“電動汽車技術”課程的動力耦合實驗教學設計

摘"要：動力耦合是“電動汽車技術”課程的重點和難點內容，實驗環節對學生的理解和掌握非常重要，實驗教學設計直接影響教學效果。本文提出“電動汽車技術”課程動力耦合實驗教學內容和方法的設計，通過教學后的學生反饋，設計的教學效果較好，可為電動汽車相關內容的實驗教學提供參考，具體教學可根據學生學習情況和課程內容做適當調整。

關鍵詞：實驗教學；內容和方法；電動汽車技術；動力耦合

中圖分類號：G420；U469.72""文獻標識碼：A

“電動汽車技術”是車輛工程和交通運輸等相關專業的專業課程，內容包含了純電動汽車、增程式電動汽車和混合動力汽車等內容。純電動汽車的動力源是電動機，增程式和混合動力汽車是發動機和電動機。超過一個動力源時，需要對動力源提供的動力進行分配控制，其中有電子控制和機械控制兩種。并聯式電動汽車或混聯式電動汽車的動力源具有并聯結構，并聯動力源通過機械機構的聯結來控制動力的分配，將發動機和電動機等的力矩和速度按一定比例關系耦合分配到驅動輪的過程就稱為動力耦合。

動力耦合是電動汽車設計的一個關鍵技術，其內容是“電動汽車技術”課程的重點和難點內容之一，理論性和實踐性均較強。實踐教學是對理論知識的鞏固和加深理解，也在增加學生學習興趣和主觀能動性方面發揮重要作用，實驗設計是否合適將直接影響實驗教學的效果。根據在動力耦合內容的教學和科研中遇到的問題，經過不斷調整教學內容和方法，進行實驗教學設計，達到了較好的教學效果，可為相關課程和內容的實驗教學提供參考。

1"動力耦合知識架構

電動汽車動力耦合相關內容的知識構架如圖1所示，先是電動汽車總體上聯結方式的分類、結構、動力傳遞路線及其控制，以此為基礎，進一步詳細介紹并聯結構的動力耦合分類、結構、原理和控制。

圖1"電動汽車動力耦合的知識構架

發動機和電動機是電動汽車的動力來源，二者與車輛驅動輪的聯結方式分為三類：串聯式、并聯式和混聯式，如圖1所示。

串聯式混合動力汽車的發動機與車輛驅動輪不直接進行機械聯結，不直接參與驅動輪的驅動，其作用是帶動發電機發電，給動力電池充電或給電動機供電。車輛的驅動輪由電動機單一進行驅動，不存在發動機與電動機通過機械部分來進行動力耦合的問題，發動機可直接通過電子控制來實現各種運行工況和動力輸出。并聯式混合動力汽車的發動機和電動機通過機械部分并聯聯結，然后與驅動輪直接聯結，從而共同驅動車輛驅動輪，并聯聯結的機械部分需要對力矩和速度等進行動力耦合分配控制。混聯式結構既包含了串聯成分，又具有并聯方式，既可實現串聯的功能，又可以實現并聯功能。如圖1，不論并聯式還是混聯式電動汽車，均含有并聯結構，存在動力耦合的實現，實驗課程主要內容是其結構、耦合原理和控制分析。

并聯結構有力矩、轉速、功率和牽引力等四種耦合形式，各種形式由其結構決定。結構包括由平面定軸輪系、齒輪鏈條或行星齒輪等組成的聯結機構，以及聯結機構與發動機、電動機和驅動輪的聯結方式。聯結機構確定后，發動機和電動機通過聯結機構與驅動輪聯結，聯結方式決定了動力的輸入口和輸出口。聯結機構在速度、力矩等機械原理上的作用規律是動力耦合的理論基礎，通過動力輸入和輸出口的確定，可得出力矩和速度等在輸入和輸出口上的動力分配關系。動力分配關系確定后，還需要進一步和發動機、電動機的特性相結合，在動力耦合基礎上實現電動汽車對發動機或電動機的控制，從而實現電動汽車的動力性、經濟性和排放性等控制目標。總之，不同的聯結機構以及不同的動力輸入輸出口決定了不同的動力耦合作用，不同的耦合作用就決定了電動汽車不同的控制目標。

