双电机混合动力电动汽车驱动模式分析

徐东

（无锡商业职业技术学院汽车技术学院，江苏无锡 214153）

双电机混合动力电动汽车驱动模式分析

徐东

（无锡商业职业技术学院汽车技术学院，江苏无锡 214153）

混合动力汽车是目前最为现实和可行的节能汽车车型，为了提高混合动力汽车的燃油经济性和排放性，简化动力系统结构，对双电机混合动力电动汽车的驱动模式进行了分析。分析表明双电机全功能混合动力驱动技术，可灵活地根据工况来调节发动机的功率输出和电机的运转。八种模式转换行驶充分利用了发动机和电池的高效率区，使其整体效能达到最高，适用于多种类型的混合动力汽车。

混合动力；电动汽车；电机；驱动模式

电能作为未来汽车的动力之源，能实现高能效比及零排放，是一种相当理想的能源。但由于目前电池及电机技术的限制，使得纯电动汽车在续航里程及能源补充时间上都比不上传统的内燃机汽车。再加上纯电动车充电设施暂未完善，使得纯电动汽车暂不能普及。为了应对纯电动汽车充电时间长和续航里程短的缺点，各汽车公司纷纷推出了混合动力汽车。混合动力汽车能够有效降低汽车的排放，同时可以实现与传统内燃机汽车相同的续航里程。混合动力汽车的驱动系统中加入了驱动电机，发动机工作在最高效率区，通过对电机的控制来实现汽车运行工况的变化，从而达到节能减排的目的。

一、混合动力汽车动力系统连接方式

混合动力汽车按照其动力系统的连接方式可分为串联、并联和混联三种形式。串联式混合动力汽车仅由电动机驱动车辆行驶，发动机的动力并未用于驱动车轮，而只是带动发电机发电。串联式混合动力汽车存在能量转换损失，能量利用率低，一般用于城市公交车。并联式混合动力汽车的发动机和电动机均可为汽车提供驱动力，发动机和电动机可以各自独立驱动车辆行驶，也可以协同工作，共同驱动车辆。目前，并联混合动力车型多用于微混合与轻混合车辆，电动机多用于车辆起步和大负荷行驶时辅助发动机驱动。混联式混合动力汽车以电机为主要驱动力，发动机为辅助驱动力，电动机和发动机都可单独驱动汽车行驶也可共同驱动汽车行驶。混联式混合动力系统结构复杂、技术难度大，但其兼有串联混合系统和并联混合系统的优点，既提高了燃油经济性又能保证汽车的动力性，已经成为混合动力汽车的主流形式。丰田普锐斯、凯美瑞尊瑞、雷克萨斯CT200h、比亚迪秦、上汽荣威E550等车型都使用了混联式结构。

二、混联式混合动力汽车关键技术

混动技术最初采用的是一个行星齿轮组，将电机与曲轴直接连接，这种系统无法纯电动行驶，弊端是发动机或电动机无法保证同时在最佳工况下工作。或者采用“串联+发动机直驱”加上离合器，这套机构的原理简单，但是仅在内燃机和变速器之间安装驱动电机是不能完全实现混合动力汽车功能的。目前混联式混动系统则是由两组电机、两组行星轮和三组离合器组成。混联式混动系统可以实现纯电动模式（低负荷行驶）、混动模式（低负荷行驶）、混动模式（高负荷行驶）、能量回收模式（减速—制动）四种动力输出方式，其结构相对比较复杂。

目前汽车公司主推的插电式混合动力汽车可通过电网进行充电，具有节能效果好、排放污染小、续航里程长等优点，是目前最具应用前景的新能源汽车车型。插电式混合动力汽车对于控制电机的可靠性、功率与运行精度要求非常高，是一款双行星齿轮系、双电机混合动力系统。混合动力、增程器、纯电动汽车等新技术的应用，使得混合动力汽车的混合度不断加强。发动机大多数时候都工作在最高效率区，在汽车高负荷行驶时，通过驱动电机将动力电池的电能转化为机械能，协同发动机提高驱动力。

综上所述，要实现多功能、多用途，轻混、重混、插电、纯电动全功能覆盖，混合动力电动汽车的动力系统离不开双电机、双行星齿轮系结构，它具有减速、多动力耦合和离合器的作用，只要恰当使用锁止制动器，整体自动变速混合系统就可以得到多个解决方案。

三、双电机混合动力汽车驱动模式

在双电机混合动力电动汽车的动力系统中，将发动机主轴与第一级行星轮系中的内齿圈轮相连接，第一级行星轮系中的星轮架与第二级行星轮系中的太阳轮通过传动轴相连接，MG1电机/发电机与第一级行星轮系中的太阳轮相连接，MG2电机与第二级行星轮系中的内齿圈相连接，第二级行星轮系中星轮架与输出轴差速器相连接，离合器S1、S2、S3、S4控制机构的锁止和放开，由此组成双电机全功能混合动力系统（见图1），从而得到不同的驱动模式。

