即為整車控制，如圖3所示，控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員對車輛的操縱(加速踏板、制動踏板、操縱手柄等)和車輛狀態(tài)(車速、檔位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等)選擇當(dāng)前行車需要的最佳檔位，如果需要換檔或離合器操作，則借助相應(yīng)的自動操縱機構(gòu)對車輛的動力和傳動系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此，傳統(tǒng)汽車AMT控制主要指換檔策略和動力、傳動系統(tǒng)控制兩個方面的內(nèi)容區(qū)別于傳統(tǒng)汽車，由于混合動力汽車中電驅(qū)動系統(tǒng)的存在，AMT控制在這兩個方面的問題與傳統(tǒng)汽車有較大不同，混合動力汽車整車控制包括能量管理策略和能量管理策略的實現(xiàn)兩方面的內(nèi)容。第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車能量管理策略混合動力汽車的能量管理策略包括發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)矩分配策略以及變速系統(tǒng)的換檔策略兩方面內(nèi)容轉(zhuǎn)矩分配策略。第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車混合動力汽車能量管理策略研究多集中于轉(zhuǎn)矩分配策略方面，轉(zhuǎn)矩分配策略的目的是通過調(diào)整發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)矩提高車輛綜合效率。在一般的并聯(lián)式混合動力汽車中，發(fā)動機是主驅(qū)動裝置，電機是輔助驅(qū)動裝置。由于發(fā)動機工作效率較低，尤其在發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率較低時，其燃油經(jīng)濟(jì)性極差，為避免發(fā)動機工作在低效區(qū)，在滿足駕駛員轉(zhuǎn)矩需求的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)矩分配策略通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)矩使發(fā)動機工作在高效區(qū)或關(guān)閉發(fā)動機并由電機單獨驅(qū)動車輛。在發(fā)動機工作效率較高時，可以由發(fā)動機直接驅(qū)動車輛，此時通過調(diào)整電機電動或發(fā)電的轉(zhuǎn)矩使發(fā)動機工作在高效區(qū)，電機發(fā)電生成的電能存儲在動力電池中以供電動時使用，為保證電池充放電時的效率，轉(zhuǎn)矩分配策略還要盡量維持電池的電量平衡。第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車換檔策略在并聯(lián)式混合動力汽車中，發(fā)動機和電機布置在變速箱之前，主電機與變速箱輸入軸直接連接，發(fā)動機的動力通過離合器傳遞至變速傳動系統(tǒng)。變速箱檔位切換改變了發(fā)動機和電機的工況進(jìn)而影響車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能指標(biāo)。因此，并聯(lián)式混合動力汽車的能量管理策略包括轉(zhuǎn)矩分配策略和換檔策略兩個方面。第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車并聯(lián)式混合動力汽車有兩個動力源:汽油發(fā)動機和永磁同步電機，使用AMT作為動力藕合裝置和變速傳動系統(tǒng)，電機與變速箱輸入軸直接相連，發(fā)動機通過AMT系統(tǒng)中的離合器與主電機(即變速箱輸入軸)連接，混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車圖4并聯(lián)式混合動力汽車動力傳動系統(tǒng)第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車在使用AMT作為變速驅(qū)動單元的的混合動力汽車中，AMT不僅需要將發(fā)動機和電機的動力變速變矩地傳遞至驅(qū)動輪(或?qū)④囕v的制動能量反向傳遞至電機進(jìn)行能量回收)，還要完成混合動力系統(tǒng)的動力分配和轉(zhuǎn)矩藕合，AMT是實現(xiàn)能量管理策略的關(guān)鍵第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月AMT應(yīng)用于混合動力汽車能量管理層根據(jù)駕駛員操作(加速踏板、制動踏板和手柄位置)和車輛運行狀態(tài)(車速、電池SOC、變速箱檔位等等)確定變速系統(tǒng)檔位、離合器狀態(tài)、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩以及液壓制動轉(zhuǎn)矩，目的是改善車輛的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。在使用AMT的PHEV中，能量管理策略主要包括發(fā)動機、電機的轉(zhuǎn)矩分配策略和換檔策略兩個方面的內(nèi)容。在能量管理策略的實現(xiàn)層，通過對發(fā)動機、電機、離合器和變速箱的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)能量管理策略。換檔和離合器動作由控制系統(tǒng)直接控制，對發(fā)動機和電機的控制是通過將控制指令發(fā)送至發(fā)動機控制器EMS(EngineManagementSystem)和電機控制器MCU(MotorControlUnit)，由EMS和MCU對發(fā)動機和電機進(jìn)行直接控制。第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月PHEV動力傳動及其控制系統(tǒng)圖PHEV動力傳動及其控制系統(tǒng)第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混合動力汽車動力總成結(jié)構(gòu)按動力傳動系結(jié)構(gòu)不同，混合動力汽車可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種構(gòu)型，每種構(gòu)型又有一多種結(jié)構(gòu)方案下而對這三種型式的部件組成、工作原理和各自的優(yōu)缺點進(jìn)行簡要分析第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1串聯(lián)混合動力總成構(gòu)型串聯(lián)式HEV動力傳動系的結(jié)構(gòu)組成如下圖所示。