新能源汽车-5-动力驱动单元

2020/3/1新能源汽车动力电池与驱动电机北京教盟博飞汽车科技有限公司组织编写曾鑫刘涛主编蔺宏良主审新能源汽车技术专业职业教育创新规划教材2020/3/1动力电池动力电池能量管理系统驱动电机驱动电机管理系统项目一项目二项目三项目四项目五动力驱动单元项目五动力驱动单元项目五动力驱动单元动力驱动单元用于将动力蓄电池的能量按照VCU的要求转换成车辆需要的机械能驱动车辆行驶。在混合动力汽车中，驱动单元也是连接内燃机与电力驱动的重要部件。本项目主要介绍新能源汽车动力驱动单元的知识，包括以下两个任务：任务1混合动力汽车驱动单元认知；任务2纯电动汽车驱动单元认知。通过本项目的学习，你将能够掌握混合动力汽车和纯电动汽车动力驱动单元的驱动形式和特点。任务1混合动力汽车驱动单元认知提出任务作为新能源汽车专业的售后服务人员，你知道混合动力汽车有几种驱动形式吗？任务1混合动力汽车驱动单元认知任务要求知识要求1．能够描述混合动力汽车驱动形式；2．能够描述串联式驱动系统结构形式；3．能够描述并联式驱动系统结构形式；4．能够描述混联式驱动系统结构形式。能力要求能够检索资料，归纳并描述混合动力汽车各种驱动形式的结构和特点。任务1混合动力汽车驱动单元认知相关知识1．混合动力汽车的驱动形式混合动力汽车是由两种或两种以上的动力来进行驱动的，当前大多数的油电混合动力汽车主要有内燃机和电力两种动力进行驱动。根据内燃机与电力之间连接的方式，可以将混合动力汽车分为串联式混合动力、并联式混合动力以及混联式混合动力3种形式，如图5-1-1所示。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-1混合动力驱动形式任务1混合动力汽车驱动单元认知2．串联式混合动力驱动单元串联式混合动力驱动单元是指车辆的驱动力只来源于电机的混合动力汽车。其特点是发动机带动发电机发电，电能通过驱动电机控制器输送给电机，由电机驱动汽车行驶。另外，动力蓄电池也可以单独向电机提供电能驱动汽车行驶。如雪佛兰VOLT（图5-1-2）即采用这种形式的驱动单元。图5-1-2雪佛兰VOLT任务1混合动力汽车驱动单元认知1）驱动单元主要结构形式VOLT驱动单元内部设置有单级单排行星齿轮机构、2个电机和2个离合器，其连接关系如图5-1-3所示。内部部件的连接关系是行星齿轮机构的太阳轮与电机B刚性连接，齿圈受C1和C2离合器的控制，行星架实现动力输出。行星齿轮安装于输出行星架总成内。太阳轮与输出太阳轮轴啮合。齿圈与C2外圈及C1内圈配合。C1工作时，齿圈处于静止状态。C2工作时，齿圈与发电机A连接。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-3驱动单元结构示意图任务1混合动力汽车驱动单元认知2）驱动单元运行模式雪佛兰VOLT驱动单元运行时有3种运行模式，即：①纯电动单电机驱动模式；②纯电动双电机驱动模式；③内燃机运行电动驱动模式。（1）纯电动单电机驱动模式（图5-1-4）。该模式下，内燃机是处于关闭的状态，仅由电机驱动车辆。在纯电动单电机驱动模式下，驱动单元内部部件的动力传递方式是：C1离合器接合以保持行星齿轮组的齿圈处于静止状态，动力电池通过逆变器等部件驱动电机B运转，由于行星齿轮组的齿圈保持静止状态，因此旋转转矩通过行星架输送到差速器，并最终传输到驱动轮上。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-4纯电动单电机驱动模式任务1混合动力汽车驱动单元认知（2）纯电动双电机驱动模式（图5-1-5）。在该模式，内燃机仍然关闭，驱动车辆通过两个电机进行的。驱动电机B提供移动车辆所需的转矩，驱动电机A辅助电机B驱动车辆行驶。内部的动力传递方式是：动力电池为两个电机提供电源动力，电机A驱动齿圈，转矩通过行星架输送到差速器齿轮，并通过差速器传递至驱动轮；电机B驱动太阳轮，太阳轮驱动行星架的行星齿轮，转矩通过行星架输送到差速器齿轮，并通过差速器传递至驱动轮。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-5纯电动双电机驱动模式任务1混合动力汽车驱动单元认知（3）内燃机运行电动驱动模式（图5-1-6）。