商用車機(jī)電耦合系統(tǒng)的研究和應(yīng)用進(jìn)展

第一章緒論1.1研究背景參考中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017-2021年，我國(guó)新能源汽車的產(chǎn)銷量如圖1.1所示。尤其在2021年，新能源汽車全年產(chǎn)、銷量分別增長(zhǎng)159%和157%，實(shí)現(xiàn)連續(xù)7年位居全球第一。在新能源汽車產(chǎn)銷兩旺的背景下，不足汽車總量25%的商用車消耗汽車總油耗50%以上，碳排放高達(dá)55%，隨著能源緊缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，商用車節(jié)能減排刻不容緩，因此，在國(guó)家現(xiàn)代化基礎(chǔ)建設(shè)中扮演著重要角色的商用車輛節(jié)能也在快速推進(jìn)，同時(shí)發(fā)展節(jié)能與新能源商用車已被納入《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略性規(guī)劃。圖1.12017-2021年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量情況商用車經(jīng)過2020年及2021年上半年的增長(zhǎng)之后，伴隨著國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行以及藍(lán)牌新規(guī)的落地,2022年的市場(chǎng)銷量不斷下滑，最終以兩位數(shù)的跌幅結(jié)束。由于此前環(huán)保及超載治理政策對(duì)需求透支、疊加疫情對(duì)生產(chǎn)生活的限制、油價(jià)居高不下等不利因素，商用車市場(chǎng)總體需求減緩,2022年份全年產(chǎn)銷呈明顯下滑趨勢(shì)。為了解決環(huán)境惡化和資源短缺的問題，商用混合動(dòng)力汽車應(yīng)運(yùn)而生。它采用發(fā)動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)形式，主要是利用電動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于高效區(qū)間內(nèi)，以達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。1.2研究目的及意義在石油供應(yīng)日益短缺，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，由電能驅(qū)動(dòng)，節(jié)能環(huán)保的商用車電動(dòng)汽車逐漸引起行業(yè)重視。純電動(dòng)汽車技術(shù)比較簡(jiǎn)單成熟，但蓄電池存量過少、壽命較短、價(jià)格較高等原因造成商用電動(dòng)汽車性價(jià)比很難優(yōu)于傳統(tǒng)商用燃油汽車，于是集商用燃油汽車與商用電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)于一身的商用混合動(dòng)力汽車（CommercialHybridElectricVehivle,CHEV)應(yīng)運(yùn)而生，商用油電混合動(dòng)力汽車既具有燃油經(jīng)濟(jì)性能又具有良好行駛性能。盡管商用混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)要用油，但起步時(shí)，加速時(shí)可以借助電動(dòng)馬達(dá)，從而可以減少油耗，這使得它成為目前商用汽車技術(shù)的一個(gè)研究重點(diǎn)。1.3國(guó)內(nèi)外基于商用車的機(jī)電耦合研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀一般而言，商用車種類包括輕型商用車、重卡車、巴士/客運(yùn)等3大類。國(guó)外各國(guó)都在非常積極的進(jìn)行混合動(dòng)力汽車的研究，如日本、美國(guó)、歐洲等根據(jù)國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品市場(chǎng)，結(jié)合自身?xiàng)l件，對(duì)汽車行業(yè)未來的發(fā)展方向制定了較高的戰(zhàn)略目標(biāo)。2019年日野公司推出了世界上第一臺(tái)搭載混合動(dòng)力系統(tǒng)的重型卡車“ProfiaHybrid”，并在日本國(guó)內(nèi)發(fā)售，如圖1.2所示。該款車結(jié)合人工智能控制系統(tǒng)，使其燃油經(jīng)濟(jì)性得到大幅度提升。此款車型主要運(yùn)用于高速公路，以勻速行駛為目標(biāo)，搭載GPS和GIS等眾多傳感器，基于道路坡度信息而開發(fā)的一套新型控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)車輛的載重以及實(shí)時(shí)路況信息作為控制變量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力最優(yōu)分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性最大化，為混合動(dòng)力重型商用車的未來發(fā)展方向奠定了基礎(chǔ)。圖1.2日野ProfiaHybrid在電池荷電狀態(tài)計(jì)算方法方面，Shaaban引入PHEV車輛充電系統(tǒng)在線合作交直流分配模式，該模式以車主滿意度最大化為目標(biāo)，同時(shí)又不會(huì)違背網(wǎng)絡(luò)約束。Mensing.F和其他人對(duì)混合動(dòng)力汽車生態(tài)駕駛策略進(jìn)行節(jié)能潛力分析，設(shè)計(jì)出一種考慮電池充電狀態(tài)下的汽車模型，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化方法對(duì)定義好的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行最佳速度軌跡計(jì)算，結(jié)果表明融入生態(tài)駕駛能夠改善汽車效率和進(jìn)一步提升節(jié)能潛力。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀自20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)一直把汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向集中在對(duì)新能源開發(fā)的研究。目前國(guó)內(nèi)各大汽車公司也相繼推動(dòng)商用混合動(dòng)力車的進(jìn)展。