混合動力汽車的耦合技術(shù)

摘要：動力耦合系統(tǒng)是混合動力汽車的核心部分，通過動力耦合裝置可以實(shí)現(xiàn)混合動力汽車不同工作模式之間的轉(zhuǎn)換，動力耦合系統(tǒng)的性能會直接關(guān)系到混合動力汽車的整車性能狀況。本文從混合動力汽車的耦合技術(shù)的功能、動力耦合裝置的分類以及動力耦合裝置的發(fā)展趨勢等方面對混合動力汽車耦合技術(shù)進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車;功能;動力耦合;發(fā)展趨勢

動力耦合裝置是混合動力汽車上使得多個動力源輸出與整車動力輸出之間產(chǎn)生一定影響關(guān)系的機(jī)構(gòu)，對于常見的油-電混合動力汽車就是指能夠把發(fā)動機(jī)和電機(jī)動力耦合輸出的裝置。根據(jù)動力耦合方式的不同可以將混合動力汽車分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和牽引力合成式，其中串聯(lián)式結(jié)構(gòu)最為簡單，并聯(lián)式次之，混聯(lián)和牽引力合成式最為復(fù)雜，同時也是混合動力汽車發(fā)展的主要方向。

1.功能

雖然混合動力汽車的動力耦合方式存在很大的差別，但是它們的功能基本相同，歸納總結(jié)起來主要有以下幾項(xiàng)。

動力耦合功能：實(shí)現(xiàn)多個動力源的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的合成，形成驅(qū)動車輛的動力。各動力源的輸出的動力不能相互干涉，每個動力源可以單獨(dú)驅(qū)動車輛也可以幾個動力源共同驅(qū)動，不能影響傳動效率。必要的時候還能夠?qū)⒁粋€動力源輸出的動力進(jìn)行分解。行駛發(fā)電模式就是將發(fā)動機(jī)的動力分成兩部分，一部分用來驅(qū)動車輛，另一部分用來驅(qū)動電機(jī)發(fā)電。

能量回饋功能：再生制動功能是混合動力汽車四種節(jié)能途徑之一，它利用汽車在制動時的動能拖動電機(jī)發(fā)電。這個過程需要保持驅(qū)動輪與電機(jī)的機(jī)械連接并且斷開與發(fā)動機(jī)的連接，動力耦合裝置應(yīng)該在再生制動的時候?qū)崿F(xiàn)這種連接。

模式切換功能：動力耦合裝置應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊，與動力傳動系統(tǒng)的其他部件配合緊密，控制便捷可靠，能夠方便地實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動模式并且保證模式之間的切換過程平順且無沖擊。

輔助功能：動力耦合裝置應(yīng)該能夠滿足混合動力汽車起步時的低速、大轉(zhuǎn)矩的需求，避免傳動汽車在起步離合器上消耗的能量損失;除此之外，該裝置還能夠利用電動機(jī)的反轉(zhuǎn)特性或者改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩方向?qū)崿F(xiàn)倒車的功能，進(jìn)而取消變速器的倒擋機(jī)構(gòu)。

動力耦合裝置的前兩項(xiàng)屬于基本功能，后兩項(xiàng)是混合動力汽車發(fā)展到一定階段才能實(shí)現(xiàn)的高級功能。目前國內(nèi)混合動力汽車的動力耦合裝置基本實(shí)現(xiàn)了前兩項(xiàng)功能，后兩項(xiàng)功能尚未實(shí)現(xiàn)。

2.動力耦合裝置的分類

混合動力汽車通過下列四類耦合方式把多個動力源的動力合成輸出：

轉(zhuǎn)矩耦合式：各動力源輸出的轉(zhuǎn)矩獨(dú)立，轉(zhuǎn)速符合一定的比例關(guān)系，動力耦合器輸出的轉(zhuǎn)矩等于各動力源轉(zhuǎn)矩的線性和。這類耦合方式還可以進(jìn)一步細(xì)分為三種，第一種是齒輪耦合式，一汽集團(tuán)和二汽集團(tuán)開發(fā)的混合動力城市客車都采用這種結(jié)構(gòu)。第二種是磁場耦合式，將電機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)動機(jī)曲軸布置在同一條軸線上，通過電機(jī)的勵磁控制把電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合到一起輸出，本田公司的IMA系統(tǒng)和長安集團(tuán)的ISG系統(tǒng)都采用這種耦合方式。第三種是鏈或者帶耦合式，通過鏈條或者皮帶將動力源輸出的動力進(jìn)行合成，這種耦合方式結(jié)構(gòu)簡單、沖擊小，但是效率低下。

