機電液動力耦合電動汽車動力傳動原理

劉朔,張洪信,趙清海,楊健,孟澤文

(1.青島大學機電工程學院,山東青島266071；2.青島大學電動汽車智能化動力集成技術國家地方聯合工程研究中心,山東青島266071)

0 前言

隨著碳達峰、碳中和國家目標的提出，新能源汽車的研究與應用越來越成為共識。但是電動汽車的發展卻逐漸遭遇瓶頸：一方面，電池本身體積、成本、容量等需要改善；另一方面，純電動汽車的頻繁啟停會產生峰值扭矩，帶來負荷沖擊，損傷電池的荷電狀態(SOC)，降低電池使用壽命；再有，純電動汽車在諸多工況下制動能回收為電能的利用率偏低[1-2]。液壓系統具有功率密度高、能量充放快、制動能回收率高等優點，被廣泛應用在混合動力汽車上實現輔助驅動，降低電機的峰值功率，提高汽車的動力性[3]。劉桓龍等設計了一種電動靜液混合動力系統，通過仿真驗證了該系統液壓能量回收與耦合的節能特性，它的能量回收效率高達50%，新型耦合方式可大大降低電力消耗；同時，他設計了一種電動靜液混合動力系統，提出了下坡速度控制方法，并通過實驗驗證了該方法的有效性[4-6]。HU等[7]針對液壓系統能量損失大的特點，提出了一種離散速比控制策略，并利用遺傳算法對離散速比進行優化，所提出的控制策略顯著降低液壓系統的能量損失。YANG等[8-9]為了簡化純電動汽車傳動系統的布局，提高汽車的加速性能，針對液壓傳動系統扭矩大的特點，提出一種新型的機電液動力耦合驅動系統，將蓄能器輸出轉矩實時反饋與PID控制相結合，使系統的可行性和功率性能得到了實質性的提高，通過對新型機電液動力耦合電動汽車的起步加速特性和制動特性的研究，驗證了系統的可行性與正確性，通過重新設計新型機電液動力耦合電動汽車的驅動控制策略及模糊邏輯優化研究，提高了能源利用效率并增加了行駛里程。但是傳統的液壓混合動力汽車僅僅通過增加一套液壓系統實現，使傳動系統的布置更加復雜。本文作者將引入一種新型的動力裝置機電液耦合器，它將傳統的電機與柱塞泵/馬達合成一體，實現了電能、機械能和液壓能的相互轉化，各種動力轉化在系統內部通過結構參數實現最優匹配，可有效解決上述問題，裝車后形成機電液動力耦合電動汽車，有結構緊湊、功率密度高、制動能回收利用率等諸多特點。

1 機電液動力耦合電動汽車的結構原理

機電液耦合器的結構如圖1所示，它是由外接引線端子與定子鐵芯、定子繞組外加永磁鐵組成的電能裝置，柱塞、配流盤等結構組成的液壓能裝置，以及機械能裝置組成，可實現電能、機械能和液壓能的相互轉化。

機電液耦合器作為電動機時，通過外加的引線端子外接三相交流電壓，定子鐵芯和定子繞組受通電電流影響形成復合電磁場，產生的電磁力驅動轉子以及缸體旋轉，從而帶動傳動軸對外輸出機械能，實現了由電能轉化為機械能的功能。作為發電機時，通過外部作用力來轉動傳動軸，繼而帶動缸體轉子進行轉動，最終通過引線端子輸出電能，實現了機械能向電能的轉變[10]。

機電液耦合器作為液壓泵時，通過電動力或外部機械動力驅動轉動軸，繼而帶動缸體等其他組件轉動，柱塞會在斜盤作用下進行往復運動，柱塞向右，泵腔容積變大，液壓油進入泵腔；柱塞向左，泵腔容積變小，油壓升高，高壓油由泵腔通過配流盤對外輸出，如此往復，實現了機械能向液壓能的轉變。作為液壓馬達時，輸入液壓動力，輸出機械動力，實現了由液壓能向機械能的轉變。