（一）MG1电机/发电机启动发动机与发电模式

如图1所示，放开S1、S4，锁止S2、S3，使得第一级行星轮系中的星轮架与第二级行星轮系中的太阳轮相连接，传动轴固定不转动，开启MG1电机/发电机，太阳轮齿轮转动带动行星轮齿轮，行星轮齿轮带动齿圈至发动机启动，发动机转动之后MG1电机/发电机可以发电，对电池组进行充电，发动机可设定在最佳转速、最佳扭矩和最佳油耗状态下工作。

图1 MG1电机/发电机启动发动机

（二）MG1电机/发电机、发动机混合变速驱动模式

如图2所示，启动发动机后，锁止S3，放开S4，MG1电机/发电机反转速度与发电时的速度相对一致，发动机参与起步，完全规避了发动机中低速的运转区间。在发动机保持发电的恒定转速下，MG1电机/发电机将反向速度逐渐降低至零随即正向转动，通过与发动机同时驱动或通过传动轴将动力传至输出轴差速器，驱动车轮完成汽车起步。MG1电机/发电机从反转速度逐渐降低至零再转化为正转而且不断提高转速，这就是汽车加速的过程。在对加速性要求不高的场合，汽油发动机和电动机耦合工作，提供可与汽油发动机相当的车辆起步性能。在制动时，MG1电机/发电机能回收大部分制动能量，并将其贮存起来供加速时再用，又能在车辆高速行驶状态下提高车辆的加速性能。从而充分利用发动机的高效率工况，以实现节能减排的目的。

图2 MG1电机/发电机、发动机混合驱动

（三）MG2电机、发动机混合变速驱动模式

如图3所示，启动发动机后，S1、S2、S3、S4全放开，MG1电机/发电机反转速度与发电时的速度一致，发动机保持发电的转速，将MG1电机/发电机反转速度逐渐降低至零即把S4锁止，此时发动机驱动车辆行驶，在MG1电机/发电机反转速度逐渐降低至零时，MG2电机也从静止不断提高转速，汽车开始加速。此后，MG2电机、发动机混合变速驱动汽车。汽车高速行驶工况下，发动机、电动机双动力驱动车辆。在制动时，MG2电机能回收大部分制动能量，并将其向动力电池充电，没有功率浪费的问题。

图3 MG2电机、发动机混合驱动

（四）强混模式、双电机多挡位发动机混合变速驱动

如图4所示，启动发动机后，S1、S2、S4全放开，S3锁止，使得第一级行星轮系中的星轮架与第二级行星轮系中的太阳轮相连接，传动轴固定不转动，切断两级行星轮系的关联，让其各自运转。在MG1电机/发电机反转速度与发电时的速度一致时，发动机保持发电的转速，MG1电机/发电机反转速度逐渐降低至零随即正向转动，同时，MG2电机也从静止不断提高转速（放开S3），汽车开始加速。在整个过程中，通过MG1电机和MG2电机分别呈相反方向的旋转来驱动车辆起步。车辆急加速时，发动机和电动机同时输出动力驱动车辆行驶，实现最大动力输出。MG1电机/发电机配置功率比MG2电机功率小，而两电机各自有合适的传动比，再加上两种耦合的叠加传动比，即可有多个挡位使用。每个挡位都能使功率与速度对应，各电机在高效率区转速范围内使用，物尽其用，能量回收尽可能在高效率区，续航里程大幅提高。在此模式中双电机和发动机可共同参与加速，加速度最大，加速时间最短，超车加速能力最强，同时可达到最高速度。汽车行驶工况变化时，电动机输出的动力与汽车行驶阻力保持平衡，从而使动力系统工作在高效率区。动力系统根据汽车行驶工况的变化来调节发动机的输出功率和电机的转数和扭矩。全功能混合动力技术是目前最新的混动技术，可靠性也更高。整车控制器通过扭矩传感器实时监测汽车的行驶工况，来判断是否需要启动发动机，对车辆纯发动机模式、纯电动模式和混动驱动模式进行精确的判断，并且不受车辆行驶速度的限制，既能在低速行驶时保证足够的驱动力，又能在高速行驶时，提高车辆的燃油经济性，同时提高车辆的加速性能，这是一种比较完美的组合。

图4 双电机多挡位发动机混合驱动

（五）MG1电机/发电机纯电动驱动模式

如图5所示，S2、S4放开，S1、S3锁止，由MG1电机/发电机完成启动、停止、速度调节。车辆制动时回馈发电，并将其存储在动力电池中。MG1电机/发电机配置功率比MG2电机功率小，特别适合在城市道路上，对加速性要求不太高或轻载的场合行驶。

