SX5256DH434PHEV型混合動力環衛車動力系統淺談

宋少飛, 王波

（陜西重型汽車集團公司，陜西 西安 710200）

SX5256DH434PHEV型混合動力環衛車動力系統淺談

宋少飛, 王波

（陜西重型汽車集團公司，陜西 西安 710200）

近年來，隨著石油資源的消耗，人類生存環境的不斷惡化，發展綠色能源交通已刻不容緩。節約能源，低排放甚至零排放的電動汽車成為解決問題的手段。而混合動力汽車作為傳統汽車到純電動汽車之間的過渡類型成為現階段新能源汽車的主力軍。混合動力汽車較傳統汽車有著良好的燃油經濟性，較低的油耗和良好的排放特性。

混合動力；動力系統；驅動模式

CLC NO.:U461.2Docum ent Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-85-06

引言

混合動力汽車（亦稱復合動力汽車，英文為Hybrid Power Automobile）是指車上裝有兩個以上動力源：蓄電池、燃料電池、太陽能電池、內燃機車的發電機組，當前混合動力汽車一般是指內燃機車發電機，再加上蓄電池的汽車[1-2]。廣義上說，混和動力汽車是指擁有至少兩種動力源，使用其中一種或多種動力源提供部分或者全部動力的車輛。但是，在目前實際生活中，混合動力汽車多半采用傳統的內燃機和電動機作為動力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統開動汽車。使用的內燃機既有柴油機又有汽油機，因此可以使用傳統汽油或者柴油，也有的發動機經過改造使用其他替代燃料，例如壓縮天然氣、丙烷和乙醇燃料等。使用的電動力系統中包括高效強化的電動機、發電機和蓄電池。蓄電池目前使用的有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池，將來應該還能使用氫燃料電池。

混合動力汽車的種類目前主要有3種。一種是以發動機為主動力，電動機作為輔助動力的“并聯方式”。這種方式主要以發動機驅動行駛，利用電動機所具有的再啟動時產生強大動力的特征，在汽車起步、加速等發動機燃油消耗較大時，用電動機輔助驅動的方式來降低發動機的油耗。這種方式的結構比較簡單，只需要在汽車上增加電動機和電池。另外一種是，在低速時只靠電動機驅動行駛，速度提高時發動機和電動機相配合驅動的“串聯、并聯方式”。啟動和低速時是只靠電動機驅動行駛，當速度提高時，由發動機和電動機共同高效地分擔動力，這種方式需要動力分擔裝置和發電機等部件，因此結構復雜。還有一種是只用電動機驅動行駛的電動汽車，發動機只作為動力源，汽車只靠電動機驅動行駛，驅動系統只是電動機，但因為同樣需要安裝燃料發動機，所以也是混合動力汽車的一種[3-5]。

本文中研制的混合動力汽車為并聯式混合動力驅動模式，并聯式裝置的發動機和電動機共同驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。當汽車加速爬坡時，電動機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力，一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠發動機維持該速度。電動機既可以作電動機又可以作發電機使用，又稱為電動-發電機組。由于沒有單獨的發電機，發動機可以直接通過傳動機構驅動車輪，這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統，機械效率損耗與普通汽車差不多，因此得到比較廣泛的應用。

經過多年研究，混合動力電動汽車已開發出一些成功的案例，相比傳統燃油汽車，混合動力汽車具有以下優點：

(l)由于有原動機（內燃機）作為輔助動力，較之純電動汽車電池的數量和質量可減少，因此汽車自身重量可以減小。

(2)汽車的續駛里程和動力性可達到內燃機汽車的水平。

(3)借助原動機的動力，可帶動空調、真空助力、轉向助力及其它輔助電器，無需消耗電池組有限的電能，從而保證了駕車和乘坐的舒適性。

(4)通過先進高效的控制系統可使發動機在最佳的工況區域內穩定運行，避免或減少了發動機變工況下的不良運行，使得發動機的排污和油耗大為降低。

(5)排放性能比較好。在人口密集的商業區、居民區等地可用純電動方式驅動車輛，實現零排放。

(6)可通過電動機提供動力，因此可配備功率較小的發動機，發動機的負荷有所減輕，從而排放氣體少，噪音也減少。并可通過電動機回收汽車減速和制動時的能量，進一步降低了汽車的能源消耗和尾氣污染。

