TTRHE变速器装置的应用与解决方案.

HE DBW AWD驱动机电一体化控制系统的through-the-road（TTR）HE变速器装置由分离的动力系统组成，分离的动力系统彼此利用道路或地面相连，通常它们能够共同运转。ECE/ICE和/或辅助电能存储（EES）和电能助推器（EEB）被认为是独立装置。

有着低燃料消耗率（SFC）和低污染物排放能力（PEC）的HEV的电功率助推应用，其中功率能够直接从ECE/ICE和/或辅助EEB传输，这一应用不但有能力在动力系统间功率均衡，而且可以发动或关闭ECE/ICE，从而达到：辅助电功率增强，连同HEV的高加速度起动、大的爬坡能力（爬山）、高速度穿行和高减速度反向转矩紧急制动；或者辅助功率增强HEV的辅助EES，连同HEV的车轮驱动的EEB再充电和高减速度再生式制动和/或转弯（枢轴滑动转向）。

然而，由于ECE/ICE频繁运转，液体燃料占了全部所用能量的很大一部分。此外，ECE/ICE和辅助EES双机电一体化控制的一个车载基于微处理器的最高层次的HEV控制器应用，已经为节约更多的燃料提供了广泛的可能性。

设备有很多的需求，从而HEV使用了辅助电能增强方法。

随着矿物燃料成本的增加，运行经济性已经变得越来越重要。有些公司投资HEV来替代或更换现有的高级车辆，但目前还没有实现盈利。

TTRHE变速器装置的设计原理：一个TTR HE变速器装置中至少有一个释放电能的车载EES。实际上，它只包含两个车载EES，因此在本节中，作者只考虑这种，即ECE/ICE使用矿物燃料，适用于EEB的辅助EES是CH-E/E-CH蓄电池。

EEB是基于AC-DC/DC-AC宏换向器的无刷式M-E/E-M电动机（发电机/电动机），对于一个给定的应用，该电动机有最大可能的角速度。EEB是更好的选择，因为它们尺寸更小，质量更轻，并且有更高的效率和功率因数。EES是CH-E/E-CH蓄电池，它们保持充电来增强ECE/ICE功率，以便实现高加速度、爬山和高速度穿行。

这样，TTR HE变速器装置的设计原理是：使用电作为出色的“人造燃料”，同时只有在纯辅助EEB不能满足需求的时候才消耗矿物燃料。

因此，最初的首选策略是运行在一定输出功率的纯辅助EEB，接下来启动ECE/ICE来完成操作（如果需要，采用一个ECE/ICE动力系统来增强机械能）。这一策略估计带来相比传统ECE/ICE发动机驱动的车辆的实质性矿物燃料节省，因为大比例的正常工作能够由纯E-M运转或用一个电能助推来满足。

如果有一个合适的机电一体化控制策略来管理分离H-E变速器的每个零件的功能，就可以实现HEV带来的潜在矿物燃料节省。

TTR（分离）HE变速器装置的说明：在对各种HE变速器和车轮装置做了广泛的工作之后（总车轮数×总驱动轮数），为HEV被选择的有：DIOTA TETRO-TA、HEXOTA和OCTOTA等，如图2-148所示。

图2-148 各种TTR HE变速器装置：1—转向和驱动桥 2—ICE驱动的驱动桥 3—EEB驱动的驱动桥 E—发动机驱动轮 B—助推器（booster）驱动轮【FIJALKOWSKI 1985B】

主要零件如下：

• ECE/ICE，包括：汽车用燃气轮机；柴油机；奥托（Otto）发动机；斯特拉（Stirling）发动机、汪克尔（Wankel）发动机。

• 电能存储（EES）：车载CH-E/E-CH蓄电池。

• 电能助推器（EEB）：基于AC-DC/DC-AC宏换向器的无刷式M-E/E-M电动发电机，利用M-M差速器机械连接至驱动轮；DC-AC/AC-DC基于宏换向器的无刷式M-E/E-M电动发电机化车轮。

• HEV控制器：基于微处理器的最高层次车载控制器（VC），就像是车载指挥官。

汽车ECE/ICE和辅助EEB安装在分开的动力系统上，但它们依靠功率分配天然轨道彼此与输出牵引机械相连，也就是依靠道路和地面。当HEV运行时，辅助EEB总在旋转，除了EEB与被提升的伸缩轴连接的时候。EEB回收大部分来自ECE/ICE动力系统的过量的功率，从而提高了效率、功率和低速时的转矩倍增。对于不需要高失速转矩的应用，通过省略或交换在一个模块化HE变速器装置中的一些部件或零件，多动力传动机构分离式HE变速器装置（图2-143）能转变为一个最简单的双动力或单动力系统分离式HE变速器装置。将E-M/M-E电动机/发电机放在不受ECE/ICE驱动的车轴上，通过移除在传统的DBW AWD驱动机电一体化控制系统中不可缺少的动力转移装置和驱动轴，也能提供一个DBW AWD驱动机电一体化控制系统，同时减轻质量和减少惯性。