图5 MG1电机/发电机纯电动驱动

（六）增程式发电、MG2电机纯电动驱动模式

如图6所示，启动发动机后，MG2电机从静止不断提高转速，汽车开始加速。S3保持锁止状态，即两组行星轮系动力相隔开。MG1电机/发电机发电与MG2电机驱动互不干扰，启动、停止、速度的快慢，整个行驶过程由MG2电机驱动，中高速时使用回馈制动，由MG2电机回收能量，向电池组充电，并将其暂时贮存起来供加速时再用。通过系统优化控制，实现发动机的高效率工作。即使车辆行驶在城市拥堵路段，也能够降低燃油消耗。当车辆采用增程式驱动模式时，可以保证车辆的续航里程，而且发动机工作在高效率、低油耗、低噪音的最佳工作状态，排放低、动力强。而且车辆消耗的电能都来源于发动机带动发电机发电，补充能源时不需向动力电池充电，只需向油箱加油即可。

图6 MG2电机纯电动驱动（增程发电）

（七）双电机多挡位变速驱动纯电动模式

在该系统装置中，MG1电机/发电机与第二级行星轮系中星轮架输出轴的传动比比MG2电机与第二级行星轮系中星轮架输出轴的传动比大。在保证动力输出的条件下，系统可根据车辆行驶工况的变化，使电动机的驱动力与车辆行驶阻力始终保持平衡，从而保证车辆的高效率行驶。如图7所示，在纯电动模式下，系统由MG1电机/发电机和MG2电机共同参与起步并根据不同需要，采用不同挡位行驶。每个档位都有相对应的传动比，通过MG1电机/发电机和MG2电机的相互配合可以实现四种工作状态：MG1电机/发电机反转、MG2电机正转；MG1电机/发电机正传、MG2电机停转；MG2电机正转、MG1电机/发电机停转；MG1电机/发电机、MG2电机均正转。这样就可以实现较高的传动效率和更多的挡位及更宽范围的传动比，降低车辆对MG2电机功率及速度等级的要求，爬坡有力，中高速行驶动力性强。

图7 双电机多挡位纯电动驱动

（八）纯发动机驱动

在电池组电力不足时，为了避免电池组电量过度损耗，降低电池组寿命，此时不使用电机驱动。在公路上巡航时让发动机直接驱动，可以一直工作在最佳工作模式，没有功率浪费的问题，如图8所示。制动时根据速度的不同，MG1电机/发电机MG2电机分别或共同回馈发电，并将其存储在动力电池中。

图8 纯发动机驱动

四、结语

双电机全功能混合动力驱动技术，避免了使用体积大的离合器，采用相对耐用的锁止制动器，有效地减少了零部件的数量和重量，更减少了维修的次数与时间。不同挡位、八种模式转换行驶使得电气系统、液压控制系统可得到最简化的配置。在各种状态下，发动机、电机分别都能在高效率区内工作。动力系统根据汽车行驶工况的变化来灵活调节发动机的输出功率和电机的转数和扭矩。控制器可以灵活地根据不同需要驾驭车辆。驱动系统在采用集成化和智能化的控制策略后适应性更强，可应用于多种类型的混合动力汽车。

[1]贾林娜，闫立君，张世伟，赵长明，刘玉明.混合动力政策和技术分析概述[J].汽车实用技术，2016（10）：8-12.

[2]杨宇.基于汽车产业的新能源多层次发展研究[D].北京：中国地质大学，2011.

[3]刘建春.并联混合动力电动汽车参数匹配与控制策略研究[D].南昌：南昌大学，2011.

[4]新能源汽车产业链系列深度报告[EB/OL].（2015-11-15）[2017-03-02].http://www.docin.com.

（编辑：林钢）

Drive Mode of Double-motor Hybrid Electric Vehicles:An Analysis

XU Dong
（School of Automotive Technology,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China）

Hybrid vehicles are currently the most practical and feasible energy-efficient models,therefore,in order to improve their fuel economy and exhaust emission standard,and simplify their structure of power system, this paper analyzes the drive mode of double-motor hybrid electric vehicles.The analysis shows that the dualmotor full-featured hybrid drive technology can flexibly adjust the engine power output and motor operation according to working conditions,and that the eight switch modes of driving system,making full use of the efficient range of the engine and battery and achieving the best overall performance,are suitable for a wide range of hybrid vehicles.

hybrid power;electric car;electric motor;drive mode

U 469.7

A

1671-4806（2017）03-0097-04

2017-02-07

徐东（1980—），男，辽宁辽阳人，讲师，硕士，研究方向为新能源汽车技术。