混合動力汽車中的動力驅動系統的研究

謝忠志

摘 要：混合動力汽車作為解決汽車節能、降低排放的措施，已廣泛受到關注。電機驅動系統作為混合動力汽車中一個重要的部分也作為重要的研究對象。該文以混合動力汽車中的動力系統永磁同步電機控制系統作為研究對象。對各種可適用于混合動力汽車的牽引電機特性進行了比較，選擇了永磁同步電機作為混合動力汽車的驅動電機。然后在Matlab/Simulink下建立應用于混合動力汽車的永磁同步電機調速系統仿真模型，并對仿真結果做分析研究。

關鍵詞：混合動力汽車 永磁同步電機 驅動系統 仿真

中圖分類號：T34M8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

電動汽車是電動車輛的一種，是指由車載電源提供全部或部分動力。主要包括純電動汽車和混合動力電動汽車。混合動力電動汽車是以內燃機為主、蓄電池為輔的汽車。由于性價比不高，混合動力型汽車不會作為主流產品。

1 混合動力汽車的發展

1.1 世界混合動力汽車的總體發展現狀

德國奔馳、日本豐田、美國通用等具備強大技術優勢的汽車企業，對于全球汽車業最大課題——能源與環境的對策在近年來殊途同歸：近期，努力完善混合動力車；長遠邁出氫動力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。

目前全球汽車用的鎳氫電池主要是日本松下、三洋公司壟斷。

1.2 我國混合動力汽車的發展現狀

2012年7月18日，由蓋世汽車研究院主辦的主題為“中國將迎來混合動力爆發期？”的圓桌論壇活動在北京舉行。在《節能與新能源汽車產業規劃（2012—2020）》出臺后，關于汽車新能源和混合動力節能汽車的討論激烈開展。

國內公司長沙科霸的電池正極負極片已完全通過豐田嚴苛驗證，正式進入豐田采購階段。公司已進入了豐田的供應鏈，未來將分享豐田汽車混動的全球銷量的增長。

2 混合動力汽車分類及結構原理

混合動力車是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源與電動力源的汽車。目前混合動力總成一般以動力傳輸路線分類，可分為串聯式、并聯式和混聯式三種。

2.1 串聯式動力

它由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成，它們采用“串聯”的方式組成驅動系統。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統不需要工作，蓄電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機、驅動電動機輸出的轉矩經變速器、傳動軸及驅動橋驅動車輪。蓄電池組電量低于60%時，輔助動力系統起動，為驅動系統提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。當車輛能量需求較大時，輔助動力系統與蓄電池組同時為驅動系統提供能量，發動機—發電機組產生的交流電經整流器變為直流電和電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機。由于蓄電池組的存在，使發動機工作在一個相對穩定的工況，使其排放得到改善。

2.2 并聯式動力

并聯式混合動力汽車的組成：發動機；電動機/發動機；機械傳動系統；驅動電動機；逆變器；蓄電池組。是由發動機與電動機、發動機或驅動電機兩大動力總成組成。它們采用“并聯”的方式組成驅動系統。電動機的動力要與車輛驅動系統相結合，可以：（1）在發動機輸出軸處進行組合；（2）在變速器（包括驅動橋）處進行組合；（3）在驅動橋處進行組合。驅動模式為：①以發動機驅動為基本驅動模式，獨立驅動后驅動輪；②驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪。

2.3 混聯式動力

混聯式驅動系統是串聯式與并聯式的綜合。三種混合動力電動汽車中混聯式是最優的。混合動力汽車在發達國家已經日益成熟，有些已經進入實用階段。

3 混合動力汽車電力驅動系統

3.1 優點

車輛啟動或停止時，只有電動機運行。達到一定車速時，發動機啟動介入工作，因此，發動機一直保持在最佳工況狀態。在并聯混合動力車中，當需要更大驅動力時，電動機和發動機還可以協同驅動車輛。混合動力系統可以使得小排量發動機汽車動力性好，排放更優，同時油耗也可以有所降低。

同時降低環境污染，提高電能使用效率（利用晚上富余低價電能），對用戶來說，就是使用成本下降，理想情況下，每百公里用油電混合車輛，綜合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合動力汽車電機的選擇

從性價比來看，選用原則為體積小、重量輕的高效電機。其主要的電機驅動系統有直流電機調速系統、感應電機調速系統、永磁同步電機調速系統和開關磁阻電機調速系統。隨著高性能永磁材料、電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的發展，永磁同步電機（PMSM）的應用領域不斷擴大，永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，永磁同步電機矢量控制系統的研究已成為中小容量交流伺服系統研究的重點之一。

在交流驅動系統的研究工作中，美國GM公司與Unique Mobility公司曾聯合對峰值功率100 kW的異步電機和永磁同步電機驅動系統做過比較，如表1所示。

從表1中可以看出，永磁電機在功率密度、效率等性能方面均優于異步電機，特別是稀土永磁直流電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。

