汽車混合動力系統耦合機構仿真設計

摘 要：混合動力汽車由兩種或多種儲能器、能源及轉換器為驅動能源，核心部分為動力耦合機構，其性能直觀影響到整車性能。文章主要對汽車混合動力系統耦合機構進行了概述，對新型CVT式混合動力系統耦合機構進行了設計，并在Matlab/Simulink環境下建立仿真模型，研究純電動模式切換至發動機單獨驅動模式時的控制策略科學性，驗證新型耦合機制的可靠性、合理性，以期借助可靠、穩定的耦合機構來快速、平穩的啟動發動機，保證汽車的有效行駛。

關鍵詞：汽車 混合動力系統 耦合機構 仿真設計

在倡導節能、環保、低碳的新時代背景下，新能源汽車行業發展前景極為廣闊，對純電動汽車及燃料電池汽車關鍵技術的研發力度逐步加深，推出了解決資源短缺和環境問題的重要方案—混合動力汽車[1]。為了優化混合動力汽車的經濟性、動力性和舒適性，優化傳動系統的空間布局，必須結合整車性能要求，對動力耦合機構進行科學設計。針對汽車混合動力系統，探究耦合機構仿真設計及整車控制策略，能夠更好的指導耦合機構研發工作的開展，促進汽車混合動力系統耦合機構朝著功能完善、控制先進的方向發展。

1 汽車混合動力系統耦合機構概述

在汽車混合動力系統開發過程中，耦合機構占據著重要位置，只有從根本上保障耦合機構性能，才能夠確保整車性能符合設計要求。汽車混合動力系統的耦合機構功能主要包括：（1）動力耦合功能。動力系統耦合機構可以分解并合成不同動力源的扭矩、轉速和功率，讓汽車在動力支持下穩定運行。各動力源所輸出的動力既然彼此配合也相互獨立，協同發揮驅動作用；（2）再生制動功能。該功能是混合動力汽車能源消耗較低的關鍵，尤其在汽車進行減速、剎車控制的過程中，動能傳動系統能夠實現電機轉子在磁場中的旋轉運動，在磁生電原理下產生電流，有效回收制動能量。汽車混合動力系統耦合機構在該功能的支撐下，可以有效連接電機轉子機械和驅動輪，并保持發動機和驅動輪二者間的斷開狀態，使制動能量回收率顯著提升；（3）工作模式切換功能。混合動力系統可以結合需求，切換并調整為相應的工作模式，最大限度的減少沖擊，使汽車在多種工況下正常行使，具有動力和經濟性強的特征；（4）輔助功能。混合動力汽車在最初起步階段，耦合機構扭矩較大，且電機轉速較低。汽車通過變速器倒擋倒車時需要依靠電機來實現，變速器機構更加簡潔化。

常見混合動力系統耦合機構包括：ISG型混合動力耦合機構、BSG雙電機型混合動力耦合機構、通用Two-mode混合動力耦合機構、豐田THS混合動力耦合機構，不同耦合系統的結構、優點有所差異，在不同工況、工作模式下的穩定運行方面仍存在不足[2]。

2 新型混合動力系統耦合機構設計

結合汽車混合動力系統的功能要求，本研究設計出一種新型CVT式混合動力系統耦合機構，可以在多種運行工況下，結合車輛對傳動系統的要求，實現系統可靠運行。該混合動力傳動系統擁有純電動、發動機驅動、混合驅動和行車充電四大模式[3]。

2.1 混合動力系統耦合機構特性

首先，純電動模式下耦合機構特性。混合動力汽車在起步或者低速行駛時，電機單獨驅動，發動機關閉，單向離合器不工作，濕式多片離合器分離，電機提供整個汽車的驅動力。ISG電機將動力以此至CTV變速器、車輪，使汽車正常啟動。該模式下，汽車動力系統耦合機構的數學模型的約束條件為：發動機扭矩（Te）=0，濕式多片離合器傳遞扭矩（Tcl）=0，發動機轉速（ωe）=0，且滿足公式Tm-T=J2·。其中，Tm為發動機扭矩分配到電動機軸上的扭矩，T為等效到變速器輸入端阻力矩，J2為系統濕式多片離合器后端的等效轉動慣量。純電動模式下耦合機構特性詳見圖1。

