混合动力汽车驱动系统的研究与设计

陈友鹏

（广州南洋理工职业学院，广东 广州 510925）

混合动力汽车驱动系统的研究与设计

陈友鹏

（广州南洋理工职业学院，广东 广州 510925）

文章结合混合动力汽车的驱动系统结构类型和对应特点，对混合动力汽车的组成及其工作模式进行了介绍，由此提出了一种能综合考虑各部件功率和重量的驱动系统设计方法。并以此设计方法，考虑混合动力汽车的动力性、燃油经济性和排放性能，给出了汽车驱动系统的总成参数，确定驱动控制系统的硬件设计，进而选择确定合理的控制策略。

混合动力汽车；驱动系统；硬件设计；控制策略

1 混合动力汽车关键技术

电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等。尽管电源技术至关重要，是制约电动汽车发展最主要的技术障碍，但车身设计、电力驱动、能量管理和系统的优化也同样重要。事实上，将这些领域技术上的整合才是电动汽车技术成功的关键。现代电动汽车工程的主要问题是要将汽车工程、电气、电子工程以及化学工程领域中最新的技术发展结合到电动汽车的设计中来，找到适合于电动汽车的独特的设计方法和制造技术，实现电动汽车能量的最优化利用。

2 混合动力汽车的结构

混合动力汽车可分为以下三种类型：串联式混合动力汽车（SHEV）、并联式混合动力汽车（PHEV）和混联式混合动力汽车（PSHVE）。

图1 串联式混合动力汽车示意图

（1）串联式混合动力汽车。串联式混合动力汽车由发动机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联连接方式组合而成。如图1所示，T表示扭矩，ω表示角速度，η表示效率；下标cm表示电机，ice表示发动机，w表示车轮，gb表示变速箱。串联式混合动力汽车具有控制系统比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止；发动机总是在最佳工况下驱动发电机，减少污染；动力传递过程中，降低了能量利用率，其综合效率低于燃油汽车等特点。

（2）并联式混合动力汽车。并联式混合动力汽车可以利用发动机和电机共同驱动车轮。如图2所示，并联式混合动力汽车具有结构简单，特别是省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱动，有利于机构布置；两套动力装置可直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低；采用电动/发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程等特点。

图2 并联式混合动力汽车示意图

（3）混联式混合动力汽车。混联式混合动力汽车综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以串联和并联模式工作，所以，混联系统具有串联系统和并联系统的双重特性，具有两种布置形式：切换系统和分路系统。尽管如此，但其结构复杂、成本高，目前应用并不广泛。综合分析以上各个结构的优缺点，本次设计采用并联式结构。

3 混合动力汽车驱动系统结构分析

混合动力汽车的驱动系统是所有用于传递能量并使车辆获得运动能力部件的总称，包括车载能源、原动机和传动系统三个主要部分。

3.1 驱动系统总体方案

混合动力汽车动力传动系各部件特性、参数匹配及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重量。考虑到充电设备的限制以及蓄电池组容量对车重的影响，混合动力汽车装备小容量的蓄电池组，在行驶时电池荷电状态保持在一定范围内变动，不需从外部电网充电，属于电量维持型混合动力汽车。

3.2 驱动系统结构及主要部件

混合动力汽车驱动系统主要包括发动机、发电机、电池组、电动机、功率变换器、扭矩耦合装置、变速器和离合器等部件。混合动力汽车的驱动系统有三种布置形式：

（1）如图3所示，扭矩在变速器输入轴处进行耦合，采用这种布置方式能通过变速器同时改善发动机和电机的工作点，电机可以用来在较高的转速下快速起动发动机，但是结构上较为复杂，变速器的功率要求较大。

图3 扭矩在变速器输入轴处耦合的驱动系统结构

（2）如在图4所示，电动机和发动机的扭矩在变速器输出轴处耦合，变速器只传递发动机的输出功率，所以变速器额定功率可小于第一种布置形式。上述的两种布置形式中，扭矩耦合装置可以采用齿轮传动或带传动来实现。

图4 扭矩在变速器输出轴处耦合的驱动系统结构

图5 扭矩在车轮处耦合的驱动系统结构

（3）如图5所示，发动机和电机分别通过各自的传动系驱动车轮。这种结构不需要扭矩耦合装置，但是控制复杂，只适合于四轮驱动车辆。考虑到现有的部分发动机和变速器配套设计，在发动机输出轴进行扭矩耦合困难，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，不配置发电机。

3.3 汽车行驶驱动功率计算

（1）加速行驶功率。水平路面加速行驶功率按下式计算：

式中：Mv为汽车质量（kg）；V为车速（m/s）；ρa为空气密度（kg/m3）；A为迎风面积（m2）；δ为质量当量系数，此处取δ=1；Cd为风阻系数；Cr为滚动阻力系数。