但受制于技術(shù)、需求及觀念的影響，國(guó)內(nèi)對(duì)于混合動(dòng)力的研究重點(diǎn)僅僅集中在城市客車上，對(duì)于重型商用車的發(fā)展戰(zhàn)略涉及較少。但隨著社會(huì)的發(fā)展需求，原油價(jià)格的增長(zhǎng)，我國(guó)實(shí)行新的排放標(biāo)準(zhǔn)，迫使一些商用車企業(yè)開始向著新能源、電動(dòng)化方向發(fā)展。在能量管理與控制策略方面，清華大學(xué)博士楊偉斌對(duì)PHEV汽車自動(dòng)變速器換擋規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間扭矩分配策略進(jìn)行了研究，通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩分配可以使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)。重慶大學(xué)教授秦大同利用模糊識(shí)別方法建立了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中電池荷電狀態(tài)，汽車行駛里程作為輸入和汽車行駛里程作為輸出的模式識(shí)別控制策略，對(duì)汽車能量管理進(jìn)行了仿真分析，認(rèn)為在新歐洲運(yùn)行循環(huán)條件下，變參數(shù)能量管理策略可以將百公里油耗減少5%以上。1.4本文主要研究?jī)?nèi)容本文研究以商用車機(jī)電耦合系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要針對(duì)商用車機(jī)電耦合系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義、商用車機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)類型、商用車混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)案例進(jìn)行分析，并提出了今后的發(fā)展趨勢(shì)。第一章主要提出了緒論部分，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)背景以及研究的現(xiàn)狀、目的以及意義以及主要的內(nèi)容以及結(jié)構(gòu)安排。第二章針對(duì)商用車的混合動(dòng)力耦合方式進(jìn)行分析，主要分析其不同方式的商用車。第三章根據(jù)其具體車型案例進(jìn)行分析其不同的運(yùn)行模式。第四章對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。第二章商用車機(jī)電耦合方式分析商用混合動(dòng)力汽車和傳統(tǒng)汽車以及純電動(dòng)汽車的主要區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。對(duì)于并聯(lián)和混聯(lián)式HEV,動(dòng)力耦合系統(tǒng)承擔(dān)著HEV多動(dòng)力接合、多動(dòng)力源間合理功率分配以及向驅(qū)動(dòng)橋輸送動(dòng)力等任務(wù),在HEV的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，動(dòng)力耦合系統(tǒng)的性能好壞直接關(guān)系著HEV整車性是否滿足設(shè)計(jì)要求，也是HEV的核心部件。機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)是其布置方案，不同結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合系統(tǒng)將導(dǎo)致HEV的適用條件和使用要求各不相同。開發(fā)難度差異也較大，機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇決定著HEV研究和發(fā)展重點(diǎn)和方向。機(jī)電動(dòng)力耦合系統(tǒng)應(yīng)具備下列功能:（1）動(dòng)力合成功能。將來自不同動(dòng)力源的動(dòng)力分別輸入并進(jìn)行動(dòng)力合成。（2）輸出不干涉功能。使不同動(dòng)力源產(chǎn)生的功率分別輸出帶動(dòng)HEV行駛，或者使多種功率一起輸出帶動(dòng)HEV運(yùn)行，相互之間不會(huì)產(chǎn)生干涉，不會(huì)對(duì)傳動(dòng)效率造成影響。（3）動(dòng)力分解與能量反饋功能。將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力全部或部分傳遞給電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)向發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換來發(fā)電，并在再生制動(dòng)時(shí)回收能量，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并進(jìn)行儲(chǔ)存。（4）輔助功能。能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的低速、大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)啟動(dòng)HEV，利用電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)特性使HEV倒車，從而取消驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的倒檔機(jī)構(gòu)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速輸出特性不同，機(jī)電耦合系統(tǒng)需要滿足多項(xiàng)復(fù)雜的動(dòng)力傳遞、組合要求。2.1轉(zhuǎn)速合成式轉(zhuǎn)速合成式動(dòng)力系統(tǒng)工作原理如圖2.1所示ToutTout·ωoutTin1·ωin1Tin2·ωin2轉(zhuǎn)速耦合裝置圖2.1轉(zhuǎn)速合成式工作原理圖轉(zhuǎn)速合成式混合動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的輸入輸出特性如式所示ωT式中：T—扭矩；ω—轉(zhuǎn)速；in—輸入；out—輸出；k1,k2—轉(zhuǎn)速耦合裝置特性參數(shù)。