主从型电液耦合载电车辆工作模式分析

张震　张洪信　杨健　曹洋　王峻一

文章编号：10069798（2022）02006707;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.011

摘要：针对传统电动汽车存在的动力形式单一等问题，本文基于电液动力耦合电动汽车工作原理，对主从型电液耦合载电车辆工作模式进行分析。本文提出一种新型电液动力耦合传动方法，以实现机械能、电能和液压能之间的相互转化，论述了动力耦合系统结构与组成，提出了车辆行驶过程中的6种工作模式，为验证该动力耦合系统的可行性，对各个工作模式下，主从型电液耦合载电车辆系统的电能、机械能、液压能传递和相互转化过程进行分析。分析结果表明，在提出的6种工作模式下，该系统凭借行星齿轮无级调速和功率分流的特点，能够实现3种不同能量之间的相互转化。当车辆行驶时，电能由动力电池传递至驱动电机、电控液压泵/马达等设备，液压能驱动液压泵/马达转动，机械能经行星排动力耦合向驱动桥输出。当车辆制动时，电能向动力电池中回收，液压能向高压蓄能器中回收。该研究具有一定的理论研究和实际应用价值。

关键词：电动汽车;电液耦合;能量传递;动力耦合;行星齿轮;工作模式

中图分类号：U469.72;U461.22文献标识码：A

汽车产业一直是世界的支柱性产业，关系到一个国家的国际竞争力和国民经济水平，但由于石油资源越来越紧缺，且不少传统燃料的汽车，尾气污染严重，而其他燃料的汽车及电动汽车技术的发展愈发重要，因此电动汽车成为最主要的选择之一[12]。在电动汽车的发展进程中，曾一度遭遇过瓶颈。首先面临的是如何解决电动汽车续航里程和充电问题，而且电池的容量、体积和成本也需要不断改善[34]。在城市工况下行驶时，纯电动汽车的频繁启动和停止，会损害电池荷电状态（stateofcharge，SOC），电池寿命和容量都会受到影响;其次是制动回收利用率低，传统的电动汽车不能同时提供机械和液压动力，电机稳定工作困难，这些问题限制了电动汽车的发展。近年来，国内外学者对混合动力汽车进行研究[58]。刘明勋[9]提出了一种串联式液压混合动力汽车，利用液压蓄能器实现机液耦合，提高车辆动力性和能量回收效率，解决了传统汽车的部分问题;李彭熙[10]设计了一种车辆新型电液混合动力传动系统，在纯电动汽车上能够实现电液耦合，提高了功率利用率。目前，电动汽车动力耦合系统多为机液、机电、电液等两两耦合，而对机电液同时耦合的系统研究较少。近年来，YANGJ等人[1113]提出一种新型的机电液动力耦合驱动系统，使系统的可行性和功率性得到实质性提高，不仅提高了能源利用率，而且还增加了行驶里程。多源动力耦合系统在能量利用和动力性能上都优于传统动力系统，其采用行星排作为动力耦合的核心组成部件，与传统齿轮相比，行星齿轮传动具有结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、损耗小和传动比大等优点，易于实现运动合成和分解，抗冲击振动能力强，平稳性好，有利于提高传动效率。宋鹏飞[14]提出了一种电动汽车飞轮辅助动力系统，通过利用行星排实现无级变速，使发动机稳定高效工作，实现节能和动力双保障;阎备战等人[15]研究了基于行星排的商用车双电机动力系统构型;刘建民[16]对功率分流式机械混合传动机构进行研究，利用行星排输出特性，提高了系统传递功率。基于此，本文提出一种主从型电液耦合载电车辆，该系统利用行星排，实现了不同工况下的动力需求和能量回收以及电能、机械能和液壓能的相互转化，是一种结构紧凑的电液动力耦合传动方法。该研究对电动汽车技术的发展具有重要意义。

1主从型电液耦合载电车辆系统

主从型电液耦合载电车辆系统可实现机、电、液动力协同和耦合，在驱动车辆行进的同时，满足液压工作装置对液压能的需求，并高效回收利用制动能和液压工作装置的惯性能量，提高载电车辆的动力性、经济性和可靠性。主从型电液耦合载电车辆系统如图1所示。将驱动电机、电控液压泵/马达和动力输出轴与行星排3个输入/输出端连接，输出轴与驱动桥相连;电控液压泵/马达高压油口与高压储能器、液压负载之间通过三位三通阀连接;驱动电机和电控液压泵/马达协同驱动车辆行进，将制动能回收为电能或液压能。驱动电机与输入轴之间有离合制动器，有分离、结合与制动3种状态。输出轴与驱动桥之间设有离合制动器，驱动桥的两端是驱动轮;电控液压泵/马达的轴与液压动力直联齿轮之间也设离合制动器。-

