機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)原理

劉朔,張洪信,趙清海,楊健,孟澤文

(1.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266071；2.青島大學(xué)電動(dòng)汽車(chē)智能化動(dòng)力集成技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,山東青島266071)

0 前言

隨著碳達(dá)峰、碳中和國(guó)家目標(biāo)的提出，新能源汽車(chē)的研究與應(yīng)用越來(lái)越成為共識(shí)。但是電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展卻逐漸遭遇瓶頸：一方面，電池本身體積、成本、容量等需要改善；另一方面，純電動(dòng)汽車(chē)的頻繁啟停會(huì)產(chǎn)生峰值扭矩，帶來(lái)負(fù)荷沖擊，損傷電池的荷電狀態(tài)(SOC)，降低電池使用壽命；再有，純電動(dòng)汽車(chē)在諸多工況下制動(dòng)能回收為電能的利用率偏低[1-2]。液壓系統(tǒng)具有功率密度高、能量充放快、制動(dòng)能回收率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)輔助驅(qū)動(dòng)，降低電機(jī)的峰值功率，提高汽車(chē)的動(dòng)力性[3]。劉桓龍等設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)靜液混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)液壓能量回收與耦合的節(jié)能特性，它的能量回收效率高達(dá)50%，新型耦合方式可大大降低電力消耗；同時(shí)，他設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)靜液混合動(dòng)力系統(tǒng)，提出了下坡速度控制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性[4-6]。HU等[7]針對(duì)液壓系統(tǒng)能量損失大的特點(diǎn)，提出了一種離散速比控制策略，并利用遺傳算法對(duì)離散速比進(jìn)行優(yōu)化，所提出的控制策略顯著降低液壓系統(tǒng)的能量損失。YANG等[8-9]為了簡(jiǎn)化純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的布局，提高汽車(chē)的加速性能，針對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩大的特點(diǎn)，提出一種新型的機(jī)電液動(dòng)力耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將蓄能器輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)反饋與PID控制相結(jié)合，使系統(tǒng)的可行性和功率性能得到了實(shí)質(zhì)性的提高，通過(guò)對(duì)新型機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)的起步加速特性和制動(dòng)特性的研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與正確性，通過(guò)重新設(shè)計(jì)新型機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)控制策略及模糊邏輯優(yōu)化研究，提高了能源利用效率并增加了行駛里程。但是傳統(tǒng)的液壓混合動(dòng)力汽車(chē)僅僅通過(guò)增加一套液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，使傳動(dòng)系統(tǒng)的布置更加復(fù)雜。本文作者將引入一種新型的動(dòng)力裝置機(jī)電液耦合器，它將傳統(tǒng)的電機(jī)與柱塞泵/馬達(dá)合成一體，實(shí)現(xiàn)了電能、機(jī)械能和液壓能的相互轉(zhuǎn)化，各種動(dòng)力轉(zhuǎn)化在系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配，可有效解決上述問(wèn)題，裝車(chē)后形成機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)，有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、制動(dòng)能回收利用率等諸多特點(diǎn)。

1 機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)原理

機(jī)電液耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由外接引線(xiàn)端子與定子鐵芯、定子繞組外加永磁鐵組成的電能裝置，柱塞、配流盤(pán)等結(jié)構(gòu)組成的液壓能裝置，以及機(jī)械能裝置組成，可實(shí)現(xiàn)電能、機(jī)械能和液壓能的相互轉(zhuǎn)化。

機(jī)電液耦合器作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，通過(guò)外加的引線(xiàn)端子外接三相交流電壓，定子鐵芯和定子繞組受通電電流影響形成復(fù)合電磁場(chǎng)，產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子以及缸體旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)傳動(dòng)軸對(duì)外輸出機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)了由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功能。作為發(fā)電機(jī)時(shí)，通過(guò)外部作用力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)軸，繼而帶動(dòng)缸體轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，最終通過(guò)引線(xiàn)端子輸出電能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)變[10]。

