差速混合動力驅(qū)動系統(tǒng)

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(guī)定2020年7月1日，輕型車將強制執(zhí)行國六排放標準a，2023年7月1日，輕型車將強制執(zhí)行國六b排放標準，傳統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)中除豐田以外，多數(shù)采用燃油驅(qū)動與電動驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)

2 分離驅(qū)動的缺陷

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

3 差速混合動力系統(tǒng)簡介

差速裝置是指具有兩個或兩個以上自由度的系統(tǒng)，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(tǒng)的輸出也就確定了；差速混合動力系統(tǒng)就是差速器反向使用的特殊情況。

4 差速混合動力系統(tǒng)的設(shè)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(fā)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(jù)輸出進行調(diào)節(jié)，形成分別以電機和發(fā)動機作為對應(yīng)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(fā)動機可以進行無極調(diào)速。

設(shè)計原理草圖如下：

通過上圖可知：此系統(tǒng)原理與差速器原理相同及結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)電驅(qū)動二合一電機，主要任務(wù)就是發(fā)電和調(diào)速；此系統(tǒng)至少可以實現(xiàn)五種模式驅(qū)動，如果制動器B動作，電機被制動，則此系統(tǒng)為發(fā)動機直接驅(qū)動，如果制動器A動作，發(fā)動機被制動，則此系統(tǒng)為電機直接驅(qū)動，如果輸出端被制動，則此系統(tǒng)為發(fā)電狀態(tài)，如果差速鎖動作則系統(tǒng)為純越野狀態(tài)，如果制動器A，制動器B，動力分配鎖均不動作，則系統(tǒng)為經(jīng)濟驅(qū)動模式。

具體模式如下：

（1）經(jīng)濟混動模式：制動器A、B、動力分配鎖均打開，發(fā)動機以經(jīng)濟轉(zhuǎn)速輸出、電機依據(jù)行駛需要進行發(fā)電或驅(qū)動，此模式下相對于輸出端，電機對發(fā)動機進行了無極調(diào)速，從原理上可以省去變速箱；

（2）發(fā)動機直驅(qū)模式：制動器B閉合，制動器A和動力分配鎖打開，發(fā)動機進行驅(qū)動，不發(fā)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(fā)動機和電機均以最大能力驅(qū)動，電機僅進行制動能量回收發(fā)電；

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

4.1 差速混合動力驅(qū)動系統(tǒng)

發(fā)動機與電機角速度相同時，行星齒輪只公轉(zhuǎn)不自轉(zhuǎn)時：

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

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

ω1：發(fā)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(fā)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(xué)中有兩個基礎(chǔ)公式，此兩個基礎(chǔ)公式為電機的發(fā)電和驅(qū)動建構(gòu)了基礎(chǔ)模型

E：電壓；B：磁場強度；L：切割磁力線導(dǎo)線的有效長度；V：導(dǎo)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(tǒng)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(dǎo)線的有效長度也就變成固定值；發(fā)電電壓的調(diào)節(jié)可以通過控制轉(zhuǎn)速控制；

F：安培力大??；B：磁場強度；I：導(dǎo)線中的電流大??；L：切割磁力線導(dǎo)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(dǎo)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(diào)節(jié)電機的輸出扭矩大小，即可以通過控制電池提供的驅(qū)動電流調(diào)節(jié)電機驅(qū)動扭力。

5 結(jié)語

此種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，且各個系統(tǒng)單元均基于現(xiàn)有成熟的理論體系，甚至是產(chǎn)品的標準體系。本設(shè)計的變速器中所用到的差速裝置，發(fā)電驅(qū)動二合一永磁電機及其控制系統(tǒng)，動力電池及其BMS管理系統(tǒng)，均為相對成熟的系統(tǒng)，本文進行了系統(tǒng)性的組合和優(yōu)化，同時提出了各系統(tǒng)的控制理論及控制變量和相互之間的邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)模型，以實現(xiàn)全新的“差速混合動力系統(tǒng)”；

目前國家對燃油車的排放和燃油消耗的規(guī)定趨于嚴格，以目前的純?nèi)加拖到y(tǒng)難以進一步提高性能以滿足法規(guī)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(dǎo)致純電動汽車亦難以在短時間內(nèi)大面積推向市場，因此在純電動驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)突破前混合動力是較優(yōu)選擇。