徐東

（無錫商業(yè)職業(yè)技術學院汽車技術學院，江蘇無錫 214153）

雙電機混合動力電動汽車驅動模式分析

徐東

（無錫商業(yè)職業(yè)技術學院汽車技術學院，江蘇無錫 214153）

混合動力汽車是目前最為現(xiàn)實和可行的節(jié)能汽車車型，為了提高混合動力汽車的燃油經濟性和排放性，簡化動力系統(tǒng)結構，對雙電機混合動力電動汽車的驅動模式進行了分析。分析表明雙電機全功能混合動力驅動技術，可靈活地根據工況來調節(jié)發(fā)動機的功率輸出和電機的運轉。八種模式轉換行駛充分利用了發(fā)動機和電池的高效率區(qū)，使其整體效能達到最高，適用于多種類型的混合動力汽車。

混合動力；電動汽車；電機；驅動模式

電能作為未來汽車的動力之源，能實現(xiàn)高能效比及零排放，是一種相當理想的能源。但由于目前電池及電機技術的限制，使得純電動汽車在續(xù)航里程及能源補充時間上都比不上傳統(tǒng)的內燃機汽車。再加上純電動車充電設施暫未完善，使得純電動汽車暫不能普及。為了應對純電動汽車充電時間長和續(xù)航里程短的缺點，各汽車公司紛紛推出了混合動力汽車。混合動力汽車能夠有效降低汽車的排放，同時可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)內燃機汽車相同的續(xù)航里程?；旌蟿恿ζ嚨尿寗酉到y(tǒng)中加入了驅動電機，發(fā)動機工作在最高效率區(qū)，通過對電機的控制來實現(xiàn)汽車運行工況的變化，從而達到節(jié)能減排的目的。

一、混合動力汽車動力系統(tǒng)連接方式

混合動力汽車按照其動力系統(tǒng)的連接方式可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種形式。串聯(lián)式混合動力汽車僅由電動機驅動車輛行駛，發(fā)動機的動力并未用于驅動車輪，而只是帶動發(fā)電機發(fā)電。串聯(lián)式混合動力汽車存在能量轉換損失，能量利用率低，一般用于城市公交車。并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機和電動機均可為汽車提供驅動力，發(fā)動機和電動機可以各自獨立驅動車輛行駛，也可以協(xié)同工作，共同驅動車輛。目前，并聯(lián)混合動力車型多用于微混合與輕混合車輛，電動機多用于車輛起步和大負荷行駛時輔助發(fā)動機驅動。混聯(lián)式混合動力汽車以電機為主要驅動力，發(fā)動機為輔助驅動力，電動機和發(fā)動機都可單獨驅動汽車行駛也可共同驅動汽車行駛?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)結構復雜、技術難度大，但其兼有串聯(lián)混合系統(tǒng)和并聯(lián)混合系統(tǒng)的優(yōu)點，既提高了燃油經濟性又能保證汽車的動力性，已經成為混合動力汽車的主流形式。豐田普銳斯、凱美瑞尊瑞、雷克薩斯CT200h、比亞迪秦、上汽榮威E550等車型都使用了混聯(lián)式結構。

二、混聯(lián)式混合動力汽車關鍵技術

混動技術最初采用的是一個行星齒輪組，將電機與曲軸直接連接，這種系統(tǒng)無法純電動行駛，弊端是發(fā)動機或電動機無法保證同時在最佳工況下工作?；蛘卟捎谩按?lián)+發(fā)動機直驅”加上離合器，這套機構的原理簡單，但是僅在內燃機和變速器之間安裝驅動電機是不能完全實現(xiàn)混合動力汽車功能的。目前混聯(lián)式混動系統(tǒng)則是由兩組電機、兩組行星輪和三組離合器組成?；炻?lián)式混動系統(tǒng)可以實現(xiàn)純電動模式（低負荷行駛）、混動模式（低負荷行駛）、混動模式（高負荷行駛）、能量回收模式（減速—制動）四種動力輸出方式，其結構相對比較復雜。

