關(guān)于混合動力汽車動力耦合技術(shù)分析

彭建偉

摘 要：混合動力電動汽車是未來汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向，而混合動力耦合技術(shù)是混合電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，通過當(dāng)前混合動力耦合技術(shù)的功能進(jìn)行分析，結(jié)合混合動力耦合技術(shù)的分類，討論了齒輪式機(jī)械動力耦合系統(tǒng)、電磁式動力耦合技術(shù)、液壓混合動力耦合系統(tǒng)三種混合動力汽車技術(shù)，為混合動力汽車耦合技術(shù)的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：混合動力；耦合技術(shù)；驅(qū)動技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.014

混合動力電動汽車是將電力驅(qū)動技術(shù)與燃油驅(qū)動技術(shù)相結(jié)合的車輛，它采用的機(jī)電耦合系統(tǒng)的動力耦合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)二者之間的相互轉(zhuǎn)換，耦合動力技術(shù)的形式不僅決定了混合動力汽車的工作方式，也決定了汽車功率分配的途徑，并且對整個汽車的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能，還會對汽車的排放性能產(chǎn)生影響。

1 混合動力汽車的耦合形式及功能

混合動力汽車是燃油動力與電力動力的混合體，它的主要特點(diǎn)是車輛能夠隨車攜帶多個動力源，在具體的工作過程中，要求動力源能夠根據(jù)汽車運(yùn)行的情況和諧工作，相互補(bǔ)充。根據(jù)混合動力汽車的運(yùn)行方式，可以將其耦合系統(tǒng)分為純電動動力驅(qū)動、燃油驅(qū)動、混合動力驅(qū)動三種模式。因此，混合動力車輛的耦合系統(tǒng)具有如下功能：

（1）汽車動力合成功能。動力耦合系統(tǒng)的動力合成功能要求能夠有效的合成輸出多個動力源，以滿足汽車的電力動能與燃油動能的要求，因?yàn)殡娏恿εc燃油動力的特征不同，在動力合成的過程中，各個動力源不能相互干涉，并根據(jù)汽車的做功情況，采用不同的驅(qū)動技術(shù)來輸出動力。

（2）動力分解功能。混合動力汽車在汽車行駛的過程中，要能夠自行的對蓄電池進(jìn)行充電，在汽車行駛的過程中，需要對動力進(jìn)行分解，一部分用于對發(fā)電機(jī)發(fā)電，給蓄電池充電，一部分用于驅(qū)動車輛行駛。

（3）制動能量回收功能。為了提高混合動力汽車的能量使用效率，提升汽車整體的燃油經(jīng)濟(jì)性能，耦合系統(tǒng)要能夠回收汽車制動時產(chǎn)生的動能，對汽車制動能量的可以采用發(fā)電回收與液壓儲能兩種方式。

（4）提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性能。耦合系統(tǒng)能夠控制發(fā)動機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速，使汽車能夠保持均勻的動力，保證發(fā)動機(jī)在合理的區(qū)域工作，提高汽車的燃油性能。

2 混合動力汽車動力耦合技術(shù)分類

由于混合動力汽車主要以燃油與電力混合為主，也就是說混合動力汽車的動力源主要以內(nèi)燃發(fā)動機(jī)與電力電動機(jī)兩種。在一些低速、頻繁起停的工程車和公交車上采用的液壓混合系統(tǒng)，它們的動力源主要以內(nèi)燃機(jī)與液壓馬達(dá)為主，根據(jù)混合動力的形成原理與結(jié)構(gòu)，可以將混合動力耦合技術(shù)分為如下幾種類型：

2.1 齒輪式機(jī)械動力耦合系統(tǒng)

這種混合動力耦合系統(tǒng)主要以齒輪式機(jī)械動力耦合系統(tǒng)為主，一般采用的行星齒輪耦合機(jī)構(gòu)，它主要有兩個自由的旋轉(zhuǎn)速度，太陽齒輪、行星齒輪以及齒輪圈在工作的過程中，能夠以不同的速度旋轉(zhuǎn)，以便于有效的對汽車的動力進(jìn)行分配與匯聚，實(shí)現(xiàn)混合動力的節(jié)能效果。例如豐田Prius轎車的混合動力系統(tǒng)（THS）是典型的單排行星齒輪式機(jī)械動力耦合系統(tǒng)，它的耦合系統(tǒng)主要由單排行星齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，如下圖1所示：

從圖1可以看出，發(fā)動機(jī)輸出軸與行星架相連，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與太陽輪相連，它們之間能夠配合運(yùn)動共同工作，電動機(jī)的外齒圈通過鏈條與后橋相連，與汽車的發(fā)電裝置結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電動機(jī)的配合工作，既可以形成發(fā)電機(jī)，也可以根據(jù)汽車運(yùn)行的情況形成燃油驅(qū)動設(shè)備。隨著混合動力技術(shù)的而發(fā)展，在單排行星齒輪動力耦合技術(shù)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)出現(xiàn)了雙排雙模、三排行星齒輪動力耦合技術(shù)，并在很多混合動力汽車上得到了應(yīng)用。齒輪式機(jī)械混合動力耦合技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上控制難度較大，而且該類混合動力系統(tǒng)受到機(jī)械加工工藝與制造精度的限制，以及新材料的研制與控制技術(shù)的落后等原因的影響，致使齒輪式機(jī)械混合動力耦合技術(shù)的應(yīng)用存在瓶頸。

