混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陳友鵬

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陳友鵬

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

文章結(jié)合混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型和對(duì)應(yīng)特點(diǎn)，對(duì)混合動(dòng)力汽車的組成及其工作模式進(jìn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。并以此設(shè)計(jì)方法，考慮混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，給出了汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總成參數(shù)，確定驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)而選擇確定合理的控制策略。

混合動(dòng)力汽車；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；控制策略

1 混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù)

電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括汽車技術(shù)、電氣技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)和化學(xué)技術(shù)等。盡管電源技術(shù)至關(guān)重要，是制約電動(dòng)汽車發(fā)展最主要的技術(shù)障礙，但車身設(shè)計(jì)、電力驅(qū)動(dòng)、能量管理和系統(tǒng)的優(yōu)化也同樣重要。事實(shí)上，將這些領(lǐng)域技術(shù)上的整合才是電動(dòng)汽車技術(shù)成功的關(guān)鍵?，F(xiàn)代電動(dòng)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(xué)工程領(lǐng)域中最新的技術(shù)發(fā)展結(jié)合到電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)中來，找到適合于電動(dòng)汽車的獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車能量的最優(yōu)化利用。

2 混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)

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

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車示意圖

（1）串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池和電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置以串聯(lián)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(biāo)cm表示電機(jī)，ice表示發(fā)動(dòng)機(jī)，w表示車輪，gb表示變速箱。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車具有控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，特別是發(fā)電機(jī)運(yùn)行的控制只需根據(jù)蓄電池充放電狀態(tài)決定發(fā)電或停止；發(fā)動(dòng)機(jī)總是在最佳工況下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，減少污染；動(dòng)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(diǎn)。

（2）并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪。如圖2所示，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別是省去了獨(dú)立的發(fā)電機(jī)，兩套動(dòng)力裝置可單獨(dú)或同時(shí)驅(qū)動(dòng)，有利于機(jī)構(gòu)布置；兩套動(dòng)力裝置可直接驅(qū)動(dòng)車輪，因此效率提高，能量損失降低；采用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)可以空載發(fā)電，及時(shí)補(bǔ)充蓄電池部分電能，延長(zhǎng)蓄電池續(xù)行里程等特點(diǎn)。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車示意圖

（3）混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車?；炻?lián)式混合動(dòng)力汽車綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力總成組成，可以根據(jù)行駛條件以串聯(lián)和并聯(lián)模式工作，所以，混聯(lián)系統(tǒng)具有串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)的雙重特性，具有兩種布置形式：切換系統(tǒng)和分路系統(tǒng)。盡管如此，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，目前應(yīng)用并不廣泛。綜合分析以上各個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。

3 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是所有用于傳遞能量并使車輛獲得運(yùn)動(dòng)能力部件的總稱，包括車載能源、原動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)主要部分。

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體方案

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系各部件特性、參數(shù)匹配及控制策略決定了整車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性、制造成本及重量?？紤]到充電設(shè)備的限制以及蓄電池組容量對(duì)車重的影響，混合動(dòng)力汽車裝備小容量的蓄電池組，在行駛時(shí)電池荷電狀態(tài)保持在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，不需從外部電網(wǎng)充電，屬于電量維持型混合動(dòng)力汽車。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要部件

混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池組、電動(dòng)機(jī)、功率變換器、扭矩耦合裝置、變速器和離合器等部件?；旌蟿?dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有三種布置形式：

（1）如圖3所示，扭矩在變速器輸入軸處進(jìn)行耦合，采用這種布置方式能通過變速器同時(shí)改善發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作點(diǎn)，電機(jī)可以用來在較高的轉(zhuǎn)速下快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是結(jié)構(gòu)上較為復(fù)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）如在圖4所示，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩在變速器輸出軸處耦合，變速器只傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)或帶傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

圖4 扭矩在變速器輸出軸處耦合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 扭矩在車輪處耦合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（3）如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)分別通過各自的傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)車輪。這種結(jié)構(gòu)不需要扭矩耦合裝置，但是控制復(fù)雜，只適合于四輪驅(qū)動(dòng)車輛?？紤]到現(xiàn)有的部分發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器配套設(shè)計(jì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸進(jìn)行扭矩耦合困難，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用第二種布置形式，扭矩通過帶傳動(dòng)裝置在變速器輸出軸處進(jìn)行扭矩耦合，不配置發(fā)電機(jī)。

3.3 汽車行駛驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

（1）加速行駛功率。水平路面加速行駛功率按下式計(jì)算：

式中：Mv為汽車質(zhì)量（kg）；V為車速（m/s）；ρa(bǔ)為空氣密度（kg/m3）；A為迎風(fēng)面積（m2）；δ為質(zhì)量當(dāng)量系數(shù)，此處取δ=1；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；Cr為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