目前汽車公司主推的插電式混合動力汽車可通過電網進行充電，具有節(jié)能效果好、排放污染小、續(xù)航里程長等優(yōu)點，是目前最具應用前景的新能源汽車車型。插電式混合動力汽車對于控制電機的可靠性、功率與運行精度要求非常高，是一款雙行星齒輪系、雙電機混合動力系統(tǒng)?；旌蟿恿?、增程器、純電動汽車等新技術的應用，使得混合動力汽車的混合度不斷加強。發(fā)動機大多數時候都工作在最高效率區(qū)，在汽車高負荷行駛時，通過驅動電機將動力電池的電能轉化為機械能，協(xié)同發(fā)動機提高驅動力。

綜上所述，要實現(xiàn)多功能、多用途，輕混、重混、插電、純電動全功能覆蓋，混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)離不開雙電機、雙行星齒輪系結構，它具有減速、多動力耦合和離合器的作用，只要恰當使用鎖止制動器，整體自動變速混合系統(tǒng)就可以得到多個解決方案。

三、雙電機混合動力汽車驅動模式

在雙電機混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)中，將發(fā)動機主軸與第一級行星輪系中的內齒圈輪相連接，第一級行星輪系中的星輪架與第二級行星輪系中的太陽輪通過傳動軸相連接，MG1電機/發(fā)電機與第一級行星輪系中的太陽輪相連接，MG2電機與第二級行星輪系中的內齒圈相連接，第二級行星輪系中星輪架與輸出軸差速器相連接，離合器S1、S2、S3、S4控制機構的鎖止和放開，由此組成雙電機全功能混合動力系統(tǒng)（見圖1），從而得到不同的驅動模式。

（一）MG1電機/發(fā)電機啟動發(fā)動機與發(fā)電模式

如圖1所示，放開S1、S4，鎖止S2、S3，使得第一級行星輪系中的星輪架與第二級行星輪系中的太陽輪相連接，傳動軸固定不轉動，開啟MG1電機/發(fā)電機，太陽輪齒輪轉動帶動行星輪齒輪，行星輪齒輪帶動齒圈至發(fā)動機啟動，發(fā)動機轉動之后MG1電機/發(fā)電機可以發(fā)電，對電池組進行充電，發(fā)動機可設定在最佳轉速、最佳扭矩和最佳油耗狀態(tài)下工作。

圖1 MG1電機/發(fā)電機啟動發(fā)動機

（二）MG1電機/發(fā)電機、發(fā)動機混合變速驅動模式

如圖2所示，啟動發(fā)動機后，鎖止S3，放開S4，MG1電機/發(fā)電機反轉速度與發(fā)電時的速度相對一致，發(fā)動機參與起步，完全規(guī)避了發(fā)動機中低速的運轉區(qū)間。在發(fā)動機保持發(fā)電的恒定轉速下，MG1電機/發(fā)電機將反向速度逐漸降低至零隨即正向轉動，通過與發(fā)動機同時驅動或通過傳動軸將動力傳至輸出軸差速器，驅動車輪完成汽車起步。MG1電機/發(fā)電機從反轉速度逐漸降低至零再轉化為正轉而且不斷提高轉速，這就是汽車加速的過程。在對加速性要求不高的場合，汽油發(fā)動機和電動機耦合工作，提供可與汽油發(fā)動機相當的車輛起步性能。在制動時，MG1電機/發(fā)電機能回收大部分制動能量，并將其貯存起來供加速時再用，又能在車輛高速行駛狀態(tài)下提高車輛的加速性能。從而充分利用發(fā)動機的高效率工況，以實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

圖2 MG1電機/發(fā)電機、發(fā)動機混合驅動

（三）MG2電機、發(fā)動機混合變速驅動模式

如圖3所示，啟動發(fā)動機后，S1、S2、S3、S4全放開，MG1電機/發(fā)電機反轉速度與發(fā)電時的速度一致，發(fā)動機保持發(fā)電的轉速，將MG1電機/發(fā)電機反轉速度逐漸降低至零即把S4鎖止，此時發(fā)動機驅動車輛行駛，在MG1電機/發(fā)電機反轉速度逐漸降低至零時，MG2電機也從靜止不斷提高轉速，汽車開始加速。此后，MG2電機、發(fā)動機混合變速驅動汽車。汽車高速行駛工況下，發(fā)動機、電動機雙動力驅動車輛。在制動時，MG2電機能回收大部分制動能量，并將其向動力電池充電，沒有功率浪費的問題。