该模式下，内燃机运行，并驱动电机A产生电能以提供电能至驱动电机B，将转矩提供至车轮；同时将多余的电能或存储在动力蓄电池中。此时驱动单元内部动力传递形式是：C1离合器将保持行星齿轮组的齿圈处于静止状态，C3离合器将电机A与内燃机相连接，电机A产生的电能传递给电机B驱动太阳轮，由于齿圈保持静止状态，因此旋转转矩则通过行星架传输到差速器，并通过差速器传输到驱动轮上。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-6内燃机运行电动驱动模式任务1混合动力汽车驱动单元认知3．并联式混合动力驱动单元并联式混合动力驱动单元是指车辆的驱动力由电机和发动机同时或单独供给的混合动力汽车。其结构特点是并联式驱动系统可以单独使用发动机或电机作为动力源，也可以同时使用电机和发动机作为动力源驱动汽车行驶。如本田Insight（图5-1-7）即采用这种形式的驱动单元。图5-1-7本田Insight混合动力汽车任务1混合动力汽车驱动单元认知本田Insight并联式混合动力驱动单元的运行模式如图5-1-8所示。图5-1-8本田Insight并联式混合动力驱动单元的运行模式任务1混合动力汽车驱动单元认知并联式动力驱动模式如图5-1-9所示。图5-1-9并联式动力驱动模式任务1混合动力汽车驱动单元认知4．混联式混合动力驱动单元混联式混合动力驱动单元是指具备串联式和并联式两种结构的混合动力汽车。其特点是可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合模式下工作。混联混合动力多了动力分离装置，动力一部分用于驱动车轮，另一部分用于发电。如丰田普锐斯（图5-1-10）即采用这种形式的驱动单元。混联结构驱动模式如图5-1-11所示。图5-1-10丰田普锐斯混合动力汽车任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-11混联结构驱动模式任务1混合动力汽车驱动单元认知驱动单元取代了变速器安装在内燃机上，内部的部件主要有电机MG1和MG2，2个行星齿轮组，差速齿轮和控制离合器（图5-1-12）。图5-1-12驱动单元内部结构示意图任务1混合动力汽车驱动单元认知行星齿轮机构将内燃机的动力分往两个方向：一部分驱动车轮，另一部分驱动MG1，使其能作为发电机工作（图5-1-13）。其工作原理如图5-1-14所示。图5-1-13行星齿轮机构连接关系图5-1-14混合动力行星齿轮工作原理任务1混合动力汽车驱动单元认知采用混联形式的普锐斯混合动力汽车有以下几种运行模式。1）车辆停止发动机被起动（图5-1-15）车辆停止时电动发电机MG2处于静止状态，此时发动机停机不工作。当电源控制ECU模块监测到SOC充电状态过低或电载荷过大不符合条件需要起动发动机时，电源控制ECU模块向主ECU发出信号控制电动发电机MG1运转从而起动发动机。电动发电机MG2处于静止状态，电动发电机MG1驱动太阳轮正向旋转，所以行星架连接发动机作正向减速输出运动即发动机被起动。在发动机被起动的期间，为防止电动发电机MG2运转，此时电动发电机MG2将接收电流以施加制动。当发动机起动完成后电动发电机MG1的驱动电流会立即被切断，此时电动发电机MG2仍然静止，发动机带动行星架输入太阳轮正向增速输出，即电动发电机MG1被驱动并作为发电机对HV蓄电池进行充电。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-15车辆停止发动机被起动模式任务1混合动力汽车驱动单元认知2）车辆低负荷工况（图5-1-16）车辆发动机在低负荷工况时处在高油耗、高排放污染区域，而普锐斯混合动力汽车的EV模式能够仅利用由HV蓄电池向电动发电机MG2提供的电能驱动车辆行驶。此时发动机停机不运行加速踏板开度不大，电动发电机MG1反向旋转但不发电。主ECU便控制HV蓄电池向电动发电机MG1供电使其以较低转速正向旋转从而起动发动机。