2.2 電磁式動力耦合技術(shù)

該類技術(shù)主要采用的是非接觸式的動力耦合技術(shù)，是運(yùn)用電磁力對動力系統(tǒng)進(jìn)行耦合的混合動力系統(tǒng)，根據(jù)電磁耦合的工作方式，可以將電磁式動力耦合技術(shù)分為串聯(lián)式電機(jī)動力耦合技術(shù)與雙轉(zhuǎn)子電磁式動力耦合技術(shù)。

（1）串聯(lián)式電動機(jī)耦合技術(shù)。該耦合式集成動力技術(shù)采用的發(fā)動機(jī)輸出軸與汽車發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸直接采用串聯(lián)的方式進(jìn)行連接，在二者之間也可能通過離合器進(jìn)行連接，這樣汽車的電動機(jī)與發(fā)動機(jī)之間采用同軸轉(zhuǎn)矩疊加方式進(jìn)行動力耦合，即電力驅(qū)動與燃油驅(qū)動通過疊加。可以看出，該類混合技術(shù)動力系統(tǒng)具有機(jī)構(gòu)緊湊、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在一些中高檔的混合動力汽車中經(jīng)常用串聯(lián)式電動機(jī)耦合技術(shù)作為驅(qū)動技術(shù)。

從目前對串聯(lián)式電機(jī)集成動力耦合技術(shù)的應(yīng)用來看，輕度、中度的混合動力耦合技術(shù)在混合動力汽車耦合系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛，但是，采用輕度與中度混合耦合技術(shù)對于汽車的燃油性能不高，這不符合低碳環(huán)保的要求，在具體的應(yīng)用中還不是十分廣泛。因此，發(fā)展適度重度混合動力耦合電磁式技術(shù)是未來混合動力發(fā)展的重要方向之一。

（2）雙轉(zhuǎn)子電機(jī)動力耦合系統(tǒng)。該耦合系統(tǒng)的工作原理主要采用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行工作，電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在其內(nèi)部有兩個轉(zhuǎn)子與一個定子，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子就可以形成一個內(nèi)發(fā)電機(jī)，而外轉(zhuǎn)子與定子又可以形成一個外電機(jī)，這樣就形成了雙電動機(jī)進(jìn)行工作。因此，從這個結(jié)構(gòu)上說，它形成的雙電機(jī)的結(jié)構(gòu)模式，即雙轉(zhuǎn)子的電機(jī)動力耦合結(jié)構(gòu)，可以有效的將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)動力耦合技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)控制靈活，結(jié)構(gòu)比較緊湊簡單，成本造價比較低，相對于其他電機(jī)來說，它的功率密度與轉(zhuǎn)矩有了很大的提高，能提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性能。尤其是作為多端口機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，為制動能量的收集提供了多樣化的選擇，采用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)動力耦合技術(shù)可以有效的協(xié)調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)外兩個電機(jī)協(xié)調(diào)工作，采用該技術(shù)能夠代替混合動力汽車的變速箱、起動機(jī)與發(fā)電機(jī)的諸多功能，使得混合動力汽車實(shí)現(xiàn)無級變速和多種工作模式的功能，提高整車的安全性與經(jīng)濟(jì)性能。

2.3 液壓混合動力耦合系統(tǒng)

液壓混合動力耦合技術(shù)系統(tǒng)主要由電力驅(qū)動技術(shù)、液壓傳動技術(shù)、燃油驅(qū)動技術(shù)等組件構(gòu)成，它一般有并聯(lián)型混合動力耦合技術(shù)與混聯(lián)性液壓混合動力耦合技術(shù)傳動裝置構(gòu)成。它是由液壓變量馬達(dá)、液壓變量泵、高壓蓄能器等組件構(gòu)成，該混合動力耦合技術(shù)具有良好的制動能量回收、發(fā)動驅(qū)動等混合驅(qū)動的性能。在液壓混合動力耦合系統(tǒng)中，液壓油是液壓混合動力的驅(qū)動介質(zhì)，在耦合系統(tǒng)中起到了十分重要的作用，液壓混合動力耦合系統(tǒng)的動力聚合與分配同時通過液壓介質(zhì)的控制來實(shí)現(xiàn)的。

液壓混合動力耦合技術(shù)是混合動力汽車的重要發(fā)展方向，它的節(jié)能性能比較好，該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，蓄能的密度高，整車的成本也比較低，在回收制動能量的過程中，沒有化學(xué)能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，這樣能夠有效的保證蓄電池的電能在制動時不會被損耗，而且蓄電池的功率密度也比較大，而且制動能量的轉(zhuǎn)換速度比較快，能量的回收率也比較高，能夠有效的提高混合動力整車的燃油性能，減少尾氣的排放量。

3 結(jié)束語

混合動力耦合技術(shù)的發(fā)展是發(fā)展高性能混合動力汽車的重要技術(shù)，在未來汽車發(fā)展的過程中具有十分重要的作用，通過對混合動力技術(shù)的種類與功能進(jìn)行探究，指出了混合動力耦合技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中優(yōu)缺點(diǎn)，在未來的研究中，需要從動力耦合技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)與研究，這樣才能有效的促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，同樣混合動力控制的智能化與混合動力車輛結(jié)構(gòu)的集成化也將是未來混合動力汽車的發(fā)展方向。

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