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混合动力汽车中自动变速器及动力合成装置的研究分析
摘要：
对目前国际上4种自动变速器进行了全面系统地介绍，讨论了目前混合动力汽车采用自动变速器的类型，并分析各种变速器在混合动力传动系统中应用的优缺点，最后以丰田普锐斯为例子，对其动力合成装置的结构和工作原理进行了分析。
关键词：
自动变速器；
混合动力汽车；
普锐斯
Studyonautomatedtransmissionandpower
synthesis
devices
of
Hybrid
Electric
Vehicle
Abstract:
Fourautomatedtransmissionspopularininternationalautomobilemarketareintroducedsystematically.DiscussthetypesofautomatictransmissionusedbyHybridElectric
Vehicle,andanalyzetheadvantagesanddisadvantagesofvarioustransmissionsappliedinahybriddrivesystem.Lastly,usingToyotapriusasanexample,the
devicestructure
andworkingprincipleofitare
analyzed.
Keywords:
automatedtransmissions;
Studyonspeed
variatorof
;
Prius
引言
混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能[1]。
经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来离散结构向一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。
一般来讲，在混合动力汽车中可以采用两种方式进行系统的集成，第一种集成方式是发动机—电机集成化，例如将发动机和启动/发电机（ISG）进行集成形成弱混合型的混合动力汽车，例如Honda公司Insight混合动力汽车；
第二种集成方式是对电驱动系统和变速传动系统进行集成，例如丰田公司的THS变速驱动系统。
本文首先对混合动力汽车中自动变速器的应用进行介绍，然后以丰田公司的THSⅡ变速驱动系统为例，详细介绍其结构、原理和特点。
1混合动力汽车中自动变速器的应用
1.1自动变速器的介绍
变速器是传统汽车和混合动力电动汽车动力传动系统的重要部件。
变速器的性能对整车的动力性、经济性、舒适性等有着重要的影响[2]。
自动变速器种类很多，目前传统汽车所采用的变速器主要有以下6种：
机械式变速器（MT,ManualTransmission）、电控机械式自动变速器（AMT,AutomatedManualTransmission）、液力机械自动变速器（AT,AutomaticTransmission）、双离合器式自动变速器（DCT,DualClutchTransmission）、无级变速器（CVT,ContinuouslyVariableTransmission）和行星轮式变速器（PT,PlanetaryTransmission）。
对于混合动力汽车，各厂家在以上6种变速器都进行了相应的尝试，由于它们的结构特点差异，决定了它们的性能各有优缺点[3]。
1.2各种混合动力车用变速器研究现状
1.2.1MT式混合动力汽车
MT由于结构简单而在传统汽车上得到了广泛应用。
MT不需要采用复杂的控制程序，因此在混合动力研发的初级阶段，MT能大大降低整车的开发难度，因此许多厂家在研发初期选择了MT混合动力汽车，例如：
长安羚羊、长城嘉誉、奇瑞A5以及吉利轻度混合动力轿车等。
它们的共同之处除了都运用机械式变速器之外，结构上都选用ISG电机作为辅助动力源，因此在传统车的基础上，不需要进行太大的改动，这样在实现混合动力汽车基本功能的前提下还有利于产业化的实现。
但缺点是，MT的换挡过程由驾驶员控制，因此混合动力汽车很多与换挡相关的节油技术不能实现。
这种混合动力构型只能作为混合动力汽车初期研究的尝试，而不是混合动力的最终结构。
1.2.2AMT式混合动力汽车
为了避免驾驶员的经验差异对换挡规律的影响，在手动变速箱的基础上加上一套液压或者步进电机式自动选档换挡机构，再对换挡时的离合器进行自动控制，就变成了AMT。