轉(zhuǎn)速耦合式：各動力源的轉(zhuǎn)速獨(dú)立，轉(zhuǎn)矩成一定的比例，動力耦合器輸出的轉(zhuǎn)速等于各動力源轉(zhuǎn)速的線性和。這種耦合方式可以進(jìn)一步細(xì)分為兩種：一種是行星齒輪耦合式，該種耦合方式是利用一組行星齒輪將發(fā)動機(jī)和電機(jī)的動力耦合，通過一組離合器和兩組制動器的結(jié)合/分離控制整車的工作模式和模式之間的切換。第二種是差速器耦合式，湖南大學(xué)以菱形轎車作為基礎(chǔ)開發(fā)差速器耦合式混合動力轎車，菱形車的驅(qū)動車輪位于中間，兩個轉(zhuǎn)向輪分別位于汽車的前后方，該車巧妙地反向運(yùn)用汽車差速器作為動力耦合裝置，把發(fā)動機(jī)和電機(jī)的動力耦合用兩個離合/制動器控制該車的工作模式及其切換過程。

牽引力耦合式：前后軸分別由獨(dú)立的動力源驅(qū)動，通過前后軸的驅(qū)動力實(shí)現(xiàn)各動力源的耦合，這種耦合方式前后軸獨(dú)立性好，可以將整車的驅(qū)動功率劃分為幾個等級。該種耦合方式的顯著優(yōu)點(diǎn)是：汽車的驅(qū)動力由兩根驅(qū)動軸承擔(dān)，因此作用于每一根驅(qū)動軸上的驅(qū)動力都會達(dá)到其輪胎與地面之間的附著極限;在標(biāo)準(zhǔn)的工作模式下，汽車主要是由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，在零排放模式下，只是用電動機(jī)驅(qū)動;當(dāng)汽車需要加速或者爬坡，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)同時驅(qū)動;此種結(jié)構(gòu)的混合動力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性都超過了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車。

混合耦合式：近幾年出現(xiàn)了在同一輛混合動力汽車上采用兩種甚至兩種以上的動力耦合方式的設(shè)計，這就是混合耦合。豐田旗下的Camry的混合耦合就是發(fā)動機(jī)和MG1電機(jī)通過轉(zhuǎn)速合成端的行星齒輪構(gòu)成轉(zhuǎn)速耦合，動力從齒圈輸出，由于MG1電機(jī)具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速相互獨(dú)立，即實(shí)現(xiàn)了ECVT。轉(zhuǎn)速耦合形成的動力再與MG2電機(jī)形成轉(zhuǎn)矩耦合，動力在齒圈上疊加輸出。這種耦合方式能夠匯集多種耦合方式的優(yōu)點(diǎn)，避免它們的不足，實(shí)現(xiàn)多種工作模式，與變速系統(tǒng)緊密配合，使得混合動力汽車節(jié)能減排的優(yōu)勢得到充分的發(fā)揮，但是同時也使得結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、控制難度最大的動力耦合方式。這種耦合方式已經(jīng)成為混合動力汽車的發(fā)展趨勢。

3.動力耦合裝置的發(fā)展趨勢

由以上的分析可以知道，混合動力汽車的動力耦合裝置正向功能更加完備、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、控制更先進(jìn)的方向發(fā)展。國外一些汽車公司憑借他們掌握的豐富的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、精湛的制造工藝和先進(jìn)的控制技術(shù)不斷研制新的動力耦合方式，推出的混合動力汽車主要是采用混合耦合方式。

國內(nèi)在這方面目前仍還處于初級階段，功能上僅能滿足基本要求，耦合方式只局限于前三類，與國外相比較還存在著很大的差距。中國在混合動力汽車關(guān)鍵單元技術(shù)方面已經(jīng)取得了一定的重大進(jìn)展，如何將這些關(guān)鍵單元用更高級的耦合方式形成功能更完備的混合動力汽車是當(dāng)務(wù)之急。

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作者簡介：吳俊鋒（1998-），男，福建省泉州市人，在讀本科，山東科技大學(xué)交通學(xué)院車輛工程專業(yè)2016級，研究方向?yàn)檐囕v工程。