圖3 MG2電機、發(fā)動機混合驅動

（四）強混模式、雙電機多擋位發(fā)動機混合變速驅動

如圖4所示，啟動發(fā)動機后，S1、S2、S4全放開，S3鎖止，使得第一級行星輪系中的星輪架與第二級行星輪系中的太陽輪相連接，傳動軸固定不轉動，切斷兩級行星輪系的關聯(lián)，讓其各自運轉。在MG1電機/發(fā)電機反轉速度與發(fā)電時的速度一致時，發(fā)動機保持發(fā)電的轉速，MG1電機/發(fā)電機反轉速度逐漸降低至零隨即正向轉動，同時，MG2電機也從靜止不斷提高轉速（放開S3），汽車開始加速。在整個過程中，通過MG1電機和MG2電機分別呈相反方向的旋轉來驅動車輛起步。車輛急加速時，發(fā)動機和電動機同時輸出動力驅動車輛行駛，實現(xiàn)最大動力輸出。MG1電機/發(fā)電機配置功率比MG2電機功率小，而兩電機各自有合適的傳動比，再加上兩種耦合的疊加傳動比，即可有多個擋位使用。每個擋位都能使功率與速度對應，各電機在高效率區(qū)轉速范圍內使用，物盡其用，能量回收盡可能在高效率區(qū)，續(xù)航里程大幅提高。在此模式中雙電機和發(fā)動機可共同參與加速，加速度最大，加速時間最短，超車加速能力最強，同時可達到最高速度。汽車行駛工況變化時，電動機輸出的動力與汽車行駛阻力保持平衡，從而使動力系統(tǒng)工作在高效率區(qū)。動力系統(tǒng)根據汽車行駛工況的變化來調節(jié)發(fā)動機的輸出功率和電機的轉數和扭矩。全功能混合動力技術是目前最新的混動技術，可靠性也更高。整車控制器通過扭矩傳感器實時監(jiān)測汽車的行駛工況，來判斷是否需要啟動發(fā)動機，對車輛純發(fā)動機模式、純電動模式和混動驅動模式進行精確的判斷，并且不受車輛行駛速度的限制，既能在低速行駛時保證足夠的驅動力，又能在高速行駛時，提高車輛的燃油經濟性，同時提高車輛的加速性能，這是一種比較完美的組合。

圖4 雙電機多擋位發(fā)動機混合驅動

（五）MG1電機/發(fā)電機純電動驅動模式

如圖5所示，S2、S4放開，S1、S3鎖止，由MG1電機/發(fā)電機完成啟動、停止、速度調節(jié)。車輛制動時回饋發(fā)電，并將其存儲在動力電池中。MG1電機/發(fā)電機配置功率比MG2電機功率小，特別適合在城市道路上，對加速性要求不太高或輕載的場合行駛。

圖5 MG1電機/發(fā)電機純電動驅動

（六）增程式發(fā)電、MG2電機純電動驅動模式

如圖6所示，啟動發(fā)動機后，MG2電機從靜止不斷提高轉速，汽車開始加速。S3保持鎖止狀態(tài)，即兩組行星輪系動力相隔開。MG1電機/發(fā)電機發(fā)電與MG2電機驅動互不干擾，啟動、停止、速度的快慢，整個行駛過程由MG2電機驅動，中高速時使用回饋制動，由MG2電機回收能量，向電池組充電，并將其暫時貯存起來供加速時再用。通過系統(tǒng)優(yōu)化控制，實現(xiàn)發(fā)動機的高效率工作。即使車輛行駛在城市擁堵路段，也能夠降低燃油消耗。當車輛采用增程式驅動模式時，可以保證車輛的續(xù)航里程，而且發(fā)動機工作在高效率、低油耗、低噪音的最佳工作狀態(tài)，排放低、動力強。而且車輛消耗的電能都來源于發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，補充能源時不需向動力電池充電，只需向油箱加油即可。

