主從型電液耦合載電車輛工作模式分析

張震　張洪信　楊健　曹洋　王峻一

文章編號：10069798（2022）02006707;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.011

摘要：針對傳統(tǒng)電動汽車存在的動力形式單一等問題，本文基于電液動力耦合電動汽車工作原理，對主從型電液耦合載電車輛工作模式進行分析。本文提出一種新型電液動力耦合傳動方法，以實現(xiàn)機械能、電能和液壓能之間的相互轉化，論述了動力耦合系統(tǒng)結構與組成，提出了車輛行駛過程中的6種工作模式，為驗證該動力耦合系統(tǒng)的可行性，對各個工作模式下，主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)的電能、機械能、液壓能傳遞和相互轉化過程進行分析。分析結果表明，在提出的6種工作模式下，該系統(tǒng)憑借行星齒輪無級調(diào)速和功率分流的特點，能夠實現(xiàn)3種不同能量之間的相互轉化。當車輛行駛時，電能由動力電池傳遞至驅動電機、電控液壓泵/馬達等設備，液壓能驅動液壓泵/馬達轉動，機械能經(jīng)行星排動力耦合向驅動橋輸出。當車輛制動時，電能向動力電池中回收，液壓能向高壓蓄能器中回收。該研究具有一定的理論研究和實際應用價值。

關鍵詞：電動汽車;電液耦合;能量傳遞;動力耦合;行星齒輪;工作模式

中圖分類號：U469.72;U461.22文獻標識碼：A

汽車產(chǎn)業(yè)一直是世界的支柱性產(chǎn)業(yè)，關系到一個國家的國際競爭力和國民經(jīng)濟水平，但由于石油資源越來越緊缺，且不少傳統(tǒng)燃料的汽車，尾氣污染嚴重，而其他燃料的汽車及電動汽車技術的發(fā)展愈發(fā)重要，因此電動汽車成為最主要的選擇之一[12]。在電動汽車的發(fā)展進程中，曾一度遭遇過瓶頸。首先面臨的是如何解決電動汽車續(xù)航里程和充電問題，而且電池的容量、體積和成本也需要不斷改善[34]。在城市工況下行駛時，純電動汽車的頻繁啟動和停止，會損害電池荷電狀態(tài)（stateofcharge，SOC），電池壽命和容量都會受到影響;其次是制動回收利用率低，傳統(tǒng)的電動汽車不能同時提供機械和液壓動力，電機穩(wěn)定工作困難，這些問題限制了電動汽車的發(fā)展。近年來，國內(nèi)外學者對混合動力汽車進行研究[58]。劉明勛[9]提出了一種串聯(lián)式液壓混合動力汽車，利用液壓蓄能器實現(xiàn)機液耦合，提高車輛動力性和能量回收效率，解決了傳統(tǒng)汽車的部分問題;李彭熙[10]設計了一種車輛新型電液混合動力傳動系統(tǒng)，在純電動汽車上能夠實現(xiàn)電液耦合，提高了功率利用率。目前，電動汽車動力耦合系統(tǒng)多為機液、機電、電液等兩兩耦合，而對機電液同時耦合的系統(tǒng)研究較少。近年來，YANGJ等人[1113]提出一種新型的機電液動力耦合驅動系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可行性和功率性得到實質(zhì)性提高，不僅提高了能源利用率，而且還增加了行駛里程。多源動力耦合系統(tǒng)在能量利用和動力性能上都優(yōu)于傳統(tǒng)動力系統(tǒng)，其采用行星排作為動力耦合的核心組成部件，與傳統(tǒng)齒輪相比，行星齒輪傳動具有結構緊湊、體積小、重量輕、效率高、損耗小和傳動比大等優(yōu)點，易于實現(xiàn)運動合成和分解，抗沖擊振動能力強，平穩(wěn)性好，有利于提高傳動效率。宋鵬飛[14]提出了一種電動汽車飛輪輔助動力系統(tǒng)，通過利用行星排實現(xiàn)無級變速，使發(fā)動機穩(wěn)定高效工作，實現(xiàn)節(jié)能和動力雙保障;閻備戰(zhàn)等人[15]研究了基于行星排的商用車雙電機動力系統(tǒng)構型;劉建民[16]對功率分流式機械混合傳動機構進行研究，利用行星排輸出特性，提高了系統(tǒng)傳遞功率?；诖耍疚奶岢鲆环N主從型電液耦合載電車輛，該系統(tǒng)利用行星排，實現(xiàn)了不同工況下的動力需求和能量回收以及電能、機械能和液壓能的相互轉化，是一種結構緊湊的電液動力耦合傳動方法。該研究對電動汽車技術的發(fā)展具有重要意義。