图2-149 HEV Polski FIAT 125p的TTR HE变速器装置—TETROTA【FIJALKOWSKI 1985B】

HEV的试验性概念验证TTRHE变速器装置—TETROTA：在HEV领域，用带一个4×2_B+2_E车轮装置的HEV的试验性概念验证TTR HE变速器装置。这一车轮装置由作者提出并命名为TETROTA。图2-149所示的是整个TTR HE变速器装置的一个简化表示【FIJALKOWSKI 1985B】。

如图所示，它为HEV而设计。按重要性顺序，分离式HE变速器装置的最重要零件是：

• 一辆RWD HEV（如Polski FIAT 126p）的ECE/ICE和M-M变速器：驱动通过一根M-M驱动桥装置至MT齿轮传动机构中的架空轴取得到，然后转发到主减速器装置；通过连接的传动轴与轮毂耦合；类似的M-M变速器装置用于前置ECE/ICE驱动的汽车。

• 基于AC-DC/DC-AC宏换向器的M-E/E-M电动-发电机化驱动桥：一个无刷式AC-DC/DC-AC宏换向器次同步（电磁感应）鼠笼式转子M-E/E-M电动-发电机。这种电动-发电机带一个集成矩阵变换电路、基于微处理器的低电平宏换向器控制器，以及高电平驱动控制器和限滑M-M差速器。常见的情况是与驱动轮在同一根轴，并且有一个冷却和润滑系统。

• 车载控制器（VC）：一个车载带微处理器的最高层次HEV控制器，相当于HEV指挥官。它整合来自全部HEV机电一体化控制系统的数据，控制HEV性能并兼顾安全性。

在图2-150中所示的结构和功能框图，更详细地描述了TTR HE变速器装置的零件【FIJALKOWSKI 1985B】。

图2-150 HEV Polski FIAT—TETROTA的结构和功能框图【FIJALKOWSKI 1985B】

电能从辅助EES（车载CH-E/E-CH蓄电池）中产生，通过紧急断开和主接触器（ED&MC），到达E-M驱动桥AC-DC/DC-AC宏换向器鼠笼式转子次同步（电磁感应）式M-E/E-M电动发电机。电动-发电机通过同轴的、M-M驱动桥的限滑M-M差速器驱动车轮。

变速驱动桥的宏换向器电动-发电机的基于微处理器的低电平宏换向器控制器和高电平驱动控制器，按照从车载基于微处理器的最高层次控制器（也就是HEV指挥官）接收到的转矩命令，完成闭环基于宏换向器的M-E/E-M电动-发电机控制功能。

最高层次的HEV控制器充当新概念HEV功能的现代微机控制中心：通过变速杆、加速脚踏板和制动脚踏板位置信号监测驾驶人的请求；控制ECE驱动轴的变速器换档和再生式制动操作；提供HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统“现状”，以及显示和记账功能。

一个分层的基于微处理器的机电一体化控制系统集成了机电一体化控制、监控和全自动功能。

保护功能在一个分离的系统中实现，该系统与微机机电一体化控制系统合作。对于这一三模HE DBW AWD驱动机电一体化控制系统，整个系统的方法集中在基于整体式AC-DC/DC-AC宏换向器的电动发电机化驱动桥上，如图2-151所示。这实质上取代了一个传统的前轮驱动（FWD）HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统的传统电动-发电机/驱动桥总成。

只包括一个定子和一个转子的无刷式AC-DC/DC-AC宏换向器次同步（电磁感应）鼠笼式转子电动发电机（图2-152），带有一根作为限滑M-M差速器的输入的中空电动-发电机轴，在轴的端头放置了一个M-M差速器箱【FI-JALKOWSKI 1985B，1987】。

图2-151 整体式AC-DC/DC-AC宏换向器电动-发电机化驱动桥【FIJALKOWSKI 1985B，1990】

1—罩 2—中心 3，4—摩擦盘 5—弹簧 6—主动轴轴线 7—多边形套管 8—轴 9—保持架 10—中心零件 11—圆盘 12—推杆 13—凸轮 14—驱动桥箱 15—圆盘 16—弹簧 17—电动发电机转子 18—电动发电机定子 19—电动发电机的管轴 20—主动轴轴线 21—定子场骨架线圈 22—转子电枢鼠笼式线圈

