4车辆传动前沿技术研究状况副本.docx

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车辆传动前沿技术研究状况

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1.前言

随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，亟待提高车辆燃油经济性水平。

采用混合动力传动，将显著提高车辆的燃油经济性。

混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。

通过查阅并整理文献，本文主要对电混合传动和液压混合传动新技术进行介绍。

2.车辆电传动新技术

电传动技术是指利用内燃机-发电机组和电池组供电，牵引电机驱动系统完成车辆行驶时的功率传递，实现车辆战术机动性过程中所涉及的各项功能的技术。

相比于传统的机械传动系统，电传动系统具有车辆机动性能优良、能源利用效率高、防护性能增强、便于总体布置与系统集成等特点。

而且电传动部件组合灵活，电缆柔性连接，电机、驱动电机和控制器部件可以灵活布置，优化和节省车内空间。

便于模块化结构和灵活的布置，系统维修保养简单，可靠性和寿命较高，因此电传动技术将成为动力车辆发展的必然趋势。

2.1国内外电传动车辆发展状况

2.1.1国内电传动动力车辆发展状况

我国在全电装甲平台的研究领域起步较晚，与世界先进水平还存在一定的差距。

从“八五”开始进行电传动技术的探索研究，“九五”、“十五”期问被列为国防重点预研项目。

“十五”期间已经研制出了轻型电传动履带动力车辆的原理样车。

2001年9月，红旗七号轮式电传动原理样车使用了两台额定功率分别为60kw的永磁无刷直流电动机系统。

2004年，在电传动系统总体与系统集成、大功率交流驱动、双侧电机独立驱动协调控制以及系统综合冷却等方面取得了技术突破。

最近，北汽集团已研发出油电电混合动力轻型越野车——“勇士”，如图2-1。

图2-1北汽集团“勇士”