在轉(zhuǎn)速合成式動(dòng)力系統(tǒng)中，當(dāng)汽車的預(yù)期轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，也就是轉(zhuǎn)速合成裝置的輸出轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)將相互輸送實(shí)現(xiàn)了輸入輸出轉(zhuǎn)速的解耦，使得轉(zhuǎn)速分配變得更加靈活多變。然而，由于三個(gè)組件的扭矩之間存在一定的比例關(guān)系，從而導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整工作特性需要與電動(dòng)機(jī)的輸出特性相匹配，這給控制系統(tǒng)帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。2.2轉(zhuǎn)矩合成式轉(zhuǎn)矩合成式動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)轉(zhuǎn)矩耦合裝置耦合，然后帶動(dòng)車輪。它的工作原理見圖2.2。TTin1·ωin1Tin2·ωin2機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合Tout·ωout圖2.2轉(zhuǎn)矩合成式工作原理圖轉(zhuǎn)矩合成式混合動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩輸入輸出特性如式所示ωT根據(jù)對(duì)扭矩和轉(zhuǎn)速輸入與輸出特性的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩合成式和轉(zhuǎn)速合成式之間的差異在于它們的三個(gè)構(gòu)件之間存在一定的轉(zhuǎn)速差異，通過靈活的比例關(guān)系和兩個(gè)動(dòng)力源的輸入轉(zhuǎn)矩分配，可以實(shí)現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩的解耦，從而達(dá)到更高效的效果。因此，在汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛，并已成為未來發(fā)展的方向之一。典型的機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合裝置有齒輪組、皮帶輪組或鏈?zhǔn)浇M。根據(jù)傳動(dòng)軸數(shù)量的不同，轉(zhuǎn)矩合成式可進(jìn)一步細(xì)分為兩種不同的動(dòng)力系統(tǒng)布局形式一種布置形式為單軸式，其中發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)共軸，而另一種則為雙軸式，其中發(fā)動(dòng)機(jī)通過動(dòng)力耦合裝置與驅(qū)動(dòng)電機(jī)并聯(lián)呈現(xiàn)方式。2.2.1單軸轉(zhuǎn)矩合成式在單軸式和轉(zhuǎn)矩合成式動(dòng)力系統(tǒng)中，動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的布置方式有兩種，其中一種是采用后傳動(dòng)的裝置式。如圖2.3所示。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)的輸出軸相連時(shí)，動(dòng)力將會(huì)中斷，從而影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。另一種則采用前傳動(dòng)裝置式，即由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的過程。在此結(jié)構(gòu)中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，從而降低了對(duì)電機(jī)的技術(shù)要求，同時(shí)提高了汽車的動(dòng)力性能。此外，小型發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)也可使用，但在該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)保持一致，并對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作范圍進(jìn)行限制。圖2.3單軸后傳動(dòng)裝置式動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖圖2.4單軸前傳動(dòng)裝置式動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖另一布局方案是前傳動(dòng)裝置式的，如圖2.4所示。傳動(dòng)裝置介于發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間，傳動(dòng)系統(tǒng)的功率不中斷，但僅增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。這種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電機(jī)沒有布置變速機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)工作區(qū)間，因此對(duì)電機(jī)的要求較高，這種結(jié)構(gòu)可用于大范圍恒功率區(qū)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。此種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅用于改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)，以改進(jìn)車輛性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。2.2.2雙軸轉(zhuǎn)矩合成式雙軸轉(zhuǎn)矩合成式按傳動(dòng)裝置的位置也可分為傳動(dòng)裝置后置式與傳動(dòng)裝置前置式兩種。在圖2.5中，可見一后置式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：傳動(dòng)裝置位于動(dòng)力耦合裝置與減速器間，使發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等比增大，而電動(dòng)機(jī)比單軸式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大，故可采用高速電機(jī)。