3.3 控制策略

永磁同步電機的調速主要通過改變供電電源的頻率來實現。目前常用的變頻調速方式有轉速閉環恒壓頻比控制（v/f）、轉差頻率控制、基于磁場定向的矢量控制（Vector Control）以及直接轉矩控制（Direct Torque Control）。

實際應用中應當根據性能要求采用相應的控制策略，以獲得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步電動機已經被廣泛地應用于國民經濟的各個領域，特別在混合動力汽車領域。

4 驅動系統Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驅動系統仿真模型

如圖1所示。

4.2 仿真結果

使用控制，給定轉速設置為，負載給定為帶載啟動，在時突加負載。仿真結果如圖2所示。

從轉速響應曲線中可以看出，轉速在啟動后，經過大約0.03 s后基本達到穩定，突加負載后0.01 s后達到穩定，轉速響應較為理想。轉矩響應較為波動在左右，較為平穩。

5 結語

該文僅在理論上和算法上進行了研究仿真，并未具體設計控制系統電路。混合動力汽車在機械結構和負載類型上有其特殊的特點，應用于混合動力汽車的交流控制系統還需要做很多的適應性的研究。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保華，王偉明，張建武，等.并聯混合動力汽車控制策略比較研究[J].系統仿真學報，2006（2）：81-84.

[3] 張威.Stateflow邏輯系統建模[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合動力電動汽車最優控制與實例仿真[J].系統仿真學報，2007（1）：47-51.endprint

摘 要：混合動力汽車作為解決汽車節能、降低排放的措施，已廣泛受到關注。電機驅動系統作為混合動力汽車中一個重要的部分也作為重要的研究對象。該文以混合動力汽車中的動力系統永磁同步電機控制系統作為研究對象。對各種可適用于混合動力汽車的牽引電機特性進行了比較，選擇了永磁同步電機作為混合動力汽車的驅動電機。然后在Matlab/Simulink下建立應用于混合動力汽車的永磁同步電機調速系統仿真模型，并對仿真結果做分析研究。

關鍵詞：混合動力汽車 永磁同步電機 驅動系統 仿真

中圖分類號：T34M8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

電動汽車是電動車輛的一種，是指由車載電源提供全部或部分動力。主要包括純電動汽車和混合動力電動汽車。混合動力電動汽車是以內燃機為主、蓄電池為輔的汽車。由于性價比不高，混合動力型汽車不會作為主流產品。

1 混合動力汽車的發展

1.1 世界混合動力汽車的總體發展現狀

德國奔馳、日本豐田、美國通用等具備強大技術優勢的汽車企業，對于全球汽車業最大課題——能源與環境的對策在近年來殊途同歸：近期，努力完善混合動力車；長遠邁出氫動力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。

目前全球汽車用的鎳氫電池主要是日本松下、三洋公司壟斷。

1.2 我國混合動力汽車的發展現狀

2012年7月18日，由蓋世汽車研究院主辦的主題為“中國將迎來混合動力爆發期？”的圓桌論壇活動在北京舉行。在《節能與新能源汽車產業規劃（2012—2020）》出臺后，關于汽車新能源和混合動力節能汽車的討論激烈開展。

國內公司長沙科霸的電池正極負極片已完全通過豐田嚴苛驗證，正式進入豐田采購階段。公司已進入了豐田的供應鏈，未來將分享豐田汽車混動的全球銷量的增長。

2 混合動力汽車分類及結構原理

混合動力車是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源與電動力源的汽車。目前混合動力總成一般以動力傳輸路線分類，可分為串聯式、并聯式和混聯式三種。

2.1 串聯式動力

它由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成，它們采用“串聯”的方式組成驅動系統。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統不需要工作，蓄電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機、驅動電動機輸出的轉矩經變速器、傳動軸及驅動橋驅動車輪。蓄電池組電量低于60%時，輔助動力系統起動，為驅動系統提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。當車輛能量需求較大時，輔助動力系統與蓄電池組同時為驅動系統提供能量，發動機—發電機組產生的交流電經整流器變為直流電和電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機。由于蓄電池組的存在，使發動機工作在一個相對穩定的工況，使其排放得到改善。

2.2 并聯式動力

并聯式混合動力汽車的組成：發動機；電動機/發動機；機械傳動系統；驅動電動機；逆變器；蓄電池組。是由發動機與電動機、發動機或驅動電機兩大動力總成組成。它們采用“并聯”的方式組成驅動系統。電動機的動力要與車輛驅動系統相結合，可以：（1）在發動機輸出軸處進行組合；（2）在變速器（包括驅動橋）處進行組合；（3）在驅動橋處進行組合。驅動模式為：①以發動機驅動為基本驅動模式，獨立驅動后驅動輪；②驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪。

