混合動力電動汽車電驅動系研究綜述

宋佳　王鑫海　徐文龍　呂釗欽　穆桂脂

摘 要：本文闡述了并聯式、串聯式、混聯式混合動力電動汽車電驅動系的結構與特征，首先說明了串聯式、并聯式、混聯式的結構特點和不同點。然后分別說明了各自的優(yōu)缺點并對其進行詳細分析，分析了串聯式混合動力在不同負荷下的行駛狀態(tài);對并聯式混合動力的驅動模式進行分析;最后分別分析同軸混聯式混合動力驅動系統(tǒng)、行星齒輪傳動混聯式混合動力系統(tǒng)。

關鍵詞：混合動力;電驅動系統(tǒng);耦合裝置

1 引言

近年來隨著汽車保有量的大幅增加，能源短缺及環(huán)境污染問題日益凸顯，國際各大汽車制造商和研究學者也開始探索降低燃油消耗的新技術：通過一系列發(fā)動機改進技術[1-2]、變速器技術[3]、車身設計[4-5]等手段可實現不同程度的整車節(jié)油效果。而混合動力汽車具有多個行駛模式，被認為是當前最具有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉雌嚒Ｎ覈畯摹笆濉本烷_始將發(fā)展新能源汽車作為我國的重大科技戰(zhàn)略需求和戰(zhàn)略重點，確定了“三縱三橫”研發(fā)布局，出臺了一系列政策以培育新能源汽車產業(yè)[6]。因此，混合動力汽車成為研究熱點。

混合動力汽車具有發(fā)動機和電動機兩個動力源系統(tǒng)，車輛具有多種行駛模式如：發(fā)動機單獨驅動、電機單獨驅動或發(fā)動機電機混合驅動，并可以根據不同的行駛工況選擇合適的驅動/制動模式以實現良好的燃油經濟性及動力性[7]。

混合動力汽車根據動力機構的轉矩轉速耦合方式的不同，分為串聯式[8-9]、并聯式[10-11]和混聯式[12-13]。

串聯式混合動力汽車中車輪由電力系統(tǒng)驅動，發(fā)動機只作為能量儲存系統(tǒng)，發(fā)動機產生的能量儲存起來用作電機運轉。如圖1所示。發(fā)動機不直接參與驅動，理論上可以工作在任意低油耗區(qū)或者低排放區(qū)，但是能量轉化次數較多，能量利用率低[14]。

圖2給出了并聯式混合動力汽車的拓撲結構。此時發(fā)動機和電機可共同或分別獨立驅動車輪，降低了能量轉化的損失，但發(fā)動機的工作點無法在理論上工作于任意低排放或低油耗區(qū)[15-16]。

混聯式混合動力汽車中，如圖3所示，發(fā)動機的功率在動力系統(tǒng)有兩路能量傳遞路線，既可通過機械路徑驅動車輪又可轉換成電功率，通過動力耦合裝置實現電功率和機械功率的匯合。因此，該構型又稱功率分流式混合動力汽車[17-18]。

圖中，F為燃油箱;E為發(fā)動機;M為電機;G為發(fā)電機;B為電池;T為變速箱;I為整流器;Spl為動力耦合裝置

2 串聯式混合動力電驅動系[19-20]

2.1 串聯式混合動力汽車的行駛狀態(tài)[21]???：

正常行駛時，發(fā)動機能夠始終運轉在最佳運轉工況，燃油消耗率低，排放少。發(fā)動機發(fā)出的功率帶動發(fā)電機發(fā)電，然后在驅動電動機驅動車輛前進。

車輛行駛速度較低，所需驅動功率小，發(fā)動機發(fā)出的功率超過電動機驅動功率需求，多余的功率儲存在蓄電池中;車輛行駛速度較高，所需驅動功率較大，電動機驅動車輛的電能來自于發(fā)動機和蓄電池。

2.2 串聯式混合動力汽車的優(yōu)缺點：

結構優(yōu)點[22-23]：

1低負荷行駛時，可只用電能驅動，實現能實現“零污染”行駛;

2發(fā)動機與驅動輪之間沒有機械上的連接，原則上可以使發(fā)動機工作在任意轉速-轉矩區(qū)域，提高燃油經濟性;

3只有電機驅動系統(tǒng)，結構簡單，成本較低，且易于控制，布置靈活的高;

