混合動力汽車驅動系統的研究與設計

陳友鵬

（廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510925）

混合動力汽車驅動系統的研究與設計

陳友鵬

（廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510925）

文章結合混合動力汽車的驅動系統結構類型和對應特點，對混合動力汽車的組成及其工作模式進行了介紹，由此提出了一種能綜合考慮各部件功率和重量的驅動系統設計方法。并以此設計方法，考慮混合動力汽車的動力性、燃油經濟性和排放性能，給出了汽車驅動系統的總成參數，確定驅動控制系統的硬件設計，進而選擇確定合理的控制策略。

混合動力汽車；驅動系統；硬件設計；控制策略

1 混合動力汽車關鍵技術

電動汽車的關鍵技術包括汽車技術、電氣技術、電子技術、信息技術和化學技術等。盡管電源技術至關重要，是制約電動汽車發展最主要的技術障礙，但車身設計、電力驅動、能量管理和系統的優化也同樣重要。事實上，將這些領域技術上的整合才是電動汽車技術成功的關鍵。現代電動汽車工程的主要問題是要將汽車工程、電氣、電子工程以及化學工程領域中最新的技術發展結合到電動汽車的設計中來，找到適合于電動汽車的獨特的設計方法和制造技術，實現電動汽車能量的最優化利用。

2 混合動力汽車的結構

混合動力汽車可分為以下三種類型：串聯式混合動力汽車（SHEV）、并聯式混合動力汽車（PHEV）和混聯式混合動力汽車（PSHVE）。

圖1 串聯式混合動力汽車示意圖

（1）串聯式混合動力汽車。串聯式混合動力汽車由發動機、發電機、蓄電池和電動機等動力裝置以串聯連接方式組合而成。如圖1所示，T表示扭矩，ω表示角速度，η表示效率；下標cm表示電機，ice表示發動機，w表示車輪，gb表示變速箱。串聯式混合動力汽車具有控制系統比較簡單，特別是發電機運行的控制只需根據蓄電池充放電狀態決定發電或停止；發動機總是在最佳工況下驅動發電機，減少污染；動力傳遞過程中，降低了能量利用率，其綜合效率低于燃油汽車等特點。

（2）并聯式混合動力汽車。并聯式混合動力汽車可以利用發動機和電機共同驅動車輪。如圖2所示，并聯式混合動力汽車具有結構簡單，特別是省去了獨立的發電機，兩套動力裝置可單獨或同時驅動，有利于機構布置；兩套動力裝置可直接驅動車輪，因此效率提高，能量損失降低；采用電動/發電機可以空載發電，及時補充蓄電池部分電能，延長蓄電池續行里程等特點。

圖2 并聯式混合動力汽車示意圖

（3）混聯式混合動力汽車。混聯式混合動力汽車綜合了串聯式和并聯式的結構特點，由發動機、電動/發電機和驅動電動機三大動力總成組成，可以根據行駛條件以串聯和并聯模式工作，所以，混聯系統具有串聯系統和并聯系統的雙重特性，具有兩種布置形式：切換系統和分路系統。盡管如此，但其結構復雜、成本高，目前應用并不廣泛。綜合分析以上各個結構的優缺點，本次設計采用并聯式結構。

3 混合動力汽車驅動系統結構分析

混合動力汽車的驅動系統是所有用于傳遞能量并使車輛獲得運動能力部件的總稱，包括車載能源、原動機和傳動系統三個主要部分。

3.1 驅動系統總體方案

混合動力汽車動力傳動系各部件特性、參數匹配及控制策略決定了整車的動力性、燃油經濟性、排放特性、制造成本及重量。考慮到充電設備的限制以及蓄電池組容量對車重的影響，混合動力汽車裝備小容量的蓄電池組，在行駛時電池荷電狀態保持在一定范圍內變動，不需從外部電網充電，屬于電量維持型混合動力汽車。

3.2 驅動系統結構及主要部件

混合動力汽車驅動系統主要包括發動機、發電機、電池組、電動機、功率變換器、扭矩耦合裝置、變速器和離合器等部件。混合動力汽車的驅動系統有三種布置形式：

（1）如圖3所示，扭矩在變速器輸入軸處進行耦合，采用這種布置方式能通過變速器同時改善發動機和電機的工作點，電機可以用來在較高的轉速下快速起動發動機，但是結構上較為復雜，變速器的功率要求較大。

圖3 扭矩在變速器輸入軸處耦合的驅動系統結構

（2）如在圖4所示，電動機和發動機的扭矩在變速器輸出軸處耦合，變速器只傳遞發動機的輸出功率，所以變速器額定功率可小于第一種布置形式。上述的兩種布置形式中，扭矩耦合裝置可以采用齒輪傳動或帶傳動來實現。

圖4 扭矩在變速器輸出軸處耦合的驅動系統結構

圖5 扭矩在車輪處耦合的驅動系統結構

（3）如圖5所示，發動機和電機分別通過各自的傳動系驅動車輪。這種結構不需要扭矩耦合裝置，但是控制復雜，只適合于四輪驅動車輛。考慮到現有的部分發動機和變速器配套設計，在發動機輸出軸進行扭矩耦合困難，并聯式混合動力汽車驅動系統采用第二種布置形式，扭矩通過帶傳動裝置在變速器輸出軸處進行扭矩耦合，不配置發電機。

