全轮驱动混合动力乘用车设计

黄兆勤

（东风汽车公司，武汉 430056）

全轮驱动混合动力乘用车设计

黄兆勤

（东风汽车公司，武汉 430056）

基于传统的前轴前驱乘用车，通过嫁接混合动力技术，可以使车辆在动力性、经济性、排放性和通过性方面有大幅度的改善。本文论述了混合动力乘用车的设计方案，并通过仿真计算预测了设计效果，并提出了扩展研究设想。

四驱；混合动力；乘用车；设计

黄兆勤

高级工程师，现任职于东风汽车公司新能源汽车事业平台，主要研究方向：新能源汽车技术发展规划研究，新能源汽车和动力系统项目推进。

前言

随着技术的深化研究和市场环境的逐步成熟，混合动力技术逐步向多种车型渗透，并形成了多种技术路线。

以并联方案混合动力客车和混联方案混合动力轿车为基础，形成了混合动力汽车平台技术，并扩展开发了多个混合动力车型，如串联混合动力客车、微混合动力轿车、四驱混合动力军车和混合动力乘用车。

将混合动力技术嫁接到传统二驱汽车上，使得驱动桥同时具有传统机械驱动功能和电驱动功能，可以不依靠动力分配机构而实现四驱功能，而且在动力性、经济性、排放和通过性方面都有理想的效果，促进了四驱车性能升级，在军事和民用方面都有重大价值。

本文论述了基于传统乘用车实现四驱方案的设计思路和总体的技术方案，并模拟计算了主要指标的实现情况。

1　技术开发目标

随着人们对汽车用途多样化的需求，具有四驱功能的汽车市场迅速扩大。但是，四驱汽车的高油耗和高污染的问题一直难以解决。

丰田是最早把混合动力技术应用于四驱汽车的公司之一，目前已有雷克萨斯RX450h、GS450h和LS600h等几种混合动力产品销售，这些车型都集成并扩展了丰田普锐斯混合动力汽车动力总成技术，节油效果非常理想。

为满足市场需要，在已定型的二驱乘用车基础上开发具有四驱功能的混合动力汽车，体现良好越野性、动力性、燃油经济性和排放性能。

通过增加电驱动系统及机电耦合装置，在整车控制器的协调控制下，可根据负载、工况和路况变化，智能选择二驱或四驱方式，发动机与电机单独驱动或联合驱动，实现以下性能的全面提升：

动力性：在保持原车最高车速水平下，起步加速时间比原车显著缩短；

燃油经济性：城市工况油耗比传统四驱车降低30%，比传统二驱车降低10%；

尾气排放：有害气体排放水平由国3提高到国4水平；

越野能力：在低附着路面具有良好的通过性；爬坡能力：最大爬坡度40%以上。

2　基础车情况

选定传统二驱乘用车为基础车型进行混合动力汽车开发，在功能上参照传统四驱车。两种车型的基本参数如表1：

表1　基础车参数

3　方案设计

3.1机电耦合方案

为满足预期功能和性能要求，基于已有混联式混合动力轿车双电机单轴驱动系统方案，设计了双电机双轴驱动方案，即BSG+TTR（BSGBelted Starter & Generator，TTR-Traction Through Road）方案，这也是一种混联方案。如图1所示：

系统由发动机、离合器、变速箱、驱动电机、BSG、动力电池及相关控制器和电动附件组成。

其中，BSG装在发动机上，发动机通过变速箱驱动后桥。主电机通过另一根传动轴驱动前桥。前桥是独立悬挂式转向驱动桥。中央主减速器固定在车架上，通过两个半轴与车轮连接。主减速器上设有真空阀，用于控制前驱动桥的动力通断，因此，可自动切换两驱和四驱模式。

驱动电机和BSG都具有电动、空转和发电三种工作模式。驱动电机电动时可单独或辅助发动机驱动车辆，发电时向电池补电，BSG电动时可快速起动发动机，消除怠速，发电时向电池储存能量。

