插電式混合動(dòng)力轎車動(dòng)力平臺(tái)技術(shù)開發(fā)

韓友國　王若飛

【摘 要】本文以某款 PHEV轎車為研究對(duì)象，對(duì)混合動(dòng)力平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)研究，研究前橋混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成及優(yōu)化，對(duì)后橋電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及布置合理性進(jìn)行分析討論，并對(duì)整車安全性能進(jìn)行研究分析，最終得出確定此混合動(dòng)力平臺(tái)技術(shù)可行。

【關(guān)鍵詞】插電式混合動(dòng)力；四驅(qū)；混動(dòng)平臺(tái)；整車安全

【Abstract】Based on chery G3 PHEV cars as the research object， research on hybrid platform for development， research front axle hybrid drive system integration and optimization， the rear axle of electronic drive system design and arrangement of rationality analysis discussion， and through analyzing the performance of the vehicle safety， ultimately determine the hybrid platform technology is feasible.

【Key words】PHEV；All-wheel-drive；Hybrid platform；The vehicle safety

1 混合動(dòng)力總成構(gòu)型的研究

本文插電式混合動(dòng)力轎車前橋混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、分離離合器、ISG電機(jī)、CVT變速器構(gòu)成，后橋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由后驅(qū)電機(jī)、電子后橋構(gòu)成。兩套動(dòng)力系統(tǒng)可根據(jù)不同工況單獨(dú)或同時(shí)工作，以取得良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。車載高性能鋰電池作為整車電機(jī)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，兼顧能量型和功率型鋰電池的性能要求，整車具備純電動(dòng)續(xù)駛功能。

2 前橋混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、分離離合器、ISG電機(jī)、CVT變速器構(gòu)成，將發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)和變速器總成集成優(yōu)化，對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的軸系和輪系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高動(dòng)力總成系統(tǒng)連接的可靠性和耐久性。結(jié)合強(qiáng)混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器進(jìn)行匹配、優(yōu)化及適應(yīng)性的更改和設(shè)計(jì)，匹配和優(yōu)化其MAP效率來適應(yīng)混合動(dòng)力系統(tǒng)使用。

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)汽油車基礎(chǔ)上增加了ISG電機(jī)、控制器以及電壓的轉(zhuǎn)換DCDC部分。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要承載驅(qū)動(dòng)的輔助功能及電量和電壓的轉(zhuǎn)換功能，便于車輛在高速行駛或者急加速情況下采用混動(dòng)模式，更有利于發(fā)揮整車的動(dòng)力性能。

3 后橋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)

本文所描述后橋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)汽油車的隨動(dòng)后橋進(jìn)行更改設(shè)計(jì)，使其滿足驅(qū)動(dòng)需求。后驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一功率較大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)TM（Traction Motor），裝載集成減速器與差速器的電子后橋系統(tǒng)，電子后橋的結(jié)合與斷開都由MCU完成管理。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器（MCU）結(jié)合逆變器完成對(duì)后驅(qū)系統(tǒng)TM控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩輸出、模式控制等功能。

后橋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)系統(tǒng)，主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器和傳動(dòng)軸總成構(gòu)成了混動(dòng)四驅(qū)的后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；膨脹壺、散熱器和冷卻水管構(gòu)成了后驅(qū)動(dòng)的冷卻系統(tǒng)。由于原型車是前置前驅(qū)系統(tǒng)，若在此基礎(chǔ)上增加后驅(qū)純電動(dòng)系統(tǒng)，需要滿足一定的布置空間和后部結(jié)構(gòu)更改可行性。經(jīng)過分析，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器布置在后輪之間的相應(yīng)位置，調(diào)整離地間隙，可以保證通過性。根據(jù)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，微調(diào)動(dòng)總位置，校核設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸，由于減速器距離后右懸架的距離過遠(yuǎn)，需要增加中間軸，使可以滿足后懸架跳動(dòng)引起的傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的要求。根據(jù)后橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置位置，進(jìn)行懸置的設(shè)計(jì)，后橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)懸置采用左右后三點(diǎn)懸置固定。MCU控制器布置于車身左后縱梁位置，采用支架固定在電池包的骨架和車身支架上，距離電機(jī)比較近，可以方便三相電纜的連接。

根據(jù)后橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置，車身和后懸架機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)更改，車身底板避開動(dòng)力總成的干涉，局部增加加強(qiáng)，并增加懸置的安裝支架。后懸架機(jī)構(gòu)需要更改拖曳臂的結(jié)構(gòu)，增加后傳動(dòng)軸支撐，可以使動(dòng)力有效的傳遞給后輪。

4 系統(tǒng)集成技術(shù)開發(fā)

4.1 動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械集成

動(dòng)力系統(tǒng)主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)耦合機(jī)構(gòu)、變速箱、液壓單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用某公司現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品E4G16發(fā)動(dòng)機(jī)，開發(fā)CVT變速箱殼體與發(fā)動(dòng)機(jī)的端面進(jìn)行匹配安裝，并在殼體中安裝ISG電機(jī)耦合機(jī)構(gòu)，通過液壓單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

由于混合動(dòng)力各系統(tǒng)部件的最佳工作溫度場(chǎng)的不同及冷卻介質(zhì)的差異，將冷卻系統(tǒng)劃分為三部分組成。分別是：發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、電機(jī)控制器冷卻和CVT變速箱油冷卻，其中，前兩部分冷卻系統(tǒng)采用相同介質(zhì)冷卻，從而設(shè)計(jì)開發(fā)了混合分體式水箱，可以節(jié)省空間，增大迎風(fēng)面積；變速箱冷卻則將油冷器置于通風(fēng)條件比較好的地方，可以提高變速箱的效率，油泵固定于變速箱殼體上，以便油泵的震動(dòng)噪音可以通過變速箱的懸置軟墊系統(tǒng)進(jìn)行衰減，提高乘客的舒適性。