首先电动发电机MG1的驱动电流会使其停止转动，根据图示此时发动机已经正向旋转，车速的高低决定了电动发动机MG1正向旋转的转速大小；然后当电源控制ECU模块接收到发动机已经运转的信号后会立即切断电动发电机MG1的驱动电流，已经起动的发动机带动电动发电机MG1正向旋转从而将其转换成发电机对HV蓄电池进行充电。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-16车辆低负荷工况模式任务1混合动力汽车驱动单元认知3）车辆正常行驶工况（图5-1-17）车辆在正常行驶状态时，发动机和电动发电机MG2一同驱动。此时发动机能够在最佳工况下运转，一部分动力直接输出到驱动车轮，剩余的动力带动电动发电机MG1作为发电机发电，通过变频器总成一系列的调整和转换电能驱动电动发电机MG2从而输出动力。当HV蓄电池的电量少时，发动机输出功率会被提高带动电动发电机MG1加大发电量向HV蓄电池充电。当车辆由正常行驶状态进入巡航状态时，电动发电机MG1的转速可以有所下降，这样发动机可以在较低的经济转速下工作从而提高了车辆的经济性。任务1混合动力汽车驱动单元认知图5-1-17车辆正常行驶工况模式任务1混合动力汽车驱动单元认知任务实施（一）工作准备（1）防护装备：常规实训着装。（2）车辆、台架、总成：普锐斯混合动力汽车；混合动力驱动单元挂图、模型；能连接互联网的电脑或移动终端。（3）专用工具、设备：无。（4）手工工具：无。（5）辅助材料：无。（二）实施步骤1．混合动力驱动单元类型和特点认知参观实训室的混合动力驱动单元挂图、模型，检索资料，网上搜索或走访周边汽车销售店面，了解混合动力驱动单元的类型和特点。提示：可参照“学习拓展”的内容。任务1混合动力汽车驱动单元认知2．普锐斯混联式混合动力驱动单元运行模式认知参照“相关知识”的内容，对照实车或台架，分析混联式混合动力驱动单元的运行模式。1）车辆停止发动机被起动分析发动机和电机的工作情况。2）车辆低负荷工况分析发动机和电机的工作情况。3）车辆正常行驶工况分析发动机和电机的工作情况。任务1混合动力汽车驱动单元认知学习拓展下面以宝马F18PHEV插电式混合动力汽车为例，介绍高端品牌车型的混合动力驱动单元。2015年春季在BMW高效动力框架下推出混合动力汽车版本BMW530Le，是第七款搭载混合动力技术的量产汽车，它首次将BMW4缸汽油发动机与电动驱动装置组合，为该汽车细分市场树立了效率和可持续性的新标准。BMW530Le的开发序列代号为F18PHEV，BMW530Le是一款采用锂离子高压蓄电池的全混合动力车辆，可用家用插座充电。BMW530Le的驱动系统由一个搭载涡轮技术的4缸汽油发动机（N20B20M0）、一个8挡自动变速器（GA8P75HZ）和一个电机组成。与采用传统方式驱动的BMW525Li四门车相比，F18PHEV所采用的ActiveHybrid技术的主要优点在于：在耗油量更低的同时进一步提高了驱动功率。BMW530Le百公里加速用时7.1s，平均耗油量降低到百千米2.0L，CO2排放量降至每千米49g，BMW530Le的电驱动装置可以进行纯电动行驶，因此能实现零排放，最高车速为120km/h，最大电动续航里程为58km。任务1混合动力汽车驱动单元认知1．F18PHEV驱动电机1）齿形带起动系统图5-1-18所示为齿形带起动系统结构。图5-1-18齿形带起动系统结构1-减振器；2-曲轴自由轮；3-齿形带；4-张紧轮；5-齿形带起动机任务1混合动力汽车驱动单元认知齿形带起动机产生的转矩通过一根齿形带和一个减振器传输到曲轴上，并通过这种方式起动发动机。为了能可靠传递起动机的转矩，使用一根机械张紧轮。发动机起动后，曲轴自由轮将齿形带起动系统与曲轴分离，这样整个系统在发动机运行期间静止。齿形带设计用于整个车辆使用寿命，无需定期更换。使用齿形带起动系统可获得以下优势：（1）发动机起动过程十分快速、安静、无振动。（2）发动机可在任何情况下起动。例如，齿形带起动系统可重新起动一个马上要熄火的发动机。这样就可以将发动机的起动与运行策略或行驶状况完美地匹配。（3）齿形带起动系统具有良好的冷起动和热起动性能。任务1混合动力汽车驱动单元认知2）驱动电机GA8P75Hz变速器的又一创新点是：电机、辅助扭转减振器和分离离