機(jī)電液耦合器作為液壓泵時(shí)，通過(guò)電動(dòng)力或外部機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，繼而帶動(dòng)缸體等其他組件轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞會(huì)在斜盤(pán)作用下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞向右，泵腔容積變大，液壓油進(jìn)入泵腔；柱塞向左，泵腔容積變小，油壓升高，高壓油由泵腔通過(guò)配流盤(pán)對(duì)外輸出，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能向液壓能的轉(zhuǎn)變。作為液壓馬達(dá)時(shí)，輸入液壓動(dòng)力，輸出機(jī)械動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了由液壓能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。

機(jī)電液耦合器在電動(dòng)車(chē)上裝用后形成機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)，主要包括電池組、高壓蓄能器、低壓蓄能器、機(jī)電液耦合器、主減速器/差速器等組成部分，基本結(jié)構(gòu)組成由圖2所示[11-12]。機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)的唯一動(dòng)力源來(lái)自于動(dòng)力電池，高壓蓄能器的液壓能來(lái)自于制動(dòng)再生或由電能轉(zhuǎn)化。在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，低速行駛時(shí)采用液壓動(dòng)力獨(dú)立驅(qū)動(dòng)或輔助電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛；高速行駛時(shí)主要采用電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)初速度較高時(shí)采用電動(dòng)力制動(dòng)并將慣性能量以電能形式回收到動(dòng)力電池中；制動(dòng)速度較低時(shí)采用液壓動(dòng)力制動(dòng)并將慣性能量以液壓能形式回收到高壓蓄能器中；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，采用液壓動(dòng)力與電動(dòng)力同時(shí)制動(dòng)，并將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能和液壓能分別儲(chǔ)存在電池與高壓蓄能器中[13]。

圖2 機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)

2 機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)模式

機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)的基本模式可分為5種[14-15]，工作模式如表1所示。

表1 不同動(dòng)力傳動(dòng)模式

(1)在啟動(dòng)的時(shí)候，車(chē)輛需求的瞬時(shí)功率較大。高壓蓄能器的油液進(jìn)入低壓蓄能器中，由液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛起步至車(chē)速閾值，只有液壓動(dòng)力不足時(shí)電動(dòng)力方參與驅(qū)動(dòng)。

(2)車(chē)輛在達(dá)到車(chē)速閾值后，動(dòng)力電池開(kāi)始供電，車(chē)輛進(jìn)入加速模式。電動(dòng)力與液壓動(dòng)力同時(shí)工作，在機(jī)電液耦合器中扭矩疊加，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛以較高速度行駛。

(3)隨著速度升高，到某閾值時(shí)液壓動(dòng)力關(guān)閉，到勻速行駛階段，僅以電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行，電動(dòng)力工作在高效區(qū)。

(4)車(chē)輛在怠速行駛時(shí)，電動(dòng)力轉(zhuǎn)化為液壓動(dòng)力，將低壓蓄能器的油液泵入高壓蓄能器，及時(shí)給蓄能器充能到統(tǒng)計(jì)意義上的最佳閾值。

(5)車(chē)輛在制動(dòng)時(shí)，主要工況是高速時(shí)耦合器作發(fā)電機(jī)使用，轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中；低速時(shí)耦合器工作在液壓泵狀態(tài)，將慣性能量轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在高壓蓄能器中；若制動(dòng)強(qiáng)度較大則電動(dòng)力和液壓動(dòng)力同時(shí)參與制動(dòng)，制動(dòng)能有一部分轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中；若緊急制動(dòng)則采用機(jī)械制動(dòng)，ABS接管。

備注：紅色直線(xiàn)代表液壓動(dòng)力流向，藍(lán)色虛線(xiàn)代表電動(dòng)力流向，綠色虛線(xiàn)代表耦合后動(dòng)力能源流向。