基于AC-DC/DC-AC宏换向器的无刷式电动-发电机化驱动桥有着如下的优势【FIJALKOWSKI 1985B】：

• 自动工作且非常快速（起动和打滑期间，车轮能完成最大旋转）。

• 完全利用车轮附着力。

• 不会导致破坏性的驱动桥零件操作过载的危害。

• 不需要专门的冷却和润滑油。

• 耐用性好。(www.xing528.com)

图2-153所示为驱动桥的无刷式AC-DC/DC-AC宏换向器鼠笼式转子异步（电磁感应）电动-发电机的主要功能和信号链路【FIJALKOWSKI 1985B，1987，1996A】。

图2-152 无刷式基于AC-DC/DC-AC宏换向器的次同步（电磁感应）鼠笼式转子电动-发电机【FIJALKOWSKI 1985B，1987】

机电一体化控制设备分为一个“更高层次的驱动控制器”和一个“较低层次的宏换向器控制器”。两套设备均位于宏换向器壳中。

宏换向器控制器包含控制和监控定子磁场专用集成矩阵变换电路（ASIM）的路，如图2-152所示。大体上，宏换向器控制器的输入信号是一个参考转矩，该参考转矩（设定点）与一个利用定子磁场ASIM的适当控制获得的转矩信号相比较。

图2-153 驱动桥的AC-DC/DC-AC宏换向器鼠笼式转子异步（电磁感应）电动-发电机的主要功能和信号链路【FIJALKOWSKI 1985B】

驱动控制包含控制和监控由AC-DC/DC-AC宏换向器电动发电机驱动的驱动桥的电路。使用的控制模式是角速度控制。控制变量的参考值（设定点）在车载的基于微处理器的最高层次HEV控制器中形成（图2-150和图2-153）。

监控和指导整个HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统具体操作的HEV控制器，是一个车载的基于微处理器的配置，它具有极大的优势。

如果能够容易修改机电一体化控制系统响应所需的改动，则它便允许相当大的HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统灵活性。比如，HEV TETROTA对加速踏板输入的响应可适应匹配任何期望的要求，而无须修改硬件。

HEV控制器也检测机电一体化控制系统的ICE动力系统的连接驱动轴所必需的转矩和角速度，并且能设置节气门开度，改变传动比（必要时）控制变速器M-M离合器，还可根据各种输入关掉ICE。

HEV控制器的安全逻辑必须符合如下要求：有一个故障安全系统，该系统可以在失效时功率降低的情况下“带你回家”，并可以在某个失效构成安全危害的情况下关掉ICE或EES。

HEV控制器控制ICE载荷保持在与要求的输出功率有关的角速度。通常，为获得最高效率，ICE会以最高速度工作。同时，通过改变应用到一个AC-DC/DC-AC宏换向器电动-发电机化驱动桥的定子磁场绕组的励磁，可控制其曲轴角速度。

已经证明AC-DC/DC-AC宏换向器电动-发电机化变速驱动桥非常适合越野行驶。内置的自动机电一体化控制装置将HEV TETROTA驾驶人解放出来，使之不必决定什么时候换档或某个车轮是否会打滑。HEV控制器以一个平稳和连续的方式执行驾驶人的加速指令。

通常是在驾驶人还没有注意到这种打滑之前，它便自动地发现每个驱动轮（在HEV TETROTA上有四个）上阻碍的车轮滑转因素，并将动力从任何开始打滑的车轮上移走。

HEV控制器满足HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统运行的八种不同的模式【FIJALKOWSKI 1985B】：

• EEB单独驱动：在这种运行模式期间，EEB（AC-DC/DC-AC宏换向器电动-发电机）作为一个DC-AC宏换向器驱动电动机工作。HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统不是专门为这种模式下的长时间工作而设计的；然而，在污染或噪声敏感地区或在ICE故障之后使用，一个受限的可行驶行程是必要的。

• ICE起动：在起动期间，为了ICE通过功率分配天然轨道，EEB充当一个DC-AC宏换向器起动电动机。

• ICE和EEB驱动：在这种模式运行期间，EEB充当ICE的一个DC-AC宏换向器增压电动机。这一HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统运行模式，为快速加速、爬山和受限的高速穿行和巡航提供动力。

• 随EEB充当一个AC-DC/DC-AC宏换向器充电-发电机发电的同时，ICE提供驱动：这一机电一体化控制运行模式为较低车速巡航提供ICE动力（HEV TETROTA的巡航车速为80km/h），同时剩余动力用于EES（车载CH-E/E-CH蓄电池再充电）。

• ICE单独驱动：HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统不是专门为这种模式下的长时间工作而设计的；然而，在电气部件故障之后使用，一个受限的可行驶行程是必要的。