它揉合了AT和MT两者优点，既具有AT自动变速的优点，又保留了MT传递效率高、成本低、结构简单的长处。
相对于其他类型的自动变速器，AMT变速器是在现用机械变速器上进行改造的，保留了绝大部分的原总成部件，只改变其中手动操作系统的换档杆部分，生产继承性好，改造的投入费用也较少。
一汽解放牌混合动力公交车、二汽东风牌混合动力公交车、一汽奔腾混合动力轿车以及伊顿混合动力卡车都采用了AMT。
1.2.3AT式混合动力汽车
本田Accord混合动力轿车以及通用U-Model混合动力概念车都运用AT变速箱。
图1.1为U-Model概念车所采用AT变速器的结构图。
该结构的特点是用电机取代了液力变矩器，通过控制电机来实现平稳起车和换档的平顺。
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。
故，不适合在混合动力汽车上使用。
图1.1福特U-Model概念车所采用AT变速器的结构图
1.2.4CVT式混合动力汽车
CVT是汽车变速系统最理想的变速器，CVT的结构有很多种，但金属推力带式CVT应用最为广泛。
国内外对其与混合动力的结合做了很多研究，国外有：
Nissan公司的Tino、Toyota公司的Estima和Alphard、Honda公司的Insight和Civic、Punch公司的CVT混合动力总成，国内有：
长安公司的羚羊混合动力轿车、奇瑞公司A313DCVT混合动力轿车等。
图1.2所示为羚羊轿车的构型。
图1.2羚羊轿车的构型
1.2.5EVT式混合动力汽车
对于行星轮式混合动力汽车，领跑者丰田公司做了许多研究，并成功进行了Prius的量产，其余公司只能在丰田的结构基础上增加排数或者加离合器来打破丰田的专利封锁。
行星排式混合动力汽车能实现无级变速，且系统效率较高的同时，由于丰田的专利封锁，给其他企业关于EVT式混合动力的研究带来了构型复杂、控制繁琐的困难。
日本丰田公司相继推出了第一（如图1.3所示）、二、三代的Prius，Estima（大霸王），Alphard（埃尔法），LexusRX400h，Camry，LexusHighlander，LexusGS450h，LEXUSLS600hL，Harrier和Kluger等车型；
美国GM公司推出了Yukon，Tahoe，VueGreen，Line等车型。
图1.3第一代Prius的THS构型简图
1.2.6DCT式混合动力汽车
双离合变速器（DualClutchTransmission）DCT或者（DirectShiftGearbox）DSG主要由双离合器、齿轮变速器、自动换挡机构和电子液压控制系统等组成。
由于DCT具有无动力中断换挡、传递效率高等优点而被许多厂家予以关注。
现在双离合器变速器在大众公司的汽车上的应用较多。
IAV公司也开发出一种9速比的双离合器混合动力总成，如图1.4所示，主要部分包括发动机、单离合器、电机、双离合器、变速器。
此总成可以实现各种工作模式。
图1.4IAV双离合器混合动力变速器
1.3各种变速器在混合动力传动系统中应用的优缺点
1.3.1机械式变速器（MT）
机械式变速器传动效率高、结构简单、工艺可靠、成本低，但它的换挡过程由驾驶员控制，因此混合动力汽车很多与换挡相关的节油技术不能实现。
同时，MT不太适合在城市里交通拥堵情况下使用，而且如果无法掌握好换档时机，油离配合不好的话，燃油经济性也无法保证。
1.3.2电控机械式自动变速器（AMT）
电控机械式自动变速器既具有液力自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。
但换挡时间较长，因为档位变动引起的顿挫感较强，舒适性较差，换挡过程中有可能出现动力中断。
1.3.3液力机械式自动变速器（AT）
液力机械式自动变速器是将发动机的机械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置，以其良好的乘坐舒适性、方便的操纵性、优越的动力性、良好的安全性奠定了在汽车工业的主导地位[4]。
由于采用了液力变矩器，可以不用离合器换档，档位少，连接平稳，操作容易。
但它对速度变化反应较慢，液力传动工况下效率相对较低，燃油经济性较差，结构复杂，难制造，成本高，修理困难。
1.3.4无级变速器（CVT）
机械无级式自动变速器速比光滑变化，无级传递扭矩，乘坐舒适，加速性好，与AT相比具有较高的运行效率，油耗较低，燃料经济性高，同时，还有重量轻、体积小、零件少的优点。
但它的起动性能差，通常需另加起动装置，另外它属于摩擦传动，传动效率较低，且传动带很容易损坏，金属带制造困难，可传递转矩相对较小，不能承受较大的载荷。