2行星齿轮工作原理

无级调速是主从型电液耦合载电车辆系统最基本的特性，进而使驱动电机工作在高效率区，与传统的传动系统相比，借助液压泵/马达的无极控制，实现传动系统的无级传动，且在后续研究中能够较容易的参数化和设计控制策略。行星齿轮结构示意图如图2所示。

一般的行星齿轮均由太阳轮、齿圈、行星架和行星轮组成，根据行星齿轮传动的啮合方式，还可以细分为NGW、NGWN等5种类型（W代表外啮合齿轮副，G代表中心轮啮合的公共齿轮）。图2中，行星齿轮类型即为NGW型行星齿轮。在行星齿轮中，假设太阳轮、行星架、齿轮等三构件都不能固定，可称此类机构为差动行星齿轮机构，拥有2个自由度，同时具备变速特点和差动特点[1719]。--行星齿轮各构件之间具有固定的转速和转矩关系，齿圈和太阳轮齿数之比为-

式中，Zr为齿圈齿数;Zs为太阳轮齿数。

行星架转速为-

式中，n1为太阳轮转速;n2为齿圈转速。

太阳轮、行星架和齿圈之间转矩关系为

式中，T1为太阳轮转矩;T2为齿圈转矩;T3为行星架转矩[20]。

在主从型电液耦合载电车辆系统中，行星排结构示意图如图3所示。行星排包括太阳轮、行星轮、行星架和齿圈，而太阳轮、行星架和齿圈的回转轴是行星排的3个动力输入/输出端口。本系统采用输入轴与太阳轮连接，行星架与输出轴连接，齿圈外缘齿轮与液压动力直联齿轮啮合。该行星排的布置能够实现动力的结合与分离，适应多种工况下不同的动力传输情况。-

3主从型电液耦合载电车辆系统工作原理

根据电动汽车不同的行驶情况和本文所研究主从型电液耦合载电车辆系统的布置情况与结构，可以把动力耦合系统的工作过程分为6种工况，即液压起步加速工况、车辆主行进工况、液压负载工作工况、驱动电机给高压储能器充能工况、液压动力参与调节驱动电机稳定工作在高效工况区的工况和车辆制动减速工况。

不同的工况，代表着驱动电机、液压泵/马达和行星排之间不同的动力传输过程和输出特性，其他工况都可以通过以上6种基本工况复合实现。本文根据6种工况，通过图示分析其传统系统动力传递路线。其中，绿色线代表电能传递路线，蓝色线代表机械能传递路线，红色线代表液压能传递路线。

3.1液压起步加速工况

当利用液压动力起动车辆时，三位三通阀切换阀位使高压蓄能器与电控液压泵/马达连通，输入轴离合制动器制动，其余离合制动器结合。高压油从高压蓄能器进入电控液压泵/马达，电控液压泵/马达作为马达使用，低压油从出口进入油箱。动力从电控液压泵/马达经过离合制动器，液压动力直联齿轮，驱动行星排的齿圈通过行星轮带动行星架转动，动力经过离合制动器，进入驱动桥再传动驱动轮，驱动车辆起动加速。液压起步加速工况工作原理如图4所示。

3.2车辆主行进工况

当车速达到一定值时，驱动电机承担车辆驱动任务，动力电池通过多端口电能转换器正常为用电设备和驱动电机供电，将驱动电机作为电动机使用，输入轴上的离合制动器结合，动力通过输入轴进入行星排，驱动太阳轮转动。此时，电控液压泵/马达不参与驱动，液压泵/马达输出轴上的离合制动器处于制动状态，液压动力直联齿轮和齿圈不作转动，太阳轮带动行星轮和行星架转动，动力通过输出轴传递到驱动桥，带动驱动轮转动，驱动车辆行进。车辆主行进工况工作原理如图5所示。