• HEV的再生式正常制动：在HEV正常减速期间，充当一个AC-DC/DC-AC宏换向器充电发电机的EEB，进入充电模式来回收HEV的机械动能。

• HEV的反转矩紧急制动：在HEV高减速期间，EEB充当一个DC-AC宏换向器制动（反驱动）电动机，其电能由EES（车载CH-E/E-CH蓄电池）提供。这一机电一体化控制系统运行模式为事故发生时快速减速紧急制动提供动力。

• 电能充电器（EEC）充电：就是车载CH-E/E-CH蓄电池的EES，在HEV静止下可以利用车载EEC再充电。在一个纯电动运行后，可能需要这么做。

ICE动力系统功率与EEB动力系统功率比例的运行控制模式，可以通过直接连接HEV控制器与HEV的加速踏板来实现。为实现功率管理策略，可以选择节气门位置，在该位置车载HEV控制器将EEB（AC-DC/DC-AC宏换向器电动-发电机）从电动机驱动模式转换到发电（充电）模式（转折点），以及任何特定节气门位置的ICE动力系统功率与EEB动力功率的比例。两种策略，即对环境有利的HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统或对节约燃料有利的混合式系统，均用相同的驱动结构来完成。

期望的目标驱动力值由加速踏板来决定，并由车载HEV控制器发送至ICE和EEB。车载的基于微处理器的HEV控制器的作用是ICE和EEB的交互适应于期望的驱动情况。通过更改机电一体化控制算法，对环境有利的HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统变成对节约燃料有利的混合式系统。

注意：大多数的传统并联式HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统版本为对节约燃料有利的混合式系统【FIJALKOWSKI，1985B，1986，1995A，2000C】。

图2-154所示为带4×2_B+2_E和4×（1+1）B+2_E车轮排列的总体分离式HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统版本的一个简化表示【FIJALKOWSKI 1985B】。比如，后面的版本在前端有两个转向、电动和/或发电机化轮（SM&GW）。每个SM&GW的额定功率为35kW，驱动力为180kN。

注意：已经证明一个驱动轮的滚动阻力要低于一个自由滚动车轮情况下的滚动阻力。

图2-154 带4×2_B+2_E和4×（1+1）B+2_E车轮排列的总体分离式HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统版本的简化表示【AUTOSAN H10—混合式；FIJALKOWSKI 1985B】

一个带4×2_B+2_E车轮排列的可供选择的分离式HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统版本有如下的结构（图2-155）【AR&C 1990】。

在设计TTR HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统中，连接后轮驱动（RWD）差速器的驱动轴可以被移到前部安装的ICE，并被替换为一个直接驱动、9.4kWE-M/M-E电动机/发电机。

图2-155 带4×2_B+2_E车轮排列的TTR HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统版本【AUDI′s Duo Hybrid；AR&C 1990】

几乎一半的成本是由高性能动力镍镉（NiCd）蓄电池贡献的，该镍镉电池产生一个在车速50km/h大约50km的全电动行驶里程。

镍镉动力电池位于AEV的后地板燃料储存箱侧。

通过将变速器调为“neutral”（空档），按下一个标为‘E’的按钮并关掉点火开关来开启E-M驱动。在E-M驱动模式中，一个微型EMP压缩机维持流体系统与运转。

发动ICE不用驾驶人仲裁，ICE的起动使E-M驱动系统断开。尽管驱动装置不能同时运转，ICE也能在它运行时给蓄电池充电。

小型、免维护的镍镉动力电池只需要完全充电的四分之三，因为E-M驱动并不是在连续使用。另外，可选择的分离式HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统的带一个4×2_B+2_E车轮排列的版本，其结构如图2-156所示【NISSAN 2002A】：

既简单又质量轻的分离式HE DBW 4WD驱动机电一体化控制系统，不但提供经济的正常城市行驶，而且也提供适当的4×2_B+2_E车轮排列周末使用能力。该机电一体化控制系统包括：含一个E-M电动机、M-M离合器和减速齿轮的RWD装置；充当电能存储（EES）用于驱动E-M电动机的M-E发电机；一个管理驱动系统的4WD控制装置。

如果前轮打滑，4WD控制装置激活M-E发电机来产生电能，产生的电能使安装在车尾的E-M电动机工作。电动机产生的机械能通过离合器被转移至后轮。为了更经济地行驶，在正常行驶时间，RWD装置的离合器被脱开来建立一个DBW 2WD驱动机电一体化控制系统。由于后置的电动机驱动后轮，从而不需要一根创建4WD能力的传动轴，也就没有牺牲车内空间。而且，这一方法也提供一个更轻的DBW 4WD驱动机电一体化控制系统，从而也有助于更佳的燃料经济性。