全輪驅動混合動力乘用車設計

黃兆勤

（東風汽車公司，武漢 430056）

全輪驅動混合動力乘用車設計

黃兆勤

（東風汽車公司，武漢 430056）

基于傳統的前軸前驅乘用車，通過嫁接混合動力技術，可以使車輛在動力性、經濟性、排放性和通過性方面有大幅度的改善。本文論述了混合動力乘用車的設計方案，并通過仿真計算預測了設計效果，并提出了擴展研究設想。

四驅；混合動力；乘用車；設計

黃兆勤

高級工程師，現任職于東風汽車公司新能源汽車事業平臺，主要研究方向：新能源汽車技術發展規劃研究，新能源汽車和動力系統項目推進。

前言

隨著技術的深化研究和市場環境的逐步成熟，混合動力技術逐步向多種車型滲透，并形成了多種技術路線。

以并聯方案混合動力客車和混聯方案混合動力轎車為基礎，形成了混合動力汽車平臺技術，并擴展開發了多個混合動力車型，如串聯混合動力客車、微混合動力轎車、四驅混合動力軍車和混合動力乘用車。

將混合動力技術嫁接到傳統二驅汽車上，使得驅動橋同時具有傳統機械驅動功能和電驅動功能，可以不依靠動力分配機構而實現四驅功能，而且在動力性、經濟性、排放和通過性方面都有理想的效果，促進了四驅車性能升級，在軍事和民用方面都有重大價值。

本文論述了基于傳統乘用車實現四驅方案的設計思路和總體的技術方案，并模擬計算了主要指標的實現情況。

1　技術開發目標

隨著人們對汽車用途多樣化的需求，具有四驅功能的汽車市場迅速擴大。但是，四驅汽車的高油耗和高污染的問題一直難以解決。

豐田是最早把混合動力技術應用于四驅汽車的公司之一，目前已有雷克薩斯RX450h、GS450h和LS600h等幾種混合動力產品銷售，這些車型都集成并擴展了豐田普銳斯混合動力汽車動力總成技術，節油效果非常理想。

為滿足市場需要，在已定型的二驅乘用車基礎上開發具有四驅功能的混合動力汽車，體現良好越野性、動力性、燃油經濟性和排放性能。

通過增加電驅動系統及機電耦合裝置，在整車控制器的協調控制下，可根據負載、工況和路況變化，智能選擇二驅或四驅方式，發動機與電機單獨驅動或聯合驅動，實現以下性能的全面提升：

動力性：在保持原車最高車速水平下，起步加速時間比原車顯著縮短；

燃油經濟性：城市工況油耗比傳統四驅車降低30%，比傳統二驅車降低10%；

尾氣排放：有害氣體排放水平由國3提高到國4水平；

越野能力：在低附著路面具有良好的通過性；爬坡能力：最大爬坡度40%以上。

2　基礎車情況

選定傳統二驅乘用車為基礎車型進行混合動力汽車開發，在功能上參照傳統四驅車。兩種車型的基本參數如表1：

表1　基礎車參數

3　方案設計

3.1機電耦合方案

為滿足預期功能和性能要求，基于已有混聯式混合動力轎車雙電機單軸驅動系統方案，設計了雙電機雙軸驅動方案，即BSG+TTR（BSGBelted Starter & Generator，TTR-Traction Through Road）方案，這也是一種混聯方案。如圖1所示：

系統由發動機、離合器、變速箱、驅動電機、BSG、動力電池及相關控制器和電動附件組成。

其中，BSG裝在發動機上，發動機通過變速箱驅動后橋。主電機通過另一根傳動軸驅動前橋。前橋是獨立懸掛式轉向驅動橋。中央主減速器固定在車架上，通過兩個半軸與車輪連接。主減速器上設有真空閥，用于控制前驅動橋的動力通斷，因此，可自動切換兩驅和四驅模式。

驅動電機和BSG都具有電動、空轉和發電三種工作模式。驅動電機電動時可單獨或輔助發動機驅動車輛，發電時向電池補電，BSG電動時可快速起動發動機，消除怠速，發電時向電池儲存能量。