1、并聯式混合動力系統驅動模式的確定

并聯式混合動力電動汽車的動力系統主要由發動機、電動機、電池組、電機控制器等總成組成。和串聯式混合動力電動汽車不同的是，發動機和電動機是以機械能疊加的方式來驅動汽車，可以組合成不同的動力模式。發動機功率和電動機功率分別約為電動汽車所需最大驅動功率的50%-100%(最大)，其能量利用率高，因此，可以采用小功率的發動機與電動機，使得整個動力系統的裝配尺寸、質量都較小，造價也較低，行駛里程也可以比串聯式混合動力電動汽車的長一些，但布置結構相對復雜，實現形式也多樣化。

并聯式混合動力汽車的驅動模式有驅動力復合式、雙軸轉矩復合式、單軸轉矩復合式、轉速復合式，如圖1、2、3、4。

驅動力復合式：

驅動力復合式(見圖1)混合動力汽車采用一個小功率的發動機，單獨地驅動汽車的前輪。另外一套電動機驅動系統單獨地驅動汽車的后輪，可以在汽車啟動、爬坡或加速時增加混合動力電動汽車的驅動力。兩套驅動系統可以獨立地驅動汽車，也可以聯合驅動汽車，使電動汽車變成四輪驅動的電動汽車。此種混合動力汽車具有四輪驅動汽車的特性。轉矩復合式（雙軸式和單軸式）：

轉矩復合式并聯式混合動力汽車(見圖2、3)的發動機通過傳動系統直接驅動汽車，并直接(單軸式)或間接(雙軸式)帶動電動/發電機轉動向蓄電池充電。蓄電池也可以向電動機提供電能，此時電動/發電機工作于電動機工況，用來啟動發動機或驅動汽車。轉速復合式：

轉速復合式并聯式混合動力電動汽車(見圖4)的發動機通過離合器和一個“動力組合器”來驅動汽車，電動機也是通過“動力組合器”來驅動汽車。轉速復合式動力傳動系中，兩個動力總成之間的轉速分配較為靈活，適用于那些對轉速變化敏感而對扭矩變化不太敏感的動力總成間的輸出功率疊加。但由于兩動力總成的輸出扭矩存在著一定的比例關系，要求發動機的工作特性調節必須與電動機的輸出特性相配合，增加了控制系統的難度。另外，轉速合成式裝置固有的輸出特性也限制了電動機低速大轉矩特性的利用，而低速大轉矩卻對車輛的啟動十分有利。

由上述分析可知，單軸轉矩復合式是把發動機和電動機轉矩疊加在同一根軸上，同時保證兩者的復合時的轉速相同。其結構簡單，沒有動力耦合裝置，不僅減少了能量損失，而且底盤布置也比較簡單方便。此外，目前動力耦合裝置還沒有標準件，設計制造所花費的成本和時間也是樣車設計進度、預算所不允許的。單軸并聯結構形式的特點是有利于電機和變速箱結構的一體化模塊設計，便于批量生產中的模塊化供貨和整車裝配，所以本方案選用單軸轉矩復合式并聯驅動模式。

2、動力總成分配結構方案的選擇

由于混合動力汽車既有發動機，又有電動機，而且整車的行駛工況的多樣性也使得動力總成的工作狀態具有多樣性，例如純電動、啟動發動機、電動機助力、高速巡航等工況。為了讓電動機和發動機都工作在高效區且能適應整車的功率需求，就需要使用動力分配機構來調整發動機和電動機的工作狀態和輸出功率，以滿足混合動力汽車動力性、燃油經濟性及良好的排放性。現在常用的動力總成分配機構有發動機、電動機直接機械連接，行星輪系動力分配機構和雙離合器的動力分配機構等方案。

發動機、電動機直接機械連接：

某些汽車起動發電一體機（ISG）或類似方案的混合動力汽車并不具有純電動工況，例如本田Insight混合動力汽車的發動機和電動機是直接機械連接的，并不需要動力分配機構。如圖5所示。這套系統結構不是很復雜，成本低，質量小，結構緊湊；由于電動機只在啟動和加速等少數工況工作，再加上精心設計的發動機，使得動力性和經濟性都取得較佳的性能。