3.3 汽車行駛驅動功率計算

（1）加速行駛功率。水平路面加速行駛功率按下式計算：

式中：Mv為汽車質量（kg）；V為車速（m/s）；ρa為空氣密度（kg/m3）；A為迎風面積（m2）；δ為質量當量系數，此處取δ=1；Cd為風阻系數；Cr為滾動阻力系數。

（2）爬坡功率。爬坡時功率為：

式中θ表示斜坡傾角。同理，將其簡寫為：

其中：c=gVg（sinθ+Crcosθ）

（3）整車質量。整車質量由下式得出：

式中：Mv為汽車整車質量（kg）；Mb為車身相關部分質量（kg）；Mch為底盤非傳動系部分的質量（kg）；Mdr為驅動系統質量（kg）；Ml為載重質量（kg）。

上述驅動系統的質量為發動機、電池組、電動機及控制器和變速器各部件質量之和。

（4）驅動系統最大功率。混合動力汽車驅動系統設計的重點是確定發動機和電動機的功率大小，以及在行駛過程中動態決定功率在兩者間的分配比例（通過控制策略實現）。混合動力汽車發動機的功率要滿足車輛在最高速度勻速行駛或長時間勻速爬坡行駛時的功率需求，而電機則要能提供車輛加速或路面坡度較大行駛時所需的峰值功率。對于驅動系統的每一個部件，在功率轉換和傳輸時均有一定的損失，各個部件的效率分別用ηice，ηbat，ηmot，和ηtra表示。驅動系統各部件的最大功率分別按下式計算：

（5）傳動比確定原則。變速器檔位數及各檔的傳動比對汽車動力性、經濟性影響很大。檔數多，可以使發動機經常處在最大功率附近的轉速工作，而且使發動機轉速變化范圍小，發動機平均功率高，故可提高汽車的動力性。同時較多的檔數也增加了發動機在低油耗區工作的可能性，因而能提高汽車的燃油經濟性。為了使發動機在最有利的轉速范圍內工作，變速器各檔傳動比之間的關系基本是幾何級數。相鄰的低擋與高檔間傳動比的比值一般不大于1.8。另外，確定最低檔傳動比時，要考慮汽車最大爬坡度、驅動輪與路面的附著力、汽車最低穩定車速及主減速器傳動比等因素。

4 驅動控制系統硬件設計原則

混合動力汽車驅動力來自內燃機和電動機的共同驅動，永磁無刷直流電機由于具有高效、高功率密度、控制方法簡單而成為電動汽車電驅動控制系統的首選電機之一。因此電驅動電機一般采用永磁無刷直流電機。

（1）驅動系統控制策略。混合動力汽車的整車控制系統在通常情況下，發動機工作于定點高效率區，不足的驅動力矩由電動機來補足。為了實現高效率，混合動力汽車對電機驅動系統的要求是盡量實現恒轉矩啟動和恒功率運行，電動汽車驅動電機典型的輸出特性主要包括兩個工作區：①基速以下橫轉矩區，用于保證混合動力汽車的載重能力；②基速以上恒功率區，用于保證混合動力汽車有充足的加速空間。

圖6 三相BLDCM驅動系統結構圖

（2）驅動系統的設計。無刷直流電機驅動系統采用TMS3 20LF2407aDSP芯片作為主控制器，其主要包括：電源模塊、控制模塊、驅動模塊、逆變模塊、電機本體、傳感器模塊、系統安全檢測模塊等幾個主要組成部分，如圖6所示。無刷直流電機電氣部分主要包括電動機本體和逆變器，三相永磁BLDCM定子電樞繞組接成星形，兩相通電六狀態切換模式；功率主電路為IGBT或MOSFET組成的三相逆變橋；電源為車載動力蓄電池或發動機，經過DC/DC開關電源變換提供逆變器母線電壓和驅動器±15V電壓以及DSP用3.3V電壓源。

5 結語

隨著全球性能源危機的不斷加劇和環境問題的日益惡化，傳統汽車工業面臨著嚴峻的挑戰，對可再生能源和清潔能源的利用與開發是當前發展的趨勢，電動汽車和混合動力汽車的研發就是順應了這一科技發展趨勢。因此混合動力汽車，是目前清潔汽車研究的主要方向。

文章通過分析混合動力汽車的驅動系統結構類型和各自的特點，結合其組成及其工作模式給出了驅動系統部件參數的設計方法，確定了驅動系統的總成參數。而確定混合動力汽車驅動系統主要部件時必須綜合考慮性能要求、成本、工況和技術水平等因素，因此，汽油發動機仍將是近期混合動力汽車的首選方案；永磁無刷直流電機由于具有高效、高功率密度、控制方法簡單而成為電動汽車電驅動控制系統的首選電機之一。

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［4］趙航，史廣奎.混合動力電動汽車技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.

Research and Design of Hybrid Vehicle Driving System

CHEN You-peng
（Guangzhou Nanyang Polytechnic Vocational College，Guangzhou，Guangdong 510925，China）

This paper introduces the structure and theworkingmode of the hybrid vehicle in combination with the structure type and corresponding characteristicsof the hybrid system，and proposesa designmethod of the drive system which can consider the power and weightof each component comprehensively.According to the designmethod，considering the power of the hybrid vehicle，the fueleconomy and the discharge performance，the assembly parameters of the automobile drive system are given，the hardware design of the drive controlsystem isdetermined,and then the reasonable controlstrategy isselected.

hybrid vehicle；drive system；hardware design；controlstrategy

U469

A

2095-980X（2017）05-0088-02

2017-04-23

陳友鵬，主要研究方向：車輛。