3.3液压负载工作工况

1）液压负载工作工况1。在此工况下，高压蓄能器中储能充足，液压泵/马达输出轴离合制动器处于分离状态，三位三通阀切换到高压蓄能器与液压负载连通状态，使用高压蓄能器内液压能驱动液压负载工作，当液压负载回程时，系统的惯性能还可以转化为液压能回充到高压蓄能器，但液压负载需要设置相应的增压装置。液压负载工作工况1工作原理如图6所示。

2）液压负载工作工况2。在此工况下，液压泵/马达输出轴离合制动器处于结合状态，三位三通阀切换到电控液压泵/马达与液压负载连通状态，动力电池通过多端口电能转换器正常给用电设备供电，并给驱动电机供电，驱动电机作为电动机使用，输入轴上的离合制动器结合，动力通过输入轴进入行星排，驱动太阳轮转动，再通过行星轮驱动齿圈转动，并通过液压动力直联齿轮和离合制动器将动力传给电控液压泵/马达，此时电控液压泵/马达作为液压泵使用，低压油从油箱进入，高压油从其出口到液压负载，排量调节是通过多端口电能转换器传动过来的电能调节其斜盘倾角实现。液压负载工作工况2工作原理如图7所示。

3.4驱动电机给高压储能器充能工况

驱动电机给高压储能器充能，在此工况下，三位三通阀切换阀位至高压蓄能器与电控液压泵/马达连通状态，输入轴上的离合制动器和液压泵/马达，以及输出轴上的离合制动器均处于结合状态，输出轴上的离合制动器处于制动状态，电能从动力电池经多端口电能转换器到驱动电机，驱动电机作为电动机使用，动力通过输入轴驱动行星排的太阳轮，再通过行星轮驱动齿圈，进而带动液压动力直联齿轮转动，進而驱动电控液压泵/马达，电控液压泵/马达作为液压泵使用，液压油从油箱进入电控液压泵/马达，再通过三位三通阀充入高压蓄能器。充能工况工作原理如图8所示。

3.5液压动力参与调节驱动电机稳定工作在高效工况区的工况

在高效工况区，液压动力参与调节驱动电机稳定工作，高效工况区的工况工作原理如图9所示。3个离合制动器都处于结合状态，三位三通阀切换阀位至高压蓄能器与电控液压泵/马达连通状态。动力电池通过多端口电能转换器正常给用电设备供电，并给驱动电机供电，驱动电机作为电动机使用，动力通过输入轴进入行星排，驱动太阳轮转动，太阳轮转速根据这时的扭矩调整到高效转速。另外，高压油从高压蓄能器进入电控液压泵/马达，电控液压泵/马达作为马达使用，低压油从出口进入油箱。动力从电控液压泵/马达经过离合制动器，通过液压动力直联齿轮驱动行星排的齿圈转动，再通过行星轮，与太阳轮的转速合成，使行星架输出需要的转速，满足车速需求。电控液压泵/马达转速和转向的调节，是由多端口电能转换器输出电能，控制其斜盘倾角实现，斜盘倾角越大，转速越快，斜盘倾角改变倾斜方向，则电控液压泵/马达的转向相应改变。

3.6车辆制动减速工况

在车辆制动减速时，输出轴离合制动器结合，地面对驱动轮的阻力从驱动桥到输出轴，驱动行星架转动。但由于制动初期，车速和制动强度不同，车辆制动减速工况细分为如下3种不同工况。

1）车辆制动减速工况1。车辆制动减速工况1工作原理如图10所示。当车速较高、制动强度较小时，液压泵/马达输出轴上的离合制动器处于制动状态，输入轴离合制动器处于结合状态，行星架带着行星轮转动，驱动太阳轮转动，动力通过离合制动器拖动驱动电机转动，驱动电机作为发电机使用，电能通过多端口电能转换动力电池充电，或给用电设备供电。

2）车辆制动减速工况2。当车速较低、制动强度较小时，三位三通阀切换阀位至高压蓄能器与电控液压泵/马达连通状态，输入轴离合制动器制动，其余结合，行星架带着行星轮转动，驱动齿圈转动，动力通过液压动力直联齿轮驱动电控液压泵/马达转动，电控液压泵/马达作为液压泵使用，低压油从油箱经图示路线进入高压蓄能器，实现制动能到液压能的回收。车辆制动减速工况2工作原理如图11所示。

3）车辆制动减速工况3。当制动强度较大时，三位三通阀切换阀位至高压蓄能器与电控液压泵/马达连通状态，3个离合制动器都处于结合状态，行星架带着行星轮同时驱动太阳轮和齿圈转动，制动能同时转化为电能和液压能，给动力电池充电，给高压蓄能器充油。车辆制动减速工况3工作原理如图12所示。