機電液耦合器在電動車上裝用后形成機電液動力耦合電動汽車，主要包括電池組、高壓蓄能器、低壓蓄能器、機電液耦合器、主減速器/差速器等組成部分，基本結構組成由圖2所示[11-12]。機電液動力耦合電動汽車的唯一動力源來自于動力電池，高壓蓄能器的液壓能來自于制動再生或由電能轉化。在驅動過程中，低速行駛時采用液壓動力獨立驅動或輔助電動力驅動車輛；高速行駛時主要采用電動力驅動車輛。在制動過程中，制動初速度較高時采用電動力制動并將慣性能量以電能形式回收到動力電池中；制動速度較低時采用液壓動力制動并將慣性能量以液壓能形式回收到高壓蓄能器中；當制動強度過大時，采用液壓動力與電動力同時制動，并將制動能量轉換為電能和液壓能分別儲存在電池與高壓蓄能器中[13]。

圖2 機電液動力耦合電動汽車結構

2 機電液動力耦合電動汽車動力傳動模式

機電液動力耦合電動汽車動力傳動的基本模式可分為5種[14-15]，工作模式如表1所示。

表1 不同動力傳動模式

(1)在啟動的時候，車輛需求的瞬時功率較大。高壓蓄能器的油液進入低壓蓄能器中，由液壓動力驅動車輛起步至車速閾值，只有液壓動力不足時電動力方參與驅動。

(2)車輛在達到車速閾值后，動力電池開始供電，車輛進入加速模式。電動力與液壓動力同時工作，在機電液耦合器中扭矩疊加，驅動車輛以較高速度行駛。

(3)隨著速度升高，到某閾值時液壓動力關閉，到勻速行駛階段，僅以電動力驅動車輛運行，電動力工作在高效區。

(4)車輛在怠速行駛時，電動力轉化為液壓動力，將低壓蓄能器的油液泵入高壓蓄能器，及時給蓄能器充能到統計意義上的最佳閾值。

(5)車輛在制動時，主要工況是高速時耦合器作發電機使用，轉化為電能儲存到動力電池中；低速時耦合器工作在液壓泵狀態，將慣性能量轉化為液壓能儲存在高壓蓄能器中；若制動強度較大則電動力和液壓動力同時參與制動，制動能有一部分轉化為電能儲存在動力電池中；若緊急制動則采用機械制動，ABS接管。

備注：紅色直線代表液壓動力流向，藍色虛線代表電動力流向，綠色虛線代表耦合后動力能源流向。

3 機電液動力耦合電動汽車動力匹配模型

機電液動力耦合電動汽車動力匹配模型主要包括機械動力(整車動力)、電動力、液壓動力模型。

3.1 整車動力模型

汽車在平直路面上行駛，總的阻力ΣFt一般由四部分組成，它們分別是滾動阻力Ff、坡度阻力Fi、加速阻力Fj、空氣阻力Fw。汽車行駛過程的平衡方程式為

(1)

其中：G為車輛總重力；u為車速；f為滾動阻力系數；m為整車總質量；g為重力加速度；α為坡度；δ為旋轉質量轉換系數；CD為空氣阻力系數；

3.2 電動力模型

3.2.1 電機參數匹配

機電液動力耦合電動汽車本質上就是純電動汽車，盡管動力傳動中存在液壓動力形式[16]，所以首先要對電動力參數進行參數匹配設計，這直接影響著整車的動力性及經濟性。電動汽車驅動電機功率應能滿足對最高車速、加速時間及最大爬坡度的要求[17]，所以驅動電機應該同時滿足3種工況的要求，即：

Pmmax≥max(P1,P2,P3)

(2)

其中：P1是以穩定車速爬坡時的需求功率，加速阻力可以忽略不計；P2是以最大車速均勻行駛時的需求功率；P3是加速過程中所需功率，汽車加速過程中忽略了坡度阻力，主要受到空氣阻力、滾動阻力以及加速阻力的影響[18]。