如圖2.6所示，可見到一傳動(dòng)裝置的前置式構(gòu)造簡(jiǎn)圖，它被設(shè)置在動(dòng)力源和減速器之間，這樣就可以提高整車的動(dòng)力性和驅(qū)動(dòng)系的整體效率，但是傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，從而增加了布置的難度。圖2.5雙軸傳動(dòng)裝置后置式動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖圖2.6雙軸傳動(dòng)裝置前置式動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖2.3功率合成式目前，越來越多的動(dòng)力系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)矩耦合與轉(zhuǎn)速耦合并存的方案，即功率合成式。動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)為單排行星齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)和行星架相連，發(fā)電機(jī)和太陽輪相連，電動(dòng)機(jī)和齒圈相連，齒圈經(jīng)減速器的輸出動(dòng)力為汽車提供動(dòng)力。該耦合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速輸入與輸出關(guān)系如式所示。式中：nout—減速器輸入轉(zhuǎn)速；nm1、nm2、ne—分別為發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；k—行星齒輪機(jī)構(gòu)的特性參數(shù)。式中：Tout—減速器輸入轉(zhuǎn)矩；Te、Tm1、Tm2—分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。此耦合機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸入輸出關(guān)系如式所示。TT式中：Tout—減速器輸入轉(zhuǎn)矩；Te、Tm1、Tm2—分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。由上述耦合機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系的分析可知，在此動(dòng)力系統(tǒng)中可以由發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速工作區(qū)間，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，從而使得各動(dòng)力源工作在最佳工作區(qū)間。此類動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在低車速時(shí)，轉(zhuǎn)矩耦合運(yùn)行模式將適合于高加速性能和爬坡性能的需求；高車速下則使用轉(zhuǎn)速耦合模式使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在最佳工作區(qū)域。2.4動(dòng)力耦合方式的評(píng)價(jià)發(fā)展混合動(dòng)力汽車的最大優(yōu)點(diǎn)和目標(biāo)是：節(jié)約資源，并對(duì)環(huán)境進(jìn)行治理。在確保汽車具有良好動(dòng)力性的前提下，盡可能地將整車燃油的消耗和尾氣排放降到最低。所以，對(duì)機(jī)電耦合系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，主要是以能否有利于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而將燃油的消耗和尾氣的排放降到最低，在此基礎(chǔ)上，還能保證良好的汽車動(dòng)力性和平穩(wěn)性。綜合上述分析，總結(jié)各種耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表2.1所示。表2.1各種動(dòng)力耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn)耦合方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)轉(zhuǎn)速合成式兩動(dòng)力源之間的輸入轉(zhuǎn)速分配較為靈活，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出轉(zhuǎn)速的解耦。輸入輸出扭矩之間成一定比例關(guān)系，限制了電機(jī)低速大扭矩特性的利用。單軸轉(zhuǎn)矩合成式兩動(dòng)力源之間的輸入扭矩分配較為靈活，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出扭矩的解耦。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)和布置。電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍相同，限制了電機(jī)的工作區(qū)間。雙軸轉(zhuǎn)矩合成式兩動(dòng)力源之間的輸入扭矩分配較為靈活，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出扭矩的解耦。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置及控制系統(tǒng)較復(fù)雜，功率合成式兩動(dòng)力源的輸入輸出動(dòng)力實(shí)現(xiàn)解耦，可以有效利用電機(jī)低速大扭矩特性；并且可以利用電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作區(qū)間。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)最為復(fù)雜。第三章商用車機(jī)電耦合系統(tǒng)的工作模式案例分析3.190t混聯(lián)式自卸車動(dòng)力耦合系統(tǒng)本文所研究的混聯(lián)式自卸車為6×4車型，其關(guān)鍵參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率316KW,重載質(zhì)量90000kg,驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率180/kw。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示?