差速混合动力驱动系统

郭涛

河北利达特车车辆有限公司 河北省邯郸市 056000

1 引言

国家排放标准规定2020年7月1日，轻型车将强制执行国六排放标准a，2023年7月1日，轻型车将强制执行国六b排放标准，传统燃油车难以通过进一步提高燃油消耗率和降低排放以满足新的排放标准，纯电动车辆又受制于电池成本、充电不便的因素，难以大面积推向市场，目前在市场混合动力驱动系统中除丰田以外，多数采用燃油驱动与电动驱动分离形式，此形式可以做到混动的目的，一定程度上可以提高燃油效率，但其缺点也是显而易见的。

差速混合动力驱动系统

2 分离驱动的缺陷

采用燃油驱动与电动驱动分离形式的缺陷很明显，即：不能使发动机长期处于经济油耗区工作，这就大大降低了节能降耗的目的，例如比亚迪混动动力系统。

3 差速混合动力系统简介

差速装置是指具有两个或两个以上自由度的系统，可以将一个原动力拆分成两个从动力，以达到分动的目的，同时也可以由两个主动力合成一个从动力，达到合成的目的；两个原动力（即两个自由度）确定后，系统的输出也就确定了；差速混合动力系统就是差速器反向使用的特殊情况。

4 差速混合动力系统的设计

本论文就是利用差速器原理的反向使用，原来的两个输出端变成两个输入端，即：成为两个自由度输入，将发动机的输出与一个自由度端连接，另一个自由度端连接电机，此时可以依据输出进行调节，形成分别以电机和发动机作为对应自由度的一款动力分配器，此动力分配器的输出端相对于发动机可以进行无极调速。

设计原理草图如下：

通过上图可知：此系统原理与差速器原理相同及结构相似，由行星齿轮、行星齿轮轴、左半轴齿轮、右半轴齿轮、动力分配锁、制动器A、制动器B等原件组成。发动机、电机分别与左半轴齿轮和右半轴齿轮相连接，电机为发电驱动二合一电机，主要任务就是发电和调速；此系统至少可以实现五种模式驱动，如果制动器B动作，电机被制动，则此系统为发动机直接驱动，如果制动器A动作，发动机被制动，则此系统为电机直接驱动，如果输出端被制动，则此系统为发电状态，如果差速锁动作则系统为纯越野状态，如果制动器A，制动器B，动力分配锁均不动作，则系统为经济驱动模式。

具体模式如下：

（1）经济混动模式：制动器A、B、动力分配锁均打开，发动机以经济转速输出、电机依据行驶需要进行发电或驱动，此模式下相对于输出端，电机对发动机进行了无极调速，从原理上可以省去变速箱；

（2）发动机直驱模式：制动器B闭合，制动器A和动力分配锁打开，发动机进行驱动，不发电；

（3）纯电模式：制动器A闭合，制动器B和动力分配锁打开，为纯电动模式；

（4）纯越野混动模式：动力分配锁闭合，制动器A、B均打开，发动机和电机均以最大能力驱动，电机仅进行制动能量回收发电；

（5）发电模式：输出端被制动，发动机与电机相连接，此时发动机进行最佳经济区域工作，电机进行发电，例如车辆驻车发电等亏电情况。

4.1 差速混合动力驱动系统

发动机与电机角速度相同时，行星齿轮只公转不自转时：

发动机与电机角速度不相同时，输出端不变时，行星齿轮公转同时还进行自转，（以发动机转度低于电机转速为例）：

式（4）与式（5）求和得

以左半轴齿轮与右半轴齿轮直径相同为例，发动机与电机角速度相同时：

以左半轴齿轮与右半轴齿轮直径相同为例，发动机与电机角速度不同时（以发动机转度低于电机转速为例）

△M值较小，只因摩擦力，效率等原因而存在，设计中需要对△M值得影响进行评估；

ω1：发动机角速度；

ω2：电机角速度；

ω0：输出端角速度；

△ω：差角速度；

M1：发动机扭矩；

M2：电机扭矩；

M0：输出端扭矩；

△M：扭矩差；

4.2 电机主要计算公式

电力学中有两个基础公式，此两个基础公式为电机的发电和驱动建构了基础模型

E：电压；B：磁场强度；L：切割磁力线导线的有效长度；V：导线切割磁力线的相对速度；

通过电机公式一可知：由于永磁材料效率高，此系统中亦选取永磁材料作为电机励磁材料，所以电机磁感强度为固定值；电机确定后，切割磁力线导线的有效长度也就变成固定值；发电电压的调节可以通过控制转速控制；

F：安培力大小；B：磁场强度；I：导线中的电流大小；L：切割磁力线导线的有效长度。

通过电机公式二可知：磁场强度为固定值（原因同公式一）；切割磁力线导线的有效长度为固定值（原因同公式一）；可以通过控制电机供电电流调节电机的输出扭矩大小，即可以通过控制电池提供的驱动电流调节电机驱动扭力。

5 结语

此种设计结构简单，加工容易，且各个系统单元均基于现有成熟的理论体系，甚至是产品的标准体系。本设计的变速器中所用到的差速装置，发电驱动二合一永磁电机及其控制系统，动力电池及其BMS管理系统，均为相对成熟的系统，本文进行了系统性的组合和优化，同时提出了各系统的控制理论及控制变量和相互之间的逻辑关系和数学模型，以实现全新的“差速混合动力系统”；

目前国家对燃油车的排放和燃油消耗的规定趋于严格，以目前的纯燃油系统难以进一步提高性能以满足法规的强制要求，纯电动汽车受制于电池价格，充电不便等因素的影响，导致纯电动汽车亦难以在短时间内大面积推向市场，因此在纯电动驱动系统技术出现突破前混合动力是较优选择。