（2）爬坡功率。爬坡时功率为：

式中θ表示斜坡倾角。同理，将其简写为：

其中：c=gVg（sinθ+Crcosθ）

（3）整车质量。整车质量由下式得出：

式中：Mv为汽车整车质量（kg）；Mb为车身相关部分质量（kg）；Mch为底盘非传动系部分的质量（kg）；Mdr为驱动系统质量（kg）；Ml为载重质量（kg）。

上述驱动系统的质量为发动机、电池组、电动机及控制器和变速器各部件质量之和。

（4）驱动系统最大功率。混合动力汽车驱动系统设计的重点是确定发动机和电动机的功率大小，以及在行驶过程中动态决定功率在两者间的分配比例（通过控制策略实现）。混合动力汽车发动机的功率要满足车辆在最高速度匀速行驶或长时间匀速爬坡行驶时的功率需求，而电机则要能提供车辆加速或路面坡度较大行驶时所需的峰值功率。对于驱动系统的每一个部件，在功率转换和传输时均有一定的损失，各个部件的效率分别用ηice，ηbat，ηmot，和ηtra表示。驱动系统各部件的最大功率分别按下式计算：

（5）传动比确定原则。变速器档位数及各档的传动比对汽车动力性、经济性影响很大。档数多，可以使发动机经常处在最大功率附近的转速工作，而且使发动机转速变化范围小，发动机平均功率高，故可提高汽车的动力性。同时较多的档数也增加了发动机在低油耗区工作的可能性，因而能提高汽车的燃油经济性。为了使发动机在最有利的转速范围内工作，变速器各档传动比之间的关系基本是几何级数。相邻的低挡与高档间传动比的比值一般不大于1.8。另外，确定最低档传动比时，要考虑汽车最大爬坡度、驱动轮与路面的附着力、汽车最低稳定车速及主减速器传动比等因素。

4 驱动控制系统硬件设计原则

混合动力汽车驱动力来自内燃机和电动机的共同驱动，永磁无刷直流电机由于具有高效、高功率密度、控制方法简单而成为电动汽车电驱动控制系统的首选电机之一。因此电驱动电机一般采用永磁无刷直流电机。

（1）驱动系统控制策略。混合动力汽车的整车控制系统在通常情况下，发动机工作于定点高效率区，不足的驱动力矩由电动机来补足。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，电动汽车驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：①基速以下横转矩区，用于保证混合动力汽车的载重能力；②基速以上恒功率区，用于保证混合动力汽车有充足的加速空间。

图6 三相BLDCM驱动系统结构图

（2）驱动系统的设计。无刷直流电机驱动系统采用TMS3 20LF2407aDSP芯片作为主控制器，其主要包括：电源模块、控制模块、驱动模块、逆变模块、电机本体、传感器模块、系统安全检测模块等几个主要组成部分，如图6所示。无刷直流电机电气部分主要包括电动机本体和逆变器，三相永磁BLDCM定子电枢绕组接成星形，两相通电六状态切换模式；功率主电路为IGBT或MOSFET组成的三相逆变桥；电源为车载动力蓄电池或发动机，经过DC/DC开关电源变换提供逆变器母线电压和驱动器±15V电压以及DSP用3.3V电压源。

5 结语

随着全球性能源危机的不断加剧和环境问题的日益恶化，传统汽车工业面临着严峻的挑战，对可再生能源和清洁能源的利用与开发是当前发展的趋势，电动汽车和混合动力汽车的研发就是顺应了这一科技发展趋势。因此混合动力汽车，是目前清洁汽车研究的主要方向。

文章通过分析混合动力汽车的驱动系统结构类型和各自的特点，结合其组成及其工作模式给出了驱动系统部件参数的设计方法，确定了驱动系统的总成参数。而确定混合动力汽车驱动系统主要部件时必须综合考虑性能要求、成本、工况和技术水平等因素，因此，汽油发动机仍将是近期混合动力汽车的首选方案；永磁无刷直流电机由于具有高效、高功率密度、控制方法简单而成为电动汽车电驱动控制系统的首选电机之一。

［1］杨庆彪.混合动力汽车结构原理与维修［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2010.

［2］高海鸥，王仲范.PRIUS混合动力汽车驱动系统键合图建模仿真［J］.武汉理工大学学报，2004，26（1）：63-65.

［3］程伟，徐国卿.混合动力车用永磁无刷电动机驱动系统［J］.微特电机，2004，（9）.

［4］赵航，史广奎.混合动力电动汽车技术［M］.北京：机械工业出版社，2012.

Research and Design of Hybrid Vehicle Driving System

CHEN You-peng
（Guangzhou Nanyang Polytechnic Vocational College，Guangzhou，Guangdong 510925，China）

This paper introduces the structure and theworkingmode of the hybrid vehicle in combination with the structure type and corresponding characteristicsof the hybrid system，and proposesa designmethod of the drive system which can consider the power and weightof each component comprehensively.According to the designmethod，considering the power of the hybrid vehicle，the fueleconomy and the discharge performance，the assembly parameters of the automobile drive system are given，the hardware design of the drive controlsystem isdetermined,and then the reasonable controlstrategy isselected.

hybrid vehicle；drive system；hardware design；controlstrategy

U469

A

2095-980X（2017）05-0088-02

2017-04-23

陈友鹏，主要研究方向：车辆。