(3)

其中：umaxm為純電動模式時最高車速；u1為純電動模式時最大爬坡度時的要求車速；u2為原地起步加速末速度；Pacc為車載附件所消耗的總功率；ηT為機械傳動效率。

針對如表2、表3所示整車動力性指標和車輛基本參數，求得P1=12.7 kW，P2=10.49 kW，P3=20.13 kW，考慮到有約10%的功率為電氣系統的電池組充電且滿足其他損耗，所以取電機的峰值功率Pmax=30 kW，額定功率Pm=15 kW，過載系數為2。結合實際情況，參照ISG電機已有設計[19]，選擇電機額定轉速為2 500 r/min，因為最高轉速與額定轉速的比值擴大恒功率區系數，數值通常為2～4，電機最高轉速為6 000 r/min。能滿足車輛在所有工作情況下對功率的要求，保證在各個工況下都能有足夠的能量保持液壓動力高效正常地工作。

表2 整車動力性指標

表3 整車基礎參數

3.2.2 電池參數匹配

需要考慮到電池峰值功率Pmaxb的選擇，同時還要滿足最高車速、設備功率消耗、汽車載重等因素。根據實際情況和電機匹配結果，則電池組設計最大功率為

(4)

其中：ηb為蓄電池組的總效率。如選用鎳氫電池作為儲能元件，根據單體內阻的變化曲線，在電池荷電狀態為0.2～0.8的范圍內電池內阻較低，此時的電池效率較高，且在此區間有利于延長電池使用壽命，此時取ηb=0.6[20]。電池組單體電池總個數nbc為

(5)

式中：Ubc為單體電池額定電壓；Rbc為單體電池內阻。

根據計算所得電池的總體個數nbc=219，根據實際情況和電池組單體排列情況，此處取nbc=240便于排列布置?？傻秒姵亟M額定電壓為

Ub=nbcUbc

(6)

根據實驗室條件采用鎳氫電池作為能量儲存元件。電動力參數如表4所示。

表4 電動力參數

3.3 液壓動力模型

液壓動力既參與驅動又參與再生制動，是此動力傳動系統的獨到之處，對整體系統的運行平穩性和傳輸效率發揮著不可替代的作用[21]。必須要先計算各個行駛狀態下最大需求功率，再進行液壓動力和液壓蓄能器的參數匹配。車輛在良好平坦的路面上加速行駛的工況下消耗的功率為

Pmax=

(7)

式中：u3為液壓泵/馬達單獨驅動模式下加速末速度；ηh為液壓系統到車輪的機械傳動效率；Pmax為液壓泵/馬達單獨驅動模式時所需最大功率。

液壓泵/馬達的斜盤開度β與輸出轉矩Tp可描述為

(8)

其中：β為斜盤開度[-1,1]，對應著[-20°，20°]；Δp為進出口壓差；Vp為排量。

液壓動力的最大轉矩T計算公式為

(9)

其中：?為轉矩適應性系數；nmaxa為最大功率轉速。

液壓蓄能器的容積和初始壓力決定了它能吸收多少能量和向外提供多少能量，所以液壓蓄能器匹配的重點在于蓄能器的體積和初始壓力。液壓蓄能器的容積和初始壓力越大，液壓動力系統提供轉矩和回收制動能量的能力就越強[22]。

(1)高壓蓄能器

根據實際工作情況，比如汽車空間大小、液壓蓄能器材質、液壓蓄能器密封能力等條件的限制，且根據常用的液壓設備的工作壓力選取高壓蓄能器。

根據波義爾氣體定律，可得

(10)

其中：p0為蓄能器充氣壓力；V0為蓄能器充氣容積即蓄能器的總容積；p1為蓄能器最低工作壓力；V1為蓄能器內壓力為p1時的氣體容積；p2為蓄能器最高工作壓力；V2為蓄能器壓力為p2時的氣體容積；n為多變指數，等溫狀態n=1，絕熱狀態n=1.4。

