混合电动汽车驱动方案设计方法概述

李金颖

(山东省高速路桥养护有限公司产业中心，山东济南 250000)



混合电动汽车驱动方案设计方法概述

李金颖

(山东省高速路桥养护有限公司产业中心，山东济南 250000)

混合动力电动汽车是一类重要的新能源汽车。对混合动力汽车的优点与分类进行概述，分析了混联式混合驱动方案的发展历程，并总结了3种混联式驱动方案的设计方法。

混合电动汽车；混联式驱动方案；设计方法

0　前言

由于石油资源的限制和环保的日益需求，必须寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，因此，人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发。主要方案有：纯电动汽车、燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车[1]。其中，纯电动汽车由于现有动力电池的能量密度低、成本高等原因，其市场化推广进程十分缓慢；燃料电池汽车也由于燃料电池技术尚未突破以及由此形成的成本问题，大批量投入市场也需要很长一段时间[2]。

1　混合动力电动汽车优点及分类

1.1混合动力电动汽车优点

混合动力汽车是采用传统的内燃机和发动机作为动力源，通过储能装置(蓄电池等)和控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低排放和高性能的新型车辆。目前混合动力电动汽车所采用的发动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机，它融合了燃油车辆和电动车辆的优点，是当今最具实际开发意义的低油耗和低排放的车辆。混合动力汽车优点[3]为：

(1)能够利用汽车不同工况进行发电，并储存在蓄电池里，以提高整车燃油经济性。

(2)发动机和电动机同时工作，在保证经济性和环保要求的前提下提高汽车的动力性能。

(3)混合动力系统可以很好地降低排放，并且可以在汽车停车等候或低速滑行等情况下节省燃油，进一步降低排放。

(4)提高汽车行驶的平稳性并改善汽车的行驶舒适性，使汽车设计更加人性化。

1.2混合动力汽车分类

混合动力汽车按照动力系统结构形式划分为：串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车[4]。

(1)串联式是混合动力汽车中最简单的一种，其主要特点是采用电动机直接驱动车轮，电动机的电能来自于电池组合发电机。转化后一部分电能给电池组充电，另一部分经电动机和传动装置驱动车轮。控制系统结构和控制方法简单，但对电池要求较高，电池容量大，增加了车辆质量和成本。而且每一个动力装置的功率等于车辆的需求功率，设备庞大，增加了成本和布置困难。

(2)并联式的发动机和电动机以机械能叠加的方式实现驱动，发动机与电动机分属两套系统，既可共同驱动又可单独驱动。控制系统相对机械切换系统较复杂，但由于动力主要来源于内燃机，内燃机工作范围大，效率较低，而且污染和噪声较大。

(3)混联式是串联式和并联式动力系统的综合，通过计算机实时控制工作过程，实现发动机和电动机的优化耦合，在结构上可以保证车辆工作的复杂工况，对电池依赖小，同时克服了串联式能量损失和并联式内燃机工作点优化问题，有效降低了排放和油耗，兼具了串联型和并联型的优点。

2　混联式混合驱动方案发展概况

虽然单行星排混联式无级传动是长期的研究热点，但它的应用对象多为城市道路小型车辆。随着多行星排、多模式机电复合传动在客车、SUV上的成功应用，大吨位、高机动性能的混合动力车辆已经倾向于多模式多行星排复合传动。对于混合动力车辆，必须要求其安装的电机不能过大、过重。通过研究国内外混合动力车辆驱动系统现状可知：对于轮式车辆，目前可以采用多个轮毂/轮边电机的方法降低系统对电机的要求；但对于履带车辆，由于它不具备多轮驱动的条件，故而整车动力性与电机性能间的矛盾尤为突出。

混联式混合驱动功率分流机构有3种形式：分速汇矩式、分速汇速式和分矩汇速式。“段”的概念来源于液压机械无级变速，不同的是变速元件由马达变为电机。“模式”即指电动机转速趋势的每一次变化。“段”即是“模式”，两段式(双模式)混合驱动可以是分速汇矩和分速汇速组合也可以是两种分速汇矩机构组合。丰田PRIUS为分速汇矩式分流机构，是单段式(单模式)混合驱动。美国通用公司用于公交车的一种两段式传动方案，制动器接合时是第一段，为分速汇矩式驱动模式，离合器接合时工作在第二段，为分速汇速式驱动模式[5]。

