电动四驱混合动力汽车工作模式分析及关键参数设计

王俊华 伊海霞 魏丹 夏珩

（广汽集团汽车工程研究院）

电动四驱混合动力汽车工作模式分析及关键参数设计

王俊华 伊海霞 魏丹 夏珩

（广汽集团汽车工程研究院）

对所研发的电动四驱混合动力汽车的几种工作模式进行了分析，该车工作模式包括自动起停、制动能量回收、纯电驱动、2WD驱动和4WD驱动以及换挡辅助等。在此基础上，基于系统效率最优原则，介绍了混合动力系统关键控制参数的设计，并通过实车转鼓试验对工作模式和设计参数进行了验证。

1 前言

目前，在研的混合动力系统有行星齿轮式和电动四驱式2种典型的结构形式[1]，如日本丰田公司推出的“Prius”[2，3]、美国福特公司推出的“Escape”[4，5]及美国通用公司推出的“Allison”[6]均采用了基于行星齿轮机构的混合动力系统。但上述行星齿轮机构的混合动力系统结构复杂，研发和制造成本高，且上述公司均申请了专利对其技术方案进行保护。因此，我国需要研究开发具有自主知识产权的混合动力系统方案来规避国外专利，进而推动我国节能汽车技术和产业的发展。

电动四驱式混合动力系统结构易于实现，便于在传统汽车的基础上进行改造且控制简单，已成为我国研发的热点，如夏珩等[7]提出了一种可实现四驱功能的混合动力系统，阐述了基于系统效率最优理论的经济性控制方法，但没有论述车辆的工作模式，而工作模式的分析和定义是整车控制策略设计的基础。为此，本文对电动四驱混合动力系统的工作模式进行了分析，在此基础上对其关键控制参数进行了设计。

2 系统结构

图1为所研发的电动四驱混合动力汽车系统结构，是在发动机前置前驱的传统AMT车辆的基础上，通过增加前电机和后电机以及储能装置构成电动四驱混合动力系统。前轴由发动机和前电机联合提供动力，并通过AMT（含离合器）将动力输出，经前轴差减分配给两前轮。后轴由后电机提供动力，经后轴差减分配给两后轮。前电机和后电机均为可逆电机，既可以工作在电动机模式为车辆提供驱动力，也可以工作在发电机模式产生电能。电池作为储能装置存储电机产生的电能和向电机提供电能。

在停车挂空挡的工况（以下称起停工况）下，该四驱混合动力汽车可以实现发动机自动起停功能；在驱动工况下，通过使能和禁用不同的动力源可实现2WD、纯电和4WD等3种驱动形式；在滑行和制动工况下，可实现能量回收功能。

3 起停工况工作模式

此工作模式下，在车辆静止、换挡手柄位于空挡位置时激活自动起停功能。若电池电量高于一定阈值，则发动机可自动停机，进入空挡停机模式，以改善燃油经济性；若电池电量低于一定阈值，则发动机可自动起动，进入空挡怠速模式以补充电池电量。起停工况工作模式见表1。

表1 起停工况工作模式

3.1 空挡停机模式

空挡停机模式下的能量流如图2所示，整车无能量流。

3.2 空挡怠速模式

空挡怠速模式下的能量流如图3所示，能量流是从发动机到前电机的机械能，经前电机转化为电能输送给电池。

4 驱动工况工作模式

4.1 2WD驱动工作模式

2WD驱动是指AMT挡位接合、离合器接合、前轴使用发动机作为主要动力源进行驱动，此时后电机处于零扭矩状态，即后轴不参与驱动，而前电机可处于零扭矩、发电或助力状态。根据前电机的介入方式可实现2WD基本模式、2WD发电模式和2WD助力模式等3种驱动模式，如表2所列。

