山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 吳澈 崔俊杰 趙世峰 吉文博 李沐恒

前言

目前汽車行業(yè)所造成的能源消耗和環(huán)境污染是當(dāng)今世界各國(guó)必須共同面對(duì)的問題。其中新能源汽車是在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上的重大變革，是解決問題的主要途徑之一，而混合動(dòng)力汽車（HEV）因低油耗、低排放、動(dòng)力接近傳統(tǒng)汽車，且制造成本低于純電動(dòng)汽車等優(yōu)點(diǎn),使得其開發(fā)研究越來越受到各大汽車公司和研究機(jī)構(gòu)的重視。本文介紹的車輛混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是指具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的動(dòng)力源，它們涉及不同的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是混合動(dòng)力汽車開發(fā)的基礎(chǔ)，因此有必要了解這些動(dòng)力機(jī)構(gòu)如何有效的傳遞動(dòng)力和功率。目前主要有電動(dòng)、液壓以及高速飛輪傳動(dòng)系統(tǒng)三種。

1 電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、變速器等。根據(jù)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置和組合方式的不同可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

圖1 串聯(lián)型

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)輪的能量源只來自電動(dòng)機(jī)。當(dāng)汽車起動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由蓄電池持續(xù)提供電能給電動(dòng)機(jī)，維持汽車的運(yùn)行；當(dāng)車速提高后，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源給驅(qū)動(dòng)輪，多余的電流用于蓄電池的補(bǔ)充；當(dāng)汽車加速或爬坡，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率不足時(shí)，由蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)向電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力；而且汽車在減速和制動(dòng)時(shí)，可以通過電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)回收能量，儲(chǔ)存在蓄電池中。這樣就使得發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)且排放較低區(qū)域，避免了蓄電池過沖或過放的情況，但是能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)較多，效率不高[1]。

并聯(lián)型結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)在于發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)能單獨(dú)為驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力。此系統(tǒng)比較適合高速行駛的穩(wěn)定工況，不適于工況變化較大的路況。汽車起步時(shí)，由電動(dòng)機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩單獨(dú)起動(dòng)，高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于經(jīng)濟(jì)性區(qū)域，全部由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，只有在加速或爬坡時(shí)，電動(dòng)機(jī)輔助提供動(dòng)力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間是機(jī)械連接，且需要變速裝置和動(dòng)力合成機(jī)構(gòu)，所以機(jī)械效率比較高，燃油經(jīng)濟(jì)性較好，但是它的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)成本較高[2]。

圖2 并聯(lián)型

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是串聯(lián)與并聯(lián)的綜合，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率一方面用于機(jī)械傳動(dòng)，另一方面用于發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)主要給蓄電池或電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)提供電能，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)矩合成器傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。在低速時(shí)主要以串聯(lián)形式運(yùn)行，在高速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，則以并聯(lián)工作形式為主?；炻?lián)兼有串聯(lián)與并聯(lián)的特點(diǎn)，能靈活地實(shí)現(xiàn)汽車的各項(xiàng)性能需求，但控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求比較高。

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓蓄能器、馬達(dá)等組成。根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)連接方式的不同，主要分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、混聯(lián)型。

串聯(lián)式液壓混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。高壓蓄能器可以通過具有雙向可逆性的液壓泵/馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力，只有當(dāng)高壓蓄能器的值低于某一設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才工作，驅(qū)動(dòng)單向液壓泵為高壓蓄能器提供恒壓油。低壓蓄能器可回收存儲(chǔ)制動(dòng)和減速動(dòng)能，存儲(chǔ)的液壓能可提高汽車加速和爬坡能力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行不受外在瞬時(shí)工況的影響，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以在高效區(qū)工作，但是能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，傳動(dòng)效率不高[3]。