5有利于制動能量的回收

存在缺點[24]：

1汽車啟動需要由電驅動系統(tǒng)克服行駛最大阻力，驅動電機需求功率較大，電機效率低;

2存在兩次能量轉換，能量利用率低，能量轉換總的效率低;

3驅動系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)之間的匹配要求較嚴格，應能自動啟動或關閉驅動系統(tǒng)，以避免動力電池組過放電，這就需要更大的電池容量。

2.3 總結

串聯式混合動力驅動系統(tǒng)一般使用在大型客車，行駛在道路復雜的市區(qū)，可以完全以純電動行駛，不適用發(fā)動機，有效降低尾氣排放。隨著對蓄電池的研究，蓄電池的能量密度隨之加大，更加符合純電動的要求，因此串聯式混合動力電動汽車使用發(fā)動機的次數越來越少，最終會向純電動汽車的目標邁進。

3 并聯式混合動力電驅動系[25]

3.1 并聯式混合動力電動汽車的驅動模式[26-27]：

并聯式混合動力驅動系統(tǒng)中發(fā)動機和電動機通過轉矩轉速耦合裝置耦合后驅動車輛前進。在并聯式傳動系統(tǒng)中，功率傳遞路線有兩條，兩條路線獨立驅動，互不干擾。若其中一條故障，另一條仍可以驅動車輛。這種結構可以使汽車以純電動行駛，或讓發(fā)動機工作在低排放區(qū)。

并聯式混合動力汽車有四種組合驅動方式：

1轉矩結合式

該結構形式中，發(fā)動機直接經傳動系統(tǒng)驅動車輛前進，同時帶動發(fā)電機向蓄電池充電。當需要大功率時，蓄電池提供電能帶動電動機，電動機和發(fā)動機同時驅動汽車。電動機也可以用來啟動發(fā)動機。

2轉速結合式

該結構的傳動系統(tǒng)中存在一個離合器，用來連接發(fā)動機和“動力耦合器”，發(fā)動機或者電動機通過“動力耦合器”來驅動汽車。與傳動汽車的傳動結構相比變化不大，電動機的連接結構簡單?！皠恿︸詈掀鳌笨梢允拱l(fā)動機或電動機之間的轉速可以靈活的分配。

3驅動力結合式

該結構可以使用小功率的發(fā)動機，發(fā)動機單獨驅動前輪，電力驅動系統(tǒng)單獨驅動后輪。兩套驅動系統(tǒng)既可獨立驅動汽車又能相互配合，使車輛實現四驅。此種混合動力電動汽車具有四輪驅動的特性。

3.2 并聯式混合動力汽車的優(yōu)缺點[28-29]：

結構優(yōu)點：

1發(fā)動機與電動機直接向驅動輪提供能量，能量損失較小，整體效率較高;

2發(fā)動機驅動系統(tǒng)和電機驅動系統(tǒng)的功率設計為汽車功率的50%-100%即可，因此可縮小整體的質量和體積。

存在缺點：

1主要驅動模式是靠發(fā)動機驅動，因此傳動系統(tǒng)與內燃機汽車基本相似，發(fā)動機的廢氣排放高于串聯式;

2傳動系統(tǒng)除傳統(tǒng)組件，如：離合器、變速器、傳動軸和驅動器等，還有驅動電機、電池組、動力耦合裝置，結構更加復雜，控制困難。

3.3 總結

因此，并聯式驅動系統(tǒng)最適合高速、大功率行駛，工況穩(wěn)定，價格較低，因此，在電池技術問題徹底解決之前，它會成為新能源汽車產業(yè)的主流產品。

4 混聯式混合動力電驅動系[30-31]

4.1 混聯式混合動力的優(yōu)缺點[32-33]：

結構的優(yōu)點：

1、可以有更多工作模式可供選擇，燃油經濟性更佳;

2、傳動系統(tǒng)整天平順性更好。

存在的缺點有：

1、傳動系統(tǒng)復雜，布置困難;

2、動力部件太多，系統(tǒng)控制難度高。

4.2 混聯式混合動力的分類

4.2.1 同軸混聯式混合動力驅動系統(tǒng)[34-35]

