混合動力汽車驅動系統方案設計及控制策略研究

麥明珠 何建威

摘要：混合動力汽車的性能與驅動系統的參數匹配以及車輛的協調等都有著十分密切的關系。論文以并聯式混合動力汽車為研究對象，根據混合動力汽車的驅動系統結構類型和各自的特點，進行混合動力驅動系統配置、重要部件選型和參數設計，提出了一種能綜合考慮各部件功率情況的驅動系統設計方案及控制策略。

關鍵詞：混合動力汽車;驅動系統;控制策略

1? 混合動力汽車的類型

混合動力汽車中采用了不同的動力裝置，其中主要有內燃機和電機，在實際運行過程中可以通過對內燃機和電機儲能裝置的有效時間控制和能量分配提升能量使用效率。而混合動力汽車動力系統的組成方式非常的多樣，結構設計也呈現出不同的形式，根據混合動力汽車驅動系統以不同的方式進行結合，主要有串聯式、并聯式、混聯式三種形式[1]。

串聯式的汽車是先借助發動機帶動發電機進行發電，然后電能再通過電機驅動汽車行駛。而并聯式則不同，采用的是發動機和電動機共同驅動車輪。其中電動機是輔助動力。并聯式混合動力電動汽車的組成結構相對比較復雜，包括發動機、發電機、電動機、蓄電池組、動力控制單元、動力分配裝置等，如圖1所示?；炻撌絼t是串聯式和并聯式的綜合，可以根據行駛條件以串聯或并聯模式進行工作[2]。但其結構復雜、成本高，本文采用并聯式結構。

2? 驅動系統總體設計方案

混合動力汽車驅動系統的部件特性、參數以及控制策略對于車的性能具有十分重要的作用。但是充電設備的限制以及蓄電池組容量還是不能夠忽視的，如果使用容量小的蓄電池，在行駛時電池荷電狀態在一定范圍內變動，而不用借助外部電網。所以本方案屬于電量維持型混動汽車[2]。

混合動力汽車驅動系統主要包括發電機、電池組、電動機、離合器變速器等部件。根據電機發動機扭矩的耦合方式不同，混動汽車驅動系統主要有三種布置形式。

第一種布置形式，如圖2，動力輸出的扭矩主要在變速器的輸入軸前端進行耦合。采用這種布置方式能通過變速器改善發動機和電機的工作點，電機可以在較高的轉速下使發動機啟動，但是還存在著一定的問題，主要是結構復雜，變速器功率較大。

第二種布置形式，如圖3，動力輸出的扭矩主要在變速器的輸出軸前端進行耦合，變速器的作用是傳遞發動機的輸出功率，其額定功率比第一種形式小。這兩種布置形式，扭矩耦合裝置主要是通過齒輪傳動來實現。齒輪傳動效率高，結構緊湊，帶傳動布置靈活，具有防過載的特點，在實際中采用較多。

第三種布置形式，如圖4，發動機和電機通過各自的傳動系驅動車輪。但是存在控制復雜的缺點，本文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。

3? 混合動力汽車驅動系統部件參數確定

對于混合動力汽車驅動系統的主要部件參數，要在動力性能滿足的前提下，根據動力系統的控制策略，整車參數來確定[3]。本文所選車型基礎參數如表1所示。

3.1 發動機參數確定

發動機參數的設計主要是發動機功率的選擇，一般以巡航速度為例，那么發動機功率按下式計算[3]：

式中，Pc為發動機單獨驅動產生的功率;η1為傳動效率，取為0.9;m為整車質量;g為重力加速度;f為滾動阻力系數;vc為巡航速度;CD為空氣阻力系數;A迎風面積。

3.2 電動機參數確定

電動機是混合動力汽車的2 個核心動力部件之一，其運行特性對汽車的性能具有重要影響。由于并聯式混合動力汽車的電動機只在低速和加速時工作，所以電動機功率的選擇須滿足汽車的加速要求、最大爬坡度以及純電動運行的續駛里程要求。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，如圖5所示。

驅動電機典型的輸出特性主要包括兩個工作區：①基速以下恒轉矩區，主要作用是對混合動力汽車的載重能力的保障;②基速以上恒功率區，作用是保證具有足夠的加速空間。驅動電機功率可由下式計算[3]：

式中，Pd為電動機功率;η2為電機傳動效率;vd為汽車低速行駛時的速度。

3.3 主減速器和扭矩耦合裝置傳動比確定

對于并聯型混合動力汽車，選擇大的主減速器速比，主減速器速比大，則相應的汽車的加速和爬坡能力就會更加的突出。但是實際中主要取決汽車的動力性和燃料經濟性。主減速器的傳動比過大可能會減小了離地間隙，使汽車的通用性降低。

對于混合動力電動汽車，在加速和爬坡時電機要提供峰值功率。由公式可計算出車輛在Vm時電機所需提供的峰值功率Pmot。則此時電機的輸出扭矩應為：

4? 混合動力汽車驅動系統的控制策略

混合動力汽車驅動系統在高效率區進行工作，其中不足的驅動力矩則是由電動機補足。在實際過程中，使發動機穩定在高效低排放工作區工作能夠有效的延長電池使用壽命。因此，對混合動力電動汽車進行結構與控制分析具有十分的重要性，合理的控制策略十分重要，可以保證節能環保的要求。在以車速為主要參數的控制策略協同優化如下[3]：①與所設定的車速相比，如果汽車車速較低時，但是電池SOC 值卻高于最小值時，可以關閉發動機，電動機單獨驅動汽車行駛;②當車速高于所設定的車速時，電動機關閉，發動機提供全部轉矩;③當電池SOC 值過低時，電動機工作在發電狀態，應當給電池組充電;④當汽車處于加速時，發動機和電動機一起工作，共同驅動車輛行駛;⑤當汽車減速或者制動時，電動機工作在發電狀態，回收制動能量。

5? 結束語

混合動力汽車是一個復雜的多能源系統，論文在分析研究混合動力汽車的結構類型特點等基礎上，設計合理的驅動系統結構方案。通過理論推導，確定了驅動控制系統的硬件設計，并給出了相應的合理驅動系統控制策略，保證了混合動力汽車的動力性、燃油經濟性和排放性能。

參考文獻：

[1]楊慶彪.混合動力汽車結構原理與維修[M].中國勞動社會保障出版社，2012.

[2]陳友彭.混合動力汽車驅動系統的研究與設計[J].時代農機，2017（5）：88-89，91.

[3]宮喚春.混合動力汽車驅動系統方案設計[J].汽車工程師，2019（12）：17-20.

[4]鄭晨飛，田韶鵬.新型兩軸驅動混合動力汽車動力系統設計[J].江蘇大學學報，2018（4）：391-396.

[5]蔣超宇.混合動力汽車中的動力驅動系統的研究[J].科技創新導報，2017（3）：62-63.