行星輪系動力分配機構：

行星輪系動力分配機構將混合動力汽車的發動機、電動機甚至發電機通過一個或多個行星輪系相結合，整車和發動機、電動機控制系統協同工作來實現整車的各種行駛工況。日本豐田公司研制并批量生產的Prius是代表性的采用行星輪系動力分配機構的混合動力汽車。圖6所示Prius混合動力汽車的動力總成示意圖。

從圖6可見，Prius混合動力汽車的發動機與行星輪架相連，電動機與齒圈相連，發電機與太陽輪相連。下面針對不同的工況來分析這種行星輪系動力分配機構的工作原理。

（1）純電動工況

在純電動工況下，發動機不工作，轉速為零，即行星架轉速為零（相對車身固定不動）。此時電動機工作，輸出能量，通過減速器帶動整車行駛。發電機隨動但不工作。

（2）混合驅動工況

混合驅動工況包括啟動發動機、電動機助力加速、高速巡航等多種工況。在這些工況下，由整車控制器根據混合動力整車控制策略來對發動機、電動機和發電機等各子動力系統進行控制，使之輸出特定的轉速或扭矩，這樣在各個工況中各子動力系統都能工作在相對高效的區域，而且在不同工況之間相互切換的時刻也不會對整車行駛的速度平順性造成明顯的影響。具體的工作原理這里將不再贅述。

這種采用行星輪系方案的動力分配機構，性能較強，工作穩定，但控制起來難度較大且結構復雜，對整車空間布置、控制系統、冷卻系統的結構設計乃至元器件級的選用都有很高的要求。

雙離合器的動力分配機構：

在某些ISG型混合動力汽車當中，為了實現純電動工況，就需要把發動機和電動機脫開，但又保留變速箱，所以就采用了雙離合器的方案，圖7為這種雙離合器的方案示意。

下面根據不同的行駛工況簡單分析一下雙離合器的工作原理。

（3）純電動工況

在純電動工況下，發動機不工作，離合器1由控制系統控制處于分離狀態，此時只有電動機工作帶動整車行駛。離合器2為手動離合器，由駕駛員按照傳統汽車的使用方法來操作。

（4）混合驅動工況

在混合驅動工況時，離合器1由控制系統控制處于接合狀態，電動機和發動機共同工作來實現各種混合驅動工況。

這種雙離合器的方案在原理上是可行的，結構相對于行星輪系的方案要簡單一些。但是，自動離合器（離合器1）的接合/分離過程要求有完善的控制策略和控制精度的保證，因此需要做大量的試驗和分析來優化自動離合器的控制系統，減少自動離合器接合時因前后兩部分轉速、扭矩差過大造成的接合沖擊。

針對以上混合動力汽車所用的各種類型的動力分配機構的分析，并結合SX5256DH434PHEV的技術要求，考慮到設計的復雜程度和成本，SX5256DH434PHEV汽車選用雙離合器形式動力分配機構，其動力分配方案如圖8示。

單軸并聯結構的動力合成方式為轉矩合成。其傳動系輸入端的轉矩計算公式為

其中，Ttqreq—傳動系總轉矩；

Ttqe—發動機轉矩；

Ttqm—電機轉矩；—兩動力源轉速比

此方案的雙離合器工作原理同ISG型混合動力汽車，動力系統的工作模式如表2-1所示，表1中，“0”表示發動機/電機不工作;“1”表示發動機/電機工作,此時的電機用作電動機;“-1”表示電機用作發電機,用來發電；“+”表示離合器接合，“-”表示離合器斷開。

表1 動力系統的工作模式

基于雙離合器的結構具有以下的優點：

（5）雙離合器結構可以實現自動起停功能

傳統的車用起動機只將內燃機加速至起動轉速(例如 200r/m in),本方案中作為電動機在短時間內〔通常加速時間僅為（0.1- 0.2s)將內燃機加速至怠速轉速(例如 800r/m in)〕，然后內燃機才開始工作。高轉速電起動過程不僅降低了內燃機起動時的燃料消耗，還改善了排放。自動起停系統利用電動機快速起動的特點避開了內燃機低速起動和長時間怠速，提高了整車燃油經濟性和排放性能。

（6）功率補償功能

內燃機在低速大負荷時的燃油經濟性和排放性能均不佳，通常情況下內燃機在此工況下的轉矩輸出有限，如果需要內燃機在低速大負荷時能夠提供較大的功率就必須選用更大排量的內燃機，這樣雖然滿足了動力性的要求，但犧牲了燃油經濟性。本方案可以在內燃機低速大負荷時工作在電動機狀態，提供一部分輔助功率，提高低速時內燃機的動力性能。

