新能源汽车底盘技术简介

驱动系统是电动汽车的核心部分，其性能决定着电动汽车运行性能的好坏。电动汽车的驱动系统布置取决于电动机驱动系统的方式，常见的驱动系统布置型式如图3-8所示。

图3-8　新能源汽车驱动系统布置型式

图3-8（a）所示与传统汽车驱动系统布置方式一致，带有变速器与离合器，只是将发动机换成电动机，属于改造型电动汽车。这种布置可以提高电动汽车的起动转矩，增加低速时汽车的后备功率。

图3-8（b）所示取消了变速器与离合器。优点是可以继续沿用当前发动机汽车中的动力传动装置，只需要增加一组电动机与逆变器。这种方式对电动机的要求较高，不仅要求电动机具有较高的起动转矩，而且要求具有较大的后备功率，以保证电动汽车起动、爬坡、加速超车的动力性。

图3-8（c）所示布置方式是将电动机装配在驱动轴上，直接由电动机实现变速与差速转换。这种传动方式同样对电动机有较高的要求（较高的起动转矩和较大的后备功率），同时要求控制系统有较高的控制精度和良好的可靠性，从而保证电动汽车安全、平稳地行驶。

图3-8（d）所示布置方式同图3-8（c）的布置方式比较接近，是将电动机直接装到驱动轮上，由电动机直接驱动车轮行驶。

（一）混合动力驱动的联结方式

1.串联式混合动力系统（SHEV）

串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到动力电池，再由电池传输给电动机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车（见图3-9）。在这种联结方式下，电池就像一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。

图3-9　串联式混合动力系统

在串联式混合动力电动汽车上，由发动机带动发电机所产生的电能和动力电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，电力驱动是唯一的驱动模式。串联式混合动力电动汽车动力流程如图3-10所示。

图3-10　串联式混合动力电动汽车动力流程图

串联式混合动力电动汽车的优点：

（1）发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态，使有害气体排放控制在最低范围。

（2）从总体结构上看，比较简单，易于控制，只有电动机的电力驱动系统，其特点更加趋近于纯电动汽车。

（3）串联式结构是由发动机、发电机和驱动电动机三大主要部件总成在电动汽车上布置起来的，有较大的自由度。

串联式混合动力电动汽车的缺点：

（1）三大部件总成各自的功率较大，外形较大，质量也较大，在中小型电动汽车上布置有一定的困难。

（2）在发动机—发电机—电动机驱动系统中的热能—电能机械能的能量转换过程中，能量损失较大。

2.并联式混合动力系统（PHEV）

并联式结构由发动机、电动机/发电机两大部件总成组成。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两套系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车（见图3-11）。也就是说，并联式混合动力系统（PHEV）有三种驱动模式，即发动机单独驱动、电动机单独驱动、发动机和电动机混合驱动。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的就是并联式联结方式。

图3-11　并联式混合动力系统

发动机和电动机通过某种变速装置同时与驱动桥直接相联结。电动机可以用来平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷（中等转速）下燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，内燃机车辆的发动机燃油经济性比较差，而并联式混合动力电动汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机，给动力电池充电以备后用（即一边驱动汽车，一边充电）。由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，所以，它在高速公路上行驶具有比较好的燃油经济性。

并联式混合动力系统的优点：

（1）只有发动机和电动机两个动力总成，两者的功率可以等于50％～100％车辆驱动功率，比SHEV三个动力总成的功率、质量和体积小很多。

（2）发动机可直接驱动车辆，没有SHEV发动机一发电机一电动机驱动系统中的热能一电能一机械能的转换过程，能量转换的综合效率比SHEV高。车辆需要最大输出功率时，电动机可以给发动机提供额外的辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃油经济性比SHEV好。

（3）与电动机配套的动力电池组容量较小，使整车质量减小。

（4）电动机（如ISG）可带动发动机启动，调节发动机的输出功率，使发动机基本稳定在高效率、低污染状态下工作，发动机带动发电机发电向电池组充电，可延长续驶里程。

并联式混合动力系统的缺点：

（1）需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，总布置基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车。发动机工况会受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于SHEV。