1主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)

主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)可實現(xiàn)機、電、液動力協(xié)同和耦合，在驅動車輛行進的同時，滿足液壓工作裝置對液壓能的需求，并高效回收利用制動能和液壓工作裝置的慣性能量，提高載電車輛的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)如圖1所示。將驅動電機、電控液壓泵/馬達和動力輸出軸與行星排3個輸入/輸出端連接，輸出軸與驅動橋相連;電控液壓泵/馬達高壓油口與高壓儲能器、液壓負載之間通過三位三通閥連接;驅動電機和電控液壓泵/馬達協(xié)同驅動車輛行進，將制動能回收為電能或液壓能。驅動電機與輸入軸之間有離合制動器，有分離、結合與制動3種狀態(tài)。輸出軸與驅動橋之間設有離合制動器，驅動橋的兩端是驅動輪;電控液壓泵/馬達的軸與液壓動力直聯(lián)齒輪之間也設離合制動器。-

2行星齒輪工作原理

無級調(diào)速是主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)最基本的特性，進而使驅動電機工作在高效率區(qū)，與傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)相比，借助液壓泵/馬達的無極控制，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的無級傳動，且在后續(xù)研究中能夠較容易的參數(shù)化和設計控制策略。行星齒輪結構示意圖如圖2所示。

一般的行星齒輪均由太陽輪、齒圈、行星架和行星輪組成，根據(jù)行星齒輪傳動的嚙合方式，還可以細分為NGW、NGWN等5種類型（W代表外嚙合齒輪副，G代表中心輪嚙合的公共齒輪）。圖2中，行星齒輪類型即為NGW型行星齒輪。在行星齒輪中，假設太陽輪、行星架、齒輪等三構件都不能固定，可稱此類機構為差動行星齒輪機構，擁有2個自由度，同時具備變速特點和差動特點[1719]。--行星齒輪各構件之間具有固定的轉速和轉矩關系，齒圈和太陽輪齒數(shù)之比為-

式中，Zr為齒圈齒數(shù);Zs為太陽輪齒數(shù)。

行星架轉速為-

式中，n1為太陽輪轉速;n2為齒圈轉速。

太陽輪、行星架和齒圈之間轉矩關系為

式中，T1為太陽輪轉矩;T2為齒圈轉矩;T3為行星架轉矩[20]。

在主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)中，行星排結構示意圖如圖3所示。行星排包括太陽輪、行星輪、行星架和齒圈，而太陽輪、行星架和齒圈的回轉軸是行星排的3個動力輸入/輸出端口。本系統(tǒng)采用輸入軸與太陽輪連接，行星架與輸出軸連接，齒圈外緣齒輪與液壓動力直聯(lián)齒輪嚙合。該行星排的布置能夠實現(xiàn)動力的結合與分離，適應多種工況下不同的動力傳輸情況。-

3主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)工作原理

根據(jù)電動汽車不同的行駛情況和本文所研究主從型電液耦合載電車輛系統(tǒng)的布置情況與結構，可以把動力耦合系統(tǒng)的工作過程分為6種工況，即液壓起步加速工況、車輛主行進工況、液壓負載工作工況、驅動電機給高壓儲能器充能工況、液壓動力參與調(diào)節(jié)驅動電機穩(wěn)定工作在高效工況區(qū)的工況和車輛制動減速工況。

不同的工況，代表著驅動電機、液壓泵/馬達和行星排之間不同的動力傳輸過程和輸出特性，其他工況都可以通過以上6種基本工況復合實現(xiàn)。本文根據(jù)6種工況，通過圖示分析其傳統(tǒng)系統(tǒng)動力傳遞路線。其中，綠色線代表電能傳遞路線，藍色線代表機械能傳遞路線，紅色線代表液壓能傳遞路線。

3.1液壓起步加速工況

當利用液壓動力起動車輛時，三位三通閥切換閥位使高壓蓄能器與電控液壓泵/馬達連通，輸入軸離合制動器制動，其余離合制動器結合。高壓油從高壓蓄能器進入電控液壓泵/馬達，電控液壓泵/馬達作為馬達使用，低壓油從出口進入油箱。動力從電控液壓泵/馬達經(jīng)過離合制動器，液壓動力直聯(lián)齒輪，驅動行星排的齒圈通過行星輪帶動行星架轉動，動力經(jīng)過離合制動器，進入驅動橋再傳動驅動輪，驅動車輛起動加速。液壓起步加速工況工作原理如圖4所示。

