混合动力电动汽车驱动系统专项方案设计.doc

混合动力电动汽车驱动系统方案设计
摘 要：面对新世纪能源和环保巨大压力，混合动力电动汽车(HEV)成为当前主流清洁能源汽车。混合动力汽车动力性、燃油经济性和排放性能与驱动系统构造设计和参数匹配以及车辆在行驶过程中协调控制密切有关。文章以某并联混合动力电动大客车为研究对象，进行了混合动力驱动系统配备、混合动力驱动系统部件选型和参数设计、多能源动力总成控制系统及其控制方略方面研究。
核心词：混合动力电动汽车；驱动系统设计；控制方略；
Drive System Design for Hybrid Electric Vehicle
Abstract：Facing the challenges of oil shortage and air pollution，Hybrid Electric Vehicle(HEV) becomes one of the main clean vehicles. In this dissertation，With a parallel hybrid electric transit bus as the main research subject，the hybrid power drive system(HPDS)，the multi-energy power train control system，the power control strategy modeling are studied and analyzed. Performances of HEV，in terms of driving,，fuel consumption，and exhaust emission，strongly depend on the coordination of the drive train and their control strategy.
Key words：Hybrid Electric Vehicle；Drive System Design；Controls strategy

引 言
近几十年来，世界各国汽车工业都面临着能源危机与环保两大挑战。为此，各国政府纷纷制定相应对策，力图开发出新一代清洁节能型汽车[1]。以电能作为动力源，无污染、清洁、高效电动汽车因而逐渐登上历史舞台，发展前景十分诱人。电动汽车(EV)是一种电力驱动道路交通工具，具备广泛内涵，普通涉及蓄电池电动汽车或纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV) [2]。由于电池技术瓶颈，纯电动和燃料电池电动汽车技术发展相对缓慢。当前，混合动力电动汽车由于其高能量效率和低排放性能向老式汽车提出了极大挑战，发展势态迅猛，市场化进程不久。国内“十五”国家高新技术研究发展筹划(863筹划)将电动汽车以重大专项列入，并且将混合动力电动汽车作为现阶段电动汽车发展重点和方向[3-5]。
1 混合动力电动汽车分类和特点
1.1 混合动力电动汽车定义
混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有助于市场化而产生一种新车型。普通是指采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要动力。通过先进控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分派，达到低能耗、低污染和高度自动化新型汽车[6]。混合动力汽车按混合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种；按混合度(电机功率与内燃机功率之比)不同，又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。
1.2 混合动力电动汽车分类
1.21串联式混合动力电动汽车
串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机、电池组、驱动电机和控制器等重要部件构成。发动机仅仅用来发电，所发出电能通过发电机供应电动机，电动机再将电能转换为机械能驱动车辆行驶。发动机和发电机只是作为车辆一种辅助动力单元，当发动机输出功率超过汽车行驶所需要功率时，发电机将发出某些富余电能转向为电池充电，以提高汽车续驶能力。此外，电池也可以单独作为能量源，将自身电能提供应电动机来驱动车辆行驶，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶[7]。
电动机是串联式混合动力汽车唯一驱动模式，发动机通过发电机所产生电能和电池输出电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶。串联式HEV驱动系统构造如图1.1所示。

图1.1 串联式HEV驱动系统构造
1.2.2 并联式混合动力电动汽车
并联式混合动力驱动系统构造如图1.2所示，与串联式混合动力汽车不同是，动力电池组通过电动/发电机输出机械能和发动机输出机械能进行叠加来驱动汽车，可以组合成不同驱动模式。并联式混合动力电动汽车重要由发动机、动力电池组、电动/发电机、电机控制器等部件构成，发动机功率和电动/发电机功率分别约为电动汽车所需最大驱动功率50％-100％(最大)，能量运用率高。