（2）需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，还有电动机、动力电池组和动力组合器等装置，因此动力系统结构复杂，布置和控制更困难。

并联式驱动系统有两条能量传输路线，可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车，这种设计方式可以使其以纯电动汽车或低排放汽车的状态运行，但是此时不能提供全部的动力能源。并联式混合动力电动汽车动力流程如图3-12所示。

图3-12　并联式混合动力电动汽车动力流程图

3.混联式混合动力系统（PSHEV）

混联式驱动系统是串联式和并联式的综合，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或动力电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥，混联式混合动力电动汽车原理图如图3-13所示。

图3-13　混联式驱动系统

混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一条机械变速机构，两条机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机和电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式混合动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。丰田Prius采用的就是混联式联结方式。混联式混合动力电动汽车动力流程如图3-14所示。

混联式混合动力系统（PSHEV）的特点：

（1）将串联HEV和并联HEV相结合，具有两者的优点。

（2）与串联HEV相比，增加了机械动力的传递路线。

（3）与并联HEV相比，增加了电能的传输路线。

图3-14　混联式混合动力电动汽车动力流程图

混联式混合动力系统的优点：

（1）三个动力总成比SHEV三个动力总成的功率、质量和体积小。

（2）有多种驱动模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”。

（3）发动机可直接驱动车辆，能量转换的综合效率比内燃机汽车高。

（4）电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步，可在城市中实现“零污染”行驶。车辆需最大输出功率时，电动机可给发动机提供辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃料经济性比SHEV好。

混联式混合动力系统的缺点：

（1）发动机驱动是基本驱动模式，电动机驱动是辅助驱动模式，动力性更接近内燃机汽车。发动机工况受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于SHEV。

（2）需要配备两套驱动系统；发动机传动系统需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成；另外，还有电动机、减速器、动力电池组，以及多能源动力（发动机动力与电动机动力）组合或协调专用装置。因此，多能源动力系统结构复杂，总布置困难。

（3）多能源动力系统的工作模式有多种形式，需要复杂的多能源动力总成控制系统，才能达到高经济性和“超低污染”。

混联式驱动系统的控制策略：当汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。

（二）混合动力电动汽车驱动系统分析

1.混合动力电动汽车驱动系统的能量管理

混合动力电动汽车驱动系统的能量管理如图3-15所示。

图3-15　能量管理图

（1）起步

为避免发动机的怠速及低负荷工况，以减小油耗，发动机不工作，仅电动机利用其低速大转矩的特性单独使车辆起步。

（2）加速

发动机启动后以最大效率工作驱动车辆，电动机提供部分功率辅助车辆加速。

（3）匀速

发动机按油耗最小的最优工作曲线工作，当发动机输出功率大于车辆行驶所需功率时，多余功率驱动以发电状态工作的电动机发电而向动力电池充电。

（4）减速（制动）

发动机关闭不工作，以发电状态工作的电动机进行再生制动向动力电池充电。

2.串联混合动力电动汽车的工作模式

（1）启动/正常行驶/加速模式（混合驱动模式）

发动机带动发电机和动力电池一起输出电能并传递给逆变器，然后驱动电动机，通过机械传动装置驱动车轮（见图3-16）。

图3-16　启动/正常行驶/加速模式

（2）轻载模式（行车充电模式）

发动机发出的功率大于车辆所需功率，多余的能量经发电机转为电能后通过逆变器给动力电池充电，直到SOC达到预定的限值（见图3-17）。

图3-17　轻载模式

（3）减速/制动模式（制动能量回收模式）

电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过逆变器给动力电池充电（见图2-18）。

图3-18　减速/制动模式

（4）动力电池充电模式（停车充电模式）

停车时，发动机的动能经发电机转为电能后通过逆变器向动力电池充电（见图3-19）。

图3-19　动力电池充电模式

3.并联混合动力电动汽车的工作模式(www.xing528.com)

