混合动力电动汽车电驱动系研究综述

宋佳 王鑫海 徐文龙 吕钊钦 穆桂脂

山东农业大学机械与电子工程学院 山东省泰安市 271018

1 引言

近年来随着汽车保有量的大幅增加，能源短缺及环境污染问题日益凸显，国际各大汽车制造商和研究学者也开始探索降低燃油消耗的新技术：通过一系列发动机改进技术[1-2]、变速器技术[3]、车身设计[4-5]等手段可实现不同程度的整车节油效果。而混合动力汽车具有多个行驶模式，被认为是当前最具有发展潜力的新能源汽车。我国政府从“十五”就开始将发展新能源汽车作为我国的重大科技战略需求和战略重点，确定了“三纵三横”研发布局，出台了一系列政策以培育新能源汽车产业[6]。因此，混合动力汽车成为研究热点。

混合动力汽车具有发动机和电动机两个动力源系统，车辆具有多种行驶模式如：发动机单独驱动、电机单独驱动或发动机电机混合驱动，并可以根据不同的行驶工况选择合适的驱动/制动模式以实现良好的燃油经济性及动力性[7]。

混合动力汽车根据动力机构的转矩转速耦合方式的不同，分为串联式[8-9]、并联式[10-11]和混联式[12-13]。

串联式混合动力汽车中车轮由电力系统驱动，发动机只作为能量储存系统，发动机产生的能量储存起来用作电机运转。如图1所示。发动机不直接参与驱动，理论上可以工作在任意低油耗区或者低排放区，但是能量转化次数较多，能量利用率低[14]。

图2给出了并联式混合动力汽车的拓扑结构。此时发动机和电机可共同或分别独立驱动车轮，降低了能量转化的损失，但发动机的工作点无法在理论上工作于任意低排放或低油耗区[15-16]。

混联式混合动力汽车中，如图3所示，发动机的功率在动力系统有两路能量传递路线，既可通过机械路径驱动车轮又可转换成电功率，通过动力耦合装置实现电功率和机械功率的汇合。因此，该构型又称功率分流式混合动力汽车[17-18]。

图1 串联式混合动力汽车传动系统

图中，F为燃油箱；E为发动机；M为电机；G为发电机；B为电池；T为变速箱；I为整流器；Spl为动力耦合装置

2 串联式混合动力电驱动系[19-20]

2.1 串联式混合动力汽车的行驶状态[21] ：

正常行驶时，发动机能够始终运转在最佳运转工况，燃油消耗率低，排放少。发动机发出的功率带动发电机发电，然后在驱动电动机驱动车辆前进。

图2 并联式混合动力汽车传动系统

图3 混联式混合动力汽车传动系统

车辆行驶速度较低，所需驱动功率小，发动机发出的功率超过电动机驱动功率需求，多余的功率储存在蓄电池中；车辆行驶速度较高，所需驱动功率较大，电动机驱动车辆的电能来自于发动机和蓄电池。

2.2 串联式混合动力汽车的优缺点：

结构优点[22-23]：

1低负荷行驶时，可只用电能驱动，实现能实现“零污染”行驶；

2发动机与驱动轮之间没有机械上的连接，原则上可以使发动机工作在任意转速-转矩区域，提高燃油经济性；

3只有电机驱动系统，结构简单，成本较低，且易于控制，布置灵活的高；

5有利于制动能量的回收

存在缺点[24]：

1汽车启动需要由电驱动系统克服行驶最大阻力，驱动电机需求功率较大，电机效率低；

2存在两次能量转换，能量利用率低，能量转换总的效率低；

3驱动系统与储能系统之间的匹配要求较严格，应能自动启动或关闭驱动系统，以避免动力电池组过放电，这就需要更大的电池容量。

2.3 总结

串联式混合动力驱动系统一般使用在大型客车，行驶在道路复杂的市区，可以完全以纯电动行驶，不适用发动机，有效降低尾气排放。随着对蓄电池的研究，蓄电池的能量密度随之加大，更加符合纯电动的要求，因此串联式混合动力电动汽车使用发动机的次数越来越少，最终会向纯电动汽车的目标迈进。

3 并联式混合动力电驱动系[25]

3.1 并联式混合动力电动汽车的驱动模式[26-27] ：

并联式混合动力驱动系统中发动机和电动机通过转矩转速耦合装置耦合后驱动车辆前进。在并联式传动系统中，功率传递路线有两条，两条路线独立驱动，互不干扰。若其中一条故障，另一条仍可以驱动车辆。这种结构可以使汽车以纯电动行驶，或让发动机工作在低排放区。