（2）爬坡功率。爬坡時(shí)功率為：

式中θ表示斜坡傾角。同理，將其簡(jiǎn)寫為：

其中：c=gVg（sinθ+Crcosθ）

（3）整車質(zhì)量。整車質(zhì)量由下式得出：

式中：Mv為汽車整車質(zhì)量（kg）；Mb為車身相關(guān)部分質(zhì)量（kg）；Mch為底盤非傳動(dòng)系部分的質(zhì)量（kg）；Mdr為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量（kg）；Ml為載重質(zhì)量（kg）。

上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量為發(fā)動(dòng)機(jī)、電池組、電動(dòng)機(jī)及控制器和變速器各部件質(zhì)量之和。

（4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大功率?；旌蟿?dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率大小，以及在行駛過程中動(dòng)態(tài)決定功率在兩者間的分配比例（通過控制策略實(shí)現(xiàn)）。混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要滿足車輛在最高速度勻速行駛或長(zhǎng)時(shí)間勻速爬坡行駛時(shí)的功率需求，而電機(jī)則要能提供車輛加速或路面坡度較大行駛時(shí)所需的峰值功率。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每一個(gè)部件，在功率轉(zhuǎn)換和傳輸時(shí)均有一定的損失，各個(gè)部件的效率分別用ηice，ηbat，ηmot，和ηtra表示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的最大功率分別按下式計(jì)算：

（5）傳動(dòng)比確定原則。變速器檔位數(shù)及各檔的傳動(dòng)比對(duì)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性影響很大。檔數(shù)多，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常處在最大功率附近的轉(zhuǎn)速工作，而且使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍小，發(fā)動(dòng)機(jī)平均功率高，故可提高汽車的動(dòng)力性。同時(shí)較多的檔數(shù)也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低油耗區(qū)工作的可能性，因而能提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，變速器各檔傳動(dòng)比之間的關(guān)系基本是幾何級(jí)數(shù)。相鄰的低擋與高檔間傳動(dòng)比的比值一般不大于1.8。另外，確定最低檔傳動(dòng)比時(shí)，要考慮汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著力、汽車最低穩(wěn)定車速及主減速器傳動(dòng)比等因素。

4 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則

混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)力來自內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的共同驅(qū)動(dòng)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)由于具有高效、高功率密度、控制方法簡(jiǎn)單而成為電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的首選電機(jī)之一。因此電驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)。

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略?；旌蟿?dòng)力汽車的整車控制系統(tǒng)在通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于定點(diǎn)高效率區(qū)，不足的驅(qū)動(dòng)力矩由電動(dòng)機(jī)來補(bǔ)足。為了實(shí)現(xiàn)高效率，混合動(dòng)力汽車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是盡量實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)和恒功率運(yùn)行，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)典型的輸出特性主要包括兩個(gè)工作區(qū)：①基速以下橫轉(zhuǎn)矩區(qū)，用于保證混合動(dòng)力汽車的載重能力；②基速以上恒功率區(qū)，用于保證混合動(dòng)力汽車有充足的加速空間。

圖6 三相BLDCM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)模塊、逆變模塊、電機(jī)本體、傳感器模塊、系統(tǒng)安全檢測(cè)模塊等幾個(gè)主要組成部分，如圖6所示。無(wú)刷直流電機(jī)電氣部分主要包括電動(dòng)機(jī)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(tài)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(dòng)力蓄電池或發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過DC/DC開關(guān)電源變換提供逆變器母線電壓和驅(qū)動(dòng)器±15V電壓以及DSP用3.3V電壓源。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著全球性能源危機(jī)的不斷加劇和環(huán)境問題的日益惡化，傳統(tǒng)汽車工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對(duì)可再生能源和清潔能源的利用與開發(fā)是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的研發(fā)就是順應(yīng)了這一科技發(fā)展趨勢(shì)。因此混合動(dòng)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(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型和各自的特點(diǎn)，結(jié)合其組成及其工作模式給出了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，確定了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總成參數(shù)。而確定混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要部件時(shí)必須綜合考慮性能要求、成本、工況和技術(shù)水平等因素，因此，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)仍將是近期混合動(dòng)力汽車的首選方案；永磁無(wú)刷直流電機(jī)由于具有高效、高功率密度、控制方法簡(jiǎn)單而成為電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的首選電機(jī)之一。

［1］楊慶彪.混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)原理與維修［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2010.

［2］高海鷗，王仲范.PRIUS混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)鍵合圖建模仿真［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（1）：63-65.

［3］程偉，徐國(guó)卿.混合動(dòng)力車用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［J］.微特電機(jī)，2004，（9）.

［4］趙航，史廣奎.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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。