图1.2 并联式HEV驱动系统构造
1.2.3 混联式混合动力电动汽车
混联式混合动力汽车也可以称为串一并联混合式混合动力电动汽车，它可以分为单桥驱动混联式HEV和双桥驱动混联式HEV两种[8]。混联式混合动力驱动系统构造如图1.3所示，混联式驱动系统是串联式与并联式综合，它构造形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自长处。混联式混合动力电动汽车重要是由发动机、发电/电动机、电池组、驱动电机和控制器等部件构成。可以使发动机、发电机、电动机等部件进行更多优化匹配，在构造上可以保证汽车在复杂工况下工作在最优状态，因而更容易实现排放和燃油消耗控制目的。

图1.3 混联式HEV驱动系统构造
2 混合动力客车驱动系统核心部件选型和参数设计
现依照课堂教学内容，以及课外收集有关文献资料，对一种混合动力电动汽车驱动系统方案进行设计。本次设计采用方案为并联式混合动力驱动系统。
2.1 混合动力客车驱动系统核心部件选型
混合动力汽车核心驱动部件为:发动机、蓄电池、电动机及其控制系统等。本HEV重要动力元件选型根据样车对它们工作特性规定。
2.1.1 发动机型式
HEV发动机规定有一定驱动功率，可以满足基本动力性能规定。可以与驱动电机一起提供HEV所需要最大功率。HEV发动机功率普通要比同级别内燃机汽车要小。混合动力系统发动机追求是高效率，而不是高功率，便于发动机最优化调节，保证燃料充分燃烧。发动机排量相对小某些，有助于减少摩擦损失，而加速时动力局限性可以由电机来弥补。直喷柴油发动机(CIDI)是当前大中型汽车广泛使用动力装置，技术比较成熟，热效率高，燃油经济性好，有害排放物相对较低。另一方面，由于电子控制技术、废气增压技术、尾气解决技术等在柴油机中应用，使柴油机综合性能特别是排放性能得到明显提高。因而，无论是从混合动力系统自身特点，还是从车用动力发展趋势来看，对于近期混合动力汽车而言，沿用技术成熟先进直喷式增压柴油机是实际可行方案。
2.1.2 蓄电池型式
电池依然是混合动力汽车一种十分重要某些，但是由于在混合动力汽车中，电池不再是唯一能量载体，电池仅在车辆启动、低速运营、加速等工况下工作，对能量和容量规定不像纯电动汽车那样苛刻，因此混合动力汽车电池重量和成本均有大幅度下降，选取范畴也更为广泛。由于铅酸电池可初步满足并联式混合动力客车规定，并且从成本和布置方面考虑，铅酸电池也还被当前混合动力大客车较多采用[9]。
2.1.3 电动机驱动系统型式
电动机是混合动力汽车驱动单元之一，电动机驱动系统涉及电动机、功率电子电路及控制某些。混合动力汽车对电机驱动系统基本规定为:
1.电机驱动系统具备辽阔调速范畴，有着与汽车行驶一致动力特性。简言之，低转速时恒转矩，高转速时恒功率。最高转速越高，在同样额定输出功率下，转速越高，电动机尺寸、重量越小。
2.动态性能好—电机驱动系统要可以频繁地起动/停车、加速/减速。
3.为了减少汽车非有效载荷，规定电机驱动系统体积小、重量轻，功率密度大，在短时间内具备较高过载能力。
4.高效率—这对于电动汽车意义特别重大。
5.电气系统安全性和控制系统安全性—抗振动、耐腐蚀、低噪音;抗干扰，具备较好电磁兼容性。
6.可以四象限运营，实现正反转和再生制动。
7.高电压—电压越高，电动机尺寸、重量越小，功率转换器成本越低。
8.适合批量生产，价格便宜，便于维修。对电机选用还要考虑其控制系统特点，规定能实现双向控制，对再生制动能量可以回收。当前混合动力车上可采用电机普通为三种型式:交流异步电机、开关磁阻电机、永磁无刷电机[10] [11]。考虑到技术发展趋势和性能规定，交流电机驱动系统成了混合动力汽车重要选取。
2.1.4 核心部件选型成果
在并联式混合动力大客车上，发动机应选取比基本车功率小一点直喷式增压柴油机;基于成本、可行性，以及并联式混合动力客车对电池规定，蓄电池应取性价比高免维护铅酸蓄电池;电动机及其控制系统选取交流感应电动机和其相应控制器。
2.2 混合动力客车驱动系统部件参数设计
混合动力汽车动力传动系设计也应满足车辆动力性能规定。动力系统部件参数可以依照动力系统控制方略、决定载荷整车参数(如整车整备质量、空气阻力系数、滚动阻力系数等)和车辆性能规定等来初步拟定[12]。
2.2.1 整车参数及动力性指标
混合动力样车是以某系列老式公交车作为基本车设计，其整车参数如表2-1所示：
表2-1整车参数

