SX5256DH434PHEV型混合动力环卫车动力系统浅谈

宋少飞, 王波

（陕西重型汽车集团公司，陕西 西安 710200）

SX5256DH434PHEV型混合动力环卫车动力系统浅谈

宋少飞, 王波

（陕西重型汽车集团公司，陕西 西安 710200）

近年来，随着石油资源的消耗，人类生存环境的不断恶化，发展绿色能源交通已刻不容缓。节约能源，低排放甚至零排放的电动汽车成为解决问题的手段。而混合动力汽车作为传统汽车到纯电动汽车之间的过渡类型成为现阶段新能源汽车的主力军。混合动力汽车较传统汽车有着良好的燃油经济性，较低的油耗和良好的排放特性。

混合动力；动力系统；驱动模式

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

引言

混合动力汽车（亦称复合动力汽车，英文为Hybrid Power Automobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前混合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车[1-2]。广义上说，混和动力汽车是指拥有至少两种动力源，使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力的车辆。但是，在目前实际生活中，混合动力汽车多半采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，因此可以使用传统汽油或者柴油，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。蓄电池目前使用的有铅酸电池、镍氢电池和锂电池，将来应该还能使用氢燃料电池。

混合动力汽车的种类目前主要有3种。一种是以发动机为主动力，电动机作为辅助动力的“并联方式”。这种方式主要以发动机驱动行驶，利用电动机所具有的再启动时产生强大动力的特征，在汽车起步、加速等发动机燃油消耗较大时，用电动机辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。这种方式的结构比较简单，只需要在汽车上增加电动机和电池。另外一种是，在低速时只靠电动机驱动行驶，速度提高时发动机和电动机相配合驱动的“串联、并联方式”。启动和低速时是只靠电动机驱动行驶，当速度提高时，由发动机和电动机共同高效地分担动力，这种方式需要动力分担装置和发电机等部件，因此结构复杂。还有一种是只用电动机驱动行驶的电动汽车，发动机只作为动力源，汽车只靠电动机驱动行驶，驱动系统只是电动机，但因为同样需要安装燃料发动机，所以也是混合动力汽车的一种[3-5]。

本文中研制的混合动力汽车为并联式混合动力驱动模式，并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动-发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，因此得到比较广泛的应用。

经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的案例，相比传统燃油汽车，混合动力汽车具有以下优点：

(l)由于有原动机（内燃机）作为辅助动力，较之纯电动汽车电池的数量和质量可减少，因此汽车自身重量可以减小。

(2)汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平。

(3)借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，无需消耗电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。

(4)通过先进高效的控制系统可使发动机在最佳的工况区域内稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，使得发动机的排污和油耗大为降低。

(5)排放性能比较好。在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放。

(6)可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，发动机的负荷有所减轻，从而排放气体少，噪音也减少。并可通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低了汽车的能源消耗和尾气污染。

1、并联式混合动力系统驱动模式的确定

并联式混合动力电动汽车的动力系统主要由发动机、电动机、电池组、电机控制器等总成组成。和串联式混合动力电动汽车不同的是，发动机和电动机是以机械能叠加的方式来驱动汽车，可以组合成不同的动力模式。发动机功率和电动机功率分别约为电动汽车所需最大驱动功率的50%-100%(最大)，其能量利用率高，因此，可以采用小功率的发动机与电动机，使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小，造价也较低，行驶里程也可以比串联式混合动力电动汽车的长一些，但布置结构相对复杂，实现形式也多样化。

并联式混合动力汽车的驱动模式有驱动力复合式、双轴转矩复合式、单轴转矩复合式、转速复合式，如图1、2、3、4。

驱动力复合式：

驱动力复合式(见图1)混合动力汽车采用一个小功率的发动机，单独地驱动汽车的前轮。另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮，可以在汽车启动、爬坡或加速时增加混合动力电动汽车的驱动力。两套驱动系统可以独立地驱动汽车，也可以联合驱动汽车，使电动汽车变成四轮驱动的电动汽车。此种混合动力汽车具有四轮驱动汽车的特性。转矩复合式（双轴式和单轴式）：

转矩复合式并联式混合动力汽车(见图2、3)的发动机通过传动系统直接驱动汽车，并直接(单轴式)或间接(双轴式)带动电动/发电机转动向蓄电池充电。蓄电池也可以向电动机提供电能，此时电动/发电机工作于电动机工况，用来启动发动机或驱动汽车。转速复合式：

