全輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力乘用車設(shè)計(jì)

黃兆勤

（東風(fēng)汽車公司，武漢 430056）

全輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力乘用車設(shè)計(jì)

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(dòng)力技術(shù)，可以使車輛在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(dòng)力乘用車的設(shè)計(jì)方案，并通過仿真計(jì)算預(yù)測(cè)了設(shè)計(jì)效果，并提出了擴(kuò)展研究設(shè)想。

四驅(qū)；混合動(dòng)力；乘用車；設(shè)計(jì)

黃兆勤

高級(jí)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(tái)，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(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目推進(jìn)。

前言

隨著技術(shù)的深化研究和市場(chǎng)環(huán)境的逐步成熟，混合動(dòng)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(dòng)力客車和混聯(lián)方案混合動(dòng)力轎車為基礎(chǔ)，形成了混合動(dòng)力汽車平臺(tái)技術(shù)，并擴(kuò)展開發(fā)了多個(gè)混合動(dòng)力車型，如串聯(lián)混合動(dòng)力客車、微混合動(dòng)力轎車、四驅(qū)混合動(dòng)力軍車和混合動(dòng)力乘用車。

將混合動(dòng)力技術(shù)嫁接到傳統(tǒng)二驅(qū)汽車上，使得驅(qū)動(dòng)橋同時(shí)具有傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)功能和電驅(qū)動(dòng)功能，可以不依靠動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)四驅(qū)功能，而且在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和通過性方面都有理想的效果，促進(jìn)了四驅(qū)車性能升級(jí)，在軍事和民用方面都有重大價(jià)值。

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

1　技術(shù)開發(fā)目標(biāo)

隨著人們對(duì)汽車用途多樣化的需求，具有四驅(qū)功能的汽車市場(chǎng)迅速擴(kuò)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(dòng)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(dòng)力產(chǎn)品銷售，這些車型都集成并擴(kuò)展了豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成技術(shù)，節(jié)油效果非常理想。

為滿足市場(chǎng)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(dòng)力汽車，體現(xiàn)良好越野性、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

通過增加電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)電耦合裝置，在整車控制器的協(xié)調(diào)控制下，可根據(jù)負(fù)載、工況和路況變化，智能選擇二驅(qū)或四驅(qū)方式，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)以下性能的全面提升：

動(dòng)力性：在保持原車最高車速水平下，起步加速時(shí)間比原車顯著縮短；

燃油經(jīng)濟(jì)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(guó)3提高到國(guó)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(jìn)行混合動(dòng)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(jì)

3.1機(jī)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(dòng)力轎車雙電機(jī)單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、BSG、動(dòng)力電池及相關(guān)控制器和電動(dòng)附件組成。

其中，BSG裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)通過變速箱驅(qū)動(dòng)后橋。主電機(jī)通過另一根傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)前橋。前橋是獨(dú)立懸掛式轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。中央主減速器固定在車架上，通過兩個(gè)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(dòng)橋的動(dòng)力通斷，因此，可自動(dòng)切換兩驅(qū)和四驅(qū)模式。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)和BSG都具有電動(dòng)、空轉(zhuǎn)和發(fā)電三種工作模式。驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)時(shí)可單獨(dú)或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，發(fā)電時(shí)向電池補(bǔ)電，BSG電動(dòng)時(shí)可快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，消除怠速，發(fā)電時(shí)向電池儲(chǔ)存能量。

工作模式分解如下：

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

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

定速巡航：發(fā)動(dòng)機(jī)處于設(shè)定車速下的最高效點(diǎn)工作，負(fù)荷較高時(shí)，主電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)，負(fù)荷較低時(shí)，由BSG發(fā)電，將多余的能量轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在電池中備用。

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

減速讓車：發(fā)動(dòng)機(jī)沿著最高效率線降低轉(zhuǎn)速，主電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將富余的能量?jī)?chǔ)存在電池中。

制動(dòng)：發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)斷油，節(jié)氣門全開，BSG和主電機(jī)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(dòng)機(jī)

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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主減速比：4.875