按照设计目的，并联式混合动力大客车动力性计算指标如下：
(1)最大车速≥80km/h
(2)最大爬坡度为25％
(3)0-50km/h加速时间t≤26s
(4)蓄电池单独供电，放电深度80％，平均速度50km/h时续驶里程S≥40km。
2.2.2 发动机功率计算
混合动力公交车在都市运营速度不是不久，依照动力性需求咱们拟定最高车速为=85km/h。在其经常运营巡航车速范畴内单独由混合动力汽车发动机提供功率。混合动力汽车发动机应能单独驱动汽车平时行驶规定功率，并留有一定富余功率给电池充电。即：
（2-1）
式中：Pemax —发动机最大输出功率/kW
—整车动力传动系效率
V—最高车速/Km/h
m—整车质量Kg
Cd—空气阻力系数
f—滚动阻力系数
A一迎风面积/m2
把表中参数代入式中得：

而在高速工况下整车基本上由发动机单独驱动，考虑空调开时负载功率，因此发动机功率初步选取为110kw东风康明斯生产直列六缸增压中冷柴油机，详细参数如表2-2:
表2-2 ISBe150-30柴油机技术参数

2.2.3 电动机功率计算
由于并联式混合动力汽车电动机只在低速(低于20km/h)和加速时工作，因此电机功率选取须满足汽车加速规定和最大爬坡度以及纯电动运营续驶里程等3项规定。依照所选电机为高效率交流异步电机先预计电机效率为0.9。
（2-2）

以汽车在10km/h速度爬坡25％来计算所需功率：
（2-3）

因而驱动电机功率必要满足Pmc>Pmc1及Pmc>Pmc2，因此咱们初步选取驱动电机额定功率为66kW，峰值功率150kW。
表2-3 驱动电机技术参数

2.2.4 电池参数计算
电池参数匹配普通做法是，一方面拟定电机最大工作电流、工作电压范畴和电机最大功率，考虑电压对电池寿命影响，拟定电池额定电压和电压范畴；接着依照纯电动行驶能量规定来决定电池能量，从而计算电池容量及重量等。研究和工程实际表白，限于绝缘材料以及安全考虑，电动汽车最高电压普通低于350V。由公式2-4可知电池输出电压越高同等功率下，工作电流越小，则电池内阻损耗能量越少，故综合考虑，咱们选定电池额定电压为300V。由公式2-4可以计算出电机驱动系统最大工作电流。
(2-4)
式中：U0_bat--电池额定电压，300V
Pm_max--电机驱动系统峰值功率，150kW
Im_max--电机驱动系统最大工作电流，A
采用是铅酸电池电压为12V，由25个电池模块串联而成。
依照上文拟定车辆性能指标，在平均车速为50km/h时纯电动行驶达到续驶里程40km。
(2-5)

(2-6)
考虑电池设定放电深度为80％。故蓄电池组标称总能量应选为E/80％=28/80％=31.5kWh。
由电池容量=能量/电压，因此电池容量=31500/300=105Ah
综合考虑为保证整车足够续驶里程以及实际状况中所应付其他阻力以及驱动附属设备，电池型号等方面因素，最后拟定电池容量为200Ah，详细参数见表2-4。
表2-4 蓄电池组参数

