差速混合動力驅動系統

郭濤

河北利達特車車輛有限公司 河北省邯鄲市 056000

1 引言

國家排放標準規定2020年7月1日，輕型車將強制執行國六排放標準a，2023年7月1日，輕型車將強制執行國六b排放標準，傳統燃油車難以通過進一步提高燃油消耗率和降低排放以滿足新的排放標準，純電動車輛又受制于電池成本、充電不便的因素，難以大面積推向市場，目前在市場混合動力驅動系統中除豐田以外，多數采用燃油驅動與電動驅動分離形式，此形式可以做到混動的目的，一定程度上可以提高燃油效率，但其缺點也是顯而易見的。

差速混合動力驅動系統

2 分離驅動的缺陷

采用燃油驅動與電動驅動分離形式的缺陷很明顯，即：不能使發動機長期處于經濟油耗區工作，這就大大降低了節能降耗的目的，例如比亞迪混動動力系統。

3 差速混合動力系統簡介

差速裝置是指具有兩個或兩個以上自由度的系統，可以將一個原動力拆分成兩個從動力，以達到分動的目的，同時也可以由兩個主動力合成一個從動力，達到合成的目的；兩個原動力（即兩個自由度）確定后，系統的輸出也就確定了；差速混合動力系統就是差速器反向使用的特殊情況。

4 差速混合動力系統的設計

本論文就是利用差速器原理的反向使用，原來的兩個輸出端變成兩個輸入端，即：成為兩個自由度輸入，將發動機的輸出與一個自由度端連接，另一個自由度端連接電機，此時可以依據輸出進行調節，形成分別以電機和發動機作為對應自由度的一款動力分配器，此動力分配器的輸出端相對于發動機可以進行無極調速。

設計原理草圖如下：

通過上圖可知：此系統原理與差速器原理相同及結構相似，由行星齒輪、行星齒輪軸、左半軸齒輪、右半軸齒輪、動力分配鎖、制動器A、制動器B等原件組成。發動機、電機分別與左半軸齒輪和右半軸齒輪相連接，電機為發電驅動二合一電機，主要任務就是發電和調速；此系統至少可以實現五種模式驅動，如果制動器B動作，電機被制動，則此系統為發動機直接驅動，如果制動器A動作，發動機被制動，則此系統為電機直接驅動，如果輸出端被制動，則此系統為發電狀態，如果差速鎖動作則系統為純越野狀態，如果制動器A，制動器B，動力分配鎖均不動作，則系統為經濟驅動模式。

具體模式如下：

（1）經濟混動模式：制動器A、B、動力分配鎖均打開，發動機以經濟轉速輸出、電機依據行駛需要進行發電或驅動，此模式下相對于輸出端，電機對發動機進行了無極調速，從原理上可以省去變速箱；

（2）發動機直驅模式：制動器B閉合，制動器A和動力分配鎖打開，發動機進行驅動，不發電；

（3）純電模式：制動器A閉合，制動器B和動力分配鎖打開，為純電動模式；

（4）純越野混動模式：動力分配鎖閉合，制動器A、B均打開，發動機和電機均以最大能力驅動，電機僅進行制動能量回收發電；

（5）發電模式：輸出端被制動，發動機與電機相連接，此時發動機進行最佳經濟區域工作，電機進行發電，例如車輛駐車發電等虧電情況。

4.1 差速混合動力驅動系統

發動機與電機角速度相同時，行星齒輪只公轉不自轉時：

發動機與電機角速度不相同時，輸出端不變時，行星齒輪公轉同時還進行自轉，（以發動機轉度低于電機轉速為例）：

式（4）與式（5）求和得

以左半軸齒輪與右半軸齒輪直徑相同為例，發動機與電機角速度相同時：

以左半軸齒輪與右半軸齒輪直徑相同為例，發動機與電機角速度不同時（以發動機轉度低于電機轉速為例）

△M值較小，只因摩擦力，效率等原因而存在，設計中需要對△M值得影響進行評估；

ω1：發動機角速度；

ω2：電機角速度；

ω0：輸出端角速度；

△ω：差角速度；

M1：發動機扭矩；

M2：電機扭矩；

M0：輸出端扭矩；

△M：扭矩差；

4.2 電機主要計算公式

電力學中有兩個基礎公式，此兩個基礎公式為電機的發電和驅動建構了基礎模型

E：電壓；B：磁場強度；L：切割磁力線導線的有效長度；V：導線切割磁力線的相對速度；

通過電機公式一可知：由于永磁材料效率高，此系統中亦選取永磁材料作為電機勵磁材料，所以電機磁感強度為固定值；電機確定后，切割磁力線導線的有效長度也就變成固定值；發電電壓的調節可以通過控制轉速控制；

F：安培力大小；B：磁場強度；I：導線中的電流大小；L：切割磁力線導線的有效長度。

通過電機公式二可知：磁場強度為固定值（原因同公式一）；切割磁力線導線的有效長度為固定值（原因同公式一）；可以通過控制電機供電電流調節電機的輸出扭矩大小，即可以通過控制電池提供的驅動電流調節電機驅動扭力。

5 結語

此種設計結構簡單，加工容易，且各個系統單元均基于現有成熟的理論體系，甚至是產品的標準體系。本設計的變速器中所用到的差速裝置，發電驅動二合一永磁電機及其控制系統，動力電池及其BMS管理系統，均為相對成熟的系統，本文進行了系統性的組合和優化，同時提出了各系統的控制理論及控制變量和相互之間的邏輯關系和數學模型，以實現全新的“差速混合動力系統”；

目前國家對燃油車的排放和燃油消耗的規定趨于嚴格，以目前的純燃油系統難以進一步提高性能以滿足法規的強制要求，純電動汽車受制于電池價格，充電不便等因素的影響，導致純電動汽車亦難以在短時間內大面積推向市場，因此在純電動驅動系統技術出現突破前混合動力是較優選擇。