（1）启动/加速模式

车辆启动或节气门全开加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动力，如发动机和电动机分别承担总功率的80％和20％（见图2—20）。

图3-20　启动/加速模式

（2）正常行驶模式

车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发动机工作提供车辆行驶所需动力（见图3-21）。

图3-21　正常行驶模式

（3）减速/制动模式

车辆减速行驶或制动时，电动机工作于发电机模式进行再生制动，通过逆变器给动力电池充电（见图3-22）。

图3-22　减速/制动模式

（4）行驶中给动力电池充电模式

当车辆轻载时，发动机输出功率驱动车辆行驶，同时发动机输出的多余功率驱动以发电状态工作的电动机发电而向动力电池充电（见图3-23）。

图3-23　行驶中给动力电池充电模式

4.混联混合动力电动汽车的工作模式

混联混合动力电动汽车的工作模式有两种方式：一是发动机主动型混联混合动力电动汽车，车辆运行时主要是发动机驱动车辆，如尼桑Tin；二是电力主动型混联混合动力电动汽车，车辆运行时主要是电动机驱动车辆，如丰田Prius。

（1）发动机主动型混联混合动力电动汽车的工作模式

1）启动模式

发动机关闭，由动力电池给电动机提供电能驱动车辆（见图3-24）。

图3-24　启动模式

2）加速模式

节气门全开车辆加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担车辆行驶所需的动力（见图3-25）。

图3-25　加速模式

3）正常行驶模式电动机关闭，发动机工作，提供车辆所需动力（见图3-26）。

图3-26　正常行驶模式

4）减速/制动模式

电动机工作于发电机模式进行再生制动，通过逆变器给动力电池充电（见图2-27）。

图3-27　减速制动模式

5）行驶中给动力电池充电模式

发动机一部分动力用于驱动车辆，一部分动力由发电机经逆变器给动力电池充电（见图3-28）。

图3-28　行驶中给动力电池充电模式

（2）电力主动型混联混合动力电动汽车的工作模式

1）启动/轻载模式

发动机关闭，由动力电池给电动机提供电能驱动车辆（见图3-29）。

图3-29　启动/轻载模式

2）加速模式

发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需功率。电动机所需电能由动力电池和发电机共同提供。通常用行星齿轮机构分流发动机的输出功率，一部分用于驱动车辆，另一部分用来驱动发电机（见图3-30）。

图3-30　加速模式

3）正常行驶模式

发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需功率。电动机所需电能仅由发动机驱动发电机提供（见图3-31）。

图3-31　正常行驶模式

4）减速/制动模式

电动机工作于发动机模式进行再生制动，通过逆变器给动力电池充电（见图3-32）。

图3-32　减速/制动模式

5）行驶中给动力电池充电模式

发动机一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力由发电机经逆变器给动力电池充电（见图图3-33）。

图3-33　行驶中给动力电池充电模式

6）动力电池充电模式

当停车时，发动机可通过发电机给动力电池充电（如图3-34所示）。

图3-34　动力电池充电模式

混合动力汽车的动力传递系统与其自身的气动力联结方式相匹配，除了其特有的动力组成部件，其余各零部件与传统汽车基本一致（大家在学习的时候，要稍作区分）。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内甚至更长的时间，电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。这给混合动力汽车的发展提供了时间与条件，混合动力汽车正是这一时期的过渡产品，相信在未来很长的一段时间内，混合动力汽车仍旧会在新能源汽车领域占有重要一席。

（三）丰田Prius混合动力传动桥

丰田Prius所采用的混合驱动方式，它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。此时车辆介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。

动力总成和传递机构主要由电机MG1、电机MG2、动力分配行星排、减速行星排、过渡齿轮、主减速器和差速器等组成（见图3-35），混合动力传动桥主要由组合齿轮单元、主减速器、差速器、两个电机（MG1、MG2）、动力分配行星齿轮、驻车机构等组成。