2.2.5 主减速器比拟定
对于并联式混合动力汽车，原则上应尽量选用较大主减速器速比。主减速器速比越大，汽车加速和爬坡能力越强。其大小重要依照汽车动力性和燃料经济性规定选定。主减速器传动比普通为3.5-6.7。但过大将使从动齿轮尺寸增长，减小了离地间隙，减少了汽车通过性。在选取主减速比时，还要考虑车辆最高车速规定，同步要注意发动机和电动机在低速时要有一定剩余功率用于加速和爬坡。
i0选取一方面应满足车辆最高行驶车速规定即：
(2-7)

式中：nemax——驱动发动机最高稳定转速/r/min
rr——轮胎滚动半径/m
此外为使驱动电机在车辆最高车速时仍能输出最大功率i0选取还应满足：
(2-8)

式中：nep——驱动发动机最大输出功率点相应电机转速。
主减速比介于两者之间，结合原基本车型主减速比，咱们取为6.5。
2.2.6 变速器比选取
高速档变速器比初步选取重要考虑发动机工作区间与否穿过发动机工作经济区域，都市公交工况车速普通都不高，除了经常运营在车速0-20km/h之间(此时为纯电动)，发动机工作时相应车速经常在35-40km/h之间，
由公式得知 (2-9)
相应发动机转速在l160-1330r/min，依照发动机万有特性图可知，转速工作在发动机燃油经济性比较好工作区域。同步在发动机最高转速2900r/min下，车辆相应最高车速也达到87km/h，故此发动机满足设计规定。
由于本车设计规定在低于20km/h低速状态下只有电动机单独提供动力，即在低速爬坡工况下只由电动机单独提供转矩，低速档变速器数比初步选取重要考虑到汽车在纯电机工作下电机低速可以达到爬坡所需要最低转矩并且要有一定转矩富余用于爬坡加速。有公式：
（2-10）
得低速爬坡所需最小传动比：
（2-11）

式中：i0--主减速比
G--整车重力
f--滚动阻力系数
i--坡度
Ttq--电机最大转矩
--传动系统机械效率
由于考虑到还需要留出一定爬坡富余转矩故ig应不不大于以上计算值，综合考虑变速器档位之间传动比比值不适当不不大于1.7-1.8，也不适当过小，最后选定最大传动比为2.89，在2.2.3节中所选电机基速为900转/分，低速恒转矩1600N·M，由公式2-9可得V=25km/h而电机工作区间大某些在20km/h以内，故所选取电机也能满足整车动力性需求。
表2-5 部件选型成果

3 混合动力客车驱动系统构造及工作原理
综合考虑，选取构造如图3-1所示并联式构造，其特点是驱动电动机通过离合器与发动机同轴安装，再通过主减速器和变速箱驱动后桥[13]。