表2 2WD驱动工况工作模式

4.1.1 2WD基本模式

前电机处于零扭矩状态时，车辆工作模式为2WD基本模式，此时能量流与传统汽车类似，是从发动机传递到前轴的机械能，如图4所示。

4.1.2 2WD发电模式

前电机处于发电状态时，车辆工作模式为2WD发电模式。此时，发动机扭矩一部分通过AMT传递到前轴进行驱动，另一部分用于带动前电机发电，产生的电能存储电池中。图5为2WD发动机模式能量流。由图5可看出，发动机输出的一部分机械能传递到前轴进行驱动，另一部分机械能传递到前电机，转化为电能输送给电池。

4.1.3 2WD助力模式

前电机处于助力状态时，车辆工作模式为2WD助力模式。此时发动机扭矩和前电机扭矩耦合后通过AMT传递到前轴进行驱动，前电机消耗电池存储的电能。图6为2WD助力模式能量流。由图6可看出，能量流一部分是从发动机传递到前轴的机械能，同时另一部分电能从电池输送给前电机，转化为机械能并传递到前轴进行驱动。

4.2 纯电驱动工作模式

纯电驱动是指仅使用后电机进行驱动，此时AMT处于空挡位置。根据发动机和前电机的状态，又可进一步划分为纯电驱动模式和串联驱动模式，如表3所列。

表3 纯电驱动工作模式

4.2.1 纯电驱动模式

在纯电驱动模式下，前轴动力系统不提供动力并与前轴车轮分离。后电机从电池获取电能，并将电能转化为机械能，通过后轴差减向后轴车轮提供驱动力。

图7为纯电驱动模式能量流。由图7可看出，电池输送电能给后电机，并转化为机械能传递到后轴进行驱动。

4.2.2 串联驱动模式

与纯电驱动模式不同的是，在串联驱动模式下，发动机起动并带动前电机转动进行发电，从而提供后电机驱动所需的电能，多余的电能被存储在电池中。

图8为串联驱动模式的能量流。由图8可看出，一部分机械能从发动机传递到前电机，转化为电能输送给电池；同时，一部分电能从电池输送给后电机，转化为机械能并传递到后轴进行驱动。

4.3 4WD驱动工作模式

4WD驱动是指AMT结合离合器和挡位，前轴使用发动机作为主要动力源在前轴进行驱动，同时后轴使用后电机作为唯一动力源进行驱动。根据前电机的介入方式可实现4WD基本工作模式、4WD发电工作模式、4WD助力工作模式等，如表4所列。

表4 4WD驱动工作模式

4.3.1 4WD基本模式

前电机处于零扭矩状态时，车辆工作模式为4WD基本模式，如图9所示。由图9可看出，一部分能量流是从发动机传递到前轴的机械能；另一部分能量流是由电池输送给后电机的电能，转化为机械能并传递到后轴进行驱动。

4.3.2 4WD发电模式

前电机处于发电状态时，车辆工作模式为4WD发电模式。此时，发动机扭矩一部分通过AMT传递到前轴进行驱动，另一部分用于带动前电机发电，产生的电能一部分输送给后电机进行驱动，另一部分存储在电池中。图10为4WD发电模式能量流。由图10可看出，能量流分为三部分，一部分是从发动机传递到前轴的机械能；一部分机械能从发动机传递到前电机，转化为电能输送给电池；另一部分电能从电池输送给后电机，转化为机械能并传递到后轴进行驱动。

4.3.3 4WD助力模式

前电机处于助力状态时，车辆工作模式为4WD助力模式。此时发动机扭矩和前电机扭矩耦合后通过AMT传递到前轴进行驱动，前电机消耗电池存储的电能。图11为4WD助力工作模式能量流。由图11可看出，能量流分为三部分，一部分是从发动机传递到前轴的机械能；一部分电能从电池输送给前电机，转化为机械能并传递到前轴进行驱动；另一部分电能从电池输送给后电机，转化为机械能并传递到后轴进行驱动。

5 制动工况工作模式

当驾驶员松开加速踏板，车辆进行滑行或制动时，车辆进入制动能量回收工作模式。根据车辆当时所处的驱动形式（2WD驱动、纯电驱动或4WD驱动），车辆分别进入2WD制动能量回收工作模式、纯电制动能量回收工作模式和4WD制动能量回收工作模式，如表5所列。

