混合动力汽车驱动系统方案设计及控制策略研究

麦明珠 何建威

摘要：混合动力汽车的性能与驱动系统的参数匹配以及车辆的协调等都有着十分密切的关系。论文以并联式混合动力汽车为研究对象，根据混合动力汽车的驱动系统结构类型和各自的特点，进行混合动力驱动系统配置、重要部件选型和参数设计，提出了一种能综合考虑各部件功率情况的驱动系统设计方案及控制策略。

关键词：混合动力汽车;驱动系统;控制策略

1  混合动力汽车的类型

混合动力汽车中采用了不同的动力装置，其中主要有内燃机和电机，在实际运行过程中可以通过对内燃机和电机储能装置的有效时间控制和能量分配提升能量使用效率。而混合动力汽车动力系统的组成方式非常的多样，结构设计也呈现出不同的形式，根据混合动力汽车驱动系统以不同的方式进行结合，主要有串联式、并联式、混联式三种形式[1]。

串联式的汽车是先借助发动机带动发电机进行发电，然后电能再通过电机驱动汽车行驶。而并联式则不同，采用的是发动机和电动机共同驱动车轮。其中电动机是辅助动力。并联式混合动力电动汽车的组成结构相对比较复杂，包括发动机、发电机、电动机、蓄电池组、动力控制单元、动力分配装置等，如图1所示。混联式则是串联式和并联式的综合，可以根据行驶条件以串联或并联模式进行工作[2]。但其结构复杂、成本高，本文采用并联式结构。

2  驱动系统总体设计方案

混合动力汽车驱动系统的部件特性、参数以及控制策略对于车的性能具有十分重要的作用。但是充电设备的限制以及蓄电池组容量还是不能够忽视的，如果使用容量小的蓄电池，在行驶时电池荷电状态在一定范围内变动，而不用借助外部电网。所以本方案属于电量维持型混动汽车[2]。

混合动力汽车驱动系统主要包括发电机、电池组、电动机、离合器变速器等部件。根据电机发动機扭矩的耦合方式不同，混动汽车驱动系统主要有三种布置形式。

第一种布置形式，如图2，动力输出的扭矩主要在变速器的输入轴前端进行耦合。采用这种布置方式能通过变速器改善发动机和电机的工作点，电机可以在较高的转速下使发动机启动，但是还存在着一定的问题，主要是结构复杂，变速器功率较大。

第二种布置形式，如图3，动力输出的扭矩主要在变速器的输出轴前端进行耦合，变速器的作用是传递发动机的输出功率，其额定功率比第一种形式小。这两种布置形式，扭矩耦合装置主要是通过齿轮传动来实现。齿轮传动效率高，结构紧凑，带传动布置灵活，具有防过载的特点，在实际中采用较多。

第三种布置形式，如图4，发动机和电机通过各自的传动系驱动车轮。但是存在控制复杂的缺点，本文并联式混合动力汽车驱动系统采用第二种布置形式，扭矩通过带传动装置在变速器输出轴处进行扭矩耦合。

3  混合动力汽车驱动系统部件参数确定

对于混合动力汽车驱动系统的主要部件参数，要在动力性能满足的前提下，根据动力系统的控制策略，整车参数来确定[3]。本文所选车型基础参数如表1所示。

3.1 发动机参数确定

发动机参数的设计主要是发动机功率的选择，一般以巡航速度为例，那么发动机功率按下式计算[3]：

式中，Pc为发动机单独驱动产生的功率;η1为传动效率，取为0.9;m为整车质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数;vc为巡航速度;CD为空气阻力系数;A迎风面积。

3.2 电动机参数确定

电动机是混合动力汽车的2 个核心动力部件之一，其运行特性对汽车的性能具有重要影响。由于并联式混合动力汽车的电动机只在低速和加速时工作，所以电动机功率的选择须满足汽车的加速要求、最大爬坡度以及纯电动运行的续驶里程要求。为了实现高效率，混合动力汽车对电机驱动系统的要求是尽量实现恒转矩启动和恒功率运行，如图5所示。

驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：①基速以下恒转矩区，主要作用是对混合动力汽车的载重能力的保障;②基速以上恒功率区，作用是保证具有足够的加速空间。驱动电机功率可由下式计算[3]：

式中，Pd为电动机功率;η2为电机传动效率;vd为汽车低速行驶时的速度。

3.3 主减速器和扭矩耦合装置传动比确定

对于并联型混合动力汽车，选择大的主减速器速比，主减速器速比大，则相应的汽车的加速和爬坡能力就会更加的突出。但是实际中主要取决汽车的动力性和燃料经济性。主减速器的传动比过大可能会减小了离地间隙，使汽车的通用性降低。

对于混合动力电动汽车，在加速和爬坡时电机要提供峰值功率。由公式可计算出车辆在Vm时电机所需提供的峰值功率Pmot。则此时电机的输出扭矩应为：

4  混合动力汽车驱动系统的控制策略

混合动力汽车驱动系统在高效率区进行工作，其中不足的驱动力矩则是由电动机补足。在实际过程中，使发动机稳定在高效低排放工作区工作能够有效的延长电池使用寿命。因此，对混合动力电动汽车进行结构与控制分析具有十分的重要性，合理的控制策略十分重要，可以保证节能环保的要求。在以车速为主要参数的控制策略协同优化如下[3]：①与所设定的车速相比，如果汽车车速较低时，但是电池SOC 值却高于最小值时，可以关闭发动机，电动机单独驱动汽车行驶;②当车速高于所设定的车速时，电动机关闭，发动机提供全部转矩;③当电池SOC 值过低时，电动机工作在发电状态，应当给电池组充电;④当汽车处于加速时，发动机和电动机一起工作，共同驱动车辆行驶;⑤当汽车减速或者制动时，电动机工作在发电状态，回收制动能量。

5  结束语

混合动力汽车是一个复杂的多能源系统，论文在分析研究混合动力汽车的结构类型特点等基础上，设计合理的驱动系统结构方案。通过理论推导，确定了驱动控制系统的硬件设计，并给出了相应的合理驱动系统控制策略，保证了混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能。

参考文献：

[1]杨庆彪.混合动力汽车结构原理与维修[M].中国劳动社会保障出版社，2012.

[2]陈友彭.混合动力汽车驱动系统的研究与设计[J].时代农机，2017（5）：88-89，91.

[3]宫唤春.混合动力汽车驱动系统方案设计[J].汽车工程师，2019（12）：17-20.

[4]郑晨飞，田韶鹏.新型两轴驱动混合动力汽车动力系统设计[J].江苏大学学报，2018（4）：391-396.

[5]蒋超宇.混合动力汽车中的动力驱动系统的研究[J].科技创新导报，2017（3）：62-63.