；炻?lián)式自卸車采用了稍小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車中較大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)以保證自卸車動(dòng)力，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種工作模式，這樣混聯(lián)式自卸車就能處理大部分礦區(qū)運(yùn)輸工況特別是“重載上坡和空載下坡”運(yùn)輸工況，并且還能通過建立合理控制策略，混聯(lián)式自卸車能夠在整車功率需求大的情況下保持良好的動(dòng)力性和整車功率需求小的情況下保持燃油經(jīng)濟(jì)性。圖3.1自卸車混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)直接相連，并通過電磁離合器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸相連，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的力矩轉(zhuǎn)移到主減速器，再通過主減速器將變速箱輸出力矩傳遞到驅(qū)動(dòng)輪?；炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的最顯著特征在于其能夠通過控制電磁離合器的開啟和關(guān)閉，在串聯(lián)和并聯(lián)模式之間進(jìn)行切換。當(dāng)電磁離合器嚙合時(shí)，整車工作在并聯(lián)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩。電磁離合器脫接時(shí)整車進(jìn)入串聯(lián)模式，只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以帶動(dòng)車輛前進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組不會(huì)受到車輛運(yùn)行工況的影響而選擇停止，或者在燃油經(jīng)濟(jì)性較好的地區(qū)使用電池或者驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電源。

1.增程發(fā)電模式在增程發(fā)電模式中，電磁離合器脫開，發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組對(duì)整車進(jìn)行增程發(fā)電處理，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)受到自卸車運(yùn)行條件的影響，從而可將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)控制在油耗較經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)。在該模型中能量傳遞的方向見圖3.2。圖3.2增程發(fā)電模式能量傳遞示意圖在考慮“重載上坡，空載下坡”的目標(biāo)工況時(shí)，需要明確定義增程發(fā)電模式下的運(yùn)行條件，以排除發(fā)動(dòng)機(jī)直接參與行駛的可能性，主要包括停車裝-卸料階段和空載下坡階段。本文對(duì)混聯(lián)式自卸車用不同類型的柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及電池等進(jìn)行了對(duì)比分析研究，并根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的動(dòng)力系統(tǒng)方案，最終確定混聯(lián)式自卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。當(dāng)可開啟增程發(fā)電模式時(shí)，電池充電目標(biāo)區(qū)間的最小SOCchr_low將限制增程發(fā)電模式的啟動(dòng)，只有當(dāng)電池SOC值低于該數(shù)值時(shí)，增程發(fā)電模式才會(huì)啟動(dòng)。一旦電池充電目標(biāo)范圍內(nèi)的最大SOC（即SOCchr_top）超過限制，增程發(fā)電模式將被終止。當(dāng)自卸車到達(dá)該位置后，由于自身重力作用，車輛無法繼續(xù)前進(jìn)，此時(shí)需要啟動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池組進(jìn)行補(bǔ)充電能以維持其正常工作。為了確保自卸車在進(jìn)入后續(xù)重載上坡階段時(shí)能夠獲得足夠的電量，必須設(shè)定電池預(yù)設(shè)充電目標(biāo)區(qū)間的最小SOCchr_low值，以實(shí)現(xiàn)電池電量在循環(huán)前后的平衡狀態(tài)。確立適宜的發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組運(yùn)行位置是實(shí)現(xiàn)增程發(fā)電方式的關(guān)鍵所在。合理地設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)位置對(duì)提高電能轉(zhuǎn)換效率、降低燃油消耗有重要意義。在確定發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)的運(yùn)行位置時(shí)，需要綜合考慮以下兩個(gè)方面（1）ISG電機(jī)的最大功率限制和電池SOC變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組的工作點(diǎn)產(chǎn)生了雙重影響；（2）考慮到自卸車處于不同運(yùn)輸工況，需分別選取停車等裝/卸料階段及空載下坡階段發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組工作點(diǎn)。待裝/卸料階段停機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)可選擇功率較小的工作點(diǎn)來保證正常工作，而空載下坡階段，則可以選擇功率略大的發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組工作點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)自卸車前進(jìn)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組發(fā)出的電量直接給驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用。2.