黃兆勤

（東風(fēng)汽車公司，武漢 430056）

全輪驅(qū)動混合動力乘用車設(shè)計

黃兆勤

（東風(fēng)汽車公司，武漢 430056）

基于傳統(tǒng)的前軸前驅(qū)乘用車，通過嫁接混合動力技術(shù)，可以使車輛在動力性、經(jīng)濟性、排放性和通過性方面有大幅度的改善。本文論述了混合動力乘用車的設(shè)計方案，并通過仿真計算預(yù)測了設(shè)計效果，并提出了擴展研究設(shè)想。

四驅(qū)；混合動力；乘用車；設(shè)計

黃兆勤

高級工程師，現(xiàn)任職于東風(fēng)汽車公司新能源汽車事業(yè)平臺，主要研究方向：新能源汽車技術(shù)發(fā)展規(guī)劃研究，新能源汽車和動力系統(tǒng)項目推進。

前言

隨著技術(shù)的深化研究和市場環(huán)境的逐步成熟，混合動力技術(shù)逐步向多種車型滲透，并形成了多種技術(shù)路線。

以并聯(lián)方案混合動力客車和混聯(lián)方案混合動力轎車為基礎(chǔ)，形成了混合動力汽車平臺技術(shù)，并擴展開發(fā)了多個混合動力車型，如串聯(lián)混合動力客車、微混合動力轎車、四驅(qū)混合動力軍車和混合動力乘用車。

將混合動力技術(shù)嫁接到傳統(tǒng)二驅(qū)汽車上，使得驅(qū)動橋同時具有傳統(tǒng)機械驅(qū)動功能和電驅(qū)動功能，可以不依靠動力分配機構(gòu)而實現(xiàn)四驅(qū)功能，而且在動力性、經(jīng)濟性、排放和通過性方面都有理想的效果，促進了四驅(qū)車性能升級，在軍事和民用方面都有重大價值。

本文論述了基于傳統(tǒng)乘用車實現(xiàn)四驅(qū)方案的設(shè)計思路和總體的技術(shù)方案，并模擬計算了主要指標(biāo)的實現(xiàn)情況。

1　技術(shù)開發(fā)目標(biāo)

隨著人們對汽車用途多樣化的需求，具有四驅(qū)功能的汽車市場迅速擴大。但是，四驅(qū)汽車的高油耗和高污染的問題一直難以解決。

豐田是最早把混合動力技術(shù)應(yīng)用于四驅(qū)汽車的公司之一，目前已有雷克薩斯RX450h、GS450h和LS600h等幾種混合動力產(chǎn)品銷售，這些車型都集成并擴展了豐田普銳斯混合動力汽車動力總成技術(shù)，節(jié)油效果非常理想。

為滿足市場需要，在已定型的二驅(qū)乘用車基礎(chǔ)上開發(fā)具有四驅(qū)功能的混合動力汽車，體現(xiàn)良好越野性、動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能。

通過增加電驅(qū)動系統(tǒng)及機電耦合裝置，在整車控制器的協(xié)調(diào)控制下，可根據(jù)負載、工況和路況變化，智能選擇二驅(qū)或四驅(qū)方式，發(fā)動機與電機單獨驅(qū)動或聯(lián)合驅(qū)動，實現(xiàn)以下性能的全面提升：

動力性：在保持原車最高車速水平下，起步加速時間比原車顯著縮短；

燃油經(jīng)濟性：城市工況油耗比傳統(tǒng)四驅(qū)車降低30%，比傳統(tǒng)二驅(qū)車降低10%；

尾氣排放：有害氣體排放水平由國3提高到國4水平；

越野能力：在低附著路面具有良好的通過性；爬坡能力：最大爬坡度40%以上。

2　基礎(chǔ)車情況

選定傳統(tǒng)二驅(qū)乘用車為基礎(chǔ)車型進行混合動力汽車開發(fā)，在功能上參照傳統(tǒng)四驅(qū)車。兩種車型的基本參數(shù)如表1：

表1　基礎(chǔ)車參數(shù)

3　方案設(shè)計

3.1機電耦合方案

為滿足預(yù)期功能和性能要求，基于已有混聯(lián)式混合動力轎車雙電機單軸驅(qū)動系統(tǒng)方案，設(shè)計了雙電機雙軸驅(qū)動方案，即BSG+TTR（BSGBelted Starter & Generator，TTR-Traction Through Road）方案，這也是一種混聯(lián)方案。如圖1所示：

系統(tǒng)由發(fā)動機、離合器、變速箱、驅(qū)動電機、BSG、動力電池及相關(guān)控制器和電動附件組成。

其中，BSG裝在發(fā)動機上，發(fā)動機通過變速箱驅(qū)動后橋。主電機通過另一根傳動軸驅(qū)動前橋。前橋是獨立懸掛式轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。中央主減速器固定在車架上，通過兩個半軸與車輪連接。主減速器上設(shè)有真空閥，用于控制前驅(qū)動橋的動力通斷，因此，可自動切換兩驅(qū)和四驅(qū)模式。