4結束语

本文提出的主从型电液动力耦合载电车辆系统，是一种新型的具有良好发展前景的混合动力车辆系统。本文基于机电液动力耦合电动汽车原理，深度分析传统电动汽车存在的缺陷，对主从型电液动力耦合载电车辆的工作原理和工作模式进行了详细分析。根据载电车辆不同的行驶情况，总结出6种系统运行工况，并对6种工作工况分别进行动力传递路线及工作原理分析，并验证了该电液耦合系统的可行性。与传统电动汽车相比，该载电车辆能够实现多源动力驱动及大幅度提高车辆效率，改善车辆动力性，减少电池能量消耗;与传统电液耦合汽车相比，该载电汽车采用行星排实现了不同动力间的耦合。行星齿轮作为一种结构紧凑的转矩耦合机构，能够最大限度的匹配电液混合动力汽车的驱动要求。在未来的研究中，将以本文提出的系统结构与工作模式为出发点进一步分析。另外，控制系统的设置作为多源动力车辆研究的难点将会成为本研究团队的下一步研究重点。本研究对电液动力耦合汽车的研究与发展具有重要意义和参考价值。

参考文献：

[1]LUOY，CHENX，FANGF，etal.Atrust-enhancedandpreference-awarecollaborativemethodforrecommendingnewenergyvehicle[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch，2021，28（7）：79017917.

[2]PHLIPSP，ORPEM，VASQUEZG.Decouplingvehicleworkfrompowertrainpropertiesinvehiclefuelconsumption[J].SAEInternationaiJournalofFuelsandLubricants，2018，11（4）：533543.

[3]HONGJC，WANGZP，ZHANGTZ，etal.Researchonintegrationsimulationandbalancecontrolofanovelloadisolatedpureelectricdrivingsystem[J].Energy，2019，189（C）：116220116237.

[4]YUANXY，WUJ.Researchonthedevelopmentofpureelectricvehiclepowerbatterytechnologybasedonpatentanalysis[J].IOPConferenceSeries：EarthandEnvironmentalScience，2020，615：012081012087.

[5]ZHOUY，RAVEYA，PéraMC.Multi-objectiveenergymanagementforfuelcellelectricvehiclesusingonline-learningenhancedMarkovspeedpredictor[J].EnergyConversionandManagement，2020，213：112821112838.

[6]KUMARA，THAKURAPR.ADVISOR-basedperformanceanalysisofahybridelectricvehicleandcomparisonwithaConventionalVehicle[J].IETEJournalofResearch，2020：19.

[7]VERMAS，MISHRAS，GAURA，etal.Acomprehensivereviewonenergystorageinhybridelectricvehicle[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering（EnglishEdition），2021，8（5）：621637.

[8]TRANMK，AKINSANYAM，PANCHALS，etal.Designofahybridelectricvehiclepowertrainforperformanceoptimizationconsideringvariouspowertraincomponentsandconfigurations[J].Vehicles，2020，3（1）：2032.

[9]刘明勋.基于AMESim的重型串联液压混合动力汽车的建模与仿真研究[D].昆明：昆明理工大学，2014.

[10]李彭熙.车辆电液混合动力传动系统研究[D].重庆：重庆大学，2016.

[11]YANGJ，ZHANGTZ，HONGJC，etal.ResearchondrivingcontrolstrategyandFuzzylogicoptimizationofanovelmechatronics-electro-hydraulicpowercouplingelectricvehicle[J].Energy，2021，233：121221121234.

[12]YANGJ，ZHANGT，ZHANGH，etal.Researchonthestartingaccelerationcharacteristicsofanewmechanical-electric-hydraulicpowercouplingelectricvehicle[J].Energies，2020，13（23）：62796298.

[13]MENGZW，ZHANGT，ZHANGH，etal.Energymanagementstrategyforanelectromechanical-hydrauliccoupledpowerelectricvehicleconsideringtheoptimalspeedthreshold[J].Energies，2021，14（17）：112.

[14]宋鹏飞.电动汽车飞轮辅助动力系统控制策略的研究[D].武汉：武汉理工大学，2017.

[15]阎备战，张晓伟，王纪福，等.基于行星排的商用车双电机动力系统构型研究[J].机电产品开发与创新，2021，34（2）：1619，36.