3.2車輛主行進工況

當車速達到一定值時，驅動電機承擔車輛驅動任務，動力電池通過多端口電能轉換器正常為用電設備和驅動電機供電，將驅動電機作為電動機使用，輸入軸上的離合制動器結合，動力通過輸入軸進入行星排，驅動太陽輪轉動。此時，電控液壓泵/馬達不參與驅動，液壓泵/馬達輸出軸上的離合制動器處于制動狀態(tài)，液壓動力直聯(lián)齒輪和齒圈不作轉動，太陽輪帶動行星輪和行星架轉動，動力通過輸出軸傳遞到驅動橋，帶動驅動輪轉動，驅動車輛行進。車輛主行進工況工作原理如圖5所示。

3.3液壓負載工作工況

1）液壓負載工作工況1。在此工況下，高壓蓄能器中儲能充足，液壓泵/馬達輸出軸離合制動器處于分離狀態(tài)，三位三通閥切換到高壓蓄能器與液壓負載連通狀態(tài)，使用高壓蓄能器內(nèi)液壓能驅動液壓負載工作，當液壓負載回程時，系統(tǒng)的慣性能還可以轉化為液壓能回充到高壓蓄能器，但液壓負載需要設置相應的增壓裝置。液壓負載工作工況1工作原理如圖6所示。

2）液壓負載工作工況2。在此工況下，液壓泵/馬達輸出軸離合制動器處于結合狀態(tài)，三位三通閥切換到電控液壓泵/馬達與液壓負載連通狀態(tài)，動力電池通過多端口電能轉換器正常給用電設備供電，并給驅動電機供電，驅動電機作為電動機使用，輸入軸上的離合制動器結合，動力通過輸入軸進入行星排，驅動太陽輪轉動，再通過行星輪驅動齒圈轉動，并通過液壓動力直聯(lián)齒輪和離合制動器將動力傳給電控液壓泵/馬達，此時電控液壓泵/馬達作為液壓泵使用，低壓油從油箱進入，高壓油從其出口到液壓負載，排量調(diào)節(jié)是通過多端口電能轉換器傳動過來的電能調(diào)節(jié)其斜盤傾角實現(xiàn)。液壓負載工作工況2工作原理如圖7所示。

3.4驅動電機給高壓儲能器充能工況

驅動電機給高壓儲能器充能，在此工況下，三位三通閥切換閥位至高壓蓄能器與電控液壓泵/馬達連通狀態(tài)，輸入軸上的離合制動器和液壓泵/馬達，以及輸出軸上的離合制動器均處于結合狀態(tài)，輸出軸上的離合制動器處于制動狀態(tài)，電能從動力電池經(jīng)多端口電能轉換器到驅動電機，驅動電機作為電動機使用，動力通過輸入軸驅動行星排的太陽輪，再通過行星輪驅動齒圈，進而帶動液壓動力直聯(lián)齒輪轉動，進而驅動電控液壓泵/馬達，電控液壓泵/馬達作為液壓泵使用，液壓油從油箱進入電控液壓泵/馬達，再通過三位三通閥充入高壓蓄能器。充能工況工作原理如圖8所示。

3.5液壓動力參與調(diào)節(jié)驅動電機穩(wěn)定工作在高效工況區(qū)的工況

在高效工況區(qū)，液壓動力參與調(diào)節(jié)驅動電機穩(wěn)定工作，高效工況區(qū)的工況工作原理如圖9所示。3個離合制動器都處于結合狀態(tài)，三位三通閥切換閥位至高壓蓄能器與電控液壓泵/馬達連通狀態(tài)。動力電池通過多端口電能轉換器正常給用電設備供電，并給驅動電機供電，驅動電機作為電動機使用，動力通過輸入軸進入行星排，驅動太陽輪轉動，太陽輪轉速根據(jù)這時的扭矩調(diào)整到高效轉速。另外，高壓油從高壓蓄能器進入電控液壓泵/馬達，電控液壓泵/馬達作為馬達使用，低壓油從出口進入油箱。動力從電控液壓泵/馬達經(jīng)過離合制動器，通過液壓動力直聯(lián)齒輪驅動行星排的齒圈轉動，再通過行星輪，與太陽輪的轉速合成，使行星架輸出需要的轉速，滿足車速需求。電控液壓泵/馬達轉速和轉向的調(diào)節(jié)，是由多端口電能轉換器輸出電能，控制其斜盤傾角實現(xiàn)，斜盤傾角越大，轉速越快，斜盤傾角改變傾斜方向，則電控液壓泵/馬達的轉向相應改變。