由發(fā)動機、發(fā)電機、電機、變速箱等構(gòu)成。第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1串聯(lián)混合動力總成構(gòu)型該結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)布置靈活由于發(fā)動機與汽車驅(qū)動輪之間無機械連接，這樣便于進(jìn)行整車布置。(2)發(fā)動機工作效率高可對發(fā)動機進(jìn)行獨立控制，使發(fā)動機可穩(wěn)定于高效區(qū)或低排放區(qū)附一近工作。同時，該結(jié)構(gòu)尤其適合于那類與驅(qū)動輪難于進(jìn)行機械連接的高效發(fā)動機，如燃?xì)廨啓C、斯特林發(fā)動機等。(3)整車的控制簡單由于發(fā)動機獨立于行使工況，小存在發(fā)動機與電機之間的功率分配，因此整車的控制簡單。第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月1串聯(lián)混合動力總成構(gòu)型該結(jié)構(gòu)方式的缺點為:(1)系統(tǒng)綜合效率低由于發(fā)動機輸出的機械能由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，再由電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能用以驅(qū)動汽車，途經(jīng)兩次能量轉(zhuǎn)換，中間必然會伴隨著能量的損失，因此，系統(tǒng)綜合效率降低。(2)成本高對于混合動力客車，由于需要的電機功率很高，這樣所需要的電池數(shù)量增加，帶來重量和成本增高。對于轎車而言，它的三個動力總成(發(fā)動機、發(fā)電機、電動機)也會給系統(tǒng)總布置帶來困難。第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2雙軸并聯(lián)混合動力總成構(gòu)型雙軸并聯(lián)式混合動力總成的結(jié)構(gòu)根據(jù)動力合成裝置在變速箱的前與后可分為前置式(動力合成裝置在變速箱前)雙軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)和后置式(動力合成裝置在變速箱后)雙軸了并聯(lián)結(jié)構(gòu)分別如下圖和圖所示第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月前置式雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動系結(jié)構(gòu)圖前置式雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動系結(jié)構(gòu)簡圖第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月后置式雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動系結(jié)構(gòu)圖后置式雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動系結(jié)構(gòu)簡圖第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月雙軸并聯(lián)混合動力總成雙軸并聯(lián)式HEV動力傳動系，發(fā)動機與電動機可以分別獨立地向汽車驅(qū)動輪提供動力，沒有串聯(lián)式HEV動力傳動系中的專用發(fā)電機，因此更象傳統(tǒng)的汽車動力傳動系，并具有了許多顯著的優(yōu)點:(1)由于發(fā)動機的機械能可直接輸出到汽車驅(qū)動橋，中間沒有能量的轉(zhuǎn)換，與串聯(lián)式布置相比，系統(tǒng)效率較高，燃油消耗也較少;(2)電動機同時又可作為發(fā)電機使用，系統(tǒng)僅有發(fā)動機和電動機兩個動力總成，整車質(zhì)量和成本大大減小。第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月雙軸并聯(lián)混合動力總成缺點:(1)由于發(fā)動機與車輛驅(qū)動輪間有直接的機械連接，發(fā)動機運行工況實時地受到汽車行駛工況的影響，因此對整車排放工作點的優(yōu)化小如串聯(lián)形式好。(2)這種結(jié)構(gòu)，要維持發(fā)動機在最佳工作區(qū)工作，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和控制策略。對于雙軸并聯(lián)式混合動力汽車(PHEV，動力傳動系的主要元件之一為動力合成裝置。動力合成的實現(xiàn)方法可歸類為:轉(zhuǎn)速合成式、牽引力合成式和扭矩合成式三大類。第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)速合成式PHEV動力傳動系

第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)速合成式PHEV動力傳動系常用的轉(zhuǎn)速合成裝置有行星齒輪系和電動轉(zhuǎn)速計，它們構(gòu)成的動力傳動系結(jié)構(gòu)分別如圖2-5,圖2-6所示。轉(zhuǎn)速合成式PHEV動力傳動系中，兩個動力總成之間的轉(zhuǎn)速分配較為靈活，適用于那些對轉(zhuǎn)速變化敏感而對扭矩變化小太敏感的動力總成間的輸出功率疊加。但由于兩動力總成的輸出扭矩存在著一定的比例關(guān)系(如式2-1)，要求發(fā)動機的工作特性調(diào)節(jié)必須與電動機的輸出特性相配合，增加了控制系統(tǒng)的難度。另外，轉(zhuǎn)速合成式裝置固有的輸出特性也限制了電動機低速大轉(zhuǎn)矩特性的利用，而低速大轉(zhuǎn)矩卻對車輛的起動十分有利。第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月牽引力合成式PHEV動力傳動系圖2-7牽引力合成式PHEV動力傳動系第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月牽引力合成式PHEV動力傳動系牽引力合