混合动力汽车中的动力驱动系统的研究

谢忠志

摘 要：混合动力汽车作为解决汽车节能、降低排放的措施，已广泛受到关注。电机驱动系统作为混合动力汽车中一个重要的部分也作为重要的研究对象。该文以混合动力汽车中的动力系统永磁同步电机控制系统作为研究对象。对各种可适用于混合动力汽车的牵引电机特性进行了比较，选择了永磁同步电机作为混合动力汽车的驱动电机。然后在Matlab/Simulink下建立应用于混合动力汽车的永磁同步电机调速系统仿真模型，并对仿真结果做分析研究。

关键词：混合动力汽车 永磁同步电机 驱动系统 仿真

中图分类号：T34M8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

电动汽车是电动车辆的一种，是指由车载电源提供全部或部分动力。主要包括纯电动汽车和混合动力电动汽车。混合动力电动汽车是以内燃机为主、蓄电池为辅的汽车。由于性价比不高，混合动力型汽车不会作为主流产品。

1 混合动力汽车的发展

1.1 世界混合动力汽车的总体发展现状

德国奔驰、日本丰田、美国通用等具备强大技术优势的汽车企业，对于全球汽车业最大课题——能源与环境的对策在近年来殊途同归：近期，努力完善混合动力车；长远迈出氢动力燃料电池车从概念车向商品化的步伐。

目前全球汽车用的镍氢电池主要是日本松下、三洋公司垄断。

1.2 我国混合动力汽车的发展现状

2012年7月18日，由盖世汽车研究院主办的主题为“中国将迎来混合动力爆发期？”的圆桌论坛活动在北京举行。在《节能与新能源汽车产业规划（2012—2020）》出台后，关于汽车新能源和混合动力节能汽车的讨论激烈开展。

国内公司长沙科霸的电池正极负极片已完全通过丰田严苛验证，正式进入丰田采购阶段。公司已进入了丰田的供应链，未来将分享丰田汽车混动的全球销量的增长。

2 混合动力汽车分类及结构原理

混合动力车是指同时装备两种动力来源——热动力源与电动力源的汽车。目前混合动力总成一般以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式三种。

2.1 串联式动力

它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机—发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。

2.2 并联式动力

并联式混合动力汽车的组成：发动机；电动机/发动机；机械传动系统；驱动电动机；逆变器；蓄电池组。是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。驱动模式为：①以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；②驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮。

2.3 混联式动力

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合。三种混合动力电动汽车中混联式是最优的。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。

3 混合动力汽车电力驱动系统

3.1 优点

车辆启动或停止时，只有电动机运行。达到一定车速时，发动机启动介入工作，因此，发动机一直保持在最佳工况状态。在并联混合动力车中，当需要更大驱动力时，电动机和发动机还可以协同驱动车辆。混合动力系统可以使得小排量发动机汽车动力性好，排放更优，同时油耗也可以有所降低。

同时降低环境污染，提高电能使用效率（利用晚上富余低价电能），对用户来说，就是使用成本下降，理想情况下，每百公里用油电混合车辆，综合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合动力汽车电机的选择

从性价比来看，选用原则为体积小、重量轻的高效电机。其主要的电机驱动系统有直流电机调速系统、感应电机调速系统、永磁同步电机调速系统和开关磁阻电机调速系统。随着高性能永磁材料、电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，永磁同步电机（PMSM）的应用领域不断扩大，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，永磁同步电机矢量控制系统的研究已成为中小容量交流伺服系统研究的重点之一。

在交流驱动系统的研究工作中，美国GM公司与Unique Mobility公司曾联合对峰值功率100 kW的异步电机和永磁同步电机驱动系统做过比较，如表1所示。

从表1中可以看出，永磁电机在功率密度、效率等性能方面均优于异步电机，特别是稀土永磁直流电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。

3.3 控制策略

永磁同步电机的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。目前常用的变频调速方式有转速闭环恒压频比控制（v/f）、转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制（Vector Control）以及直接转矩控制（Direct Torque Control）。

实际应用中应当根据性能要求采用相应的控制策略，以获得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步电动机已经被广泛地应用于国民经济的各个领域，特别在混合动力汽车领域。

4 驱动系统Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驱动系统仿真模型

如图1所示。

4.2 仿真结果

使用控制，给定转速设置为，负载给定为带载启动，在时突加负载。仿真结果如图2所示。

从转速响应曲线中可以看出，转速在启动后，经过大约0.03 s后基本达到稳定，突加负载后0.01 s后达到稳定，转速响应较为理想。转矩响应较为波动在左右，较为平稳。

5 结语

该文仅在理论上和算法上进行了研究仿真，并未具体设计控制系统电路。混合动力汽车在机械结构和负载类型上有其特殊的特点，应用于混合动力汽车的交流控制系统还需要做很多的适应性的研究。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保华，王伟明，张建武，等.并联混合动力汽车控制策略比较研究[J].系统仿真学报，2006（2）：81-84.

