郭濤

河北利達(dá)特車(chē)車(chē)輛有限公司 河北省邯鄲市 056000

1 引言

國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2020年7月1日，輕型車(chē)將強(qiáng)制執(zhí)行國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)a，2023年7月1日，輕型車(chē)將強(qiáng)制執(zhí)行國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)燃油車(chē)難以通過(guò)進(jìn)一步提高燃油消耗率和降低排放以滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)，純電動(dòng)車(chē)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(chǎng)，目前在市場(chǎng)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中除豐田以外，多數(shù)采用燃油驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)分離形式，此形式可以做到混動(dòng)的目的，一定程度上可以提高燃油效率，但其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。

差速混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2 分離驅(qū)動(dòng)的缺陷

采用燃油驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)分離形式的缺陷很明顯，即：不能使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于經(jīng)濟(jì)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(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。

3 差速混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

差速裝置是指具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度的系統(tǒng)，可以將一個(gè)原動(dòng)力拆分成兩個(gè)從動(dòng)力，以達(dá)到分動(dòng)的目的，同時(shí)也可以由兩個(gè)主動(dòng)力合成一個(gè)從動(dòng)力，達(dá)到合成的目的；兩個(gè)原動(dòng)力（即兩個(gè)自由度）確定后，系統(tǒng)的輸出也就確定了；差速混合動(dòng)力系統(tǒng)就是差速器反向使用的特殊情況。

4 差速混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本論文就是利用差速器原理的反向使用，原來(lái)的兩個(gè)輸出端變成兩個(gè)輸入端，即：成為兩個(gè)自由度輸入，將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出與一個(gè)自由度端連接，另一個(gè)自由度端連接電機(jī)，此時(shí)可以依據(jù)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成分別以電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為對(duì)應(yīng)自由度的一款動(dòng)力分配器，此動(dòng)力分配器的輸出端相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行無(wú)極調(diào)速。

設(shè)計(jì)原理草圖如下：

通過(guò)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(dòng)力分配鎖、制動(dòng)器A、制動(dòng)器B等原件組成。發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)分別與左半軸齒輪和右半軸齒輪相連接，電機(jī)為發(fā)電驅(qū)動(dòng)二合一電機(jī)，主要任務(wù)就是發(fā)電和調(diào)速；此系統(tǒng)至少可以實(shí)現(xiàn)五種模式驅(qū)動(dòng)，如果制動(dòng)器B動(dòng)作，電機(jī)被制動(dòng)，則此系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，如果制動(dòng)器A動(dòng)作，發(fā)動(dòng)機(jī)被制動(dòng)，則此系統(tǒng)為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，如果輸出端被制動(dòng)，則此系統(tǒng)為發(fā)電狀態(tài)，如果差速鎖動(dòng)作則系統(tǒng)為純?cè)揭盃顟B(tài)，如果制動(dòng)器A，制動(dòng)器B，動(dòng)力分配鎖均不動(dòng)作，則系統(tǒng)為經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)模式。

具體模式如下：

（1）經(jīng)濟(jì)混動(dòng)模式：制動(dòng)器A、B、動(dòng)力分配鎖均打開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)以經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速輸出、電機(jī)依據(jù)行駛需要進(jìn)行發(fā)電或驅(qū)動(dòng)，此模式下相對(duì)于輸出端，電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了無(wú)極調(diào)速，從原理上可以省去變速箱；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式：制動(dòng)器B閉合，制動(dòng)器A和動(dòng)力分配鎖打開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不發(fā)電；

（3）純電模式：制動(dòng)器A閉合，制動(dòng)器B和動(dòng)力分配鎖打開(kāi)，為純電動(dòng)模式；

（4）純?cè)揭盎靹?dòng)模式：動(dòng)力分配鎖閉合，制動(dòng)器A、B均打開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)均以最大能力驅(qū)動(dòng)，電機(jī)僅進(jìn)行制動(dòng)能量回收發(fā)電；

（5）發(fā)電模式：輸出端被制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)相連接，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域工作，電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，例如車(chē)輛駐車(chē)發(fā)電等虧電情況。

4.1 差速混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)角速度相同時(shí)，行星齒輪只公轉(zhuǎn)不自轉(zhuǎn)時(shí)：

發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)角速度不相同時(shí)，輸出端不變時(shí)，行星齒輪公轉(zhuǎn)同時(shí)還進(jìn)行自轉(zhuǎn)，（以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)度低于電機(jī)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(dòng)機(jī)與電機(jī)角速度相同時(shí)：

以左半軸齒輪與右半軸齒輪直徑相同為例，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)角速度不同時(shí)（以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)度低于電機(jī)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(jì)中需要對(duì)△M值得影響進(jìn)行評(píng)估；

ω1：發(fā)動(dòng)機(jī)角速度；

ω2：電機(jī)角速度；

ω0：輸出端角速度；

△ω：差角速度；

M1：發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；

M2：電機(jī)扭矩；

M0：輸出端扭矩；

△M：扭矩差；

4.2 電機(jī)主要計(jì)算公式

電力學(xué)中有兩個(gè)基礎(chǔ)公式，此兩個(gè)基礎(chǔ)公式為電機(jī)的發(fā)電和驅(qū)動(dòng)建構(gòu)了基礎(chǔ)模型

E：電壓；B：磁場(chǎng)強(qiáng)度；L：切割磁力線導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度；V：導(dǎo)線切割磁力線的相對(duì)速度；

通過(guò)電機(jī)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(jī)勵(lì)磁材料，所以電機(jī)磁感強(qiáng)度為固定值；電機(jī)確定后，切割磁力線導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度也就變成固定值；發(fā)電電壓的調(diào)節(jié)可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速控制；

F：安培力大??；B：磁場(chǎng)強(qiáng)度；I：導(dǎo)線中的電流大小；L：切割磁力線導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度。

通過(guò)電機(jī)公式二可知：磁場(chǎng)強(qiáng)度為固定值（原因同公式一）；切割磁力線導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度為固定值（原因同公式一）；可以通過(guò)控制電機(jī)供電電流調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出扭矩大小，即可以通過(guò)控制電池提供的驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭力。

5 結(jié)語(yǔ)

此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，且各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)體系。本設(shè)計(jì)的變速器中所用到的差速裝置，發(fā)電驅(qū)動(dòng)二合一永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)，動(dòng)力電池及其BMS管理系統(tǒng)，均為相對(duì)成熟的系統(tǒng)，本文進(jìn)行了系統(tǒng)性的組合和優(yōu)化，同時(shí)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(shí)現(xiàn)全新的“差速混合動(dòng)力系統(tǒng)”；

目前國(guó)家對(duì)燃油車(chē)的排放和燃油消耗的規(guī)定趨于嚴(yán)格，以目前的純?nèi)加拖到y(tǒng)難以進(jìn)一步提高性能以滿足法規(guī)的強(qiáng)制要求，純電動(dòng)汽車(chē)受制于電池價(jià)格，充電不便等因素的影響，導(dǎo)致純電動(dòng)汽車(chē)亦難以在短時(shí)間內(nèi)大面積推向市場(chǎng)，因此在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)突破前混合動(dòng)力是較優(yōu)選擇。