Prius采用行星齿轮作为变速机构，可以实现电机与发动机的动力分配和无级变速。行星齿轮3个部件都是独立的，如图3-36所示。

图3-35　动力总成和传递机构

图3-36　变速机构

1.高输出功率电动机

Prius普锐斯油电混合动力系统的电动机中采用了交流同步原动机。该装置一直到高旋转带都可高效地产生高扭矩，同时可任意控制转数和产生的扭矩。另外，它还拥有小型、轻量、高效等特点，具有优秀的动力性能，可进行顺畅的启动、加速等各种操作。采用三相交流方式，根据行驶情况准确地控制旋转磁场和旋转磁石的角度，将转子内的永久磁石排列成理想的V字形。电机最大电压：500V；最大输出功率：50kW（68PS）/1200～1540r/min；最大扭矩：400N·m（40.8kg·m）/0～1200r/min。

Prius普锐斯油电混合动力系统的电动机MG1、MG2的结构如图3-37所示。

图3-37　MG1、MG2的结构

（1）MG1的作用

作为电动机，启动发动机，把发动机从静止拖动到1000r/min左右，然后发动机喷油点火；在发动机有动力输出时，MG1正转，作为发电机，对电池充电和对MG2供电；MG1反转时，则作为电动机，消耗电能。

通过调整MG1的转速来实现发动机在某个高效功率点运行，随着车速的变化，调节MG1的转速，实现行星齿轮无级变速的功能。

（2）MG2的作用

（EV模式运行时，作为电动机，独立驱动汽车；

②汽车加速和需要辅助功率时，作为电动机；

③汽车中等速度巡航时，发动机输出功率较低，MG1反转，MG2作为发动机，对电池充电和对MG1供电；

④制动时发电；

⑤倒车时，反转驱动汽车。

2.组合齿轮单元结构

在动力分配行星排中，行星架与发动机相连，太阳轮与MG1相连，齿圈通过过渡齿轮与主减速器相连。发动机输出的动力被分成用于驱动MG1发电的动力（电动力）和用于直接驱动车轮的动力（机械动力）两个部分。

在减速行星排中，行星架固定，太阳轮与MG2相连，齿圈与动力分配行星排的齿圈相连，MG2的动力经过减速行星排减速增矩后，也通过过渡齿轮向主减速器输出。组合齿轮单元的结构如图3-38所示。

图3-38　组合齿轮

Prius混联式的机械结构，包括两个电机，即MG1和MG2，MG1主要用于调速，MG2主要作为驱动电机，两个电机均可以作为发电机和电动机。电机和发动机通过一套行星齿轮组连接实现动力分配。如图3-38所示，发动机与行星架相连，MG1和太阳轮相连，MG2连接在齿轮上，齿圈再通过齿形带和主减速器相连。

油电混合动力系统中安装有动力分离装置，可将发动机产生的动力分配给驱动轮和发电机。采用由齿环、小齿轮、太阳齿轮、行星支架做成的行星齿轮，高效率地分配动力。

（1）行星支架的旋转轴与发动机连接，通过小齿轮带动外围的齿环和内侧的太阳齿轮。

（2）小齿轮旋转轴直接和电动机连接，将驱动力传给车轮。太阳齿轮旋转轴直接和发动机连接，将发动机的动力转换为电能。

油电混合动力系统中采用了“再生制动器”，它利用电动机的发电来再次利用动能。电动机通常在通电后开始转动，但是相反地让外界力量带动电动机旋转时，它又可作为发电机来发电。因此，利用驱动轮的旋转力带动电动机发电，在给HV蓄电池充电的同时，又可以利用发电时的电阻来减速。该系统在制动时与液压制动器同时控制再生制动器，完美地将原来在减速中作为摩擦热散失的动能回收为行驶用能量。城市中行驶时反复进行的调速操作具有较好的能量回收效果，所以在低速带优先使用再生制动器。Prius普锐斯在城市中行驶100km，即可再生相当于1L汽油的能量。