蓄能器的最低工作壓力p1計算公式為

(11)

其中：Va為液壓泵/馬達的排量；i為傳動比；umaxa為液壓泵/馬達單獨驅動模式最高車速。

假定車輛在平直的路面上行駛，車輛損失的能量與回收的能量為

(12)

其中：u3、u4為車輛在t3、t4時刻下的速度；E1為損失的能量,E2為回收的能量;δ為汽車的旋轉質量換算系數；s為車輛制動位移；a為車輛制動的減速度[23]。

結合上述公式可得：

V0=

(13)

有效工作容積Vx即在液壓蓄能器中最低工作壓力p1變化到最高工作壓力p2過程中氣體體積的變量化：

(14)

(2)低壓蓄能器

經計算，液壓動力參數如表5所示。

表5 液壓動力參數

4 工作過程仿真

以前的有關研究主要針對美國駕駛工況、歐洲駕駛工況和日本駕駛工況，但是，上述3種循環工況對于中國路況來說存在不合理的部分，直到工信部從2015年開始，歷時3年采集道路數據，形成了中國駕駛工況—CLTC(China Light-Duty Vehicle Test Cycle)工況。將其導入AMESim，利用前面建立的模型，采用AMESim/Simulink聯合仿真驗證(整車仿真模型如圖3所示)[24-25]。

圖3 整車仿真模型

通過計算跟隨車速(如圖4所示)，車輛在整體車速、續航里程方面相差較小，由局部放大圖觀察可以得到，較標準車速存在一些波動，但這是由于控制策略中速度域值的存在所引起的。可見車輛車速跟隨情況較為良好，不存在出現車速跟隨消失的現象。

圖4 跟隨車速

輸出扭矩曲線如圖5所示。當汽車處于加速過程中或者紅線的斜率為正時，電機的輸出扭矩為正，電機作為電動機來使用，為汽車行駛提供動力；反之，電機的輸出扭矩為負，電機作為發電機來使用，為電池充電，從而保證電池一直處于一個循環狀態。

圖5 電機輸出扭矩變化曲線

圖6是機電液動力耦合電動車與傳統電動車電池SOC的對比。初始兩者電池SOC都為100%，經歷一個完整CLTC循環工況后，前者較后者的能量利用率有了明顯改善。純電動汽車的SOC為91.06%，機電液動力耦合電動汽車的SOC為92.88%，相比于純電動的SOC提升1.82%，消耗量降低了20.36%。SOC的改變進一步提高了能量的利效率。

圖6 純電動汽車與機電液耦合汽車電池SOC比較

低壓蓄能器與高壓蓄能器的出口壓力如圖7所示，液壓泵/馬達的斜盤開度如圖8所示。從整個CLTC工況來看，斜盤開度一直在-1到1之間跳動。在0～300 s之間，CLTC工況處于低速階段，蓄能器壓力變化總體趨勢以下降為主，液壓動力參與能量回收環節較少，回收效果較為一般;在300～1 800 s為中高速階段，斜盤開度與蓄能器的變化比較劇烈，表示液壓動力充分參與到能量回收過程，回收效果明顯。

圖7 高壓蓄能器與低壓蓄能器出口壓力變化曲線

圖8 斜盤開度變化曲線

5 結論

(1)論述了機電液耦合器的工作原理，在純電動驅動汽車基礎上提出了機電液動力耦合電動汽車的動力傳動原理，并闡述了機電液動力耦合電動汽車動力傳動的5種基本模式。

(2)建立了機電液動力耦合電動汽車的機械、電、液壓動力匹配的數學模型。

(3)基于CLTC工況，利用AMESim與Simulink聯合仿真了機電液動力耦合電動汽車跟隨性、電動力、儲能器壓力、耗電量等特性參數，驗證了機電液動力耦合電動汽車動力傳動原理的可行性。