表5 制动工况工作模式

5.1 2WD制动能量回收模式

在2WD制动能量回收工作模式下，AMT结合离合器和挡位，发动机进入反拖状态提供一定的摩擦阻力。同时，前电机也发出随制动踏板深度增加的负扭矩，吸收一部分车辆动能实现能量回收功能。图12为2WD能量回收模式能量流。由图12可看出，一部分能量流是从前轴到前电机的机械能，另一部分能量流是从前电机到电池的电能。

5.2 纯电制动能量回收模式

在纯电制动能量回收工作模式下，AMT处于空挡，即前轴发动机与前电机不驱动车轮。后电机发出随制动踏板深度增加的负扭矩，吸收一部分车辆动能实现能量回收功能。图13为4WD助力工作模式能量流。由图13可看出，能量流是从后轴到后电机的机械能，经后电机转化为电能输送给电池。

5.3 4WD制动能量回收模式

在4WD制动能量回收工作模式下，AMT结合离合器和挡位，发动机进入反拖状态提供一定的摩擦阻力。同时，前电机和后电机也发出随制动踏板深度增加的负扭矩，吸收一部分车辆动能实现能量回收功能。图14为4WD能量回收模式能量流。由图14可看出，能量流一部分是从前轴到前电机的机械能，经前电机转化为电能输送给电池；另一部分是从后轴到后电机的机械能，经后电机转化为电能输送给电池。

6 关键控制参数设计

在明确整车工作模式的基础上，开发电动四驱混合动力汽车的关键任务是确定控制参数，以使整车在满足动力性的前提下具有较优的燃油经济性和较低的排放性能。

6.1 系统效率最优原则

燃油经济性关键控制参数设计的依据是系统效率最优原则[7]。系统效率定义为车辆当前的驱动功率与实现该驱动功率所需消耗的等效燃油功率之比。等效燃油功率由2部分组成，一部分是发动机消耗的燃油热功率，另一部分是充入电池的电量或从电池放出的与电量等效的燃油热功率。

系统效率为：

式中，Peng为发动机有效输出功率；Pgen为前电机机械功率；Pmot为后电机机械功率；Pbat_chg为电池充电功率；Pbat_dhg为电池放电功率；beng（neng，Peng）为发动机燃油消耗率；λchg为充电等效油耗率；λdhg为放电等效油耗率；为变速器平均传动效率；为前轴主减速器平均传动效率；为后轴主减速器平均传动效率；Hu为汽油热值。

其中，电池的充电功率和放电功率可进一步由前电机和后电机的机械功率导出：

式中，ηgen为前电机的效率；ηmot为后电机的效率；为电池的平均充电效率；为电池的平均放电效率。

6.2 设计燃油经济性的关键控制参数

决定整车性能的关键控制参数可分为两类，一类参数影响工作模式的选择，从而根据当前的运行状态选择最经济的工作模式。如，从纯电驱动到2WD驱动的转换，需要设计最优的整车扭矩需求阈值以决策这一工作模式的转换。另一类参数影响给定的工作模式下不同动力源之间的扭矩分配，从而在该工作模式下获得最优的经济性，如在2WD发电工作模式下，需要设计用于确定最优发电扭矩的参数以获得最优的燃油经济性。

6.2.1 工作模式选择参数设计举例

在车速较低、整车扭矩需求较小的情况下，通常采用纯电驱动，这不仅可避免发动机在低效率区域工作，从而获得更好的燃油经济性，而且低速纯电驱动还使整车具备电动爬行能力，同时改善起步平顺性，避免频繁换挡，从而改善驾驶舒适性。