2"實驗教學內容

2.1"教學內容設計

實驗教學內容應圍繞著圖1的電動汽車動力耦合知識構架進行設計，以幫助學生理解和掌握這部分內容。一般情況下，對于整個課程的學時數和內容，這部分內容均安排一個實驗，課時量為兩個學時。實驗學時有限，實驗內容不可能涉及理論知識的所有知識點，選擇并聯聯結的結構和動力耦合原理作為實驗內容較為合適。

按講解先后順序，總體上應包含兩部分內容，一是并聯混合動力汽車總體結構和原理，二是動力耦合的結構和原理。前者內容包含動力電池、發動機、電動機、動力耦合部分和各種控制器等，總體性地介紹各部分的位置、聯結關系和基本原理。后者內容包括動力耦合部分的分解結構及其與發動機的聯結關系、并聯聯結機構的分解結構及其動力輸入輸出口、并聯聯結機構的動力傳遞關系，前兩個部分是對照實物進行講解，后一個部分要對照實物并結合理論上的推導進行講解。

2.2"實驗設備選定

實驗內容的確定決定了實驗設備的選定。實驗設備承載的教學內容應包含并聯式混合動力的總體結構和動力耦合兩個部分，前者選定為豐田普銳斯混合動力實訓臺架，如圖2，后者選定為混合動力耦合系統解剖實訓臺架，如圖3。

圖2"豐田普銳斯混合動力實訓臺架

圖3"混合動力耦合系統解剖實訓臺架

圖2為整體式臺架，承載的實驗內容是從外觀上認識混合動力的總體結構，臺架由發動機、實訓操控臺、動力耦合器和電機、動力電池、混合動力控制器和整車控制器展板等幾個部分組成。圖2和圖3均為豐田普銳斯混合動力的同種車型，但圖3是圖2的動力耦合部分的分解結構，臺架由三個獨立的部分構成：一是由發動機與耦合器組成的一個整體，為半分解結構；二是動力耦合器部分的全分解結構；三是動力耦合器原理展示板。

2.3"實驗步驟的確定

有了具體的實驗內容和實驗設備，需要設計合理的實驗步驟。為了更好地完成預設實驗內容的教學，實驗步驟應密切結合實驗內容，并遵循從總體到局部、由淺到深的原則。總體上包括以下六個步驟：

步驟一：混合電動汽車總體結構認識；

步驟二：混合電動汽車總體控制原理；

步驟三：混合電動汽車各部分控制器的基本控制原理；

步驟四：發動機、并聯聯結機構和電機組成的半分解結構和基本原理；

步驟五：根據動力輸入輸出口，推導動力耦合機構的動力分配公式，分析原理；

步驟六：動力耦合對發動機和電動機的控制原理。

此六個實驗步驟作為基本的必需步驟，教學實施或修訂實驗教學大綱時，根據往屆的相關教學反饋情況，可做出適當的細化、添加或調整。

3"實驗教學方法

3.1"預習組織

對于重難點內容的學習，往往是相關基礎知識影響了學生的理解和掌握，提前預習所需的基礎知識非常重要。此實驗教學重難點是動力耦合關系分析，涉及的內容包含三部分：一是以組成和結構為基礎，確定耦合聯結機構的動力輸入輸出口；二是在已知動力輸入輸出口情況下，推導出耦合機構動力分配關系；三是分析動力分配關系在發動機和電動機控制中發揮的作用。

動力耦合分配關系是速度和扭矩在各輸入輸出口上的關系，其基礎知識是“機械原理”課程中齒輪結構和原理的相關內容。動力分配關系對發動機和電動機的控制作用，涉及課程“發動機原理”的發動機動力性、經濟性和排放性等，以及“電工技術”課程的電動機特性等內容。