純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下，電磁離合器處于脫開狀態(tài)，僅由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩驅(qū)動(dòng)整車。模型中，能量傳遞方向如圖3.3所示。圖3.3純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式能量傳遞示意圖定義米采用純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的工況為：（1）啟動(dòng)自卸車；（2）自卸車空載和非上坡兩種情況下,“重載上坡──空載下坡”狀態(tài)分別與自卸車啟動(dòng)階段或者空載下坡階段相對(duì)應(yīng)。自卸車啟動(dòng)過程中，采用純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式可以充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)響應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)低速大扭矩等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)車輛快速起動(dòng)。當(dāng)自卸車空載下坡運(yùn)行時(shí)，汽車所需功率很小，若此時(shí)駕駛員踩油門踏板為純電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式給車輛提供動(dòng)力，能夠避免空載下坡階段發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)汽車行駛過程中工作于燃油經(jīng)濟(jì)性較差地區(qū)，繼而改善自卸車燃油經(jīng)濟(jì)性。3.混合驅(qū)動(dòng)模式在混合驅(qū)動(dòng)模式中，電磁離合器關(guān)閉后ISG電機(jī)既不產(chǎn)生電能又不提供電能，但是發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)都會(huì)輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而控制策略就是為兩個(gè)動(dòng)力源提供指令轉(zhuǎn)矩。在該模式中能量傳遞的方向見圖3.4。圖3.4混合驅(qū)動(dòng)模式能量傳遞示意圖混合驅(qū)動(dòng)模式工況定義重載或者上坡條件，重載或者上坡階段與“重載上坡和空載下坡時(shí)”目標(biāo)條件相對(duì)應(yīng)，這一階段整車需求功率較大，用其控制電磁離合器接合，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)向整車提供轉(zhuǎn)矩，確保自卸車重載上坡階段動(dòng)力性良好。4.再生制動(dòng)模式再生制動(dòng)模式下，電磁離合器斷開，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出部分制動(dòng)扭矩將一部分動(dòng)能回收；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)組同步運(yùn)行。此模式下，能量流動(dòng)方向如圖3.5所示。圖3.5再生制動(dòng)模式的能量傳遞示意圖定義再生制動(dòng)模式的使用工況為：空載非上坡工況。在“重載上坡，空載下坡”的目標(biāo)工況中對(duì)應(yīng)空載下坡階段。自卸車進(jìn)入到空載下坡工況階段時(shí)，若駕駛員松開油門踏板，混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換轉(zhuǎn)換為再生制動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供部分制動(dòng)力并盡可能回收電能至電池。3.2同軸并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)分析本章以一種常見的插電式混合動(dòng)力公交車(Plug-inhybridelectricbus,PHEB)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析。插電式同軸并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)是由多個(gè)重要部件組成的，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池、機(jī)械式自動(dòng)變速箱和主減速器等這些部件。其相關(guān)參數(shù)已在表3.2中列出。如圖3.6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)通過與動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)鏈連接的離合器，可以和電機(jī)同步地進(jìn)行配合作業(yè)，從而使整車獲得功率，并且該合作通過AMT與主減速器之間的配比調(diào)節(jié)來完成。在此過程中電機(jī)將按照實(shí)際能量需求在發(fā)電機(jī)模式及電動(dòng)機(jī)模式間轉(zhuǎn)換為了達(dá)到和電池之間能量轉(zhuǎn)換的目的。電機(jī)在充當(dāng)發(fā)電機(jī)角色時(shí)，可以利用制動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)調(diào)整后提高的動(dòng)力收回或者接收，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中。當(dāng)電機(jī)用作電動(dòng)裝置時(shí)，它可以直接利用電池中儲(chǔ)存的電能，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛行駛。表3.2插電式同軸并聯(lián)混合動(dòng)力部件參數(shù)部件名稱參數(shù)名稱參數(shù)值發(fā)動(dòng)機(jī)燃油類型排量/L標(biāo)定功率/kW壓縮天然氣(CNG)6.45170電機(jī)類型最大扭矩/N·m額定/峰值功率/kW永磁同步75094/121電池類型容量/A·h標(biāo)定電壓/V鈦酸鋰60346變速箱類型速比6擋AMT6.39/3.97/2.4/1.48/1/0.73主減速器速比5.13圖3.6插電式同軸并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型圖依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)是否向傳動(dòng)鏈提供動(dòng)力輸出和電機(jī)工作模式的選擇,PHEB動(dòng)力系統(tǒng)工作過程中工作模式可劃分為5類，分別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、駕駛充電模式和回收制動(dòng)模式。