袁 清，李 強(qiáng)，趙國(guó)強(qiáng)，連鳳霞，張佳驥

（濰柴動(dòng)力股份有限公司新科技研究院電控技術(shù)部，山東 濰坊 261000）

1 引言

現(xiàn)代生活中，汽車成為人們不可或缺的一部分， 車輛的購(gòu)買數(shù)量也在逐年遞增，直接導(dǎo)致的問題就是尾氣排放加重，燃油消耗增多。為了響應(yīng)法規(guī)要求，減少大氣中二氧化碳的排放量，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的能耗與排放問題加大了研究力度。而在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)車輛依然難以被完全取代，而單純的電動(dòng)汽車在行駛里程上又很難達(dá)標(biāo)，產(chǎn)業(yè)升級(jí)難以實(shí)現(xiàn)，因此，目前主要的研究趨勢(shì)就是希望在內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上利用新能源技術(shù)來(lái)發(fā)展節(jié)能技術(shù)，在這樣的背景下，混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其有效結(jié)合了傳統(tǒng)車輛與電動(dòng)車輛二者的優(yōu)點(diǎn)，并且巧妙規(guī)避其缺點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)新能源高效利用的同時(shí)，保證能源節(jié)約，對(duì)于車輛的節(jié)能減排非?？茖W(xué)合理，助力很大，可實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。表1給出了各個(gè)類型動(dòng)力汽車的性能比較。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能思想

本文討論的混合動(dòng)力系統(tǒng)是指車輛在原有的內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上以電池和電機(jī)作為輔助動(dòng)力源，進(jìn)而對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)既可單獨(dú)又可共同對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其具體的行駛動(dòng)力根據(jù)當(dāng)前的行車狀態(tài)和行車工況決定。該系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的燃油車，可提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低尾氣排放，其主要原理可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。

表1 各種類型動(dòng)力汽車的性能比較

第一，混合動(dòng)力汽車允許采用較小的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)滿足整車的巡航功能，相比于純內(nèi)燃機(jī)車輛來(lái)說(shuō)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率，對(duì)于爬坡或者加速等其他行車工況可利用另一動(dòng)力源電機(jī)作為輔助動(dòng)力。

第二，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛，在市內(nèi)行車工況經(jīng)常需要發(fā)動(dòng)機(jī)怠速造成不必要的燃油消耗和尾氣排放，而混合動(dòng)力車輛由于增加了電機(jī)電池，可避免上述情況，實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)和再生能量回收。

第三，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)輔助內(nèi)燃機(jī)的工作落點(diǎn)更多地落在高效和低污染的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)行車所需功率大于內(nèi)燃機(jī)可提供功率時(shí)，缺少的功率可由輔助動(dòng)力源電機(jī)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充；當(dāng)行車工況所需功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率時(shí)，剩余功率可通過(guò)發(fā)電機(jī)給車輛電池進(jìn)行充電，從而可實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)能耗與排放的降低。

混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，被分為串聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)、并聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)和混聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)，下面將從節(jié)能角度分別對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

如圖1所示，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由蓄電池、控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等組成，其中，蓄電池提供的電能通過(guò)控制器提供給電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，通過(guò)控制器同樣提供給電動(dòng)機(jī)，電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能傳輸給驅(qū)動(dòng)輪。由于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間沒有機(jī)械連接，進(jìn)而在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩圖上可通過(guò)調(diào)節(jié)使發(fā)動(dòng)機(jī)落在任意工作點(diǎn)上，因此可根據(jù)實(shí)際工況來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)總是工作在最優(yōu)工作區(qū)間，以此來(lái)減小內(nèi)燃機(jī)的能耗與排放。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

如圖2所示，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等組成，車輛行駛所需要的動(dòng)力既可以由發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)單獨(dú)提供，也可以由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)提供，或者是兩個(gè)動(dòng)力源共同進(jìn)行提供。