转速复合式并联式混合动力电动汽车(见图4)的发动机通过离合器和一个“动力组合器”来驱动汽车，电动机也是通过“动力组合器”来驱动汽车。转速复合式动力传动系中，两个动力总成之间的转速分配较为灵活，适用于那些对转速变化敏感而对扭矩变化不太敏感的动力总成间的输出功率叠加。但由于两动力总成的输出扭矩存在着一定的比例关系，要求发动机的工作特性调节必须与电动机的输出特性相配合，增加了控制系统的难度。另外，转速合成式装置固有的输出特性也限制了电动机低速大转矩特性的利用，而低速大转矩却对车辆的启动十分有利。

由上述分析可知，单轴转矩复合式是把发动机和电动机转矩叠加在同一根轴上，同时保证两者的复合时的转速相同。其结构简单，没有动力耦合装置，不仅减少了能量损失，而且底盘布置也比较简单方便。此外，目前动力耦合装置还没有标准件，设计制造所花费的成本和时间也是样车设计进度、预算所不允许的。单轴并联结构形式的特点是有利于电机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量生产中的模块化供货和整车装配，所以本方案选用单轴转矩复合式并联驱动模式。

2、动力总成分配结构方案的选择

由于混合动力汽车既有发动机，又有电动机，而且整车的行驶工况的多样性也使得动力总成的工作状态具有多样性，例如纯电动、启动发动机、电动机助力、高速巡航等工况。为了让电动机和发动机都工作在高效区且能适应整车的功率需求，就需要使用动力分配机构来调整发动机和电动机的工作状态和输出功率，以满足混合动力汽车动力性、燃油经济性及良好的排放性。现在常用的动力总成分配机构有发动机、电动机直接机械连接，行星轮系动力分配机构和双离合器的动力分配机构等方案。

发动机、电动机直接机械连接：

某些汽车起动发电一体机（ISG）或类似方案的混合动力汽车并不具有纯电动工况，例如本田Insight混合动力汽车的发动机和电动机是直接机械连接的，并不需要动力分配机构。如图5所示。这套系统结构不是很复杂，成本低，质量小，结构紧凑；由于电动机只在启动和加速等少数工况工作，再加上精心设计的发动机，使得动力性和经济性都取得较佳的性能。

行星轮系动力分配机构：

行星轮系动力分配机构将混合动力汽车的发动机、电动机甚至发电机通过一个或多个行星轮系相结合，整车和发动机、电动机控制系统协同工作来实现整车的各种行驶工况。日本丰田公司研制并批量生产的Prius是代表性的采用行星轮系动力分配机构的混合动力汽车。图6所示Prius混合动力汽车的动力总成示意图。

从图6可见，Prius混合动力汽车的发动机与行星轮架相连，电动机与齿圈相连，发电机与太阳轮相连。下面针对不同的工况来分析这种行星轮系动力分配机构的工作原理。

（1）纯电动工况

在纯电动工况下，发动机不工作，转速为零，即行星架转速为零（相对车身固定不动）。此时电动机工作，输出能量，通过减速器带动整车行驶。发电机随动但不工作。

（2）混合驱动工况

混合驱动工况包括启动发动机、电动机助力加速、高速巡航等多种工况。在这些工况下，由整车控制器根据混合动力整车控制策略来对发动机、电动机和发电机等各子动力系统进行控制，使之输出特定的转速或扭矩，这样在各个工况中各子动力系统都能工作在相对高效的区域，而且在不同工况之间相互切换的时刻也不会对整车行驶的速度平顺性造成明显的影响。具体的工作原理这里将不再赘述。

这种采用行星轮系方案的动力分配机构，性能较强，工作稳定，但控制起来难度较大且结构复杂，对整车空间布置、控制系统、冷却系统的结构设计乃至元器件级的选用都有很高的要求。

双离合器的动力分配机构：

在某些ISG型混合动力汽车当中，为了实现纯电动工况，就需要把发动机和电动机脱开，但又保留变速箱，所以就采用了双离合器的方案，图7为这种双离合器的方案示意。

下面根据不同的行驶工况简单分析一下双离合器的工作原理。

（3）纯电动工况

在纯电动工况下，发动机不工作，离合器1由控制系统控制处于分离状态，此时只有电动机工作带动整车行驶。离合器2为手动离合器，由驾驶员按照传统汽车的使用方法来操作。

（4）混合驱动工况

在混合驱动工况时，离合器1由控制系统控制处于接合状态，电动机和发动机共同工作来实现各种混合驱动工况。

这种双离合器的方案在原理上是可行的，结构相对于行星轮系的方案要简单一些。但是，自动离合器（离合器1）的接合/分离过程要求有完善的控制策略和控制精度的保证，因此需要做大量的试验和分析来优化自动离合器的控制系统，减少自动离合器接合时因前后两部分转速、扭矩差过大造成的接合冲击。