工作模式分解如下：

起步：正常状态时，电池SOC较高，电池处于高效区，通常以纯电动方式进行起步。这时由主电机单独驱动车辆，可发挥电机低速扭矩大的优点，使车辆迅速起步。这样发动机保持停机，消除了因怠速而出现高油耗和排放恶化问题，起步时的平顺性也较好。例外情况下，如车辆长时间放置后，电池SOC有可能处于较低状态，这时，将以发动机驱动方式起步。不过，发动机是在BSG的驱动下快速起动，也能获得较高的效率。

起步后加速：起步后当车速达到较高时，发动机快速起动，与主电机一起驱动，使车辆快速达到所需要的速度。

定速巡航：发动机处于设定车速下的最高效点工作，负荷较高时，主电机参与驱动，负荷较低时，由BSG发电，将多余的能量转化成电能储存在电池中备用。

加速超车：发动机沿着最高效率线提升转速，主电机参与驱动，提供额外的驱动力。

减速让车：发动机沿着最高效率线降低转速，主电机处于发电状态，将富余的能量储存在电池中。

制动：发动机停机断油，节气门全开，BSG和主电机处于发电状态，回收能量。

3.2主要总成选型

1）汽油发动机

额定功率：89kW@5500rpm

额定扭矩：168Nm@4500rpm

最低比油耗：240g/kWh

变速器速比：3.968/2.137/1.36/1/0.857/R3.579

发动机驱动主减速比：4.875

2）镍氢动力电池

公称容量：6 Ah

额定电压：336 V

3）永磁同步驱动电机

最大功率：22 kW

最大扭矩：150Nm

基转速：1400rpm

电驱动主减速比：4.2727

4）永磁同步BSG

峰值电动扭矩：56 kW @380 rpm

峰值发电功率：3 Nm @2500rpm

电机/曲轴速比：1.5

3.3总体布置方案

为便于零部件的通用化和整车共线装配，以二驱传统车为基础，保留了原有发动机前置后驱的动力总成和传动系统的结构，最大限度地继承了基础车的主要结构。将四驱传统车的驱动前桥移植过来，电机布置在前后桥之间，通过传动轴与前桥主减速器连接。

BSG电机的布置。BSG电机的布置利用传统发电机的空间，利用传统发电机的安装位置，重新设计张紧机构与轮系。

电机控制器与动力电池的布置。将电机控制器与动力电池一起布置在后排座椅下，便于线路的连接。电池通风管道与后部车身连接，热风直接排除外部。在电池和电机控制器上面安装行李箱盖板，以便放置行李。

这种布置，取消了传统四驱车的分动箱，前后桥驱动的切换可以适时进行，从而可避免因前后驱动之间刚性传动可能造成的功率循环问题。

另外，作为变型方案，适当增大电机功率和电池容量，可以很方便地实现PHEV方案，为城区短途运行采用纯电动模式创造了条件，从而可大幅节省燃料消耗和减少排放。

动力电池布置在后排座椅下，不占用行李空间。

载荷分布计算表明，整车总质量增加的部分控制在5%以内，比较合理。

3.4 电控系统总体方案

电控系统由原车电控系统和混合动力电控系统两部分组成。其中，原车电控系统包括发动机ECU、ABS控制器和车载诊断口，混合动力系统包括整车控制器HCU、配电控制器PDU、电机控制器PCU、电池管理系统BMS和智能仪表系统DCU。控制器之间主要通过CAN总线进行通讯，部分信号靠直通线传递。

增加了数个传感器，以感知点火锁挡位状态、离合器分合状态、制动强度、油门大小、变速箱挡位。同时，整车控制器还要采集发动机转速、节气门开度、车速、空调开关状态，以便进行控制。