其次，發動機驅動模式下耦合機構特性。在汽車發動機驅動模式下，車速較高或驅動力矩需求較大，電機不輸出轉矩，濕式多片離合器分離，單向離合器傳遞扭矩，發動機帶動電機空轉運行。該模式下，耦合機構數學模型為：發動機轉速（ωe）=電動機轉速（ωm），發動機扭矩分配到電動機軸上的扭矩為零，且滿足公式Te-T=（J1+J2）·。其中，J1為系統濕式多片離合器前端黨的等效轉動慣量。

然后，混合驅動模式下耦合機構特性。汽車處在混合驅動工況下，發動機、電機同時運行，共同輸出轉矩，滿足所需的扭矩，單向離合器不工作，電機和發動機二者扭矩耦合，傳輸至變速器，滿足汽車在運行過程中的速度要求。汽車各元件的轉速在混合驅動過程中相同，使動力傳動模塊能夠合成扭矩。該模式下，耦合機構數學模型符合發動機轉速=電動機轉速，即ωe=ωm，且滿足公式Te-Tm-T=（J1+J2）·。

最后，行車充電模式下耦合機構特性。汽車在運行過程中如果出現電量較低的狀況，應提高發動機負荷率，借助發動機來帶動電機進行發電，從而通過電機提供負轉矩。該模式下，發動機驅動，電機發電，單向離合器不工作，且濕式多片離合器分離，發動機輸出功率一方面包括汽車征程運行狀態下所需功率，此時耦合機構數學模型的約束條件為：發動機轉速=電動機轉速；另一方面，功率也分配到電機中，電機充當發電機對電池進行充電[4]。滿足公式Te-Tm-T=（J1+J2）·。

2.2 混合動力系統耦合結構設計

2.2.1 濕式多片離合器的設計

后備系數推薦值為1.2，濕式多片離合器傳遞的扭矩是50Nm，傳遞扭矩 Tt取值為 50Nm；摩擦片機械部分的計算轉矩為6000Nm，摩擦盤工作面的平均直徑/外直徑/內直徑分別為12.8/13.5和12.1cm，摩擦盤寬度是0.7cm，摩擦面對數和壓強分別是4、83.3N/cm2；結合摩擦片液壓結構的計算結果，具體參數設計如下：密封圈摩擦阻力是71.2N，活塞缸壓緊力是3897.8N，靜止缸復位彈簧力為349.8N；摩擦片漸開線式花鍵的具體參數為：內花鍵的齒數為30，內外徑分別是114.5和120.6mm，齒厚為1.6mm。外花鍵的齒數為24，內外徑分別是135和140mm，齒厚為1.8mm。

2.2.2 壓盤的設計

壓盤采用20CrMo材質，深度是0.3到0.5mm，內徑是67mm，外徑是132mm，厚度是5mm，表面淬火HRC58-62。

2.2.3 回位彈簧的設計

選用圓柱螺旋式RY1的熱卷壓縮彈簧，材質為60Si2Mn，許用切應力值為590MPa，鋼絲直徑為1mm，彈簧內/外徑分別為6mm和8mm，有效圈數是4.9。

2.2.4 軸的設計

離合器輸入/出軸采用的分別是20CrMo、40Cr，輸出軸最小半徑為 25mm。

3 汽車混合動力系統耦合機構仿真

在汽車CVT式混合動力系統耦合機構的仿真試驗中，應用到MATLAB/Simulink 仿真平臺，借此建立相應模型，通過汽車不同模式切換的特性和原理，檢驗相應的控制策略，分析全新耦合機構方案的性能。

3.1 混合動力汽車前向仿真模型

基于前向仿真建模法，對整車前向仿真模型進行搭建，初步驗證模式切換中扭矩協調控制策略，仿真步長固定為0.01秒。同時，還要明確包含目標扭矩、協調控制算法、邊界條件在內的控制策略頂層模型，結合電起機運行原理，創建汽車由純電動模式到發動機模式轉換時的控制模型[5]。

在該混合動力汽車耦合機構模型中，控制模塊Stateflow能夠實現各模塊間的平滑轉化，呈現出不同的狀態，具體包括：特定發動機轉速下點火狀態、電機扭矩補償狀態、純電動狀態、離合器抵抗發動機啟動阻力矩狀態等。耦合機構中電起機處在變化的狀態中，不同狀態下的參數也會隨之改變，同離合器相互配合，合理調整動力源，保證發動機、電機及離合器彼此間的有效配合運行，使汽車發動機的啟動速度大大縮減，沖擊性更小。