这是北汽在新能源汽车前瞻技术领域取得的又一重要成果，代表了当今新能源汽车的前沿技术水平。

该车基于北汽集团自主品牌二代军车“勇士”开发而成，整车搭载了高压共轨柴油发动机、DCM机电耦合动力传动装置、高功率密度NiMH动力电池组和燃料电池发电系统。

采用柴油机、电动机、燃料电池发电系统油电电混合动力系统方案，无需外充氢气，整车综合燃油经济性改善达到15％。

“勇士”混合动力军车实现了单轴并联混合动力系统。

排量是2.8L，最大功率85kW，永磁同步电动发电机，油耗是11L／100km，四驱，五速变速。

在整车布置上，混合动力系统主要安置在发动机舱和驾驶员地板下，采用2.8L的柴油发动机替代原车3.2L的柴油发动机。

保留原车的离合器和变速器，在发动机和变速器之间增加了电控液压干式摩擦离合器、一体化电动机和发电机。

发动机、模式离合器、电机、传统离合器、变速器同轴依次连接。

经过轴荷校核和匹配，将动力电池布置在左侧中部地板下，电池留有外接充电接口，再生燃料电池发电系统布置在车辆尾部。

整车高低压电气线路采取“各走一侧”的布置方式，从而最大限度地降低了电磁干扰的影响。

2.1.2国外电传动动力车辆发展状况

作为世界大国、军事强国的美国，一直走在各种先进武器配备的前列。

在混合动力军车方面也是一样。

美国早在20世纪末就已经有了混合动力军车的发展计划，在20世纪初就已试制出样车，并完成了一系列的测试。

2001年，美国完成的20t级混合动力演示样车采用一台186kw的6缸直列柴油机通过传动比1：

4.28的增速箱与一台600V的180kw交流发电机连接，为混合动力平台提供电能。

每个主动轮配置一个220kw高速感应电动机最高速度为96km／h，加速时间只需要9s。

2005年初，瑞典阿尔维斯·赫格隆茨公司制造了第二辆SEP履带式示范车辆。

该车采用一台3．2L的l30kW柴油机通过横轴来连接两侧的侧传动，用机械方法将转向时内侧履带的再生功率传递给外侧履带，从而减小驱动电机尺寸。

2005年6月，法国地面武器工业集团完成了总重18t的DFE6×6混合动力电驱动演示样车。

该车动力组件由HTu6v199型柴油机、450kw发电机和120kW电池组组成。

每个车轮上装有单独控制的轮毂电动机。

车辆最大速度可以达到ll0km/h。

由于没有固定的传动组件，后舱空间超过6.5

，可容纳4～8名载员。

德国伦克公司于2006年7月推出了一种用于电传动系统的电力-机械耦合装置REX，安装在内燃机与液力机械传动装置之间，由行星齿轮耦合器、两台发电/电动机等组成。

在各种不同的工况下可以控制两台电机单独工作或共同工作。

电动机单独工作时，另外一台以发电机工况工作，可以不装动力电池。

另外，美国还相继研制了多款混合动力军车，如CERV军车、SmarTrucklI、III柴油一燃料电池混合动力军车和“影子RST—V”越野车等。

在这里就不一一介绍了。

2.2车辆电传动系统结构

按照燃油内燃机是否直接参与车辆的动力传动，将车辆电传动系统归类为混合动力电传动系统和混合驱动电传动系统两种基本类别。

2.2.1混合动力电传动系统结构

1、双电机驱动结构

双电机驱动是一种传统的电传动结构方案。

内燃机带动发电机向车体左右侧电动机供电，电动机带动左右侧主动轮直线行驶。

转向则通过控制左右侧电动机产生的转速差来实现。

双电机独立驱动方案的优点是：

①机械传动部分结构简单，传动效率较高；②车辆总体布置灵活；③由于内燃机与主动轮没有直接机械连接可以使内燃机长时间工作在比较经济的状态。

从而降低燃油消耗扩大作战半径；④方案形式简单，整车的控制策略比较容易实现。

然而这种方案也有它本身的缺点：

①车辆行驶所需的全部能量来源，由内燃机的机械能经发电机转化为电能，再经电动机转化为机械能。

能量经过多次转换有损失；②由于两侧驱动电机之间没有机械连接，车辆的行驶稳定性和转向性能等动力性对电机驱动控制系统提出更高要求；③对电动机性能的要求较高，尤其是车辆转向时，高速履带需要发出约1.7倍于直线行驶的功率，这对两个电动机的功率密度要求较高。

2、驱动电机与转向电机联合驱动结构

内燃机带动发电机向驱动电机供电，通过直驶电机带动左右侧车轮直线行驶；转向时，转向电动机提供转向功率，通过转向传动轴调节两侧履带速度。

其优点是：

①直驶和转向驱动是分开进行的。

系统直线行驶稳定性好，且易于转向控制；②有效地减小了电动机的重量和体积．实现了电动机的小型化；③同样也保留了双侧电机方案的许多优点。

此方案的缺点是：

①由于要安装转向驱动轴和直驶驱动轴．会为空间布置增加难度，空间利用率也偏低；②转向时，功率流通过直驶路和转向路分开传递，增加了整车控制策略的实现难度。

3、混台动力多电机驱动电传动结构

美国军方重型高机动战术卡车（HEHTT），采用了混合动力多电机驱动电传动结构。

该结构采用由电力和柴油机组成的混合动力系统，由—个305kW同步发电机、294kW的柴油机和一个超级电容组成，驱动四个安装在驱动轮上的103kW感应电机。

该混合动力系统没有机械连接，没有主动轴，没有分动箱，也没有转矩变换器，取而代之的是每个内燃机通过在轮轴上的速度差来直接驱动车轮。

同现有的装备了294kw柴油机的HEMTT柴油车相比，混合动力HEHTT在油耗上至少节省20%的用量。

2.2.2混合驱动电传动系统结构

德国伦克公司于2006年7月推出的电力机械耦合装置REX，很好地继承了机械传动和电传动两者的优点。

该装置安装在内燃机与液力机械传动装置之间，由行星齿轮耦合器、两台发电机／发动机组成。

在各种不同的工况下可以控制两台电动机单独工作或共同工作。

车辆起步时，内燃机的功率通过汇流排传递到REX，同时驱动一个电动机以发电机工况工作，其电能提供给另外一台电动机工作，与汇流排的输出功率一起驱动REX工作。

随着车速的缓慢升高，两台电动机的工作状况完成切换，先前以发电机工况工作的电动机转换成电动机工况，与内燃机的功率经过汇流排汇合后，共同驱动综合传动装置工作。

同时也驱动另外一台电动机以发电机工况工作。

其电能提供给处于电动机工况的电动机。

在车辆急加速的过程中，两台电动机与内燃机一起驱动REX工作。

电动机所需的能量来自辅助电源系统。

采用辅助电源系统方案，在内燃机不工作的条件下，两台电动机可以在辅助电源的支持下，实现低噪声行驶。

同时辅助电源还可以在车辆静止时作为电站为其它系统或战斗单元提供电力。

REX的混合转向系统是一个可再生性的转向系统，具有零轴和转向差速装置。

在大功率转向时，—个电机充当转向电机的作用。

与液力耦合器一起实现转向。

该电机及其大功率电子设备具有结构紧凑、体积小和重量轻等特点。

2.3车辆电传动发展的关键技术和方向

在确定发展目标、选择主流方案的基础上，坚持总体技术与关键技术同步发展，还需要重点研究的关键技术有电传动总体技术、高功率密度电子推进技术、高功率密度、高紧凑内燃机-发电机组及其控制策略和动力分配、能量管理与高能量密度的蓄能装置等方面。