[3] 张威.Stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合动力电动汽车最优控制与实例仿真[J].系统仿真学报，2007（1）：47-51.endprint

摘 要：混合动力汽车作为解决汽车节能、降低排放的措施，已广泛受到关注。电机驱动系统作为混合动力汽车中一个重要的部分也作为重要的研究对象。该文以混合动力汽车中的动力系统永磁同步电机控制系统作为研究对象。对各种可适用于混合动力汽车的牵引电机特性进行了比较，选择了永磁同步电机作为混合动力汽车的驱动电机。然后在Matlab/Simulink下建立应用于混合动力汽车的永磁同步电机调速系统仿真模型，并对仿真结果做分析研究。

关键词：混合动力汽车 永磁同步电机 驱动系统 仿真

中图分类号：T34M8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

电动汽车是电动车辆的一种，是指由车载电源提供全部或部分动力。主要包括纯电动汽车和混合动力电动汽车。混合动力电动汽车是以内燃机为主、蓄电池为辅的汽车。由于性价比不高，混合动力型汽车不会作为主流产品。

1 混合动力汽车的发展

1.1 世界混合动力汽车的总体发展现状

德国奔驰、日本丰田、美国通用等具备强大技术优势的汽车企业，对于全球汽车业最大课题——能源与环境的对策在近年来殊途同归：近期，努力完善混合动力车；长远迈出氢动力燃料电池车从概念车向商品化的步伐。

目前全球汽车用的镍氢电池主要是日本松下、三洋公司垄断。

1.2 我国混合动力汽车的发展现状

2012年7月18日，由盖世汽车研究院主办的主题为“中国将迎来混合动力爆发期？”的圆桌论坛活动在北京举行。在《节能与新能源汽车产业规划（2012—2020）》出台后，关于汽车新能源和混合动力节能汽车的讨论激烈开展。

国内公司长沙科霸的电池正极负极片已完全通过丰田严苛验证，正式进入丰田采购阶段。公司已进入了丰田的供应链，未来将分享丰田汽车混动的全球销量的增长。

2 混合动力汽车分类及结构原理

混合动力车是指同时装备两种动力来源——热动力源与电动力源的汽车。目前混合动力总成一般以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式三种。

2.1 串联式动力

它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机—发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。

2.2 并联式动力

并联式混合动力汽车的组成：发动机；电动机/发动机；机械传动系统；驱动电动机；逆变器；蓄电池组。是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。驱动模式为：①以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；②驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮。

2.3 混联式动力

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合。三种混合动力电动汽车中混联式是最优的。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。

3 混合动力汽车电力驱动系统

3.1 优点

车辆启动或停止时，只有电动机运行。达到一定车速时，发动机启动介入工作，因此，发动机一直保持在最佳工况状态。在并联混合动力车中，当需要更大驱动力时，电动机和发动机还可以协同驱动车辆。混合动力系统可以使得小排量发动机汽车动力性好，排放更优，同时油耗也可以有所降低。

同时降低环境污染，提高电能使用效率（利用晚上富余低价电能），对用户来说，就是使用成本下降，理想情况下，每百公里用油电混合车辆，综合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合动力汽车电机的选择

从性价比来看，选用原则为体积小、重量轻的高效电机。其主要的电机驱动系统有直流电机调速系统、感应电机调速系统、永磁同步电机调速系统和开关磁阻电机调速系统。随着高性能永磁材料、电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，永磁同步电机（PMSM）的应用领域不断扩大，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，永磁同步电机矢量控制系统的研究已成为中小容量交流伺服系统研究的重点之一。

在交流驱动系统的研究工作中，美国GM公司与Unique Mobility公司曾联合对峰值功率100 kW的异步电机和永磁同步电机驱动系统做过比较，如表1所示。

从表1中可以看出，永磁电机在功率密度、效率等性能方面均优于异步电机，特别是稀土永磁直流电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。

3.3 控制策略

永磁同步电机的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。目前常用的变频调速方式有转速闭环恒压频比控制（v/f）、转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制（Vector Control）以及直接转矩控制（Direct Torque Control）。

实际应用中应当根据性能要求采用相应的控制策略，以获得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步电动机已经被广泛地应用于国民经济的各个领域，特别在混合动力汽车领域。

4 驱动系统Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驱动系统仿真模型

如图1所示。

4.2 仿真结果

使用控制，给定转速设置为，负载给定为带载启动，在时突加负载。仿真结果如图2所示。

从转速响应曲线中可以看出，转速在启动后，经过大约0.03 s后基本达到稳定，突加负载后0.01 s后达到稳定，转速响应较为理想。转矩响应较为波动在左右，较为平稳。

5 结语

该文仅在理论上和算法上进行了研究仿真，并未具体设计控制系统电路。混合动力汽车在机械结构和负载类型上有其特殊的特点，应用于混合动力汽车的交流控制系统还需要做很多的适应性的研究。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保华，王伟明，张建武，等.并联混合动力汽车控制策略比较研究[J].系统仿真学报，2006（2）：81-84.