在整车扭矩需求进一步提高或车速进一步提高时，根据系统效率的理论，纯电驱动的系统效率低于2WD驱动或4WD驱动的系统效率，此时应进行2WD驱动或4WD驱动。

在给定的整车工作点（车速和整车扭矩需求）下，根据系统效率公式可分别计算出纯电驱动的系统效率ηsys_ev、2WD驱动的系统效率ηsys_2wd和4WD驱动的系统效率ηsys_4wd，通过逐点比较三者的大小，选择系统效率最高的驱动工作模式。如图15所示，曲线1表示纯电驱动和2WD驱动的分界线，曲线2表示2WD驱动和4WD驱动的分界线。在实际应用中，为保证工作模式平滑过渡，避免频繁切换，对曲线1和曲线2作平滑处理。

确定曲线1和曲线2后，可进一步确定具体的工作模式。具体的工作模式选择仍依据系统效率公式，此外还应考虑电量平衡的需要。

在纯电驱动时，根据系统效率公式，纯电驱动工作模式的系统效率高于串联驱动工作模式，因而在电量充足的情况下，应优先选用纯电驱动工作模式；在电量不足的情况下，采用串联驱动工作模式以保证车辆低速性能的一致性。

在2WD驱动和4WD驱动时，根据电池电量和系统效率公式综合判定采用基本工作模式、发电工作模式或助力工作模式。

6.2.2 特定工作模式参数设计举例

在2WD驱动或4WD驱动且满足整车扭矩需求的前提下，通过调整前、后电机的扭矩可调整发动机的工作点，从而获得最优的系统效率。本文以2WD发电模式为例说明相关参数的设计。

在2WD发电模式下，其主要任务是根据当前的前轴工作点（前轴驱动扭矩需求，发动机转速）找到合适的目标发电扭矩，这可以利用系统效率公式通过离线计算得到。

对于发动机工作平面的每一发动机转速neng和前轴驱动扭矩τdrv执行以下步骤，找到最优系统效率ηsys_best。

a.令τeng=τdrv，计算发动机直接驱动的系统效率ηsys_engine（neng，τeng）作为基准，令ηsys_best=ηsys_engine。

b.根据所有满足式（3）约束条件的发动机扭矩τeng和前电机扭矩τgen，计算系统效率ηsys_i。

式中，τeng_max为发动机最大扭矩；τeng_min为前电机最小扭矩；τgen_max为前电机最大扭矩。

c.对于得到的ηsys_i，逐个与ηsys_best比较，若ηsys_i＞ηsys_best，则更新ηsys_best=ηsys_i。

d.最终得到的ηsys_best就是最优系统效率，相应的τeng是最优的发动机扭矩需求τeng_best，τgen即是最优的前电机扭矩需求τenggen_best。τgen＜0表示前电机发电，τgen＞0表示前电机助力，τgen=0表示前电机零扭矩，发动机单独驱动。

以设定前轴工作点（1 600 r/min、60 N·m）为例，图16给出了系统效率随发动机工作点的变化情况。由图16可看出，在此前轴工作点下，将发动机工作点配置在1 600 r/min、110 N·m时系统效率最高，此时前电机处于发电状态，发电扭矩需求为-50 N·m。

6.2.3 主动安全系统对工作模式选择的影响

出于行驶安全考虑，在选择工作模式以及在实施制动能量回收时，应根据车辆主动安全系统控制的需要进行干预，其优先级高于上述对经济性或动力性策略。这里所述的主动安全系统包括ABS、EBD、TCS、ESP等。如在湿滑路面上驱动时可能激活TCS，当TCS激活时将通过降低发动机扭矩并对制动系统施加短暂的制动力以实现驱动防滑功能。为确保TCS正常工作，应当优先选用2WD基本工作模式。

7 实际运行效果

为验证电动四驱混合动力汽车的工作模式定义及工作模式转换的有效性，进行了NEDC工况的转鼓试验，图17为试验示意。

图18为NEDC工况转鼓试验的实车运行效果。根据瞬时工况不同，车辆在各工作模式之间自动转换。由图18可看出，在整个NEDC循环中，发动机工作点平稳，且位于或接近经济区，电池电量基本维持平衡。与同平台传统车的试验结果对比可知，所开发的混合动力汽车百公里油耗减少25%以上，进一步验证了工作模式定义及工作模式转换控制参数设计的可行性。