图3-1混合动力客车单轴并联构造图
该系统工作原理为在车速低于20km/h(涉及倒车)时离合器分离，仅由电动机通过传动轴驱动后桥行驶。发动机则带动空气压缩机、动力转向油泵及空调压缩机等：在车速超过20km/h匀速行驶时，离合器结合，发动机通过离合器、电动机、主减速器、变速箱和传动轴驱动后桥迈进(此时电动机转子仅作为传动轴一某些)：在车速超过20 km/h并加速行驶时，除了发动机通过离合器、电动机、主减速器、变速箱和传动轴驱动后桥迈进外，电动机也驱动后桥迈进，此时为两套驱动系统共同驱动：减速或制动时，电机再生制动回收能量。
4 混合动力客车驱动系统控制方略
控制方略制定是混合动力电动汽车开发核心技术之一，由于其直接影响着能量在车辆内部流动及整车性能[14]。针对详细构造，如何依照车辆运营工况拟定发动机和电动机动力分派，保持发动机工作在高效低排放工作区，延长电池使用寿命对于混合动力电动汽车驱动控制系统来说至关重要。因而，必要对混合动力电动汽车进行构造与控制方略分析，只有选取对的合理控制方略，才干达到混合动力电动汽车节能和环保规定。
不同混合动力汽车需要不同控制方略来调节和控制功率从不同部件流进和流出，从而实现不同控制目的。普通说来，混合动力汽车控制方略控制目的重要有三个：(1)最佳燃油经济性；(2)最低排放；(3)最低系统成本[15]。
在设计混合动力汽车控制方略时，应当着重考虑如下某些问题：
(1)优化发动机工作点。基于最佳燃油经济性、最低排放或者两者相结合，依照发动机转矩～转速特性曲线拟定最优工作点。
(2)限制发动机最低转速。当发动机低速运营时，燃油效率很低，因而当发动机转速低于某一值时，应切断发动机工作(关闭发动机或将离合器分离)。
(3)适当蓄电池荷电状态。蓄电池SOC值必要保持在恰当水平上，以便在汽车加速时能提供足够功率，在汽车制动和下坡时能提供回收能量。
(4)安全蓄电池电压。在放电、发电机充电或再生制动时，蓄电池电压会发生很大变化，应避免蓄电池电压过低或过高。否则，蓄电池会产生永久性损坏。
(5)分工恰当。在驱动循环中，发动机和蓄电池应合理分担汽车所需功率。
(6)工况选取。在某些都市或地区混合动力汽车应以纯电动模式工作，这种转变可以通过手动或自动来控制。当前应用于并联混合动力汽车控制方略重要涉及电力辅助控制方略、建立在固定循环工况上全局优化控制方略、综合管理控制方略以及自适应控制方略等。
在该并联式混合动力客车驱动系统中。发动机和电机分别作为车辆高速和低速行驶时重要动力源。需要对发动机和电机进行协同优化控制，整车基本控制方略如下[16] [17]：
(1)当车速低于某一设定值，电池SOC值不不大于最小值时，电机提供所有驱动转矩，发动机关闭。
(2)当发动机在给定转速下提供所需转矩，但工作在低效率区域时，若此时蓄电池容许充电(SOC值不大于0.8)，电机作为负载工作在发电状态，增长发动机需求转矩。从而提高发动机效率。
(3)当电池SOC值过低时，发动机除了提供驱动汽车所需功率外，还提供某些功率给电机，电机工作在发电状态，为电池补充电能。
(4)当汽车处在加速工况时，发动机和电机同步工作，电机对发动机助力。
(5)当汽车减速或者制动时，电机工作在发电状态给电池充电，回收制动能量。
5 混合动力客车驱动系统优缺陷
该并联式混合动力电动客车长处[18]：
(1)具备发动机和驱动电机两个动力源，每个动力源功率设计为车辆驱动功率50％--100％即可，因而质量和体积都要小诸多，适合布置在小型汽车上。
(2)该并联式混合动力电动客车基本模式是发动机驱动模式，没有机械能--电能--机械能转换过程，总综合能量转换效率要比串联式汽车高。当车辆需要最大输出功率时，驱动电动机可以向汽车提供额外辅助动力，因而发动机功率可以选取得较小，使汽车燃油经济性提高。
该并联式混合动力电动客车缺陷：
(1)由于基本驱动模式是发动机驱动，故需要配备与内燃机汽车相似传动系统，在总布置上基本与内燃机汽车相似，动力性能接近内燃机汽车，发动机有害气体排放高于串联式汽车。
(2)发动机驱动模式需要装离合器、变速器、传动轴和驱动器等传动总成，此外尚有驱动电机、动力电池组，以及动力组合器等装置，因而使动力系统构造复杂，布置和控制也更加困难。并联式驱动系统最适合在都市间道路和高速公路上行驶，行驶工况稳定，发动机经济性和排放性都会得到极大改进。
6 结束语
(1)分析了混合动力汽车驱动系统构造类型和各自特点。
(2)依照混合动力汽车设计基本原则，完毕了整车动力源(发动机、电机和电池)重要参数以及传动系统速比设计。
(3)提出了基于该混合动力电动客车整车基本控制方略。
(4)简要分析了该串联式混合动力电动客车驱动系统优缺陷。
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