圖3 串聯(lián)型

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了液壓系統(tǒng)，所以保留了傳動(dòng)效率較高的特點(diǎn)。并聯(lián)式中發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，蓄能器作為輔助動(dòng)力源，它們可以獨(dú)立為驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力，在低速時(shí)，由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，在高速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，加速和爬坡時(shí)，馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過轉(zhuǎn)矩耦合器同時(shí)為驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪直接聯(lián)系，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)須對(duì)瞬態(tài)工況進(jìn)行操作，降低了燃油經(jīng)濟(jì)性，而且并聯(lián)式不具備液壓傳動(dòng)無極變速的特點(diǎn)。

圖4 并聯(lián)型

混聯(lián)式混合動(dòng)力液壓傳動(dòng)系統(tǒng)又稱為功率分流式，它不僅在結(jié)構(gòu)上是串并聯(lián)的綜合，實(shí)現(xiàn)了元件之間更多組合以及優(yōu)化匹配，還能發(fā)揮他們各自的優(yōu)點(diǎn)，使每個(gè)工況都沿著最佳特性曲線工作，因此效率比較高，功率的傳遞也比較大，且更容易實(shí)現(xiàn)排放和燃油消耗的目標(biāo)。雖然混聯(lián)式在理論上更容易實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)，但是它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，組合間的控制要求很精密，可靠性難以保證，實(shí)現(xiàn)起來比較困難[4]。

3 高速飛輪傳動(dòng)的研究現(xiàn)狀

高速飛輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該傳動(dòng)屬于慣性儲(chǔ)能范疇，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪、離合器、增速齒輪、無極變速器（CVT）等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ唇o驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力；飛輪是輔助動(dòng)力源，可以將減速制動(dòng)等過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存，在汽車加速及爬坡時(shí)，給發(fā)動(dòng)機(jī)以輔助，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)。飛輪作為存儲(chǔ)器，與蓄電池相比，具有能量密度高、耐高溫、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是目前飛輪傳動(dòng)還存在兩大難題：一是當(dāng)汽車運(yùn)行方向發(fā)生變化時(shí)，飛輪會(huì)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)，陀螺力矩會(huì)嚴(yán)重影響到汽車操縱性能，二是當(dāng)飛輪出現(xiàn)故障時(shí)，飛輪內(nèi)存儲(chǔ)的機(jī)械能會(huì)短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)出來，會(huì)對(duì)汽車造成極大破壞[5]。

圖5 飛輪傳動(dòng)

4 結(jié)論與展望

本文討論的三大傳動(dòng)技術(shù)是目前研究最廣的，其中電動(dòng)傳動(dòng)運(yùn)用的比較廣泛，液壓傳動(dòng)和飛輪傳動(dòng)也因各自的優(yōu)點(diǎn)運(yùn)用在不同的場(chǎng)合。盡管科技不斷的進(jìn)步，混合動(dòng)力汽車的研究也不斷取得新突破，但是需要改進(jìn)的地方還有很多，比如車輛的整體控制，蓄能器的改進(jìn)，以及成本的控制和基礎(chǔ)設(shè)施的完善等等。

如今面臨常規(guī)能源短缺、油價(jià)上漲、環(huán)境污染加重等一系列能源問題，在純電動(dòng)時(shí)代到來之前，混合動(dòng)力汽車肩負(fù)著承上啟下的作用。而且對(duì)于中國(guó)而言，我們應(yīng)該牢牢把握機(jī)遇，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，在汽車行業(yè)借此“彎道超車”，縮短與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，相信混合動(dòng)力汽車的發(fā)展在未來一段時(shí)間內(nèi)有很大的商業(yè)前景。

[1]李曉英,于秀敏,李君,吳志新.串聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制策略[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2005,35（2）：122-126.

2]張鳳格,楊赟.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制策略分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010,227（6）：10-12.

[3]王功.混合動(dòng)力汽車液壓技術(shù)應(yīng)用研究[J].液壓與氣動(dòng),2012,8：139-140.

[4]劉濤,姜繼海,孫輝,趙立軍.靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力汽車的研究與進(jìn)展[J].汽車工程,2009,31（7）：586-591.

[5]吳光強(qiáng),陳禮璠,紀(jì)智慧.使用高速儲(chǔ)能飛輪的車輛混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào),1997,10(3)：106-109.