8 结束语

对所研发的电动四驱混合动力汽车的工作模式进行分析可知，所设计的电动四驱混合动力系统工作模式丰富，可实现包括发动机工作点调节、中低速电动行驶、再生制动、自动起停等混合动力技术，此外，还可实现加速助力、换挡辅助等功能，使整车具有更好的驾驶舒适性。

通过举例阐述了混合动力系统关键控制参数的设计，并通过实车转鼓试验对应用效果进行了验证。试验结果表明，所开发的混合动力系统可有效实现节能减排的目的。

1 Iqbal Husain.Electric and Hybrid Vehicles Design Funda⁃mentals.CRC PRESS，2003.

2 Prokhorov D.Toyota Prius HEV Neurocontrol//Neural Net⁃worksInternationalJointConference.Orlando，2007: 2129-2134.

3 Liu Jinmng，Peng Huei.Control Optimization for a Powersplit Hybrid Vehicle//American Control Conference，Minne⁃apolis，2006:14～16.

4 Miller J M.Hybrid Electric Vehicle Propulsion System Ar⁃chitectures of the e-CVT Type.IEEE Transactions on Pow⁃er Electronics，2006，21（3）:756～767.

5 Syed F U，Kuang M L，Hao Ying.Active Damping Wheeltorque Control System to Reduce Driveline Oscillations in a Power-split Hybrid Electric Vehicle.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58（9）:4769～4785.

6 Miller J M，McCleer P J，Everett M.Ultracapacitor PlusBattery Energy Storage System Sizing Methodology for HEV Power Split Electronic CVT's//Proceedings of the IEEE In⁃ternationalSymposium on IndustrialElectronics.Du⁃brounik，2005:317～324.

7 夏珩，等.电动四驱混合动力汽车的功率分配策略.机电工程技术，2012，41（7）：124～128.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2014年11月4日。

接近角、离去角与总质量统计关系如图17所示。

4 质量参数特征

由于车辆使用类型各不相同，质量参数差异较大，可作为数据参考。

4.1 整备质量与总质量关系

整备质量与总质量统计关系如图18所示。

4.2 载质量与总质量关系

载质量与总质量统计关系如图19所示。

4.3 载质量利用系数与总质量关系

载质量利用系数计算公式如下：

载质量利用系数与总质量统计关系如图20所示。由图20可见，总质量16 t以下车型载质量利用系数随质量增大呈发散状，逐步增大；总质量16 t以上车型载质量利用系数随质量增大有变小的趋势；总质量12 t以上车型载质量利用系数基本都大于1。

5 结束语

本文采用的数据均为正在市场上销售的载货汽车参数，具有较强的针对性和实用性。通过对配置参数、尺寸参数、质量参数等3个方面进行统计分析，阐述了载货汽车整车参数特征，从中总结出一些规律和趋势，对于载货汽车整车开发具有一定的参考价值。

参考文献

1 工信部“车辆生产企业及产品”公告库.

2 GB/T 3730.3-1992汽车和挂车的术语及其定义车辆尺寸.

3 GB 7258-2012机动车运行安全技术条件.

4 王望予.汽车设计.北京：机械工业出版社,2000.

5 GB 1589-2004道路车辆外轮廓尺寸、轴荷及质量限值.

6 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社,2006.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2014年11月1日。

Analysis on Operating Modes of a 4WD HEV and Design of Key Parameters

Wang Junhua,Yi Haixia,Wei Dan,Xia Heng
（Guangzhou Automobile Group CO.,LTD Automotive engineering institute）

The operating modes of 4WD HEV developed by GAC Group,which include automatic stop/start, braking energy recuperation,electric-only drive,2WD,4WD and shift assist,are analyzed in the paper.On this basis, based on the optimal system efficiency principle,design of critical control parameters of the hybrid system is introduced, and operating modes and design parameters are verified with vehicle dynamometer test.

4WD HEV,Operating mode,Parameter design

电动四驱混合动力汽车 工作模式 参数设计

U469.7

A

1000-3703（2015）03-0056-07