为适应未来科技发展需求，电传动技术已成为全电动力车辆的基础和未来地面机动平台动力传动技术的重要发展方向之一。

随着永磁电机、镍镉电池、锂离子电池、混台镍金属电池的不断涌现，更加促进了电传动技术在动力车辆领域的深入发展。

3.液压混合传动新技术

在技术和元件制造水平相对成熟的前提下，将储能技术应用到车辆液压传动中，势必极大提高其燃油经济性，提高系统传动效率。

与电混合动力相比，液压混合动力传动具有更高的功率密度，在能量交换频繁的场合尤其是在负载变化频繁的复杂运行工况其优势尤为突出。

与电混合动力传动工作原理相似，液压混合动力传动系统包括能量转换元件-液压泵/马达和储能元件-液压蓄能器，在车辆运行过程中，实现再生制动功能，通过能量转换元件将机械能转换为液压能，并存储于液压蓄能器中，在随后的加速或正常行驶工况，释放出来单独或者辅助发动机驱动。

其工作原理如图3-1所示.

图3-1液压蓄能器储能工作原理

3.1国外液压混合传动车辆发展状况

美国、德国、澳大利亚、日本、瑞典、和丹麦等国家的汽车企业、科研机构和大学等对液压混合动力技术的研究比较多，经过多年的研究、探索，成果显著。

其中对并联式液压混合动力和串联式液压混合动力传动研究的比较多。

最初将液压混合动力驱动系统的研究、应用对象主要限制在城市公交车上，近几年随着节能、环保要求的日益迫切及各项技术的不断革新，液压混合动力技术的应用范围扩大。

澳大利亚的Permo-Drive公司开发的液压混合动力驱动系统RegenerativeDriveSystem（RDS），其传动简图如图3-2所示。

美国一种配备了Permo-Drive公司的液压混合动力驱动系统的15吨军用汽车FMTVM1084AI通过实地测试，初期试验结果表明了可以在燃油经济性方面提高27％，在车辆急加速的时候可以提供36％的峰值跳跃和缓冲功能，在车辆减速的时候与发动机制动相比速率提高60％。

图3-2Permo-Drive的RDS系统布置简图

目前Eaton公司最具将液压混合动力车辆商业化的实力。

Eaton公司长期致力于液压技术研究和开发，不断地研制出更先进的液压原件。

Eaton公司对并联式液压混合动力驱动系统进行了大量研究并开发了自己的液压混合动力专利技术，称为EatonHydraulicLaunchAssist（HLA），如图3-3所示。

Peterbih和Eaton公司正在合作开发一款采用HLA系统的车型Model320。

燃油经济性可提高28％，加速性能提高20％，同时改善了发动机排放性能，

减少可达20％，NOx减少17％。

图3-3Eaton公司的HLA结构图

美国环保局（EPA）多年来致力于对混合动力技术等汽车节能技术的研究，在液压混合动力和电混合动力研究方面都有出色的表现。

EPA和Ford汽车公司，Eaton公司，Army’sNationalAutomotiveCenter和ParkerHannifin公司长期合作研究开发混合动力技术。

2004年8月在底特律的SAE年会上，EPA展示了世界上第一辆液压混合动力技术的SUV，该车采用了EPA的重度液压混合驱动专利技术。

2005年与其合作公司为美国UPS公司开发了第一款重度液压混合动力包裹投递车，其动力传动系统简图如图3-4所示。

图3-4采用串联式液压混合动力传动系统的UPS传动简图

安大略州的FIBACanning公司从1979年就开始开发清洁能源车辆，经过多年的努力，开发出液压混合动力传动系统Cumulo，其传动简图如图3-5所示。

Cumulo成功地应用到瑞典Volvo生产的公交车上。

实际运行结果表明:

当该汽车以50km/h的速度制动时，其回收的能量可以保证重新起动时不需启动发动机，蓄能器单独驱动可以使车速达到35km/h，节油率达到25%~30%，整车由制动状态转变为牵引状态只需3.5s。