除此之外，本方案還可以將汽車減速或制動時的動能轉換成電能，為車載電池進行充電，提高燃油經濟性等。SX5256DH434PHEV型混合動力環衛車最終動力總成分配結構方案如圖9所示，發動機和電機組成整車的動力輸出單元，經過變速器將動力傳送到車輪。

3、結語

本文確定SX5256DH434PHEV型混合動力環衛車為單軸轉矩復合式驅動模式，并在此基礎上為整車底盤驅動選用雙離合器形式動力分配機構。

混合動力車作為一種新生車型，雖然國內各汽車生產廠家都有研制成功的樣車，但是混合動力車的設計標準與試驗標準等還不是很完善，而且混合動力重型汽車的研發在國內還屬于空白，因此陜汽集團在2010年啟動了SX5256DH434PHEV型混合動力環衛車研制項目，填補了國內混合動力重型汽車設計的空白，對國內以后的混合動力汽車發展有著重要的借鑒和推動作用。

[1] 毛俊培.基于LIN總線技術的車門網絡控制系統的開發[D].上海：同濟大學碩士論文，2008.

[2] 任恒山主編.現代汽車概論[M].北京:人民交通出版社，2005:98~103.

[3] App lication of a CAN BUS transport for DDS middlewareRekik, Rojdi; Hasnaoui, Salem Source: 2nd International Conference on the Applications of Digital Information and Web Technologies, ICADIWT 2009:766~771.

[4] Fangm ing,Sun Si.Some consideration on electromagnetic compitibility in CAN bus design of automobileRuan, Source: 2010 Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility, APEMC 2010:1431~1434.

[5] 劉惟信.機械可靠性設計[M].北京：清華大學出版社.1996.8.

使用率不到1% 兒童安全座椅使用亟待強制

U tilization rate of less than 1% of child safety seat use mandatory urgently

汽車社會的到來影響的不僅是成年人，兒童也成為重要的參與者。但是由于兒童本身身體發育和智力發育的限制，更容易受到交通事故的傷害。

據世界衛生組織和兒童基金會的研究顯示，道路安全事故是導致全球青少年兒童死亡的重要原因，每年約有26萬名兒童和青少年死于交通事故。對此，大眾汽車集團（中國）執行副總裁杜思凱表示，兒童安全座椅可以將死亡率降低71%，但目前中國僅有不到1%的兒童使用安全座椅，因此在中國市場推廣勢在必行。

據中國汽車技術研究中心針對兒童安全乘車的一項調查顯示，兒童乘車出行由家長懷抱的比例超過6成，兒童獨自坐在后座的占3成。對此，中汽研相關負責人表示，此次調查主要集中在一、二線城市，因此兒童安全座椅的使用率高于全國平均水平，但是即便這樣，中國兒童安全座椅的使用率仍大幅低于國際水平。

SX 5256DH 434PHEV type hybrid sanitation vehicle dynam ic system

Song Shaofei, Wang bo
(Shaanxi Automobile Group Lim ited Company, Shaanxi Xi’an 710200)

In recent years, w ith the consumption of oil resources, the worsening of human survival environment, development of green energy and transportation has been crunch time. Energy saving, low or zero em ission electric vehicles become the means of solving the problem. Hybrid cars as the traditional vehicle to the transitional type between the pure electric cars to become the main force in the new energy vehicle. Hybrid cars than the traditional car have good fuel economy, low fuel consumption and emission characteristics.This paper from the working principle of hybrid heavy vehicle starting, according to automotive design principle, introduced the drive mode of Shaanxi Automobile Group SX5256DH434PHEV hybrid electric sanitation vehicles, and on this basis to determine the vehicle chassis drive power distribution, to provide reference for our hybrid vehicle development.

Hybrid Power; dynam ic system; Drive mode

U461.2

A

1671-7988(2014)06-85-06

宋少飛，就職于陜西重型汽車集團公司。

本文從混合動力重型汽車工作原理出發，依據汽車設計原則，介紹了陜汽集團SX 5256DH434PHEV型混合動力環衛車驅動模式，并在此基礎上確定了整車底盤驅動動力分配機構，為我國混合動力汽車的發展提供借鑒。