工作模式分解如下：

起步：正常狀態時，電池SOC較高，電池處于高效區，通常以純電動方式進行起步。這時由主電機單獨驅動車輛，可發揮電機低速扭矩大的優點，使車輛迅速起步。這樣發動機保持停機，消除了因怠速而出現高油耗和排放惡化問題，起步時的平順性也較好。例外情況下，如車輛長時間放置后，電池SOC有可能處于較低狀態，這時，將以發動機驅動方式起步。不過，發動機是在BSG的驅動下快速起動，也能獲得較高的效率。

起步后加速：起步后當車速達到較高時，發動機快速起動，與主電機一起驅動，使車輛快速達到所需要的速度。

定速巡航：發動機處于設定車速下的最高效點工作，負荷較高時，主電機參與驅動，負荷較低時，由BSG發電，將多余的能量轉化成電能儲存在電池中備用。

加速超車：發動機沿著最高效率線提升轉速，主電機參與驅動，提供額外的驅動力。

減速讓車：發動機沿著最高效率線降低轉速，主電機處于發電狀態，將富余的能量儲存在電池中。

制動：發動機停機斷油，節氣門全開，BSG和主電機處于發電狀態，回收能量。

3.2主要總成選型

1）汽油發動機

額定功率：89kW@5500rpm

額定扭矩：168Nm@4500rpm

最低比油耗：240g/kWh

變速器速比：3.968/2.137/1.36/1/0.857/R3.579

發動機驅動主減速比：4.875

2）鎳氫動力電池

公稱容量：6 Ah

額定電壓：336 V

3）永磁同步驅動電機

最大功率：22 kW

最大扭矩：150Nm

基轉速：1400rpm

電驅動主減速比：4.2727

4）永磁同步BSG

峰值電動扭矩：56 kW @380 rpm

峰值發電功率：3 Nm @2500rpm

電機/曲軸速比：1.5

3.3總體布置方案

為便于零部件的通用化和整車共線裝配，以二驅傳統車為基礎，保留了原有發動機前置后驅的動力總成和傳動系統的結構，最大限度地繼承了基礎車的主要結構。將四驅傳統車的驅動前橋移植過來，電機布置在前后橋之間，通過傳動軸與前橋主減速器連接。

BSG電機的布置。BSG電機的布置利用傳統發電機的空間，利用傳統發電機的安裝位置，重新設計張緊機構與輪系。

電機控制器與動力電池的布置。將電機控制器與動力電池一起布置在后排座椅下，便于線路的連接。電池通風管道與后部車身連接，熱風直接排除外部。在電池和電機控制器上面安裝行李箱蓋板，以便放置行李。

這種布置，取消了傳統四驅車的分動箱，前后橋驅動的切換可以適時進行，從而可避免因前后驅動之間剛性傳動可能造成的功率循環問題。

另外，作為變型方案，適當增大電機功率和電池容量，可以很方便地實現PHEV方案，為城區短途運行采用純電動模式創造了條件，從而可大幅節省燃料消耗和減少排放。

動力電池布置在后排座椅下，不占用行李空間。

載荷分布計算表明，整車總質量增加的部分控制在5%以內，比較合理。

3.4 電控系統總體方案

電控系統由原車電控系統和混合動力電控系統兩部分組成。其中，原車電控系統包括發動機ECU、ABS控制器和車載診斷口，混合動力系統包括整車控制器HCU、配電控制器PDU、電機控制器PCU、電池管理系統BMS和智能儀表系統DCU?？刂破髦g主要通過CAN總線進行通訊，部分信號靠直通線傳遞。

增加了數個傳感器，以感知點火鎖擋位狀態、離合器分合狀態、制動強度、油門大小、變速箱擋位。同時，整車控制器還要采集發動機轉速、節氣門開度、車速、空調開關狀態，以便進行控制。