2.3 混聯式動力

混聯式驅動系統是串聯式與并聯式的綜合。三種混合動力電動汽車中混聯式是最優的。混合動力汽車在發達國家已經日益成熟，有些已經進入實用階段。

3 混合動力汽車電力驅動系統

3.1 優點

車輛啟動或停止時，只有電動機運行。達到一定車速時，發動機啟動介入工作，因此，發動機一直保持在最佳工況狀態。在并聯混合動力車中，當需要更大驅動力時，電動機和發動機還可以協同驅動車輛。混合動力系統可以使得小排量發動機汽車動力性好，排放更優，同時油耗也可以有所降低。

同時降低環境污染，提高電能使用效率（利用晚上富余低價電能），對用戶來說，就是使用成本下降，理想情況下，每百公里用油電混合車輛，綜合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合動力汽車電機的選擇

從性價比來看，選用原則為體積小、重量輕的高效電機。其主要的電機驅動系統有直流電機調速系統、感應電機調速系統、永磁同步電機調速系統和開關磁阻電機調速系統。隨著高性能永磁材料、電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的發展，永磁同步電機（PMSM）的應用領域不斷擴大，永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，永磁同步電機矢量控制系統的研究已成為中小容量交流伺服系統研究的重點之一。

在交流驅動系統的研究工作中，美國GM公司與Unique Mobility公司曾聯合對峰值功率100 kW的異步電機和永磁同步電機驅動系統做過比較，如表1所示。

從表1中可以看出，永磁電機在功率密度、效率等性能方面均優于異步電機，特別是稀土永磁直流電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。

3.3 控制策略

永磁同步電機的調速主要通過改變供電電源的頻率來實現。目前常用的變頻調速方式有轉速閉環恒壓頻比控制（v/f）、轉差頻率控制、基于磁場定向的矢量控制（Vector Control）以及直接轉矩控制（Direct Torque Control）。

實際應用中應當根據性能要求采用相應的控制策略，以獲得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步電動機已經被廣泛地應用于國民經濟的各個領域，特別在混合動力汽車領域。

4 驅動系統Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驅動系統仿真模型

如圖1所示。

4.2 仿真結果

使用控制，給定轉速設置為，負載給定為帶載啟動，在時突加負載。仿真結果如圖2所示。

從轉速響應曲線中可以看出，轉速在啟動后，經過大約0.03 s后基本達到穩定，突加負載后0.01 s后達到穩定，轉速響應較為理想。轉矩響應較為波動在左右，較為平穩。

5 結語

該文僅在理論上和算法上進行了研究仿真，并未具體設計控制系統電路。混合動力汽車在機械結構和負載類型上有其特殊的特點，應用于混合動力汽車的交流控制系統還需要做很多的適應性的研究。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保華，王偉明，張建武，等.并聯混合動力汽車控制策略比較研究[J].系統仿真學報，2006（2）：81-84.

[3] 張威.Stateflow邏輯系統建模[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合動力電動汽車最優控制與實例仿真[J].系統仿真學報，2007（1）：47-51.endprint

摘 要：混合動力汽車作為解決汽車節能、降低排放的措施，已廣泛受到關注。電機驅動系統作為混合動力汽車中一個重要的部分也作為重要的研究對象。該文以混合動力汽車中的動力系統永磁同步電機控制系統作為研究對象。對各種可適用于混合動力汽車的牽引電機特性進行了比較，選擇了永磁同步電機作為混合動力汽車的驅動電機。然后在Matlab/Simulink下建立應用于混合動力汽車的永磁同步電機調速系統仿真模型，并對仿真結果做分析研究。

關鍵詞：混合動力汽車 永磁同步電機 驅動系統 仿真

中圖分類號：T34M8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0020-02

電動汽車是電動車輛的一種，是指由車載電源提供全部或部分動力。主要包括純電動汽車和混合動力電動汽車。混合動力電動汽車是以內燃機為主、蓄電池為輔的汽車。由于性價比不高，混合動力型汽車不會作為主流產品。

1 混合動力汽車的發展

1.1 世界混合動力汽車的總體發展現狀

德國奔馳、日本豐田、美國通用等具備強大技術優勢的汽車企業，對于全球汽車業最大課題——能源與環境的對策在近年來殊途同歸：近期，努力完善混合動力車；長遠邁出氫動力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。

目前全球汽車用的鎳氫電池主要是日本松下、三洋公司壟斷。

1.2 我國混合動力汽車的發展現狀

2012年7月18日，由蓋世汽車研究院主辦的主題為“中國將迎來混合動力爆發期？”的圓桌論壇活動在北京舉行。在《節能與新能源汽車產業規劃（2012—2020）》出臺后，關于汽車新能源和混合動力節能汽車的討論激烈開展。