[3] 张威.Stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合动力电动汽车最优控制与实例仿真[J].系统仿真学报，2007（1）：47-51.endprint

摘 要：混合动力汽车作为解决汽车节能、降低排放的措施，已广泛受到关注。电机驱动系统作为混合动力汽车中一个重要的部分也作为重要的研究对象。该文以混合动力汽车中的动力系统永磁同步电机控制系统作为研究对象。对各种可适用于混合动力汽车的牵引电机特性进行了比较，选择了永磁同步电机作为混合动力汽车的驱动电机。然后在Matlab/Simulink下建立应用于混合动力汽车的永磁同步电机调速系统仿真模型，并对仿真结果做分析研究。

关键词：混合动力汽车 永磁同步电机 驱动系统 仿真

中图分类号：T34M8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

电动汽车是电动车辆的一种，是指由车载电源提供全部或部分动力。主要包括纯电动汽车和混合动力电动汽车。混合动力电动汽车是以内燃机为主、蓄电池为辅的汽车。由于性价比不高，混合动力型汽车不会作为主流产品。

1 混合动力汽车的发展

1.1 世界混合动力汽车的总体发展现状

德国奔驰、日本丰田、美国通用等具备强大技术优势的汽车企业，对于全球汽车业最大课题——能源与环境的对策在近年来殊途同归：近期，努力完善混合动力车；长远迈出氢动力燃料电池车从概念车向商品化的步伐。

目前全球汽车用的镍氢电池主要是日本松下、三洋公司垄断。

1.2 我国混合动力汽车的发展现状

2012年7月18日，由盖世汽车研究院主办的主题为“中国将迎来混合动力爆发期？”的圆桌论坛活动在北京举行。在《节能与新能源汽车产业规划（2012—2020）》出台后，关于汽车新能源和混合动力节能汽车的讨论激烈开展。

国内公司长沙科霸的电池正极负极片已完全通过丰田严苛验证，正式进入丰田采购阶段。公司已进入了丰田的供应链，未来将分享丰田汽车混动的全球销量的增长。

2 混合动力汽车分类及结构原理

混合动力车是指同时装备两种动力来源——热动力源与电动力源的汽车。目前混合动力总成一般以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式三种。

2.1 串联式动力

它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机—发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。

2.2 并联式动力

并联式混合动力汽车的组成：发动机；电动机/发动机；机械传动系统；驱动电动机；逆变器；蓄电池组。是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。驱动模式为：①以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；②驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮。

2.3 混联式动力

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合。三种混合动力电动汽车中混联式是最优的。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。

3 混合动力汽车电力驱动系统

3.1 优点

车辆启动或停止时，只有电动机运行。达到一定车速时，发动机启动介入工作，因此，发动机一直保持在最佳工况状态。在并联混合动力车中，当需要更大驱动力时，电动机和发动机还可以协同驱动车辆。混合动力系统可以使得小排量发动机汽车动力性好，排放更优，同时油耗也可以有所降低。

同时降低环境污染，提高电能使用效率（利用晚上富余低价电能），对用户来说，就是使用成本下降，理想情况下，每百公里用油电混合车辆，综合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合动力汽车电机的选择

从性价比来看，选用原则为体积小、重量轻的高效电机。其主要的电机驱动系统有直流电机调速系统、感应电机调速系统、永磁同步电机调速系统和开关磁阻电机调速系统。随着高性能永磁材料、电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，永磁同步电机（PMSM）的应用领域不断扩大，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，永磁同步电机矢量控制系统的研究已成为中小容量交流伺服系统研究的重点之一。

在交流驱动系统的研究工作中，美国GM公司与Unique Mobility公司曾联合对峰值功率100 kW的异步电机和永磁同步电机驱动系统做过比较，如表1所示。

从表1中可以看出，永磁电机在功率密度、效率等性能方面均优于异步电机，特别是稀土永磁直流电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。

3.3 控制策略

永磁同步电机的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。目前常用的变频调速方式有转速闭环恒压频比控制（v/f）、转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制（Vector Control）以及直接转矩控制（Direct Torque Control）。

实际应用中应当根据性能要求采用相应的控制策略，以获得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步电动机已经被广泛地应用于国民经济的各个领域，特别在混合动力汽车领域。

4 驱动系统Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驱动系统仿真模型

如图1所示。

4.2 仿真结果

使用控制，给定转速设置为，负载给定为带载启动，在时突加负载。仿真结果如图2所示。

从转速响应曲线中可以看出，转速在启动后，经过大约0.03 s后基本达到稳定，突加负载后0.01 s后达到稳定，转速响应较为理想。转矩响应较为波动在左右，较为平稳。

5 结语

该文仅在理论上和算法上进行了研究仿真，并未具体设计控制系统电路。混合动力汽车在机械结构和负载类型上有其特殊的特点，应用于混合动力汽车的交流控制系统还需要做很多的适应性的研究。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保华，王伟明，张建武，等.并联混合动力汽车控制策略比较研究[J].系统仿真学报，2006（2）：81-84.

[3] 张威.Stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合动力电动汽车最优控制与实例仿真[J].系统仿真学报，2007（1）：47-51.endprint