图3-5Cumulo液压混合动力驱动系统布置图

柏林工业大学与莱克罗斯、MAN公司合作开发了混联式液压混合动力驱动系统（其传动简图如图3-6所示），并将其成功应用到城市公交车上。

该系统采用了95kW的柴油机，高压蓄能容量为150L，压力为33MPa；低压蓄能器的容积为150L，压力为2MPa。

系统总体传动方案属于分速汇矩式传动形式。

图3-6Hydrobus3混联式液压机械传动布置简图

3.2车辆液压混合传动系统结构

与电混合动力系统的分类相似，液压混合动力传动根据其系统布置方式的不同也可以分为串联式、并联式和混联（功率分流式）式三种，如图3-7。

（a）串联式

（b）并联式

（c）混联式

图3-7液压混合动力传动布置简图

（1）串联式液压混合动力驱动系统

属于重度混合动力的范畴，是基于纯液压传动的一种混合动力传动形式。

其优点是:

发动机的转速和扭矩不受负载瞬态载荷影响，发动机只在蓄能器的SOC（StateofCharge）值低于某设定值的情况下才工作。

这样可以使发动机更多时间工作在高效区，可以实现较低的附加成本获得较高的燃油经济性。

（2）并联式液压混合动力驱动

属于轻度混合动力的范畴。

基于在原有的机械传动的基础上增加液压储能机构，通过一对定轴齿轮并联到原动力传输路线上。

其优点：

在原有的传动基础上增加一套储能设备，对原系统的改动小，不需要重新布置动力传动系统，保持了原系统的传动效率高的优点。

并联式混合动力布置方式系统具有两个动力源-发动机和马达，通过一多挡传动可以单独或同时直接驱动车轮，因此可以同时获得更多驱动功率。

（3）混联式液压混合动力系统

混联式也称为功率分流式液压混合动力驱动，是基于液压机械传动系统的储能传动形式。

综合了串联和并联液压混合动力传动的特点。

能够使发动机、液压泵、液压马达等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。

通过多离合器控制不同元件，可以实现串联、并联工作模式。

每个工作模式下都能实现沿最佳特性曲线工作，故效率很高，可传递的功率也较大，而且功率分流机构的引入，使得系统速比范围增大。

该系统首先必须具备作为单独的并联式或者串联式工作能力，还要在车辆运行过程中，实时选择最佳工作模式，保证两种工作模式的无缝切换。

混联式传动方案综合了串联式和并联式传动方案的优点，扩大了调速范围，提高了系统的传动效率和传动能力。

在大功率传动场合的具有广阔发展潜力。

3.3液压混合传动发展趋势

与电混合动力比较，液压混合动力传动的依存技术-液压传动技术和液压元件较为成熟，而且液压传动在工业领域已经得到了较为广泛的应用。

虽然目前全世界范围内对电混合动力的研究都非常火热，但是短期内一些制约其大范围应用的技术问题尚不能解决，液压混合动力技术无疑更可行，是改善工程机械、拖拉机及运行在起停频繁工况的车辆和机械的燃油经济性的最佳选择。

发展的新动向主要有两个方面:

混联式液压混合动力传动的关注提升和寻求液压储能与电储能结合的一种新型混合动力传动系统的研究。

近几年，基于液压机械传动的混联式液压混合动力传动系统日益受到关注。

2007年，JohnJ·Kargul提出了一种混联式液压混合动力传动系统，如图3-8所示。

图3-8混联式液压混合动力传动方案

能量密度与功率密度是衡量储能器性能的两个重要指标。

高的能量密度使汽车的后备能量充足，大的功率密度使汽车能迅速而充分地存储和利用汽车的能量。

液压蓄能器的功率密度最高，适于负载变化频繁的传动系。

而液压储能元件的能量密度较低，所以续驶里程短，不适合做辅助动力源。

能量密度较高是混合动力传动的优点，而电混合动力的功率密度无法和液压混合动力的相比，在起停频繁运行工况，如果将再生制动能量作为衡量指标，则电混合动力无法与液压混合动力传动媲美。

研究证明：

液压混合动力传动实现再生制动到再生制动能量用于驱动车辆的效率可以达到61%，而电混合动力传动只能达到17.5%。

基于上述分析，认为综合液压混合动力的高功率密度和电混合动力高能量密度的优点，可以设计一种理想的混合动力传动形式。

在这些方面已经有探索性研究，如RobynJackey等提出了一种将液压混合动力和电混合动力结合的概念。

其结构简图如图3-9所示，框中的结构被称为EMB（Electric-mechanicalbattery）。

作者对其进行了仿真研究，其可行性有待进一步研究。

图3-9EMB原理图

4.总结

通过对两种先进混合传动技术的调研和整理，对各自特点进行梳理，更加深入的了解了当今前沿的车辆传动技术。

如果结合电混合高能量密度和液压混合高功率密度的特点，将电混合动力和液压混合动力结合为一，实现新的混合传动方式，将使车辆的动力性、经济性和排放性得到更大一步的飞跃，我想这是车辆传动未来的创新之路也是发展趋势。