整車控制器處于最高級別，其作用是識別駕駛意圖、判斷車輛載荷、路況和行駛工況，決定工作模式的切換，優化能量分配，并統一協調其它控制器實現駕駛意圖。

為控制發動機的工作狀態，設置了電動節氣門及其控制電路，并增加了斷油裝置。

增加了電動轉向泵和電動真空泵，使動力系統的工作不依賴發動機工作狀態。

3.5整車控制策略設計

按照結構化的思路，制定了整車控制策略的結構框架，搭建了駕駛意圖識別、驅動控制、制動控制和動態協調控制策略模型。

通過發動機快速起停、工作模式的適時切換、優化發動機工作區域和制動能量回饋等措施，實現整車能量分配的動態優化。使得整車具有良好的越野性、動力性、燃油經濟性和排放性能，且成本增加得到有效控制。

4　性能分析

4.1動力性仿真分析

與傳統車相比，混合動力乘用車起步加速到100km/h的時間縮短3.5s，接近轎車水平。

經過計算，最大爬坡度也達到40%以上。

因此，應用混合動力技術可使動力性非常明顯地改善。

4.2燃油經濟性仿真分析

分析表明，采用混合動力技術，有效地減少了發動機低效工作區域，從而可使整車燃油經濟性得到改善，特別是在城市道路上優勢非常明顯。

進一步預測表明，若提高電池和電機的容量，增加外接充電，將使燃料消耗量進一步減少，這對于電力供應充足和充電設施齊全的地區非常有利。

4.3低附著路面通過性分析

針對低附著路面（如冰雪路面）驅動力分配情況的分析表明：二驅情況下，發動機驅動能力的利用受到很大限制；四驅情況下，發動機驅動能力利用率顯著提高。利用電機助力，可以部分彌補發動機驅動能力損失，電機驅動力特點正好滿足要求。電機助力區域適宜在起步、低擋和低速段。電機助力持續時間為短時通過低附著路面。在好路情況，利用HEV的能源分配優化，可以進一步提高整車動力性和燃料經濟性。［1］

5　擴展研究

本混合動力乘用車機電耦合方案，通過改變電動系統規格，增減相應的電動附件，輔以控制系統的變型設計，可以擴展出兩種具有發展前途的混合動力車型。

1）通過增大電機和電池的容量與功率，配置電動附件，可形成強混合動力或PHEV車型，可進一步提高車輛的動力性和節油能力。

2）通過降低電機和電池的容量，但維持適當功率水平，可形成具有適時四驅功能的車型，提高車型在低附著路面的通過能力，在良好路面又有良好的燃油經濟性。

6　結論

基于混合動力汽車動力系統平臺技術實現對傳統乘用車的嫁接，通過機電耦合方式的創新和控制系統的開發，形成了與傳統四驅車不同的混合動力四驅方案。

與傳統乘用車相比，新型混合動力四驅乘用車不僅具有了傳統四驅車的高動力性和通過性，同時還有非常優良的燃料經濟性。

同時，通過擴展開發，可以形成更為豐富的產品系列，滿足不同的使用要求。

［1］余志生. 汽車理論［M］. 1981年8月第一版，機械工業出版社，1988. P283-285

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徐平興：

本文提出用混合動力技術將傳統二驅乘用車改造成混合動力四驅車的新方案，使得前、后驅動橋分別具有電驅動功能和傳統機械驅動功能，在動力性、經濟性、排放和通過性方面都有理想的效果?；谝陨涎芯浚髡哌€提出了擴展開發系列化車型的設想，為后續開發提供了思路。

Design of AWD Hybrid Passenger Vehicle

HUANG Zhao-qin
（Dongfeng Motor Corporation ， Wuhan， 430056）

Based on the conventional FWD configuration， combined with the hybrid technology，the AWD （All Wheel Driven） passenger vehicle can gain significant improvement in dynamics， fuel economy， emission and road ability. This paper states the design of a AWD hybrid electric PV，predicts by simulation the effects of the design， and proposes a consideration on variation research.

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TK-9

A

1005-2550（2015）04-0016-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.004

2015-06-20