對(duì)于并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其實(shí)現(xiàn)節(jié)能的主要方式就是對(duì)車輛行駛過(guò)程中的制動(dòng)能量通過(guò)電機(jī)進(jìn)行回收并存儲(chǔ)到儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中；傳統(tǒng)的純內(nèi)燃機(jī)車輛，駕駛員通過(guò)控制車輛的油門踏板開度來(lái)直接控制內(nèi)燃機(jī)的輸出扭矩，車輛制動(dòng)時(shí)，大量的動(dòng)能通過(guò)摩擦片等轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉了，造成了能源浪費(fèi)；而對(duì)于并聯(lián)混動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)，駕駛員通過(guò)車輛的油門踏板控制的是兩動(dòng)力源共同的輸出扭矩，之前制動(dòng)回收所存儲(chǔ)的能量被利用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，提升了內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而通過(guò)新能源手段實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能減排功能。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

圖3 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

如圖3所示，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、行星齒輪組等構(gòu)成，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)過(guò)行星齒輪組后被分流到機(jī)械通道和電力通道。在機(jī)械通道上，發(fā)動(dòng)機(jī)直接將動(dòng)力用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛的行駛，在電力通道上，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能輸出給控制器，控制器控制電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電力傳輸通道與蓄電池以電力方式形成了動(dòng)力耦合，傳輸方式為串聯(lián)；發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械通道與電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力以機(jī)械方式形成了動(dòng)力耦合，傳輸方式為并聯(lián)，因此稱該系統(tǒng)為混聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)。

對(duì)于混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要的節(jié)能思想為通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn)來(lái)降低燃油消耗和尾氣排放。內(nèi)燃機(jī)的最佳燃油工作區(qū)主要是集中在中速中負(fù)荷區(qū)，其他區(qū)域工作效率則比較低?；炻?lián)系統(tǒng)的主要思想是：當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作在低速低負(fù)荷區(qū)域時(shí)，通過(guò)ISG發(fā)電來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)；當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作在高速高負(fù)荷區(qū)域時(shí)，此時(shí)利用另一動(dòng)力源電機(jī)來(lái)進(jìn)行車輛動(dòng)力輔助，進(jìn)而降低內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn)，使內(nèi)燃機(jī)更多可能地工作在最佳工作區(qū)，以此降低能耗與車輛的尾氣排放。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，混合動(dòng)力系統(tǒng)是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新能源技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收、消除內(nèi)燃機(jī)怠速、內(nèi)燃機(jī)小型化和內(nèi)燃機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)降低內(nèi)燃機(jī)能耗與排放的目的。

3 混合動(dòng)力專用變速器DHT

變速器作為汽車的核心組成部件，對(duì)整車的能耗有著重要影響。本文在并聯(lián)混合動(dòng)力車的基礎(chǔ)上，介紹一種新型混合動(dòng)力技術(shù)，旨在通過(guò)全新開發(fā)的雙輸入AMT（Automated Mechanical Transmission）變速器以及空心軸電機(jī)來(lái)進(jìn)一步輔助降低內(nèi)燃機(jī)的能耗與排放，從而提升車輛動(dòng)力總成在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.1 變速器整體方案

圖4所示為DHT混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

該變速器采用2×3擋雙輸入AMT，發(fā)動(dòng)機(jī)2個(gè)擋，電機(jī)3個(gè)擋，只有2組換擋齒輪。該結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是在車輛換擋過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力不中斷、換擋速度快、次數(shù)少、以及效率高和低油耗等。