3 機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配模型

機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配模型主要包括機(jī)械動(dòng)力(整車(chē)動(dòng)力)、電動(dòng)力、液壓動(dòng)力模型。

3.1 整車(chē)動(dòng)力模型

汽車(chē)在平直路面上行駛，總的阻力ΣFt一般由四部分組成，它們分別是滾動(dòng)阻力Ff、坡度阻力Fi、加速阻力Fj、空氣阻力Fw。汽車(chē)行駛過(guò)程的平衡方程式為

(1)

其中：G為車(chē)輛總重力；u為車(chē)速；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；m為整車(chē)總質(zhì)量；g為重力加速度；α為坡度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；

3.2 電動(dòng)力模型

3.2.1 電機(jī)參數(shù)匹配

機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)本質(zhì)上就是純電動(dòng)汽車(chē)，盡管動(dòng)力傳動(dòng)中存在液壓動(dòng)力形式[16]，所以首先要對(duì)電動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，這直接影響著整車(chē)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率應(yīng)能滿(mǎn)足對(duì)最高車(chē)速、加速時(shí)間及最大爬坡度的要求[17]，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該同時(shí)滿(mǎn)足3種工況的要求，即：

Pmmax≥max(P1,P2,P3)

(2)

其中：P1是以穩(wěn)定車(chē)速爬坡時(shí)的需求功率，加速阻力可以忽略不計(jì)；P2是以最大車(chē)速均勻行駛時(shí)的需求功率；P3是加速過(guò)程中所需功率，汽車(chē)加速過(guò)程中忽略了坡度阻力，主要受到空氣阻力、滾動(dòng)阻力以及加速阻力的影響[18]。

(3)

其中：umaxm為純電動(dòng)模式時(shí)最高車(chē)速；u1為純電動(dòng)模式時(shí)最大爬坡度時(shí)的要求車(chē)速；u2為原地起步加速末速度；Pacc為車(chē)載附件所消耗的總功率；ηT為機(jī)械傳動(dòng)效率。

針對(duì)如表2、表3所示整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)和車(chē)輛基本參數(shù)，求得P1=12.7 kW，P2=10.49 kW，P3=20.13 kW，考慮到有約10%的功率為電氣系統(tǒng)的電池組充電且滿(mǎn)足其他損耗，所以取電機(jī)的峰值功率Pmax=30 kW，額定功率Pm=15 kW，過(guò)載系數(shù)為2。結(jié)合實(shí)際情況，參照ISG電機(jī)已有設(shè)計(jì)[19]，選擇電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，因?yàn)樽罡咿D(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，數(shù)值通常為2～4，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。能滿(mǎn)足車(chē)輛在所有工作情況下對(duì)功率的要求，保證在各個(gè)工況下都能有足夠的能量保持液壓動(dòng)力高效正常地工作。

表2 整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)

表3 整車(chē)基礎(chǔ)參數(shù)

3.2.2 電池參數(shù)匹配

需要考慮到電池峰值功率Pmaxb的選擇，同時(shí)還要滿(mǎn)足最高車(chē)速、設(shè)備功率消耗、汽車(chē)載重等因素。根據(jù)實(shí)際情況和電機(jī)匹配結(jié)果，則電池組設(shè)計(jì)最大功率為

(4)

其中：ηb為蓄電池組的總效率。如選用鎳氫電池作為儲(chǔ)能元件，根據(jù)單體內(nèi)阻的變化曲線(xiàn)，在電池荷電狀態(tài)為0.2～0.8的范圍內(nèi)電池內(nèi)阻較低，此時(shí)的電池效率較高，且在此區(qū)間有利于延長(zhǎng)電池使用壽命，此時(shí)取ηb=0.6[20]。電池組單體電池總個(gè)數(shù)nbc為

(5)

