混合動(dòng)力汽車的耦合技術(shù)

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

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;功能;動(dòng)力耦合;發(fā)展趨勢(shì)

動(dòng)力耦合裝置是混合動(dòng)力汽車上使得多個(gè)動(dòng)力源輸出與整車動(dòng)力輸出之間產(chǎn)生一定影響關(guān)系的機(jī)構(gòu)，對(duì)于常見的油-電混合動(dòng)力汽車就是指能夠把發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)力耦合輸出的裝置。根據(jù)動(dòng)力耦合方式的不同可以將混合動(dòng)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(shí)也是混合動(dòng)力汽車發(fā)展的主要方向。

1.功能

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

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

模式切換功能：動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊，與動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)力耦合裝置應(yīng)該能夠滿足混合動(dòng)力汽車起步時(shí)的低速、大轉(zhuǎn)矩的需求，避免傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)特性或者改變發(fā)動(dòng)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(dòng)力耦合裝置的前兩項(xiàng)屬于基本功能，后兩項(xiàng)是混合動(dòng)力汽車發(fā)展到一定階段才能實(shí)現(xiàn)的高級(jí)功能。目前國內(nèi)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)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(dòng)力耦合裝置的分類

混合動(dòng)力汽車通過下列四類耦合方式把多個(gè)動(dòng)力源的動(dòng)力合成輸出：

轉(zhuǎn)矩耦合式：各動(dòng)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(dòng)力耦合器輸出的轉(zhuǎn)矩等于各動(dòng)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(dòng)力城市客車都采用這種結(jié)構(gòu)。第二種是磁場(chǎng)耦合式，將電機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸布置在同一條軸線上，通過電機(jī)的勵(lì)磁控制把電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)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(dòng)力源輸出的動(dòng)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(dòng)力源的轉(zhuǎn)速獨(dú)立，轉(zhuǎn)矩成一定的比例，動(dòng)力耦合器輸出的轉(zhuǎn)速等于各動(dòng)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(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力耦合，通過一組離合器和兩組制動(dòng)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(dòng)力轎車，菱形車的驅(qū)動(dòng)車輪位于中間，兩個(gè)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(dòng)力耦合裝置，把發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力耦合用兩個(gè)離合/制動(dòng)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(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，通過前后軸的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)各動(dòng)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(dòng)功率劃分為幾個(gè)等級(jí)。該種耦合方式的顯著優(yōu)點(diǎn)是：汽車的驅(qū)動(dòng)力由兩根驅(qū)動(dòng)軸承擔(dān)，因此作用于每一根驅(qū)動(dòng)軸上的驅(qū)動(dòng)力都會(huì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在零排放模式下，只是用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng);當(dāng)汽車需要加速或者爬坡，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng);此種結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)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(dòng)力汽車上采用兩種甚至兩種以上的動(dòng)力耦合方式的設(shè)計(jì)，這就是混合耦合。豐田旗下的Camry的混合耦合就是發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力再與MG2電機(jī)形成轉(zhuǎn)矩耦合，動(dòng)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(dòng)力汽車節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮，但是同時(shí)也使得結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、控制難度最大的動(dòng)力耦合方式。這種耦合方式已經(jīng)成為混合動(dòng)力汽車的發(fā)展趨勢(shì)。

3.動(dòng)力耦合裝置的發(fā)展趨勢(shì)

由以上的分析可以知道，混合動(dòng)力汽車的動(dòng)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(dòng)力耦合方式，推出的混合動(dòng)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(jí)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(dòng)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(jí)的耦合方式形成功能更完備的混合動(dòng)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(jí)，研究方向?yàn)檐囕v工程。