[16]刘建民.功率分流式机液混合传动特性研究[D].镇江：江苏大学，2017.

[17]WANGC.Theeffectofplanetarygear/stargearonthetransmissionefficiencyofcloseddifferentialdoublehelicalgeartrain[J].ARCHIVEProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineersPartC：JournalofMechanicalEngineeringScience，2020，234（21）：42154223.

[18]KIMSJ，KIMKS.Experimentalinvestigationoftheseamlessgearshiftmechanismusinganelectricmotorandaplanetarygear-set＼[J＼].Energies，2020，13（24）：6705.

[19]RAGHAVANM.Theanalysisofplanetarygeartrains[J].JournalofMechanismsandRobotics，2010，2：021005021009.

[20]XUMR，WEIC，LIUY.Effectsoftorquedistributionongearshiftstrategyfortheplanetarygearboxonmulti-axlesindependentdrivingHEVs[C]∥2014IEEEConferenceandExpoTransportationElectrificationAsia-Pacific.Beijing：IEEE，2014：15.

-停止使用的非法定单位-科技期刊中应停止使用的非法定单位包括以下几种：

1）所有市制单位。所有市制单位从1992年1月1日起停止使用。例如：土地面积单位亩已改为公顷，其国际符号为hm2。

2）除公斤、公里、公顷以外的"公"字头单位。例如：公尺（米）、共分（厘米）、公亩（百平方米）、公斤（升）、公吨（吨）等都已废弃。

3）英制单位。英制单位是必须废弃的单位。科技期刊中若用到英制单位时，一定要写对名称。例如：英寸、英尺、英里等不应写成吋、呎、哩。同时要注明与法定单位的换算关系。

4）其他非法定单位。例如：毫米汞柱mmHg，其换算因数为：1mmHg=133.322Pa;标准大气压atm，其换算因数为：1atm=101.325kPa。-

AnalysisofOperatingModeofMaster-SlaveElectro-HydraulicCouplingElectricVehicle

ZHANGZhena，b，ZHANGHongxina，b，YANGJiana，b，CAOYanga，b，WANGJunyia，b

（a.CollegeofMechanicalEngineering;b.PowerIntegrationandEnergyStorageSystemsEngineeringTechnologyCenter，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China）Abstract：

Aimingattheproblemsofsinglepowerformexistingintraditionalelectricvehicles，thispaperanalyzestheworkingmodeofmaster-slaveelectro-hydrauliccouplingelectricvehiclebasedontheworkingprincipleofelectro-hydrauliccouplingelectricvehicle.Inthispaper，anewelectro-hydraulicpowercouplingtransmissionmethodisproposedtorealizethemutualconversionofmechanicalenergy，electricalenergyandhydraulicenergy.Thestructureandcompositionofthepowercouplingsystemarediscussed，andsixworkingmodesareproposedintheprocessofvehicledriving.Inordertoverifythefeasibilityofthepowercouplingsystem，theprocessofelectricenergy，mechanicalenergyandhydraulicenergytransferandmutualconversionofmaster-slaveelectro-hydrauliccouplingelectricvehiclesystemisanalyzed.Theanalysisresultsshowthatunderthesixworkingmodesproposed，thesystemcanrealizethemutualconversionofthreedifferentenergiesbyvirtueofsteplessspeedregulationandpowershuntofplanetarygear.Whenthevehicleisrunning，electricenergyistransferredfromthepowerbatterytothedrivemotor，electroniccontrolhydraulicpump/motorandotherequipment.Hydraulicenergydrivesthehydraulicpump/motortorotate，andmechanicalenergyisoutputtothedriveaxlethroughthecouplingofplanetaryplatoonpower.Whenthevehicleisbraking，electricalenergyisrecoveredtothepowerbattery，andhydraulicenergyisrecoveredtothehigh-pressureaccumulator.Thisresearchhascertaintheoreticalresearchandpracticalapplicationvalue.

Keywords：

electricvehicles;electro-hydrauliccoupling;energytransfer;dynamiccoupling;planetarygear;workingmode

收稿日期：20211026;修回日期：20211226

基金項目：国家自然科学基金资助项目（52075278/E0506）;青岛市民生科技计划项目（196192nsh）

作者简介：张震（1999），男，硕士研究生，主要研究方向为电液动力耦合载电车辆。

通信作者：张洪信（1969），男，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为电液动力耦合载电车辆。Email：qduzhx@126.com