并联式混合动力汽车有四种组合驱动方式：

1转矩结合式

该结构形式中，发动机直接经传动系统驱动车辆前进，同时带动发电机向蓄电池充电。当需要大功率时，蓄电池提供电能带动电动机，电动机和发动机同时驱动汽车。电动机也可以用来启动发动机。

2转速结合式

该结构的传动系统中存在一个离合器，用来连接发动机和“动力耦合器”，发动机或者电动机通过“动力耦合器”来驱动汽车。与传动汽车的传动结构相比变化不大，电动机的连接结构简单。“动力耦合器”可以使发动机或电动机之间的转速可以灵活的分配。

3驱动力结合式

该结构可以使用小功率的发动机，发动机单独驱动前轮，电力驱动系统单独驱动后轮。两套驱动系统既可独立驱动汽车又能相互配合，使车辆实现四驱。此种混合动力电动汽车具有四轮驱动的特性。

3.2 并联式混合动力汽车的优缺点[28-29] ：

结构优点：

1发动机与电动机直接向驱动轮提供能量，能量损失较小，整体效率较高；

2发动机驱动系统和电机驱动系统的功率设计为汽车功率的50%-100%即可，因此可缩小整体的质量和体积。

存在缺点：

1主要驱动模式是靠发动机驱动，因此传动系统与内燃机汽车基本相似，发动机的废气排放高于串联式；

2传动系统除传统组件，如：离合器、变速器、传动轴和驱动器等，还有驱动电机、电池组、动力耦合装置，结构更加复杂，控制困难。

3.3 总结

因此，并联式驱动系统最适合高速、大功率行驶，工况稳定，价格较低，因此，在电池技术问题彻底解决之前，它会成为新能源汽车产业的主流产品。

4 混联式混合动力电驱动系[30-31]

4.1 混联式混合动力的优缺点[32-33] ：

结构的优点：

1、可以有更多工作模式可供选择，燃油经济性更佳；

2、传动系统整天平顺性更好。

存在的缺点有：

1、传动系统复杂，布置困难；

2、动力部件太多，系统控制难度高。

4.2 混联式混合动力的分类

4.2.1 同轴混联式混合动力驱动系统[34-35]

同轴混联式结构增加了起动发电一体机(ISG)，与发动机安装在一起，可以快速启停发动机、调节发动机功率。ISG电机的另一侧与离合器相连，通过离合器直接驱动车辆。当离合器断开时，发动机在高效率去工作，发动机拖转ISG电机为蓄电池充电，车辆由驱动电机驱动，此时处于串联状态；当离合器结合时，发动机直接进入动力系统，此时处于并联状态。

同轴混联式系统构型的优点：

1)系统构型方案简单，易于实现；

2)系统串并联切换运行可应对复杂交通工况，通过不同模式切换促进燃油经济性；

3)大功率电机直驱车轮保证了整车动力性也最大化了制动能量回收的程度。

同轴混联式系统构型的缺点：

1)ISG电机、大功率电机、大容量电池，使系统成本增加；

2)大功率电机直驱不能满足所有道路工况，行驶在多坡道道路时适应性下降。

4.2.2 行星齿轮传动混联式混合动力系统[36-37]

该结构兼顾串联式和并联式结构的能量传输路线，通过能量管理策略进行控制，使行星齿轮传动混联式混合动力系统具有了并联式和串联式的结构优点，从而能够工号的协调各动力部件，使动力系统处于最佳运行状态，从而保证该动力系统在各种工况下使汽车运行于最佳状态。

行星齿轮混联式构型方案的优点[38]：

1)由于行星排结构的特殊性，可以通过调节任意两个构件的转速和转矩，使另一个构件转速转矩为0。这样可以去掉离合器，通过调节行星排转速和转矩来起到发动机平稳起步的效果。去掉离合器，不仅简化的传动系统结构，同时使系统的模型简化，省去控制过程的不连续性和非线性；

2)可以实现纯电行驶、怠速停机模式等，最大限度提升整车燃油经济性。

行星齿轮传动混联式构型方案的缺点：

1)行星齿轮传动机构较为复杂，控制难度大；

2)不适于较大负荷的转矩传输，更适合小型乘用车。

综上，行星齿轮混联式动力系统对于各种道路运行工况都具有较强的适应性，无论是在高速公路上还是在市区工况中行驶，其经济性和排放都具有优势。