同軸混聯式結構增加了起動發(fā)電一體機（ISG），與發(fā)動機安裝在一起，可以快速啟停發(fā)動機、調節(jié)發(fā)動機功率。ISG電機的另一側與離合器相連，通過離合器直接驅動車輛。當離合器斷開時，發(fā)動機在高效率去工作，發(fā)動機拖轉ISG電機為蓄電池充電，車輛由驅動電機驅動，此時處于串聯狀態(tài);當離合器結合時，發(fā)動機直接進入動力系統(tǒng)，此時處于并聯狀態(tài)。

同軸混聯式系統(tǒng)構型的優(yōu)點：

1）系統(tǒng)構型方案簡單，易于實現;

2）系統(tǒng)串并聯切換運行可應對復雜交通工況，通過不同模式切換促進燃油經濟性;

3）大功率電機直驅車輪保證了整車動力性也最大化了制動能量回收的程度。

同軸混聯式系統(tǒng)構型的缺點：

1）ISG電機、大功率電機、大容量電池，使系統(tǒng)成本增加;

2）大功率電機直驅不能滿足所有道路工況，行駛在多坡道道路時適應性下降。

4.2.2 行星齒輪傳動混聯式混合動力系統(tǒng)[36-37]

該結構兼顧串聯式和并聯式結構的能量傳輸路線，通過能量管理策略進行控制，使行星齒輪傳動混聯式混合動力系統(tǒng)具有了并聯式和串聯式的結構優(yōu)點，從而能夠工號的協調各動力部件，使動力系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，從而保證該動力系統(tǒng)在各種工況下使汽車運行于最佳狀態(tài)。

行星齒輪混聯式構型方案的優(yōu)點[38]：

1）由于行星排結構的特殊性，可以通過調節(jié)任意兩個構件的轉速和轉矩，使另一個構件轉速轉矩為0。這樣可以去掉離合器，通過調節(jié)行星排轉速和轉矩來起到發(fā)動機平穩(wěn)起步的效果。去掉離合器，不僅簡化的傳動系統(tǒng)結構，同時使系統(tǒng)的模型簡化，省去控制過程的不連續(xù)性和非線性;

2）可以實現純電行駛、怠速停機模式等，最大限度提升整車燃油經濟性。

行星齒輪傳動混聯式構型方案的缺點：

1）行星齒輪傳動機構較為復雜，控制難度大;

2）不適于較大負荷的轉矩傳輸，更適合小型乘用車。

綜上，行星齒輪混聯式動力系統(tǒng)對于各種道路運行工況都具有較強的適應性，無論是在高速公路上還是在市區(qū)工況中行駛，其經濟性和排放都具有優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]Beatrice C，Rispoli N，Blasio G D，et al. Impact of Emerging Engine and After-Treatment Technologies for Improved Fuel Efficiency and Emission Reduction for the Future Rail Diesel Engines[J]. Emission Control Science & Technology，2016，2（2）：1-14.

[2]Tang Q，Fu J，Liu J，et al. Performance improvement of liquefied natural gas （LNG） engine through intake air supply[J].Applied Thermal Engineering，2016，103：1351-1361.

[3]Xu X，Dong P，Liu Y，et al.Progress in Automotive Transmission Technology[J].Automotive Innovation，2018，1（3）：1-24.

[4]陳新，雷飛，陳國棟，et al.基于高強度鋼選型及成本控制的車頂結構耐撞性優(yōu)化設計[J].中國機械工程，2013，24（1）：115-120.

[5]冉航.基于空氣動力學原型的VAN式電動物流車造型設計[D].2017.

[6]施德華.功率分流式混合動力汽車能量管理系統(tǒng)混雜動態(tài)建模與優(yōu)化控制研究[D].2017.

[7]混合動力客車排放特性分析研究[D].武漢理工大學，2008.

[8]Johanyák Z C.A Simple Fuzzy Logic Based Power Control for a Series Hybrid Electric Vehicle[C]//Modelling Symposium.IEEE，2016.

[9]Zhu，Tianjun，Li，Bin，Zong，Changfu，et al.Series Hybrid Electric Vehicle Power System Optimization Based on Genetic Algorithm[J].2017，235（1）：012013.

[10]Adhikari S，Halgamuge S K，Watson H C.An Online Power-Balancing Strategy for a Parallel Hybrid Electric Vehicle Assisted by an Integrated Starter Generator[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59（6）：2689-2699.