整车控制器处于最高级别，其作用是识别驾驶意图、判断车辆载荷、路况和行驶工况，决定工作模式的切换，优化能量分配，并统一协调其它控制器实现驾驶意图。

为控制发动机的工作状态，设置了电动节气门及其控制电路，并增加了断油装置。

增加了电动转向泵和电动真空泵，使动力系统的工作不依赖发动机工作状态。

3.5整车控制策略设计

按照结构化的思路，制定了整车控制策略的结构框架，搭建了驾驶意图识别、驱动控制、制动控制和动态协调控制策略模型。

通过发动机快速起停、工作模式的适时切换、优化发动机工作区域和制动能量回馈等措施，实现整车能量分配的动态优化。使得整车具有良好的越野性、动力性、燃油经济性和排放性能，且成本增加得到有效控制。

4　性能分析

4.1动力性仿真分析

与传统车相比，混合动力乘用车起步加速到100km/h的时间缩短3.5s，接近轿车水平。

经过计算，最大爬坡度也达到40%以上。

因此，应用混合动力技术可使动力性非常明显地改善。

4.2燃油经济性仿真分析

分析表明，采用混合动力技术，有效地减少了发动机低效工作区域，从而可使整车燃油经济性得到改善，特别是在城市道路上优势非常明显。

进一步预测表明，若提高电池和电机的容量，增加外接充电，将使燃料消耗量进一步减少，这对于电力供应充足和充电设施齐全的地区非常有利。

4.3低附着路面通过性分析

针对低附着路面（如冰雪路面）驱动力分配情况的分析表明：二驱情况下，发动机驱动能力的利用受到很大限制；四驱情况下，发动机驱动能力利用率显著提高。利用电机助力，可以部分弥补发动机驱动能力损失，电机驱动力特点正好满足要求。电机助力区域适宜在起步、低挡和低速段。电机助力持续时间为短时通过低附着路面。在好路情况，利用HEV的能源分配优化，可以进一步提高整车动力性和燃料经济性。［1］

5　扩展研究

本混合动力乘用车机电耦合方案，通过改变电动系统规格，增减相应的电动附件，辅以控制系统的变型设计，可以扩展出两种具有发展前途的混合动力车型。

1）通过增大电机和电池的容量与功率，配置电动附件，可形成强混合动力或PHEV车型，可进一步提高车辆的动力性和节油能力。

2）通过降低电机和电池的容量，但维持适当功率水平，可形成具有适时四驱功能的车型，提高车型在低附着路面的通过能力，在良好路面又有良好的燃油经济性。

6　结论

基于混合动力汽车动力系统平台技术实现对传统乘用车的嫁接，通过机电耦合方式的创新和控制系统的开发，形成了与传统四驱车不同的混合动力四驱方案。

与传统乘用车相比，新型混合动力四驱乘用车不仅具有了传统四驱车的高动力性和通过性，同时还有非常优良的燃料经济性。

同时，通过扩展开发，可以形成更为丰富的产品系列，满足不同的使用要求。

［1］余志生. 汽车理论［M］. 1981年8月第一版，机械工业出版社，1988. P283-285

专家推荐

徐平兴：

本文提出用混合动力技术将传统二驱乘用车改造成混合动力四驱车的新方案，使得前、后驱动桥分别具有电驱动功能和传统机械驱动功能，在动力性、经济性、排放和通过性方面都有理想的效果。基于以上研究，作者还提出了扩展开发系列化车型的设想，为后续开发提供了思路。

Design of AWD Hybrid Passenger Vehicle

HUANG Zhao-qin
（Dongfeng Motor Corporation ， Wuhan， 430056）

Based on the conventional FWD configuration， combined with the hybrid technology，the AWD （All Wheel Driven） passenger vehicle can gain significant improvement in dynamics， fuel economy， emission and road ability. This paper states the design of a AWD hybrid electric PV，predicts by simulation the effects of the design， and proposes a consideration on variation research.

AWD； hybrid electric； passenger vehicle； design

TK-9

A

1005-2550（2015）04-0016-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.004

2015-06-20