1.3.5电气无极变速器（EVT）
电气无级传动可以使发动机工作在高效运行区，并能实现起动-停止运行，明显地减少燃料消耗和废气的排放，具有以下优点[6]：
1）全自动的无级变速能使车辆稳定平滑行驶、乘坐更舒适；
2）由于采用的是电气无级变速传动技术，克服了机械式无级传动的缺点，具有可靠性高，经久耐用的特性；
3）为高恒功率加速，因此加速快；
4）电气无级传动可实现回馈制动，因此能提高燃料的利用率；
5）利用电气无级变速传动装置的电气端口可装备更多的电气辅助设施，如电动门和体积较小的电驱动的空气压缩。
EVT缺点在于质量较大（160kW的EVT约400kg），最大减速速比受EVT额定功率的限制，另外EVT有炭刷，且价格较贵。
虽然EVT的质量比常规的变速器稍大，但与常规的传动系统相比减少了大量的器件。
EVT可代替汽车中的变速器、离合器、减速器、起动器和发电机。
1.3.6双离合自动变速器（DCT）
双离合变速器主要由多片湿式双离合器、三轴式齿轮变速器、自动换挡机构、电子控制和液压控制系统组成，其中核心机械部分是双离合器和三轴式齿轮箱。
双离合变速箱在传动过程中的能耗损失非常低，其同电极结合可以很好地组成混合动力系统[5]。
但制造加工的精度要求很高，技术难度大，导致成本也相当高。
此外，在较拥堵的城市路况下，长时间处于半离合状态的离合器容易过热，因此温度传感器会感知温度过高，从而使变速器停机。
2丰田普锐斯（Prius）混合动力系统（THSⅡ）
丰田公司于1997年开始销售混合动力的Prius，它是世界第一款商业用途的大批量生产的混合动力汽车。
丰田混合动力车的动力中枢是混合动力系统（THS—ToyotaHybridSystem），它使汽油机和电力两种动力系统通过串联与并联相结合的形式进行工作,达到低排放的效果。
在2003年4月的纽约国际车展上，丰田推出了采用THSⅡ系统的新一代Prius，使混合动力汽车的发展又向前迈了很大一步[7]。
Prius动力装置（THS）属于混联式混合动力系统，混联式系统发动机和电动机都是驱动主题，它的动力分配装置把动力分成两路，一路是汽油机的动力直接传到车轮，另一路（电路）是发动机将能量转变成电能，带动电动机或给电池充电，如图2.1。
图2.1普锐斯动力汽车动力合成装置的结构图
2.1THSⅡ系统简介
2.1.1 系统组成
THSⅡ系统主要部件有采用Atkinson循环的高效汽油机、永磁交流同步电机、发电机、高性能镍金属氢化物（NI-MH）电池和功率控制单元。
功率控制单元由高压电源电路、AC-DC逆变器组成。
电源电路将电动机和发动机的电压升至500V。
AC-DC逆变器用于电动机、发电机的交流电和混合动力电池的直流电之间的转换，动力分配装置用于分配、合成和传递发动机、电动机和发电机的机械动力。
2.1.2 THSⅡ系统工作过程
a.启动，低速到中速运转时，只要电池电量在合理范围内，汽车由电动机驱动，此时整车处于电动车模式，不排废气。
b.当整车进入一般行驶条件时，此时发电机起到启动机的作用,使发动机从静止开始旋转，直到点火。
整车动力一部分来自发动机，另一部分则由发动机带动发电机后给电动机供电驱动车轮。
c.瞬间加速除与一般行驶条件相同外，电池会提供额外的功率给电机来改善整车加速性能，此时发动机瞬态加速性能大幅提高，制造了不少驾驶乐趣。
d.减速、制动，车轮驱动电动机。
电动机起到发电机作用。
再生制动系统将动能转变为电能，并储存于镍氢能电池。
e.电池再充电，电池始终保持充足电量。
根据需要，发动机驱动发电机给电池充电。
f.停车，发动机自动熄火。
2.2 THSⅡ的控制系统
THS-Ⅱ的控制系统调节整车的能量分配，使整车的工作效率最优。
这包括使汽车行驶的能量、辅助装置消耗的能量，如空调、加热器大灯和巡航系统。
控制系统监测需求量和混合动力系统、部件的工作状态，如发动机，整个混合动力车的能量来源；
电动机，利用电池的电能产生使汽车行驶的驱动力；
电池，储存电动机在汽车减速时产生的电能。
通过汽车控制网络、驾驶员的指令获得制动信息。
比如节气门开放，换档位置等。
换句话说，THSⅡ的控制，实时监测汽车的各种能量消耗状态，提供快速、准确的整体控制，使汽车能够安全、高效、平稳地行驶。
2.2.1 THSⅡ系统的启动和停止
THSⅡ采用线控技术。
驾驶员的加减速、制动和转向等指令被转变成电信号（通过电线），提供给汽车电控装置，电控装置对汽车进行整体控制。
在线控装置中，系统的可靠性是要最优先考虑的，当智能钥匙发出驾驶员已进入车内的信号时，系统电源自动接合。