3.2 仿真分析

以上述方針模型為基礎，在對CVT式混合動力系統耦合機構進行仿真分析時候，可以開展純電動模式轉化為發動機驅動模式的仿真研究，獲取生成動力性模式分析結果。

根據圖5中的方針實驗結果，能夠得知：汽車在純電動工況下，加速踏板初始開度是0.2，切換到依靠發動機進行驅動的工況后，其開度提高到0.4，由最初55Nm的需求扭矩變為103Nm，同時汽車電機、離合器及發動機彼此配合，保障汽車穩定運行。就仿真試驗中發動機動力性曲線進行分析，加速踏板開度達到0.4后，發動機轉速約為4800r/min，汽車動力較強，滿足了運行要求。在5.8s后，混合動力系統控制器會對電器機指令進行發布，不斷接合離合器，同時離合器控制器也能夠根據加速踏板的具體變化、開度，控制主動盤和從動盤的轉速，此時對應的瞬間沖擊度是2m/s3。由此能夠說明，汽車CVT式混動動力系統耦合機構在離合器車模糊控制策略下，能夠有效完成不同工況的切換，使駕駛員可以更好的控制汽車運行。

此外，在混合動力汽車的發動機啟動之后，電機斜率持續降低，最終保持關閉狀態，但發動機扭矩會持續增大，借助電機進行扭矩補償，使離合器輸入扭矩保持穩定狀態。CVT式混合動力系統耦合機構下，電機輸出扭矩在7.8s時達到極限值，約為109Nm，電機扭矩持續降低，而發動機輸出正扭矩。7.9s時，耦合機構濕式多片離合器完全接合，電機扭矩降到零，汽車由發動機進行單獨驅動。

混合動力汽車耦合機構純電動模式CVT速比值是2.54，但10s后不斷變化，在20s時速左右時固定位1.5。純電動、發動機單獨驅動兩大模式切換耗時2.2s，對應扭矩波動值從-10Nm到10Nm，沖擊度絕對值小于8m/s3，達到了規范沖擊度標準。

混合動力汽車耦合機構動力性模式與上述經濟性模式相似，需要讓發動機轉速保持為3000r/min，CVT速比值在8s時發生改變，20s后達到固定值，約為1。CVT式混合動力系統耦合機構的經濟性模式仿真圖詳見圖6。

混合動力汽車在模塊切換的過程中，電機轉速降低，而由于發動機扭矩、轉速的增大，單項離合器會使電機轉速也隨之增大。由于不同模式切換后，速比和車速均發生了改變，需求扭矩不斷降低。根據混合動力系統耦合機構仿真試驗的具體結果，能夠發現全新耦合機構的扭矩控制策略可以保證汽車節能性及動力性的要求，在啟動和行使過程中不會出現較大的沖擊力，維持了汽車的穩定性。

此外，在仿真實驗過程中，還應在測功機未加載的前提下，開展行駛狀態中起動發動機試驗、不同車速/坡度的行進間起動發動機試驗。結果表明：多種條件下，全新CVT式耦合機構可以保證不同運行模式的有效切換。

4 結語

本研究所設計的新型CVT式混合動力系統耦合機構工作模式齊全、結構緊湊、控制便利，促進耦合機構朝著功能完善、空時先進的方向發展，組建出相應的混合動力系統，能夠借助扭矩協調控制策略來提升整車平順性、動力性，保障了汽車不同模式的切換品質。

參考文獻：

[1]竇海石，魏洪乾，艾強，等.雙流耦合構型混合動力拖拉機旋耕工況控制策略研究[J].農業機械學報，2024，55（02）：393-400+414.

[2]方瑞蓮，蔡強，張維果，等.串聯式混合動力汽車動力耦合控制策略研究[J].專用汽車，2023（07）：23-25.

[3]張安偉，祁宏鐘，趙江靈，等.混合動力機電耦合系統效率優化分析[J].汽車零部件，2021（11）：1-8.

[4]劉盛.多模功率分流式混合動力汽車模式切換特性分析及優化控制[D].杭州：江蘇大學，2023.

[5]秦鵬飛，顏長征，王若璜，等.混合動力汽車耦合系統工作模式分析與動態特性研究[J].客車技術與研究，2021，43（01）：12-15+29.