4.2 整車CAN網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在前期研究和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整合和優(yōu)化CAN信息和CAN協(xié)議定義，使CAN數(shù)據(jù)定義更加全面、合理和科學(xué)。由于強(qiáng)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電控節(jié)點(diǎn)也較多，全部在一條CAN網(wǎng)絡(luò)上會(huì)造成CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率過高，因此有必要設(shè)計(jì)兩條CAN網(wǎng)絡(luò)分別搭載網(wǎng)絡(luò)信息，且以HCU為轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)如HCU/BMS（Battery Management System）/ISG/TM/充電機(jī)/均衡器/EPS（Electronic Power Steering）可以搭載在CAN1，EMS（Engine Management System）/ESP/TCU（Transmission Control Unite）/儀表及車身控制器可以搭載在CAN2，這樣既可靠，又方便了信息交互。由于VMS跟大多數(shù)節(jié)點(diǎn)之間都有通訊，因此采用VMS做網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，組成雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)。由初步節(jié)點(diǎn)信號(hào)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在單CAN中的負(fù)載率。為了使兩條CAN線負(fù)載率趨于平均，網(wǎng)關(guān)盡量少轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，特?cái)M定了此拓?fù)浞桨浮?經(jīng)計(jì)算，這樣CAN1網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率22.4%，CAN2網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率25.4%。

5 整車安全技術(shù)開發(fā)

5.1 整車碰撞結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)

整車碰撞結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的原則是：確保在碰撞過程中和碰撞之后，乘員的人身安全不受影響，車上涉及安全的部件不遭破壞，本文描述整車進(jìn)行了高壓系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，高壓電氣系統(tǒng)具備良好的絕緣、接地以及高壓互鎖環(huán)路的連接狀態(tài)。

高壓電有效時(shí)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)的電壓、底盤絕緣狀態(tài)、接地狀態(tài)、高壓互鎖環(huán)路的連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高壓強(qiáng)電的漏電保護(hù)，碰撞安全保護(hù)、防水防塵保護(hù)等需求，并能按指令控制蓄電池組斷路接觸器和各種繼電器的接通和斷開，完成碰撞安全的系統(tǒng)布臵和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究利用。并通過CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析對(duì)電池包、后驅(qū)系統(tǒng)的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，整車滿足正面、側(cè)面及后部碰撞的安全技術(shù)要求。

5.2 碰撞電池安全

碰撞信號(hào)從安全氣囊控制器獲取，由安全氣囊控制器輸出，HCU和BMS通過硬件電路采集，同時(shí)安全氣囊控制器發(fā)出碰撞發(fā)生的CAN消息告知HCU和BMS，保證軟件的冗余；HCU檢測(cè)到碰撞信號(hào)后，立即置Battery-Enable 信號(hào)為低電平，輸出給BMS的高壓繼電器控制回路，同時(shí)發(fā)出Battery-disable的CAN消息給BMS。

高壓安全互鎖方案設(shè)計(jì)了3個(gè)高壓互鎖回路：HVIL_A、HVIL_B、HVIL_C，分別為放電回路、慢充回路、快充回路的高壓互鎖，根據(jù)不同功能安全要求設(shè)定各互鎖回路的安全等級(jí)。

6 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，其性能好壞直接影響著車輛運(yùn)行時(shí)的安全性和操縱穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也由開始簡單的純機(jī)械機(jī)構(gòu)發(fā)展到后來機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向（ Hydraulic Power Steering ，簡稱HPS） 和電控液壓助動(dòng)力轉(zhuǎn)向（ Electric Hydraulic Power Steering ，簡稱EHPS 機(jī)構(gòu)），以及目前的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（ Electric Power Steering ，簡稱EPS） 機(jī)構(gòu)。

傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連的齒輪驅(qū)動(dòng)，汽車發(fā)動(dòng)后，無論轉(zhuǎn)向與否系統(tǒng)的液壓泵都處于工作狀態(tài)，增加了能耗。同時(shí)由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在漏油和滲油現(xiàn)象，不利于環(huán)保。近年來，隨著人們對(duì)安全、環(huán)保和節(jié)能的呼聲越來越高，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種“按需型”的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)受到業(yè)界的普遍青睞，是未來汽車轉(zhuǎn)向的發(fā)展方向。汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了信號(hào)傳感裝置、電子控制裝置和轉(zhuǎn)向動(dòng)力機(jī)構(gòu)，主要部件包括：扭矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)和帶離合器的減速機(jī)構(gòu)。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器把檢測(cè)到的扭矩信號(hào)的大小和方向經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳給控制單元，控制單元同時(shí)接收車速傳感器檢測(cè)到的車速信號(hào)；然后根據(jù)車速傳感器和扭矩傳感器的信號(hào)決定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力扭矩的大小；同時(shí)電流傳感器檢測(cè)電路的電流，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)施監(jiān)控，最后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，實(shí)施助力轉(zhuǎn)向。

7 總結(jié)

本文以某款 PHEV轎車為研究對(duì)象，對(duì)混合動(dòng)力平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)研究，研究前橋混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成及優(yōu)化，對(duì)后橋電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及布置合理性進(jìn)行分析討論，并對(duì)整車安全性能進(jìn)行研究分析，最終得出確定此混合動(dòng)力平臺(tái)技術(shù)可行，本文所描述的混動(dòng)平臺(tái)技術(shù)已在某款 PHEV整車上搭載應(yīng)用，整車取得了公告認(rèn)證。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]