[11]Wang Q N，Hong wen H E，You de L I，et al.Study on Parameter Matching for Parallel Hybrid Electric Vehicle Powertrain[J].Journal of Jilin University of Technology，2000.

[12]Chen S，Wang L，Liao C，et al.Realization of an energy management strategy for a series-parallel hybrid electric vehicle[C]// Vehicle Power and Propulsion Conference，2008.VPPC '08.IEEE.IEEE，2008：1-6.

[13]Ghayebloo A，Radan A.Optimal design of dual mechanical ports machine in series-parallel hybrid electric vehicle application[C]// Power Electronics，Drive Systems and Technologies Conference.IEEE，2013：130-135.

[14]胡驊.混合動力源電動汽車和電動汽車的電動機[J].世界汽車，2001（3）：37-53.

[15]并聯混合動力汽車控制策略和軟件設計的研究[D].吉林大學，2004.

[16]并聯式混合動力汽車能量管理策略優(yōu)化研究[D].山東大學，2008.

[17]楊琦.混聯式混合動力汽車優(yōu)化研究[D].復旦大學，2014.

[18]熊偉威，舒杰，張勇，等.一種混聯式混合動力客車動力系統(tǒng)參數匹配[J].上海交通大學學報，2008，42（8）：1324-1328.

[19]藍宏，胡廣艷，張立偉，等.串聯式混合動力電動車電機驅動控制系統(tǒng)設計[J].電機技術，2007（3）：23-27.

[20]串聯式混合動力電動汽車PMSM矢量控制系統(tǒng)研究[D].湖南大學，2012.

[21]袁英敏，曾楊，李偉.串聯式混合動力車輛驅動控制策略研究[J].建設機械技術與管理，2016，29（12）：66-69.

[22]陳子興.串聯式混合動力汽車結構技術分析[J].內江科技，2009，30（12）：85-85.

[23]鄭勝敏，吳森.串聯式混合動力在城市公交運行中的優(yōu)勢[J].人民公交，2007（11）：25-26.

[24]吳森，趙世科.串聯式混合動力電動汽車經濟性研究[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2005，27（1）：111-115.

[25]顏伏伍，潘慶慶，杜常清.并聯混合動力汽車從純電動切換至發(fā)動機驅動的控制研究[J].汽車技術，2009（1）：30-34.

[26]張桂榮，肖玉軍.混合動力電動汽車及其驅動模式[J].山東交通學院學報，2007，15（2）：30-35.

[27]張邦基，于德介，鄧元望.基于模糊邏輯的并聯式混合動力電動汽車能量控制系統(tǒng)[J].汽車工程，2009，31（6）：496-502.

[28]李國岫，李秀杰.并聯式混合動力電動汽車動力總成控制策略的研究[J].公路交通科技，2005，22（4）：129-131.

[29]呂建美，牛禮民，周亞洲，等.并聯式混合動力汽車控制策略分析[J].汽車工程師，2017（11）：56-60.

[30]俞明，羅玉濤，黃榕清.一種混聯式電動汽車驅動系統(tǒng)[J].華南理工大學學報 （自然科學版），2001，29（8）：90-92.

[31]混聯式混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)特性及其仿真的研究[D].西安理工大學，2010.

[32]楊宏亮，陳全世.混聯式混合動力汽車控制策略研究綜述[J].公路交通科技，2002，19（1）：103-107.

[33]周磊，羅禹貢，楊殿閣，等.混聯式混合動力車多能源動力控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].機械工程學報，2007，43（4）：125-131.

[34]裴東杰.基于Advisor的同軸式混聯混合動力客車動力系統(tǒng)仿真研究[D].鄭州大學，2013.

[35]秦東晨，裴東杰，陳江義，等.基于Advisor的同軸式混聯混合動力汽車動力系統(tǒng)仿真[J].鄭州大學學報（工學版），2013，34（6）：120-124.

[36]石大排.基于行星齒輪傳動的插電式混合動力汽車能量管理策略研究[D].山東理工大學，2015.

[37]秦兆博，羅禹貢，解來卿，等.基于行星傳動的雙?；旌蟿恿β膸к囕v傳動系統(tǒng)結構設計[J].清華大學學報（自然科學版），2018（1）：27-34.

[38]王曉闖.混合動力客車用雙排行星齒輪機構研究[D].西南交通大學，2014.