2）鎳氫動(dòng)力電池

公稱容量：6 Ah

額定電壓：336 V

3）永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

最大功率：22 kW

最大扭矩：150Nm

基轉(zhuǎn)速：1400rpm

電驅(qū)動(dòng)主減速比：4.2727

4）永磁同步BSG

峰值電動(dòng)扭矩：56 kW @380 rpm

峰值發(fā)電功率：3 Nm @2500rpm

電機(jī)/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(dòng)機(jī)前置后驅(qū)的動(dòng)力總成和傳動(dòng)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(dòng)前橋移植過來，電機(jī)布置在前后橋之間，通過傳動(dòng)軸與前橋主減速器連接。

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

電機(jī)控制器與動(dòng)力電池的布置。將電機(jī)控制器與動(dòng)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(jī)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(dòng)箱，前后橋驅(qū)動(dòng)的切換可以適時(shí)進(jìn)行，從而可避免因前后驅(qū)動(dòng)之間剛性傳動(dòng)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(jī)功率和電池容量，可以很方便地實(shí)現(xiàn)PHEV方案，為城區(qū)短途運(yùn)行采用純電動(dòng)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(dòng)力電池布置在后排座椅下，不占用行李空間。

載荷分布計(jì)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(dòng)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(dòng)機(jī)ECU、ABS控制器和車載診斷口，混合動(dòng)力系統(tǒng)包括整車控制器HCU、配電控制器PDU、電機(jī)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(jìn)行通訊，部分信號(hào)靠直通線傳遞。

增加了數(shù)個(gè)傳感器，以感知點(diǎn)火鎖擋位狀態(tài)、離合器分合狀態(tài)、制動(dòng)強(qiáng)度、油門大小、變速箱擋位。同時(shí)，整車控制器還要采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、車速、空調(diào)開關(guān)狀態(tài)，以便進(jìn)行控制。

整車控制器處于最高級(jí)別，其作用是識(shí)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(shí)現(xiàn)駕駛意圖。

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

增加了電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵和電動(dòng)真空泵，使動(dòng)力系統(tǒng)的工作不依賴發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。

3.5整車控制策略設(shè)計(jì)

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(shí)別、驅(qū)動(dòng)控制、制動(dòng)控制和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略模型。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)快速起停、工作模式的適時(shí)切換、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域和制動(dòng)能量回饋等措施，實(shí)現(xiàn)整車能量分配的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。使得整車具有良好的越野性、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)力性仿真分析

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

經(jīng)過計(jì)算，最大爬坡度也達(dá)到40%以上。

因此，應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)可使動(dòng)力性非常明顯地改善。

4.2燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析

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

進(jìn)一步預(yù)測(cè)表明，若提高電池和電機(jī)的容量，增加外接充電，將使燃料消耗量進(jìn)一步減少，這對(duì)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(duì)低附著路面（如冰雪路面）驅(qū)動(dòng)力分配情況的分析表明：二驅(qū)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的利用受到很大限制；四驅(qū)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能力利用率顯著提高。利用電機(jī)助力，可以部分彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能力損失，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力特點(diǎn)正好滿足要求。電機(jī)助力區(qū)域適宜在起步、低擋和低速段。電機(jī)助力持續(xù)時(shí)間為短時(shí)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(jìn)一步提高整車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。［1］

5　擴(kuò)展研究

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

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

2）通過降低電機(jī)和電池的容量，但維持適當(dāng)功率水平，可形成具有適時(shí)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(jì)性。

6　結(jié)論

基于混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)乘用車的嫁接，通過機(jī)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(dòng)力四驅(qū)方案。

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

同時(shí)，通過擴(kuò)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?yán)碚摚跰］. 1981年8月第一版，機(jī)械工業(yè)出版社，1988. P283-285

專家推薦

徐平興：

本文提出用混合動(dòng)力技術(shù)將傳統(tǒng)二驅(qū)乘用車改造成混合動(dòng)力四驅(qū)車的新方案，使得前、后驅(qū)動(dòng)橋分別具有電驅(qū)動(dòng)功能和傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)功能，在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(kuò)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。

Design of AWD Hybrid Passenger Vehicle

HUANG Zhao-qin
（Dongfeng Motor Corporation ， Wuhan， 430056）

Based on the conventional FWD configuration， combined with the hybrid technology，the AWD （All Wheel Driven） passenger vehicle can gain significant improvement in dynamics， fuel economy， emission and road ability. This paper states the design of a AWD hybrid electric PV，predicts by simulation the effects of the design， and proposes a consideration on variation research.

AWD； hybrid electric； passenger vehicle； design

TK-9

A

1005-2550（2015）04-0016-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.004

2015-06-20