首先，THSⅡ系统监测系统计算机功能是否正常，并且在按下点火钮前进行操作检查，按下点火钮时，系统检查各种传感器、发动机、电动机、发电机和电池功能是否正常，然后是高电压部件，如电动机、发电机和电池的开关接通，做好车辆行驶的准备，这就是启动准备程序，在驾驶员离开汽车前再次按下点火钮时，高电压系统的部件断电，在确认这样的系统关闭后，混合动力系统计算机也关闭。
2.2.2 发动机功率控制
发动机功率控制是THSⅡ控制系统的基础，其作用是使整车能量消耗最小，根据汽车的运行状态，驾驶员踩动油门踏板的位置和电池计算机的状态信号，能量管理系统将决定是否停止发动机的转动，只用电动机驱动汽车或启动发动机，或用发动机动力驱动汽车。
第一次启动汽车时，如果电池有充足电，则电动机启动车辆。
若需用发动机驱动汽车，发动机首先由发电机启动，同时，THSⅡ系统计算整车所需能量。
然后，分析行驶条件发挥出生产这些能量的高效率，并把转速信号送至发动机。
发电机将发动机转速控制到指定范围。
为使发动机功率控制最优化，THSⅡ采用先进的整车能量管理系统，提高了燃油效率。
2.2.3 行驶控制
THSⅡ系统的汽车驱动力是由直接的发动机驱动力和电动机的驱动力组合在一起的。
车速越慢，由电动机发出的最大驱动力越大。
由于提高了发电机转速，THSⅡ系统可在车速较低的情况下，充分利用发动机的最大功率。
另外，由于采用高电压、大功率输出的电动机，成功地提高了动力性能，增大了最大驱动力。
由于没有变速器，直接采用了发动机驱动力和电动机驱动力的组合，这样使驱动力全方位地响应驾驶员的要求，从低速到高速，从低功率的巡航行驶到满负荷加速。
此外，在加速时，从只有电动机驱动到发动机启动的时间减少了40%，大大改善了加速响应，为消除发动机启动造成的冲击，发电机精确地控制曲轴的停止位置。
2.5.4 再生制动控制
在THS系统中，电子控制制动系统（ECB）协调制动系统的液压制动和再生制动，最佳地利用再生制动，用电池回收能量，提高汽车整体效率及燃油经济性。
2.5.5 THS按需提供转矩控制
按需提供转矩可确保根据驾驶员的意愿在各种行驶条件下提供所需驱动力。
a.电动机牵引力控制：
在THS系统中，发电机、电动机和车轮通过动力分配装置连接在一起。
发动机的大部分动力由发电机转变成电能；
功率大、响应快的电动机驱动汽车。
汽车的驱动力突然发生变化时，如车轮在冰面上打滑或车轮在制动时抱死时，有一个类似于传统牵引力控制的保护装置来防止电压波动和行星齿轮转速的增加，在THSⅡ中，进一步改进了保护装置，并利用高输出、快响应的电动机制造了世界上第一台电动机牵引力控制装置，其目的是当检测到车轮在冰雪路面上打滑时，控制汽车的牵引力，并告诉驾驶员路面的状况。
车辆安全运行的基本要求是轮胎和路面之间有可靠的牵引力，电动机牵引控制装置可使汽车保持这种状态。
b.爬坡辅助控制：
该功能可在坡道起步时防止汽车向下溜滑。
电动机上装有高灵敏度转速传感器，能够传感道路的坡度和汽车的溜滑，通过增大电机的转矩确保汽车不向下溜滑。
这也是THSⅡ的大功率电机所带来的独特效果。
3结束语
从长远来讲，节能减排才是汽车业重中之重，至于哪种变速器取得第一，这要取决于市场和自身技术的优势。
可以预见在未来的几年内，只要具有良好节能减排特点和舒适性能的自动变速器都会有一定的市场占有率。
混合动力汽车将发动机、电机和能量储存装置组合在一起，通过它们之间的良好匹配和优化控制，可以充分发挥传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点[8]。
以丰田普锐斯为例，丰田混合动力系统（THS-II）是用发动机和电动/发电机MG2提供的两种动力驱动汽车，并使用电动/发电机MG1作为发电机主要向蓄电池供电或作为起动机来起动发动机。
丰田普锐斯的混合动力系统根据车辆行驶状况曲线综合操作发动机、MG1、MG2，来驱动车辆[9]。
参考文献
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[5]双离合变速箱在混合动力系统中的应用陈红涛，张林涛，于潮，王仁广（中国汽车技术研究中心，天津300162）
[6]陈清泉.电动汽车及混合动力汽车系列讲座EVTRe2visedPresentation[Z].重庆:
重庆大学机械传动国家重点实验室,2004.
[7]丰田第二代混合动力系统（THSⅡ）张金柱
[8]赵晓静，武一民，王海霞.丰田PRIUS混合动力传动系统分析与建模[J].机械传动，2010.
[9]浅析混合动力汽车——丰田普锐斯与别克君越混合动力电动系统的比较
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