圖6 MG2電機純電動驅動（增程發(fā)電）

（七）雙電機多擋位變速驅動純電動模式

在該系統(tǒng)裝置中，MG1電機/發(fā)電機與第二級行星輪系中星輪架輸出軸的傳動比比MG2電機與第二級行星輪系中星輪架輸出軸的傳動比大。在保證動力輸出的條件下，系統(tǒng)可根據車輛行駛工況的變化，使電動機的驅動力與車輛行駛阻力始終保持平衡，從而保證車輛的高效率行駛。如圖7所示，在純電動模式下，系統(tǒng)由MG1電機/發(fā)電機和MG2電機共同參與起步并根據不同需要，采用不同擋位行駛。每個檔位都有相對應的傳動比，通過MG1電機/發(fā)電機和MG2電機的相互配合可以實現(xiàn)四種工作狀態(tài)：MG1電機/發(fā)電機反轉、MG2電機正轉；MG1電機/發(fā)電機正傳、MG2電機停轉；MG2電機正轉、MG1電機/發(fā)電機停轉；MG1電機/發(fā)電機、MG2電機均正轉。這樣就可以實現(xiàn)較高的傳動效率和更多的擋位及更寬范圍的傳動比，降低車輛對MG2電機功率及速度等級的要求，爬坡有力，中高速行駛動力性強。

圖7 雙電機多擋位純電動驅動

（八）純發(fā)動機驅動

在電池組電力不足時，為了避免電池組電量過度損耗，降低電池組壽命，此時不使用電機驅動。在公路上巡航時讓發(fā)動機直接驅動，可以一直工作在最佳工作模式，沒有功率浪費的問題，如圖8所示。制動時根據速度的不同，MG1電機/發(fā)電機MG2電機分別或共同回饋發(fā)電，并將其存儲在動力電池中。

圖8 純發(fā)動機驅動

四、結語

雙電機全功能混合動力驅動技術，避免了使用體積大的離合器，采用相對耐用的鎖止制動器，有效地減少了零部件的數量和重量，更減少了維修的次數與時間。不同擋位、八種模式轉換行駛使得電氣系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)可得到最簡化的配置。在各種狀態(tài)下，發(fā)動機、電機分別都能在高效率區(qū)內工作。動力系統(tǒng)根據汽車行駛工況的變化來靈活調節(jié)發(fā)動機的輸出功率和電機的轉數和扭矩?？刂破骺梢造`活地根據不同需要駕馭車輛。驅動系統(tǒng)在采用集成化和智能化的控制策略后適應性更強，可應用于多種類型的混合動力汽車。

[1]賈林娜，閆立君，張世偉，趙長明，劉玉明.混合動力政策和技術分析概述[J].汽車實用技術，2016（10）：8-12.

[2]楊宇.基于汽車產業(yè)的新能源多層次發(fā)展研究[D].北京：中國地質大學，2011.

[3]劉建春.并聯(lián)混合動力電動汽車參數匹配與控制策略研究[D].南昌：南昌大學，2011.

[4]新能源汽車產業(yè)鏈系列深度報告[EB/OL].（2015-11-15）[2017-03-02].http://www.docin.com.

（編輯：林鋼）

Drive Mode of Double-motor Hybrid Electric Vehicles:An Analysis

XU Dong
（School of Automotive Technology,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China）

Hybrid vehicles are currently the most practical and feasible energy-efficient models,therefore,in order to improve their fuel economy and exhaust emission standard,and simplify their structure of power system, this paper analyzes the drive mode of double-motor hybrid electric vehicles.The analysis shows that the dualmotor full-featured hybrid drive technology can flexibly adjust the engine power output and motor operation according to working conditions,and that the eight switch modes of driving system,making full use of the efficient range of the engine and battery and achieving the best overall performance,are suitable for a wide range of hybrid vehicles.

hybrid power;electric car;electric motor;drive mode

U 469.7

A

1671-4806（2017）03-0097-04

2017-02-07

徐東（1980—），男，遼寧遼陽人，講師，碩士，研究方向為新能源汽車技術。