混合動力車輛自動傳動系統發展現狀及前景

林夢

摘 要：車輛傳動系統是鏈接動力輸入單元（發動機、電動機）與行駛系系統（車輪）的結構，直接影響著車輛的動力性和經濟性。其能量傳遞方式和傳遞路徑具有較高的研究價值。分析了混合動力車輛的動力特點，介紹了多種用于混合動力汽車的傳動形式及其性能特點，并預測了混合動力車輛自動傳動系統的發展趨勢。

關鍵詞：混合動力車輛；傳動系統；新能源；內燃機

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.024

自20世紀90年代以來，隨著人類社會的快速工業化，能源危機和環境問題已成為阻礙可持續發展的重要問題。綠色能源和節能減排成為許多工業領域，尤其是汽車行業倡導的一種發展理念。作為世界最大的汽車市場之一——中國，隨著2001年“十五”計劃明確提出發展新能源汽車工業，越來越多的國內外學者開始關注和參與中國新能源汽車的發展。

1 新能源汽車簡介

新能源汽車，是指使用一種或以上非傳統化石燃料（柴油、汽油）的新能源為動力的汽車，新的動力可替代傳統燃油內燃機（ICE），或采取與傳統內燃機共同工作的方式，從而驅動車輛正常行駛。目前，新能源汽車主要包括純電動汽車（EV）、油電混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV）和液化天然氣動力汽車（CNG）等。

2 混合動力汽車的傳動形式及性能特點

油電混合動力汽車（HEV）指的是采用內燃機（ICE）和電動機（MG）兩種動力源驅動的汽車，其特點是充分發揮了內燃機的動力性和電驅動的經濟性，具有很高的自由度，布置靈活，可根據車輛的不同動力性需求設計傳動形式。因此，研究其自動傳動系統有著很高的研究價值。

油電混合汽車的特點在于其動力輸出系統由內燃機與電動機共同組成，內燃機與電動機在組合動力輸出方面有著非常靈活的選擇性。根據現有對混合動力車輛傳動形式的研究，其主要的傳動形式可概括為串聯型、并聯型和混聯型。

2.1 串聯型混合動力汽車

串聯型的特點在于發動機與電動機、驅動橋是串聯的。串聯型的混合動力驅動方式采用發動機帶動發電機，將化石燃料的化石能轉化成為電能，進而儲存或直接供給電動機驅動車輛。發動機和驅動橋直接采用的不是機械的固態鏈接，而以電能為介質，可實現能量在化石能、機械能、電能與機械能間的傳遞。在自動變速器方面，由于串聯型混合動力可簡化地將發動機看作一種電源裝置，車輛由電動機直接驅動。由于電動機在動力學方面具有的特點，能很好地滿足車輛行駛的功率需求。因此，串聯型混合動力車輛的傳動系統可省略或僅需針對少數特殊工況設計，其結構十分簡單。

2.2 并聯型混合動力汽車

并聯型混合動力汽車的發動機和電機均通過某種類型的變速器與車輪有直接的連接。這種結構會使發動機的運行轉速受到車速的影響，發動機的輸出轉矩會隨著電機輔助而增加。并聯方式的發動機與車速的關聯使其在控制車輛排放方面不比串聯方式，但這種連接方式可利用電機平衡發動機的轉矩負荷，使發動機在更高的效率區域工作。并聯型混合動力車有2種基本類型：以發動機作為主要動力源，電機助力；以電機作為主要動力源，發動機助力。由于只有1個電機，并聯型混合動力汽車的成本低于串聯型，但因發動機與電機之間采用物理連接，導致并聯型控制比串聯型復雜得多。

2.3 混聯型混合動力汽車

混聯型混合動力汽車的適應性強，在實現產業化的混合動力汽車產品中應用廣泛。豐田公司在混聯式混合動力方面獲得了一定的成果。THS-II是一種典型的混聯式驅動的動力總成，其旗艦車型“普銳斯”推出了PRUISI、II、III三個系列的車型，均采用混聯式的布置方案。此外，德國寶馬公司、戴姆勒奔馳公司和美國通用公司也相繼推出了混聯式混合動力產品。

單星帶傳動式發動機產生的動力經過扭轉減振器與單星排的行星架相連，電動機與太陽輪、齒圈相連。其中，行星排的齒圈和行星輪的直接動力可以分離，齒圈為系統輸出，通過帶輪實現減速增距，以滿足汽車行駛的需求。“雙星傳動式”采用2個平行的行星排，可實現發動機和2個電動機直接的功率分配，其主要代表車型為豐田“普銳斯”第 III 代混合動力轎車。單星CVT式變速機由1個行星排和1個CVT 機構組成，其結構簡單，且僅需要1個電動機提供輔助動力。該方案將行星齒輪機構與金屬帶式CVT相結合，實現了功率分流和無級變速。其中，部分功率經CVT傳遞至輸出端，提高了傳動效率。該方案無須電動機參與調速，實現了全機械傳動，不存在能量轉換，效率高；不足之處為速比范圍較小、發動機驅動時的最低穩定車速較大。

3 混合動力汽車的發展趨勢

油電混合動力的傳動系統是基于車輛行駛需求的，可實現化石能和電能的功率分流和匹配的系統。其發展趨勢可以概括為以下3點：①動力鏈接方式多元化。隨著混合動力車輛的發展，各動力直接的匹配越來越趨向單一化，匹配方案不再簡單地以串聯型和并聯型進行劃分。②傳動系統更加緊湊。隨著行星排的巧妙利用，傳動系統的變速機構更加緊湊。通過對各行星排之間自由度的約束，可實現多檔間的可靠性換擋。③基于電機的輔助作用，可實現對發動機動力的無極傳動。混合動力汽車可以通過行星機構實現電動機對發動機功率的補充，使發動機的功率輸出范圍盡可能地貼合路面行駛需求，使發動機能在較為經濟的工況下實現動力輸出，同時，延長車輛的續駛里程。

參考文獻

[1]鄧元望，王耀南，陳潔平.混合動力驅動系統及其在越野車中的應用[J].農業機械學報，2006，37（10）.

[2]張金柱.豐田第二代混合動力系統（THS-II）[J].內燃機，2005（3）：6-9.

〔編輯：張思楠〕