针对以上混合动力汽车所用的各种类型的动力分配机构的分析，并结合SX5256DH434PHEV的技术要求，考虑到设计的复杂程度和成本，SX5256DH434PHEV汽车选用双离合器形式动力分配机构，其动力分配方案如图8示。

单轴并联结构的动力合成方式为转矩合成。其传动系输入端的转矩计算公式为

其中，Ttqreq—传动系总转矩；

Ttqe—发动机转矩；

Ttqm—电机转矩；—两动力源转速比

此方案的双离合器工作原理同ISG型混合动力汽车，动力系统的工作模式如表2-1所示，表1中，“0”表示发动机/电机不工作;“1”表示发动机/电机工作,此时的电机用作电动机;“-1”表示电机用作发电机,用来发电；“+”表示离合器接合，“-”表示离合器断开。

表1 动力系统的工作模式

基于双离合器的结构具有以下的优点：

（5）双离合器结构可以实现自动起停功能

传统的车用起动机只将内燃机加速至起动转速(例如 200r/m in),本方案中作为电动机在短时间内〔通常加速时间仅为（0.1- 0.2s)将内燃机加速至怠速转速(例如 800r/m in)〕，然后内燃机才开始工作。高转速电起动过程不仅降低了内燃机起动时的燃料消耗，还改善了排放。自动起停系统利用电动机快速起动的特点避开了内燃机低速起动和长时间怠速，提高了整车燃油经济性和排放性能。

（6）功率补偿功能

内燃机在低速大负荷时的燃油经济性和排放性能均不佳，通常情况下内燃机在此工况下的转矩输出有限，如果需要内燃机在低速大负荷时能够提供较大的功率就必须选用更大排量的内燃机，这样虽然满足了动力性的要求，但牺牲了燃油经济性。本方案可以在内燃机低速大负荷时工作在电动机状态，提供一部分辅助功率，提高低速时内燃机的动力性能。

除此之外，本方案还可以将汽车减速或制动时的动能转换成电能，为车载电池进行充电，提高燃油经济性等。SX5256DH434PHEV型混合动力环卫车最终动力总成分配结构方案如图9所示，发动机和电机组成整车的动力输出单元，经过变速器将动力传送到车轮。

3、结语

本文确定SX5256DH434PHEV型混合动力环卫车为单轴转矩复合式驱动模式，并在此基础上为整车底盘驱动选用双离合器形式动力分配机构。

混合动力车作为一种新生车型，虽然国内各汽车生产厂家都有研制成功的样车，但是混合动力车的设计标准与试验标准等还不是很完善，而且混合动力重型汽车的研发在国内还属于空白，因此陕汽集团在2010年启动了SX5256DH434PHEV型混合动力环卫车研制项目，填补了国内混合动力重型汽车设计的空白，对国内以后的混合动力汽车发展有着重要的借鉴和推动作用。

[1] 毛俊培.基于LIN总线技术的车门网络控制系统的开发[D].上海：同济大学硕士论文，2008.

[2] 任恒山主编.现代汽车概论[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] 刘惟信.机械可靠性设计[M].北京：清华大学出版社.1996.8.

使用率不到1% 儿童安全座椅使用亟待强制

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

汽车社会的到来影响的不仅是成年人，儿童也成为重要的参与者。但是由于儿童本身身体发育和智力发育的限制，更容易受到交通事故的伤害。

据世界卫生组织和儿童基金会的研究显示，道路安全事故是导致全球青少年儿童死亡的重要原因，每年约有26万名儿童和青少年死于交通事故。对此，大众汽车集团（中国）执行副总裁杜思凯表示，儿童安全座椅可以将死亡率降低71%，但目前中国仅有不到1%的儿童使用安全座椅，因此在中国市场推广势在必行。

据中国汽车技术研究中心针对儿童安全乘车的一项调查显示，儿童乘车出行由家长怀抱的比例超过6成，儿童独自坐在后座的占3成。对此，中汽研相关负责人表示，此次调查主要集中在一、二线城市，因此儿童安全座椅的使用率高于全国平均水平，但是即便这样，中国儿童安全座椅的使用率仍大幅低于国际水平。

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

宋少飞，就职于陕西重型汽车集团公司。

本文从混合动力重型汽车工作原理出发，依据汽车设计原则，介绍了陕汽集团SX 5256DH434PHEV型混合动力环卫车驱动模式，并在此基础上确定了整车底盘驱动动力分配机构，为我国混合动力汽车的发展提供借鉴。