上述三門課程是“電動汽車技術”的前導課程，相關內容對本實驗學習很重要，可組織學生進行課前預習。預習組織可在正式上課之前聯系各班班干部，建立實驗課程溝通群，列出相關參考書和預習思考題，使學生有針對性地進行預習。

3.2"現場討論

現場討論有利于營造良好的學習氛圍，使同學們能主動思考，這更加有利于實驗課上的理論知識和實踐的銜接，討論的題目可以是預習布置的思考題，也可以是本次實驗中需要重點分析的一些關鍵問題。

比如，對于轉矩耦合的平面定軸輪系聯結機構，由機械原理可知，平面定軸輪系主動輪和從動輪的轉速比和轉矩比都是固定的，為什么是轉矩耦合而不是轉速耦合呢？授課過程中發現，這個問題是很多同學疑惑的地方，經過現場分組討論，有些組能討論出問題的答案，即使不能討論出答案的組，也能夠對問題認識更加深刻，離答案也只是一步之遙，教師只要點撥齒輪副的齒輪均為主動輪這一點，學生在討論的基礎上很快就會明白其中原理和區別，問題迎刃而解。

3.3"翻轉課堂

翻轉課堂對學生是個考驗，能很好地激起同學們的學習興趣，使學生發揮主觀能動性。選擇實驗的一個重要內容作為翻轉課堂，對促進同學們學習和活躍課堂氣氛非常有益，比如轉速耦合的原理和控制作用，上課前在學習群里事先布置，上課將隨機找同學來講。

為了將這部分內容講好，同學們就需要認真思考轉速耦合的結構、原理和控制等各方面內容，同樣會思考轉速耦合與轉矩耦合、功率耦合、牽引力耦合的區別，弄清楚這些知識點就要帶著一點壓力去準備，壓力就會轉化為動力。

3.4"公式板書推導

實驗內容中如果需要公式作為理論支撐，教師對公式進行板書推導是必要的，可引導學生跟上教師思路去思考，幫助學生加深理解和增加學習信心。動力耦合原理以耦合聯結機構的動力學原理為基礎，涉及耦合機構的動力學公式推導。比如平面定軸輪系聯結機構的轉矩耦合，如圖4，發動機和電動機作為動力輸入端口，發動機輸入轉矩T1和轉速ω1，電動機輸入T2和ω2，輸出端口是驅動輪，輸出T3和ω3。

圖4"平面定軸輪系的轉矩耦合結構示意圖

根據功率平衡原理，輸入功率等于輸出功率，得到式（1）：

T3ω3=T1ω1+T2ω2（1）

等式兩邊同除ω3，并令k1=ω1/ω3，k2=ω2/ω3，得到式（2）：

T3=k1T1+k2T2（2）

對于平面定軸輪系，設計參數確定后，k1、k2為確定的傳動比。

由式（2）可知，T3為驅動輪載荷轉矩，其為T1、T2的線性和。而T1、T2分別為發動機和電動機輸入的驅動轉矩，它們彼此獨立輸入，也就是說二者可分別進行單獨控制，故稱為轉矩耦合。

公式的推導進一步使發動機和電動機的控制分析變得明確，在外界需要載荷轉矩T3一定時，只要提供的T1、T2的線性和達到即可，此時就可通過控制電動機的轉矩來調節發動機的轉矩，使發動機工作在最佳油耗附近，從而發動機的轉矩可控。而ω3=ω1/k1=ω2/k2，發動機轉速和電動機、驅動輪的轉速都存在固定的比例關系，受多種因素影響而隨時變化，故不可控。

由式（2）還可進一步說明轉矩耦合不同結構的動力耦合情況。如果驅動輪和電機同軸，則k2=1；如果是磁場耦合方式，則k1=k2=1。

結語

本文對電動汽車課程中的動力耦合實驗進行設計，包括內容、實驗設備和教學方法，根據內容舉出例子，并進行了分析。本文僅對實驗教學內容進行了闡述，具體知識點的授課內容并沒有展開。實踐教學是鞏固和掌握理論知識不可缺少的重要環節，希望設計能為相關課程的教與學提供借鑒和參考，提高動力耦合實驗的教學效果。

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