圖4 DHT混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示，掛擋機(jī)構(gòu)①所控?fù)跷粸榘l(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的共用擋位，采用同步器結(jié)構(gòu)，掛擋機(jī)構(gòu)②所控?fù)跷粸殡姍C(jī)專用擋位，采用滑套結(jié)構(gòu)；其換擋機(jī)構(gòu)為2組，發(fā)動(dòng)機(jī)總擋位數(shù)為2，由0車速至最高車速只需換擋一次，換擋次數(shù)少，舒適性高；同時(shí)由電機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)倒車功能；換擋機(jī)構(gòu)①和②之間相互獨(dú)立，因此在①控制發(fā)動(dòng)機(jī)換擋的同時(shí)，機(jī)構(gòu)②可控制電機(jī)在工作在純電動(dòng)3擋 （直驅(qū)擋）持續(xù)輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程中的動(dòng)力不中斷；換擋機(jī)構(gòu)①和②由于沒有選擋過(guò)程，因此換擋速度也較快；變速器由于齒輪組減少，阻力降低，所以電機(jī)可以掛空擋，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；該變速器的設(shè)計(jì)使得動(dòng)力總成的匹配度較好，有利于在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)能耗。

3.2 DHT混合動(dòng)力系統(tǒng)換擋過(guò)程

圖5為根據(jù)車輛的行車速度進(jìn)行掛擋的過(guò)程，從圖中可看出，在車速為0至第1車速區(qū)間時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為空擋，電機(jī)1擋，為第1傳動(dòng)比；在車速為第1車速至第2車速區(qū)間時(shí)，此時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力提供，在發(fā)動(dòng)機(jī)由空擋變?yōu)?擋的過(guò)程中，電機(jī)保持第1傳動(dòng)比進(jìn)行動(dòng)力傳輸，實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程動(dòng)力不中斷；在該車速期間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為第1轉(zhuǎn)速區(qū)間，電機(jī)以第1傳動(dòng)比或是直驅(qū)助力；在車速為第2至第3車速區(qū)間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)為2擋傳動(dòng)，轉(zhuǎn)速區(qū)間為第2轉(zhuǎn)速區(qū)間，電機(jī)以第2傳動(dòng)比或者直驅(qū)進(jìn)行動(dòng)力傳輸；在車速第3至第4車速區(qū)間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)2擋提供動(dòng)力，轉(zhuǎn)速區(qū)間為第3轉(zhuǎn)速區(qū)間，電機(jī)采用直驅(qū)助力。

圖5 DHT系統(tǒng)換擋過(guò)程

本文以1擋升2擋為例給出升擋過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6～圖12所示。

圖6 1擋→2擋過(guò)程1示意圖

表2為通過(guò)CCBC工況仿真實(shí)驗(yàn)給出的不同配置下混合動(dòng)力系統(tǒng)車輛在行車過(guò)程中各項(xiàng)性能的對(duì)比值。從表中可以看出，采用DHT變速器的混動(dòng)系統(tǒng)相比于其他系統(tǒng)可進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

圖7 1擋→2擋過(guò)程2示意圖

4 總結(jié)

圖8 1擋→2擋過(guò)程3示意圖

圖9 1擋→2擋過(guò)程4示意圖

圖10 1擋→2擋過(guò)程5示意圖

圖11 1擋→2擋過(guò)程6示意圖

本文以降低內(nèi)燃機(jī)能耗和排放為宗旨，以新能源的視角出發(fā)，分別分析了以電機(jī)電池為輔助能源的串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)降低內(nèi)燃機(jī)能耗與排放所起到的作用；另外在混合動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型的混合動(dòng)力專用變速器DHT，給出了該變速器的整體方案以及采用該變速器的混動(dòng)系統(tǒng)換擋的詳細(xì)過(guò)程圖，通過(guò)計(jì)算給出了不同配置下的混動(dòng)系統(tǒng)行車過(guò)程中各性能的對(duì)比值，證明了采用DHT的混合動(dòng)力系統(tǒng)相比于原有的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以進(jìn)一步輔助降低內(nèi)燃機(jī)的能耗與排放，提升車輛動(dòng)力總成的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖12 1擋→2擋過(guò)程7示意圖

表2 CCBC性能試驗(yàn)對(duì)比圖