驅(qū)動電機和BSG都具有電動、空轉(zhuǎn)和發(fā)電三種工作模式。驅(qū)動電機電動時可單獨或輔助發(fā)動機驅(qū)動車輛，發(fā)電時向電池補電，BSG電動時可快速起動發(fā)動機，消除怠速，發(fā)電時向電池儲存能量。

工作模式分解如下：

起步：正常狀態(tài)時，電池SOC較高，電池處于高效區(qū)，通常以純電動方式進行起步。這時由主電機單獨驅(qū)動車輛，可發(fā)揮電機低速扭矩大的優(yōu)點，使車輛迅速起步。這樣發(fā)動機保持停機，消除了因怠速而出現(xiàn)高油耗和排放惡化問題，起步時的平順性也較好。例外情況下，如車輛長時間放置后，電池SOC有可能處于較低狀態(tài)，這時，將以發(fā)動機驅(qū)動方式起步。不過，發(fā)動機是在BSG的驅(qū)動下快速起動，也能獲得較高的效率。

起步后加速：起步后當(dāng)車速達到較高時，發(fā)動機快速起動，與主電機一起驅(qū)動，使車輛快速達到所需要的速度。

定速巡航：發(fā)動機處于設(shè)定車速下的最高效點工作，負荷較高時，主電機參與驅(qū)動，負荷較低時，由BSG發(fā)電，將多余的能量轉(zhuǎn)化成電能儲存在電池中備用。

加速超車：發(fā)動機沿著最高效率線提升轉(zhuǎn)速，主電機參與驅(qū)動，提供額外的驅(qū)動力。

減速讓車：發(fā)動機沿著最高效率線降低轉(zhuǎn)速，主電機處于發(fā)電狀態(tài)，將富余的能量儲存在電池中。

制動：發(fā)動機停機斷油，節(jié)氣門全開，BSG和主電機處于發(fā)電狀態(tài)，回收能量。

3.2主要總成選型

1）汽油發(fā)動機

額定功率：89kW@5500rpm

額定扭矩：168Nm@4500rpm

最低比油耗：240g/kWh

變速器速比：3.968/2.137/1.36/1/0.857/R3.579

發(fā)動機驅(qū)動主減速比：4.875

2）鎳氫動力電池

公稱容量：6 Ah

額定電壓：336 V

3）永磁同步驅(qū)動電機

最大功率：22 kW

最大扭矩：150Nm

基轉(zhuǎn)速：1400rpm

電驅(qū)動主減速比：4.2727

4）永磁同步BSG

峰值電動扭矩：56 kW @380 rpm

峰值發(fā)電功率：3 Nm @2500rpm

電機/曲軸速比：1.5

3.3總體布置方案

為便于零部件的通用化和整車共線裝配，以二驅(qū)傳統(tǒng)車為基礎(chǔ)，保留了原有發(fā)動機前置后驅(qū)的動力總成和傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最大限度地繼承了基礎(chǔ)車的主要結(jié)構(gòu)。將四驅(qū)傳統(tǒng)車的驅(qū)動前橋移植過來，電機布置在前后橋之間，通過傳動軸與前橋主減速器連接。

BSG電機的布置。BSG電機的布置利用傳統(tǒng)發(fā)電機的空間，利用傳統(tǒng)發(fā)電機的安裝位置，重新設(shè)計張緊機構(gòu)與輪系。

電機控制器與動力電池的布置。將電機控制器與動力電池一起布置在后排座椅下，便于線路的連接。電池通風(fēng)管道與后部車身連接，熱風(fēng)直接排除外部。在電池和電機控制器上面安裝行李箱蓋板，以便放置行李。

這種布置，取消了傳統(tǒng)四驅(qū)車的分動箱，前后橋驅(qū)動的切換可以適時進行，從而可避免因前后驅(qū)動之間剛性傳動可能造成的功率循環(huán)問題。

另外，作為變型方案，適當(dāng)增大電機功率和電池容量，可以很方便地實現(xiàn)PHEV方案，為城區(qū)短途運行采用純電動模式創(chuàng)造了條件，從而可大幅節(jié)省燃料消耗和減少排放。

動力電池布置在后排座椅下，不占用行李空間。

載荷分布計算表明，整車總質(zhì)量增加的部分控制在5%以內(nèi)，比較合理。

3.4 電控系統(tǒng)總體方案

電控系統(tǒng)由原車電控系統(tǒng)和混合動力電控系統(tǒng)兩部分組成。其中，原車電控系統(tǒng)包括發(fā)動機ECU、ABS控制器和車載診斷口，混合動力系統(tǒng)包括整車控制器HCU、配電控制器PDU、電機控制器PCU、電池管理系統(tǒng)BMS和智能儀表系統(tǒng)DCU?？刂破髦g主要通過CAN總線進行通訊，部分信號靠直通線傳遞。