式中：Ubc為單體電池額定電壓；Rbc為單體電池內(nèi)阻。

根據(jù)計(jì)算所得電池的總體個(gè)數(shù)nbc=219，根據(jù)實(shí)際情況和電池組單體排列情況，此處取nbc=240便于排列布置?？傻秒姵亟M額定電壓為

Ub=nbcUbc

(6)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件采用鎳氫電池作為能量?jī)?chǔ)存元件。電動(dòng)力參數(shù)如表4所示。

表4 電動(dòng)力參數(shù)

3.3 液壓動(dòng)力模型

液壓動(dòng)力既參與驅(qū)動(dòng)又參與再生制動(dòng)，是此動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的獨(dú)到之處，對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性和傳輸效率發(fā)揮著不可替代的作用[21]。必須要先計(jì)算各個(gè)行駛狀態(tài)下最大需求功率，再進(jìn)行液壓動(dòng)力和液壓蓄能器的參數(shù)匹配。車(chē)輛在良好平坦的路面上加速行駛的工況下消耗的功率為

Pmax=

(7)

式中：u3為液壓泵/馬達(dá)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下加速末速度；ηh為液壓系統(tǒng)到車(chē)輪的機(jī)械傳動(dòng)效率；Pmax為液壓泵/馬達(dá)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)所需最大功率。

液壓泵/馬達(dá)的斜盤(pán)開(kāi)度β與輸出轉(zhuǎn)矩Tp可描述為

(8)

其中：β為斜盤(pán)開(kāi)度[-1,1]，對(duì)應(yīng)著[-20°，20°]；Δp為進(jìn)出口壓差；Vp為排量。

液壓動(dòng)力的最大轉(zhuǎn)矩T計(jì)算公式為

(9)

其中：?為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)；nmaxa為最大功率轉(zhuǎn)速。

液壓蓄能器的容積和初始?jí)毫Q定了它能吸收多少能量和向外提供多少能量，所以液壓蓄能器匹配的重點(diǎn)在于蓄能器的體積和初始?jí)毫ΑＲ簤盒钅芷鞯娜莘e和初始?jí)毫υ酱?，液壓?dòng)力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩和回收制動(dòng)能量的能力就越強(qiáng)[22]。

(1)高壓蓄能器

根據(jù)實(shí)際工作情況，比如汽車(chē)空間大小、液壓蓄能器材質(zhì)、液壓蓄能器密封能力等條件的限制，且根據(jù)常用的液壓設(shè)備的工作壓力選取高壓蓄能器。

根據(jù)波義爾氣體定律，可得

(10)

其中：p0為蓄能器充氣壓力；V0為蓄能器充氣容積即蓄能器的總?cè)莘e；p1為蓄能器最低工作壓力；V1為蓄能器內(nèi)壓力為p1時(shí)的氣體容積；p2為蓄能器最高工作壓力；V2為蓄能器壓力為p2時(shí)的氣體容積；n為多變指數(shù)，等溫狀態(tài)n=1，絕熱狀態(tài)n=1.4。

蓄能器的最低工作壓力p1計(jì)算公式為

(11)

其中：Va為液壓泵/馬達(dá)的排量；i為傳動(dòng)比；umaxa為液壓泵/馬達(dá)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式最高車(chē)速。

假定車(chē)輛在平直的路面上行駛，車(chē)輛損失的能量與回收的能量為

(12)

其中：u3、u4為車(chē)輛在t3、t4時(shí)刻下的速度；E1為損失的能量,E2為回收的能量;δ為汽車(chē)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；s為車(chē)輛制動(dòng)位移；a為車(chē)輛制動(dòng)的減速度[23]。

結(jié)合上述公式可得：

V0=

(13)

有效工作容積Vx即在液壓蓄能器中最低工作壓力p1變化到最高工作壓力p2過(guò)程中氣體體積的變量化：

(14)

(2)低壓蓄能器

經(jīng)計(jì)算，液壓動(dòng)力參數(shù)如表5所示。

表5 液壓動(dòng)力參數(shù)