3　混联式混合驱动方案设计方法

(1)基于已有方案的设计方法

基于已有方案的设计方法是国内外现有的成熟的传动方案设计方法，通过在现有的好的方案的基础上，增加行星排或接合元件，或通过串联、并联和拆联的方法来衍生。美国Allison公司的HD4070PR自动变速器就是在原先WT系列汽车变速器的基础上增加行星排来实现的[6]。

(2)分析综合法

分析综合法[7]是20世纪60年代到70年代主要研究发展的设计方法，主要分为：线图综合法和构件综合法。线图综合法仅适用于二、三自由度传动方案设计与分析，且难找出所有可行的传动方案。构件分析法是在对各类结构类型方案的基本构件组成进行分析的基础上，利用所提出的构件组合定理排出所有可能的构件组，并依靠人工对每一个构件组理论上各工况的特性进行分析，以及推导出所有有效工况的传动比与各行星排广义特性参数之间的数学模型。其工作量十分繁重，且容易出错，甚至难以完成，效率低。

(3)计算机辅助方案设计

随着计算机辅助设计技术的普及应用，计算机辅助设计技术正向开放、集成、智能和标准化的方向发展[8]。计算机辅助设计的关键在于：数学模型的建立及其算法的合理描述。针对行星传动的结构和运动学特点，国内外很多学者分别提出了很多适于计算机分析的数学模型。

4　结束语

兼具传统汽车和电动汽车综合优势的混合动力汽车被公认为是非常具有实用价值的新能源汽车。混合动力汽车既可以保证车辆行驶良好的动力性，又可以实现制动能量回收。混联式混合动力汽车结合了串、并联两种方法的优点，而混合驱动方案又是决定其性能的关键。单行星排单模式已经远远不能满足要求，多行星排多段式已成为发展的必然趋势。但行星排的数量、连接形式、离合器和制动器的不同连接形式、电机的不同连接形式，使得混合动力驱动系统的组合方案种类繁多，即使最有经验的工程师也不可能把所有最好的组合方案列出，容易遗漏最佳匹配方案。因此研究汽车混联式方案设计方法变得很有必要。

【1】段牧染，赵洁．车辆混合动力传动技术发展现状与展望[J].内燃机与配件，2011(8)：27-30.

【2】徐宏佳．电动汽车混合动力系统的技术分析[J].机电工程技术，2001，30(6)：45-48.

【3】黄贤广. 混合动力车辆动力耦合系统特性研究[D].北京:北京理工大学，2006.

【4】崔星，项昌乐.多模式机电混合驱动系统特性[J].吉林大学学报：工学版，2011，41(2)：303-308.

【5】李宏才，闫清东,王伟达,等.双模式机电复合传动方案设计与特性对比[J].农业机械学报，2012，43(2)：31-36.

【6】李艳琴.AllisonHD4070PR自动变速器结构原理及换挡过程控制策略[J].底盘与配件，2011(1)：64-66.

【7】刘太来．用电子计算机选择任意排数各类行星变速箱的最佳方案[J]．齿轮，1985，9(2)：15-19.

【8】万耀青．寻找多自由度行星变速箱方案的计算机辅助设计[J]．北京工业学院学报，1982，10(2)：59-71.

OutlineofHybridElectricVehicleDriveProgramDesignMethods

LIJinying

(IndustryCenterofShandongProvinceSpeedBridgeConservationLtd.,JinanShandong250000,China)

Hybridelectricvehiclesareanimportantclassofnewenergyvehicles.Theadvantagesandclassificationofhybridelectricvehicleswereintroduced,thedevelopmentprocessofhybriddriveprogramwasanalyzedandthedesignmethodsofthreetypehybriddriveschemesweresummarized.

Hybridelectricvehicles;Hybriddrivescheme;Designmethodology

2015-03-20

李金颖(1986—)，女，硕士，主要从事路面混合电动机械设备设计与调研。E-mail:642333732@qq.com。