混合電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法概述

李金穎

(山東省高速路橋養(yǎng)護(hù)有限公司產(chǎn)業(yè)中心，山東濟(jì)南 250000)

?

混合電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法概述

李金穎

(山東省高速路橋養(yǎng)護(hù)有限公司產(chǎn)業(yè)中心，山東濟(jì)南 250000)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是一類(lèi)重要的新能源汽車(chē)。對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)與分類(lèi)進(jìn)行概述，分析了混聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)方案的發(fā)展歷程，并總結(jié)了3種混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)方法。

混合電動(dòng)汽車(chē)；混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)方案；設(shè)計(jì)方法

0　前言

由于石油資源的限制和環(huán)保的日益需求，必須尋求代用燃料或者減少燃油的消耗量，因此，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注其他燃料的汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)。主要方案有：純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)[1]。其中，純電動(dòng)汽車(chē)由于現(xiàn)有動(dòng)力電池的能量密度低、成本高等原因，其市場(chǎng)化推廣進(jìn)程十分緩慢；燃料電池汽車(chē)也由于燃料電池技術(shù)尚未突破以及由此形成的成本問(wèn)題，大批量投入市場(chǎng)也需要很長(zhǎng)一段時(shí)間[2]。

1　混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)點(diǎn)及分類(lèi)

1.1混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)點(diǎn)

混合動(dòng)力汽車(chē)是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)儲(chǔ)能裝置(蓄電池等)和控制系統(tǒng)使兩種動(dòng)力裝置有機(jī)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)最佳能量分配，達(dá)到低能耗、低排放和高性能的新型車(chē)輛。目前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)一般為柴油機(jī)、汽油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，它融合了燃油車(chē)輛和電動(dòng)車(chē)輛的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今最具實(shí)際開(kāi)發(fā)意義的低油耗和低排放的車(chē)輛。混合動(dòng)力汽車(chē)優(yōu)點(diǎn)[3]為：

(1)能夠利用汽車(chē)不同工況進(jìn)行發(fā)電，并儲(chǔ)存在蓄電池里，以提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，在保證經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求的前提下提高汽車(chē)的動(dòng)力性能。

(3)混合動(dòng)力系統(tǒng)可以很好地降低排放，并且可以在汽車(chē)停車(chē)等候或低速滑行等情況下節(jié)省燃油，進(jìn)一步降低排放。

(4)提高汽車(chē)行駛的平穩(wěn)性并改善汽車(chē)的行駛舒適性，使汽車(chē)設(shè)計(jì)更加人性化。

1.2混合動(dòng)力汽車(chē)分類(lèi)

混合動(dòng)力汽車(chē)按照動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式劃分為：串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)[4]。

(1)串聯(lián)式是混合動(dòng)力汽車(chē)中最簡(jiǎn)單的一種，其主要特點(diǎn)是采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，電動(dòng)機(jī)的電能來(lái)自于電池組合發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)化后一部分電能給電池組充電，另一部分經(jīng)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法簡(jiǎn)單，但對(duì)電池要求較高，電池容量大，增加了車(chē)輛質(zhì)量和成本。而且每一個(gè)動(dòng)力裝置的功率等于車(chē)輛的需求功率，設(shè)備龐大，增加了成本和布置困難。

(2)并聯(lián)式的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)以機(jī)械能疊加的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，既可共同驅(qū)動(dòng)又可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)相對(duì)機(jī)械切換系統(tǒng)較復(fù)雜，但由于動(dòng)力主要來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)工作范圍大，效率較低，而且污染和噪聲較大。

(3)混聯(lián)式是串聯(lián)式和并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)的綜合，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化耦合，在結(jié)構(gòu)上可以保證車(chē)輛工作的復(fù)雜工況，對(duì)電池依賴(lài)小，同時(shí)克服了串聯(lián)式能量損失和并聯(lián)式內(nèi)燃機(jī)工作點(diǎn)優(yōu)化問(wèn)題，有效降低了排放和油耗，兼具了串聯(lián)型和并聯(lián)型的優(yōu)點(diǎn)。

2　混聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)方案發(fā)展概況

雖然單行星排混聯(lián)式無(wú)級(jí)傳動(dòng)是長(zhǎng)期的研究熱點(diǎn)，但它的應(yīng)用對(duì)象多為城市道路小型車(chē)輛。隨著多行星排、多模式機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)在客車(chē)、SUV上的成功應(yīng)用，大噸位、高機(jī)動(dòng)性能的混合動(dòng)力車(chē)輛已經(jīng)傾向于多模式多行星排復(fù)合傳動(dòng)。對(duì)于混合動(dòng)力車(chē)輛，必須要求其安裝的電機(jī)不能過(guò)大、過(guò)重。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀可知：對(duì)于輪式車(chē)輛，目前可以采用多個(gè)輪轂/輪邊電機(jī)的方法降低系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的要求；但對(duì)于履帶車(chē)輛，由于它不具備多輪驅(qū)動(dòng)的條件，故而整車(chē)動(dòng)力性與電機(jī)性能間的矛盾尤為突出。

混聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)功率分流機(jī)構(gòu)有3種形式：分速匯矩式、分速匯速式和分矩匯速式。“段”的概念來(lái)源于液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速，不同的是變速元件由馬達(dá)變?yōu)殡姍C(jī)?！澳Ｊ健奔粗鸽妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)的每一次變化?！岸巍奔词恰澳Ｊ健?，兩段式(雙模式)混合驅(qū)動(dòng)可以是分速匯矩和分速匯速組合也可以是兩種分速匯矩機(jī)構(gòu)組合。豐田PRIUS為分速匯矩式分流機(jī)構(gòu)，是單段式(單模式)混合驅(qū)動(dòng)。美國(guó)通用公司用于公交車(chē)的一種兩段式傳動(dòng)方案，制動(dòng)器接合時(shí)是第一段，為分速匯矩式驅(qū)動(dòng)模式，離合器接合時(shí)工作在第二段，為分速匯速式驅(qū)動(dòng)模式[5]。

3　混聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法

(1)基于已有方案的設(shè)計(jì)方法

基于已有方案的設(shè)計(jì)方法是國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的成熟的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法，通過(guò)在現(xiàn)有的好的方案的基礎(chǔ)上，增加行星排或接合元件，或通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)和拆聯(lián)的方法來(lái)衍生。美國(guó)Allison公司的HD4070PR自動(dòng)變速器就是在原先WT系列汽車(chē)變速器的基礎(chǔ)上增加行星排來(lái)實(shí)現(xiàn)的[6]。

(2)分析綜合法

分析綜合法[7]是20世紀(jì)60年代到70年代主要研究發(fā)展的設(shè)計(jì)方法，主要分為：線(xiàn)圖綜合法和構(gòu)件綜合法。線(xiàn)圖綜合法僅適用于二、三自由度傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與分析，且難找出所有可行的傳動(dòng)方案。構(gòu)件分析法是在對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)類(lèi)型方案的基本構(gòu)件組成進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用所提出的構(gòu)件組合定理排出所有可能的構(gòu)件組，并依靠人工對(duì)每一個(gè)構(gòu)件組理論上各工況的特性進(jìn)行分析，以及推導(dǎo)出所有有效工況的傳動(dòng)比與各行星排廣義特性參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。其工作量十分繁重，且容易出錯(cuò)，甚至難以完成，效率低。

(3)計(jì)算機(jī)輔助方案設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的普及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)正向開(kāi)放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展[8]。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：數(shù)學(xué)模型的建立及其算法的合理描述。針對(duì)行星傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者分別提出了很多適于計(jì)算機(jī)分析的數(shù)學(xué)模型。

4　結(jié)束語(yǔ)

兼具傳統(tǒng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)綜合優(yōu)勢(shì)的混合動(dòng)力汽車(chē)被公認(rèn)為是非常具有實(shí)用價(jià)值的新能源汽車(chē)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)既可以保證車(chē)輛行駛良好的動(dòng)力性，又可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)合了串、并聯(lián)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，而混合驅(qū)動(dòng)方案又是決定其性能的關(guān)鍵。單行星排單模式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，多行星排多段式已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。但行星排的數(shù)量、連接形式、離合器和制動(dòng)器的不同連接形式、電機(jī)的不同連接形式，使得混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組合方案種類(lèi)繁多，即使最有經(jīng)驗(yàn)的工程師也不可能把所有最好的組合方案列出，容易遺漏最佳匹配方案。因此研究汽車(chē)混聯(lián)式方案設(shè)計(jì)方法變得很有必要。

【1】段牧染，趙潔．車(chē)輛混合動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2011(8)：27-30.

【2】徐宏佳．電動(dòng)汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2001，30(6)：45-48.

【3】黃賢廣. 混合動(dòng)力車(chē)輛動(dòng)力耦合系統(tǒng)特性研究[D].北京:北京理工大學(xué)，2006.

【4】崔星，項(xiàng)昌樂(lè).多模式機(jī)電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，41(2)：303-308.

【5】李宏才，閆清東,王偉達(dá),等.雙模式機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與特性對(duì)比[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(2)：31-36.

【6】李艷琴.AllisonHD4070PR自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理及換擋過(guò)程控制策略[J].底盤(pán)與配件，2011(1)：64-66.

【7】劉太來(lái)．用電子計(jì)算機(jī)選擇任意排數(shù)各類(lèi)行星變速箱的最佳方案[J]．齒輪，1985，9(2)：15-19.

【8】萬(wàn)耀青．尋找多自由度行星變速箱方案的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J]．北京工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1982，10(2)：59-71.

OutlineofHybridElectricVehicleDriveProgramDesignMethods

LIJinying

(IndustryCenterofShandongProvinceSpeedBridgeConservationLtd.,JinanShandong250000,China)

Hybridelectricvehiclesareanimportantclassofnewenergyvehicles.Theadvantagesandclassificationofhybridelectricvehicleswereintroduced,thedevelopmentprocessofhybriddriveprogramwasanalyzedandthedesignmethodsofthreetypehybriddriveschemesweresummarized.

Hybridelectricvehicles;Hybriddrivescheme;Designmethodology

2015-03-20

李金穎(1986—)，女，碩士，主要從事路面混合電動(dòng)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與調(diào)研。E-mail:642333732@qq.com。