4 工作過(guò)程仿真

以前的有關(guān)研究主要針對(duì)美國(guó)駕駛工況、歐洲駕駛工況和日本駕駛工況，但是，上述3種循環(huán)工況對(duì)于中國(guó)路況來(lái)說(shuō)存在不合理的部分，直到工信部從2015年開(kāi)始，歷時(shí)3年采集道路數(shù)據(jù)，形成了中國(guó)駕駛工況—CLTC(China Light-Duty Vehicle Test Cycle)工況。將其導(dǎo)入AMESim，利用前面建立的模型，采用AMESim/Simulink聯(lián)合仿真驗(yàn)證(整車(chē)仿真模型如圖3所示)[24-25]。

圖3 整車(chē)仿真模型

通過(guò)計(jì)算跟隨車(chē)速(如圖4所示)，車(chē)輛在整體車(chē)速、續(xù)航里程方面相差較小，由局部放大圖觀察可以得到，較標(biāo)準(zhǔn)車(chē)速存在一些波動(dòng)，但這是由于控制策略中速度域值的存在所引起的?？梢?jiàn)車(chē)輛車(chē)速跟隨情況較為良好，不存在出現(xiàn)車(chē)速跟隨消失的現(xiàn)象。

圖4 跟隨車(chē)速

輸出扭矩曲線(xiàn)如圖5所示。當(dāng)汽車(chē)處于加速過(guò)程中或者紅線(xiàn)的斜率為正時(shí)，電機(jī)的輸出扭矩為正，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)來(lái)使用，為汽車(chē)行駛提供動(dòng)力；反之，電機(jī)的輸出扭矩為負(fù)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)來(lái)使用，為電池充電，從而保證電池一直處于一個(gè)循環(huán)狀態(tài)。

圖5 電機(jī)輸出扭矩變化曲線(xiàn)

圖6是機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)車(chē)與傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)電池SOC的對(duì)比。初始兩者電池SOC都為100%，經(jīng)歷一個(gè)完整CLTC循環(huán)工況后，前者較后者的能量利用率有了明顯改善。純電動(dòng)汽車(chē)的SOC為91.06%，機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)的SOC為92.88%，相比于純電動(dòng)的SOC提升1.82%，消耗量降低了20.36%。SOC的改變進(jìn)一步提高了能量的利效率。

圖6 純電動(dòng)汽車(chē)與機(jī)電液耦合汽車(chē)電池SOC比較

低壓蓄能器與高壓蓄能器的出口壓力如圖7所示，液壓泵/馬達(dá)的斜盤(pán)開(kāi)度如圖8所示。從整個(gè)CLTC工況來(lái)看，斜盤(pán)開(kāi)度一直在-1到1之間跳動(dòng)。在0～300 s之間，CLTC工況處于低速階段，蓄能器壓力變化總體趨勢(shì)以下降為主，液壓動(dòng)力參與能量回收環(huán)節(jié)較少，回收效果較為一般;在300～1 800 s為中高速階段，斜盤(pán)開(kāi)度與蓄能器的變化比較劇烈，表示液壓動(dòng)力充分參與到能量回收過(guò)程，回收效果明顯。

圖7 高壓蓄能器與低壓蓄能器出口壓力變化曲線(xiàn)

圖8 斜盤(pán)開(kāi)度變化曲線(xiàn)

5 結(jié)論

(1)論述了機(jī)電液耦合器的工作原理，在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)上提出了機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)原理，并闡述了機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)的5種基本模式。

(2)建立了機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)的機(jī)械、電、液壓動(dòng)力匹配的數(shù)學(xué)模型。

(3)基于CLTC工況，利用AMESim與Simulink聯(lián)合仿真了機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)跟隨性、電動(dòng)力、儲(chǔ)能器壓力、耗電量等特性參數(shù)，驗(yàn)證了機(jī)電液動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)原理的可行性。