國內公司長沙科霸的電池正極負極片已完全通過豐田嚴苛驗證，正式進入豐田采購階段。公司已進入了豐田的供應鏈，未來將分享豐田汽車混動的全球銷量的增長。

2 混合動力汽車分類及結構原理

混合動力車是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源與電動力源的汽車。目前混合動力總成一般以動力傳輸路線分類，可分為串聯式、并聯式和混聯式三種。

2.1 串聯式動力

它由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成，它們采用“串聯”的方式組成驅動系統。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統不需要工作，蓄電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機、驅動電動機輸出的轉矩經變速器、傳動軸及驅動橋驅動車輪。蓄電池組電量低于60%時，輔助動力系統起動，為驅動系統提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。當車輛能量需求較大時，輔助動力系統與蓄電池組同時為驅動系統提供能量，發動機—發電機組產生的交流電經整流器變為直流電和電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機。由于蓄電池組的存在，使發動機工作在一個相對穩定的工況，使其排放得到改善。

2.2 并聯式動力

并聯式混合動力汽車的組成：發動機；電動機/發動機；機械傳動系統；驅動電動機；逆變器；蓄電池組。是由發動機與電動機、發動機或驅動電機兩大動力總成組成。它們采用“并聯”的方式組成驅動系統。電動機的動力要與車輛驅動系統相結合，可以：（1）在發動機輸出軸處進行組合；（2）在變速器（包括驅動橋）處進行組合；（3）在驅動橋處進行組合。驅動模式為：①以發動機驅動為基本驅動模式，獨立驅動后驅動輪；②驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪。

2.3 混聯式動力

混聯式驅動系統是串聯式與并聯式的綜合。三種混合動力電動汽車中混聯式是最優的。混合動力汽車在發達國家已經日益成熟，有些已經進入實用階段。

3 混合動力汽車電力驅動系統

3.1 優點

車輛啟動或停止時，只有電動機運行。達到一定車速時，發動機啟動介入工作，因此，發動機一直保持在最佳工況狀態。在并聯混合動力車中，當需要更大驅動力時，電動機和發動機還可以協同驅動車輛。混合動力系統可以使得小排量發動機汽車動力性好，排放更優，同時油耗也可以有所降低。

同時降低環境污染，提高電能使用效率（利用晚上富余低價電能），對用戶來說，就是使用成本下降，理想情況下，每百公里用油電混合車輛，綜合油耗能降低到2 L左右。

3.2 混合動力汽車電機的選擇

從性價比來看，選用原則為體積小、重量輕的高效電機。其主要的電機驅動系統有直流電機調速系統、感應電機調速系統、永磁同步電機調速系統和開關磁阻電機調速系統。隨著高性能永磁材料、電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的發展，永磁同步電機（PMSM）的應用領域不斷擴大，永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，永磁同步電機矢量控制系統的研究已成為中小容量交流伺服系統研究的重點之一。

在交流驅動系統的研究工作中，美國GM公司與Unique Mobility公司曾聯合對峰值功率100 kW的異步電機和永磁同步電機驅動系統做過比較，如表1所示。

從表1中可以看出，永磁電機在功率密度、效率等性能方面均優于異步電機，特別是稀土永磁直流電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點。

3.3 控制策略

永磁同步電機的調速主要通過改變供電電源的頻率來實現。目前常用的變頻調速方式有轉速閉環恒壓頻比控制（v/f）、轉差頻率控制、基于磁場定向的矢量控制（Vector Control）以及直接轉矩控制（Direct Torque Control）。

實際應用中應當根據性能要求采用相應的控制策略，以獲得最佳性能。由于卓越的性能，永磁同步電動機已經被廣泛地應用于國民經濟的各個領域，特別在混合動力汽車領域。

4 驅動系統Matlab/Simulink仿真研究

4.1 驅動系統仿真模型

如圖1所示。

4.2 仿真結果

使用控制，給定轉速設置為，負載給定為帶載啟動，在時突加負載。仿真結果如圖2所示。

從轉速響應曲線中可以看出，轉速在啟動后，經過大約0.03 s后基本達到穩定，突加負載后0.01 s后達到穩定，轉速響應較為理想。轉矩響應較為波動在左右，較為平穩。

5 結語

該文僅在理論上和算法上進行了研究仿真，并未具體設計控制系統電路。混合動力汽車在機械結構和負載類型上有其特殊的特點，應用于混合動力汽車的交流控制系統還需要做很多的適應性的研究。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2005（1）：58-63.

[2] 王保華，王偉明，張建武，等.并聯混合動力汽車控制策略比較研究[J].系統仿真學報，2006（2）：81-84.

[3] 張威.Stateflow邏輯系統建模[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007：41-46

[4] 房立存，秦世引.混合動力電動汽車最優控制與實例仿真[J].系統仿真學報，2007（1）：47-51.endprint