3.6車輛制動減速工況

在車輛制動減速時，輸出軸離合制動器結合，地面對驅動輪的阻力從驅動橋到輸出軸，驅動行星架轉動。但由于制動初期，車速和制動強度不同，車輛制動減速工況細分為如下3種不同工況。

1）車輛制動減速工況1。車輛制動減速工況1工作原理如圖10所示。當車速較高、制動強度較小時，液壓泵/馬達輸出軸上的離合制動器處于制動狀態(tài)，輸入軸離合制動器處于結合狀態(tài)，行星架帶著行星輪轉動，驅動太陽輪轉動，動力通過離合制動器拖動驅動電機轉動，驅動電機作為發(fā)電機使用，電能通過多端口電能轉換動力電池充電，或給用電設備供電。

2）車輛制動減速工況2。當車速較低、制動強度較小時，三位三通閥切換閥位至高壓蓄能器與電控液壓泵/馬達連通狀態(tài)，輸入軸離合制動器制動，其余結合，行星架帶著行星輪轉動，驅動齒圈轉動，動力通過液壓動力直聯(lián)齒輪驅動電控液壓泵/馬達轉動，電控液壓泵/馬達作為液壓泵使用，低壓油從油箱經(jīng)圖示路線進入高壓蓄能器，實現(xiàn)制動能到液壓能的回收。車輛制動減速工況2工作原理如圖11所示。

3）車輛制動減速工況3。當制動強度較大時，三位三通閥切換閥位至高壓蓄能器與電控液壓泵/馬達連通狀態(tài)，3個離合制動器都處于結合狀態(tài)，行星架帶著行星輪同時驅動太陽輪和齒圈轉動，制動能同時轉化為電能和液壓能，給動力電池充電，給高壓蓄能器充油。車輛制動減速工況3工作原理如圖12所示。

4結束語

本文提出的主從型電液動力耦合載電車輛系統(tǒng)，是一種新型的具有良好發(fā)展前景的混合動力車輛系統(tǒng)。本文基于機電液動力耦合電動汽車原理，深度分析傳統(tǒng)電動汽車存在的缺陷，對主從型電液動力耦合載電車輛的工作原理和工作模式進行了詳細分析。根據(jù)載電車輛不同的行駛情況，總結出6種系統(tǒng)運行工況，并對6種工作工況分別進行動力傳遞路線及工作原理分析，并驗證了該電液耦合系統(tǒng)的可行性。與傳統(tǒng)電動汽車相比，該載電車輛能夠實現(xiàn)多源動力驅動及大幅度提高車輛效率，改善車輛動力性，減少電池能量消耗;與傳統(tǒng)電液耦合汽車相比，該載電汽車采用行星排實現(xiàn)了不同動力間的耦合。行星齒輪作為一種結構緊湊的轉矩耦合機構，能夠最大限度的匹配電液混合動力汽車的驅動要求。在未來的研究中，將以本文提出的系統(tǒng)結構與工作模式為出發(fā)點進一步分析。另外，控制系統(tǒng)的設置作為多源動力車輛研究的難點將會成為本研究團隊的下一步研究重點。本研究對電液動力耦合汽車的研究與發(fā)展具有重要意義和參考價值。

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-停止使用的非法定單位-科技期刊中應停止使用的非法定單位包括以下幾種：

1）所有市制單位。所有市制單位從1992年1月1日起停止使用。例如：土地面積單位畝已改為公頃，其國際符號為hm2。

2）除公斤、公里、公頃以外的"公"字頭單位。例如：公尺（米）、共分（厘米）、公畝（百平方米）、公斤（升）、公噸（噸）等都已廢棄。

3）英制單位。英制單位是必須廢棄的單位?？萍计诳腥粲玫接⒅茊挝粫r，一定要寫對名稱。例如：英寸、英尺、英里等不應寫成吋、呎、哩。同時要注明與法定單位的換算關系。

4）其他非法定單位。例如：毫米汞柱mmHg，其換算因數(shù)為：1mmHg=133.322Pa;標準大氣壓atm，其換算因數(shù)為：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：國家自然科學基金資助項目（52075278/E0506）;青島市民生科技計劃項目（196192nsh）

作者簡介：張震（1999），男，碩士研究生，主要研究方向為電液動力耦合載電車輛。

通信作者：張洪信（1969），男，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為電液動力耦合載電車輛。Email：qduzhx@126.com