增加了數(shù)個傳感器，以感知點火鎖擋位狀態(tài)、離合器分合狀態(tài)、制動強度、油門大小、變速箱擋位。同時，整車控制器還要采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、車速、空調(diào)開關(guān)狀態(tài)，以便進行控制。

整車控制器處于最高級別，其作用是識別駕駛意圖、判斷車輛載荷、路況和行駛工況，決定工作模式的切換，優(yōu)化能量分配，并統(tǒng)一協(xié)調(diào)其它控制器實現(xiàn)駕駛意圖。

為控制發(fā)動機的工作狀態(tài)，設(shè)置了電動節(jié)氣門及其控制電路，并增加了斷油裝置。

增加了電動轉(zhuǎn)向泵和電動真空泵，使動力系統(tǒng)的工作不依賴發(fā)動機工作狀態(tài)。

3.5整車控制策略設(shè)計

按照結(jié)構(gòu)化的思路，制定了整車控制策略的結(jié)構(gòu)框架，搭建了駕駛意圖識別、驅(qū)動控制、制動控制和動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略模型。

通過發(fā)動機快速起停、工作模式的適時切換、優(yōu)化發(fā)動機工作區(qū)域和制動能量回饋等措施，實現(xiàn)整車能量分配的動態(tài)優(yōu)化。使得整車具有良好的越野性、動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能，且成本增加得到有效控制。

4　性能分析

4.1動力性仿真分析

與傳統(tǒng)車相比，混合動力乘用車起步加速到100km/h的時間縮短3.5s，接近轎車水平。

經(jīng)過計算，最大爬坡度也達到40%以上。

因此，應(yīng)用混合動力技術(shù)可使動力性非常明顯地改善。

4.2燃油經(jīng)濟性仿真分析

分析表明，采用混合動力技術(shù)，有效地減少了發(fā)動機低效工作區(qū)域，從而可使整車燃油經(jīng)濟性得到改善，特別是在城市道路上優(yōu)勢非常明顯。

進一步預(yù)測表明，若提高電池和電機的容量，增加外接充電，將使燃料消耗量進一步減少，這對于電力供應(yīng)充足和充電設(shè)施齊全的地區(qū)非常有利。

4.3低附著路面通過性分析

針對低附著路面（如冰雪路面）驅(qū)動力分配情況的分析表明：二驅(qū)情況下，發(fā)動機驅(qū)動能力的利用受到很大限制；四驅(qū)情況下，發(fā)動機驅(qū)動能力利用率顯著提高。利用電機助力，可以部分彌補發(fā)動機驅(qū)動能力損失，電機驅(qū)動力特點正好滿足要求。電機助力區(qū)域適宜在起步、低擋和低速段。電機助力持續(xù)時間為短時通過低附著路面。在好路情況，利用HEV的能源分配優(yōu)化，可以進一步提高整車動力性和燃料經(jīng)濟性。［1］

5　擴展研究

本混合動力乘用車機電耦合方案，通過改變電動系統(tǒng)規(guī)格，增減相應(yīng)的電動附件，輔以控制系統(tǒng)的變型設(shè)計，可以擴展出兩種具有發(fā)展前途的混合動力車型。

1）通過增大電機和電池的容量與功率，配置電動附件，可形成強混合動力或PHEV車型，可進一步提高車輛的動力性和節(jié)油能力。

2）通過降低電機和電池的容量，但維持適當(dāng)功率水平，可形成具有適時四驅(qū)功能的車型，提高車型在低附著路面的通過能力，在良好路面又有良好的燃油經(jīng)濟性。

6　結(jié)論

基于混合動力汽車動力系統(tǒng)平臺技術(shù)實現(xiàn)對傳統(tǒng)乘用車的嫁接，通過機電耦合方式的創(chuàng)新和控制系統(tǒng)的開發(fā)，形成了與傳統(tǒng)四驅(qū)車不同的混合動力四驅(qū)方案。

與傳統(tǒng)乘用車相比，新型混合動力四驅(qū)乘用車不僅具有了傳統(tǒng)四驅(qū)車的高動力性和通過性，同時還有非常優(yōu)良的燃料經(jīng)濟性。

同時，通過擴展開發(fā)，可以形成更為豐富的產(chǎn)品系列，滿足不同的使用要求。

［1］余志生. 汽車理論［M］. 1981年8月第一版，機械工業(yè)出版社，1988. P283-285

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徐平興：

本文提出用混合動力技術(shù)將傳統(tǒng)二驅(qū)乘用車改造成混合動力四驅(qū)車的新方案，使得前、后驅(qū)動橋分別具有電驅(qū)動功能和傳統(tǒng)機械驅(qū)動功能，在動力性、經(jīng)濟性、排放和通過性方面都有理想的效果?；谝陨涎芯?，作者還提出了擴展開發(fā)系列化車型的設(shè)想，為后續(xù)開發(fā)提供了思路。

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（Dongfeng Motor Corporation ， Wuhan， 430056）

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