以下將針對(duì)這幾個(gè)模式進(jìn)行具體的闡述。(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式在PHEB電池電量足夠大，整車需求動(dòng)力低于電機(jī)輸出上限的情況下，電機(jī)能夠獨(dú)自驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行，此舉能夠有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率不高的難題。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)輸出力矩較大而響應(yīng)時(shí)間較短因此在汽車的快速起步時(shí)常采用這種方式。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式PHEB在中等負(fù)載和中等速度狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)通常能給發(fā)動(dòng)機(jī)提供高效的動(dòng)力輸出環(huán)境，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)根據(jù)外部的動(dòng)力需求分別帶動(dòng)汽車運(yùn)行。此外當(dāng)電池電量不充足時(shí)電機(jī)無法向外輸出功率這種模式也是保持汽車正常運(yùn)行的一種重要方法。(3)混合驅(qū)動(dòng)模式PHEB急加速行駛或者爬坡行駛的時(shí)候，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)不一定能在機(jī)械約束的條件下或者在高效的工況下分別工作來保證整車的動(dòng)力性。這時(shí)，如果電池電量許可，電機(jī)就會(huì)以電動(dòng)機(jī)的形式配合發(fā)動(dòng)機(jī)工作，共同完成保證汽車正常運(yùn)行所需要的更大轉(zhuǎn)矩。在該模型中，通過對(duì)轉(zhuǎn)矩分配的合理控制，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最優(yōu)可調(diào)，并盡可能地工作于高效率工況，以提高整車的能源利用率。(4)行車充電模式PHEB在低負(fù)載工況下工作，當(dāng)電池電量不足造成動(dòng)力系統(tǒng)工作在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將與電機(jī)共同參與到整車驅(qū)動(dòng)中。這種方法利用電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，把發(fā)動(dòng)機(jī)由低轉(zhuǎn)矩運(yùn)行點(diǎn)提升到高效率運(yùn)行點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的過剩機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，并且使電池電量得以補(bǔ)充，保持了電機(jī)持續(xù)的輔助驅(qū)動(dòng)功能。(5)回收制動(dòng)模式當(dāng)PHEB制動(dòng)而電池SOC達(dá)不到預(yù)設(shè)上限的情況下，電機(jī)能夠配合機(jī)械制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)車輛減速。在這個(gè)過程當(dāng)中，電機(jī)以發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行，能夠把運(yùn)行時(shí)車身的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲(chǔ)。該剎車方式相對(duì)于傳統(tǒng)汽車使用剎車盤機(jī)械剎車而言，能夠有效避免動(dòng)力損耗以進(jìn)一步提升整體能量效率。PHEB處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠根據(jù)外部運(yùn)行工況動(dòng)力需求及車載電池SOC狀態(tài)在上述5種工作模式之間切換，保證以較好能耗狀態(tài)驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行。第四章商用車機(jī)電耦合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)是由若干個(gè)相互聯(lián)系的動(dòng)力源所構(gòu)成，因此在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和使用時(shí)，需要結(jié)合汽車的具體結(jié)構(gòu)和使用情況來選擇最合適的布置方案。很多企業(yè)及科研單位正逐步把混合動(dòng)力電動(dòng)汽車研制的重點(diǎn)集中于綜合串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)勢(shì)，使其在單一結(jié)構(gòu)中達(dá)到最佳性能。4.1集成化混合動(dòng)力系統(tǒng)混合程度會(huì)隨電功率占比逐漸增大而增大，并最終達(dá)到充分混合?？煽啃暂^高、控制較方便、成本較低等特點(diǎn)，混合動(dòng)力系統(tǒng)正朝著發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、變速器模塊化和一體化方向發(fā)展，即采用集成化混合動(dòng)力系統(tǒng)，并借助于模塊化設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)和綜合管理控制，從而實(shí)現(xiàn)了整車總體設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，這是動(dòng)力耦合系統(tǒng)今后發(fā)展的趨勢(shì)。4.2多模式化為了更好地發(fā)揮其優(yōu)異的性能，混動(dòng)系統(tǒng)將向多模式、多復(fù)雜化方向發(fā)展的同時(shí)，混合動(dòng)力汽車?yán)秒姍C(jī)制動(dòng)，可以進(jìn)行有效的能