混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及控制策略研究

麥明珠 何建威

摘要：混合動(dòng)力汽車的性能與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配以及車輛的協(xié)調(diào)等都有著十分密切的關(guān)系。論文以并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，根據(jù)混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型和各自的特點(diǎn)，進(jìn)行混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置、重要部件選型和參數(shù)設(shè)計(jì)，提出了一種能綜合考慮各部件功率情況的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及控制策略。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);控制策略

1? 混合動(dòng)力汽車的類型

混合動(dòng)力汽車中采用了不同的動(dòng)力裝置，其中主要有內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)儲(chǔ)能裝置的有效時(shí)間控制和能量分配提升能量使用效率。而混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的組成方式非常的多樣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出不同的形式，根據(jù)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以不同的方式進(jìn)行結(jié)合，主要有串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三種形式[1]。

串聯(lián)式的汽車是先借助發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，然后電能再通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。而并聯(lián)式則不同，采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪。其中電動(dòng)機(jī)是輔助動(dòng)力。并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的組成結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池組、動(dòng)力控制單元、動(dòng)力分配裝置等，如圖1所示。混聯(lián)式則是串聯(lián)式和并聯(lián)式的綜合，可以根據(jù)行駛條件以串聯(lián)或并聯(lián)模式進(jìn)行工作[2]。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，本文采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。

2? 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部件特性、參數(shù)以及控制策略對(duì)于車的性能具有十分重要的作用。但是充電設(shè)備的限制以及蓄電池組容量還是不能夠忽視的，如果使用容量小的蓄電池，在行駛時(shí)電池荷電狀態(tài)在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，而不用借助外部電網(wǎng)。所以本方案屬于電量維持型混動(dòng)汽車[2]。

混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)、電池組、電動(dòng)機(jī)、離合器變速器等部件。根據(jù)電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的耦合方式不同，混動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有三種布置形式。

第一種布置形式，如圖2，動(dòng)力輸出的扭矩主要在變速器的輸入軸前端進(jìn)行耦合。采用這種布置方式能通過(guò)變速器改善發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作點(diǎn)，電機(jī)可以在較高的轉(zhuǎn)速下使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，但是還存在著一定的問(wèn)題，主要是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變速器功率較大。

第二種布置形式，如圖3，動(dòng)力輸出的扭矩主要在變速器的輸出軸前端進(jìn)行耦合，變速器的作用是傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，其額定功率比第一種形式小。這兩種布置形式，扭矩耦合裝置主要是通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。齒輪傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，帶傳動(dòng)布置靈活，具有防過(guò)載的特點(diǎn)，在實(shí)際中采用較多。

第三種布置形式，如圖4，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)通過(guò)各自的傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)車輪。但是存在控制復(fù)雜的缺點(diǎn)，本文并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用第二種布置形式，扭矩通過(guò)帶傳動(dòng)裝置在變速器輸出軸處進(jìn)行扭矩耦合。

3? 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件參數(shù)確定

對(duì)于混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件參數(shù)，要在動(dòng)力性能滿足的前提下，根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，整車參數(shù)來(lái)確定[3]。本文所選車型基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)確定

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇，一般以巡航速度為例，那么發(fā)動(dòng)機(jī)功率按下式計(jì)算[3]：

式中，Pc為發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的功率;η1為傳動(dòng)效率，取為0.9;m為整車質(zhì)量;g為重力加速度;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);vc為巡航速度;CD為空氣阻力系數(shù);A迎風(fēng)面積。

3.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)確定

電動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的2 個(gè)核心動(dòng)力部件之一，其運(yùn)行特性對(duì)汽車的性能具有重要影響。由于并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的電動(dòng)機(jī)只在低速和加速時(shí)工作，所以電動(dòng)機(jī)功率的選擇須滿足汽車的加速要求、最大爬坡度以及純電動(dòng)運(yùn)行的續(xù)駛里程要求。為了實(shí)現(xiàn)高效率，混合動(dòng)力汽車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是盡量實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)和恒功率運(yùn)行，如圖5所示。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)典型的輸出特性主要包括兩個(gè)工作區(qū)：①基速以下恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，主要作用是對(duì)混合動(dòng)力汽車的載重能力的保障;②基速以上恒功率區(qū)，作用是保證具有足夠的加速空間。驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率可由下式計(jì)算[3]：

式中，Pd為電動(dòng)機(jī)功率;η2為電機(jī)傳動(dòng)效率;vd為汽車低速行駛時(shí)的速度。

3.3 主減速器和扭矩耦合裝置傳動(dòng)比確定

對(duì)于并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車，選擇大的主減速器速比，主減速器速比大，則相應(yīng)的汽車的加速和爬坡能力就會(huì)更加的突出。但是實(shí)際中主要取決汽車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。主減速器的傳動(dòng)比過(guò)大可能會(huì)減小了離地間隙，使汽車的通用性降低。

對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，在加速和爬坡時(shí)電機(jī)要提供峰值功率。由公式可計(jì)算出車輛在Vm時(shí)電機(jī)所需提供的峰值功率Pmot。則此時(shí)電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)為：

4? 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略

混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在高效率區(qū)進(jìn)行工作，其中不足的驅(qū)動(dòng)力矩則是由電動(dòng)機(jī)補(bǔ)足。在實(shí)際過(guò)程中，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在高效低排放工作區(qū)工作能夠有效的延長(zhǎng)電池使用壽命。因此，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車進(jìn)行結(jié)構(gòu)與控制分析具有十分的重要性，合理的控制策略十分重要，可以保證節(jié)能環(huán)保的要求。在以車速為主要參數(shù)的控制策略協(xié)同優(yōu)化如下[3]：①與所設(shè)定的車速相比，如果汽車車速較低時(shí)，但是電池SOC 值卻高于最小值時(shí)，可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛;②當(dāng)車速高于所設(shè)定的車速時(shí)，電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)提供全部轉(zhuǎn)矩;③當(dāng)電池SOC 值過(guò)低時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)給電池組充電;④當(dāng)汽車處于加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)一起工作，共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛;⑤當(dāng)汽車減速或者制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，回收制動(dòng)能量。

5? 結(jié)束語(yǔ)

混合動(dòng)力汽車是一個(gè)復(fù)雜的多能源系統(tǒng)，論文在分析研究混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)等基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)理論推導(dǎo)，確定了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的合理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略，保證了混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

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