【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量關(guān)系，可以分別獨(dú)立控制，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩不受車(chē)輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩和路面載荷的影響。而角速度、存在固定的數(shù)量關(guān)系，不能獨(dú)立控制。轉(zhuǎn)矩耦合裝置根據(jù)耦合部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有兩軸式和單軸式兩種： ，也可稱(chēng)為齒輪耦合式，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別從兩根軸輸入，一般采用固定速比的齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的耦合，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大多混合動(dòng)力客車(chē)采用這種方式。，也稱(chēng)為磁場(chǎng)耦合式，是將發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子布置在同一條軸上，通過(guò)調(diào)整電機(jī)的勵(lì)磁電流大小來(lái)控制輸出耦合轉(zhuǎn)矩的大小。本田Insight的集成電機(jī)助力系統(tǒng)（Integrated Motor AssistIMA）和長(zhǎng)安集團(tuán)的起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)（Integrated Started GeneratorISG）均采用該耦合方式[17]。2轉(zhuǎn)速耦合式 混合動(dòng)力的動(dòng)力源也可以通過(guò)轉(zhuǎn)速關(guān)系進(jìn)行耦合。同轉(zhuǎn)矩耦合器一樣，轉(zhuǎn)速耦合器也可以簡(jiǎn)化為一個(gè)三端口、兩自由度的機(jī)械裝置。端口1連接發(fā)動(dòng)機(jī)，只能單向輸入，端口2和端口3分別連接電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，既能輸入又能輸出，但二者不能同時(shí)輸入。 （a） (b) 轉(zhuǎn)速耦合原理簡(jiǎn)圖 行星齒輪機(jī)構(gòu)通常是由一個(gè)太陽(yáng)輪、一個(gè)結(jié)合齒圈、一個(gè)行星架和若干行星輪組成的輪系結(jié)構(gòu)，其中太陽(yáng)輪、齒圈和行星架可以看做動(dòng)力耦裝置的三個(gè)端口組件，根據(jù)行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合原理，轉(zhuǎn)速耦合裝置的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可表示為： （24）根據(jù)功率守恒原理，同時(shí)得出它們之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下： （25）式中、為轉(zhuǎn)速耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是與結(jié)構(gòu)和幾何形狀設(shè)計(jì)相關(guān)的常數(shù)。 根據(jù)式（24）、（25）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的角速度、之間沒(méi)有固定的數(shù)量關(guān)系，可以分別獨(dú)立控制，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速不受車(chē)速和車(chē)輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩的制約。而發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、存在固定的數(shù)量關(guān)系，不能獨(dú)立控制。3功率耦合式功率耦合裝置同時(shí)兼顧了轉(zhuǎn)速耦合與轉(zhuǎn)矩耦合的共同特點(diǎn)，其輸出轉(zhuǎn)矩為發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩的線(xiàn)性和，其工作轉(zhuǎn)速為兩個(gè)動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性和，即式（22）和（24）同時(shí)成立。 （a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (b)模型簡(jiǎn)圖 豐田THSⅡ結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖，即單行星排功率耦合裝置?？梢钥闯霭l(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，作為輸入端口；發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)輪相連，作為控制端口；齒圈輸出并與電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪以固定速比連接，作為輸出端口。該裝置實(shí)際上可以看作是單行星排的轉(zhuǎn)速耦合裝置與雙軸式齒輪轉(zhuǎn)矩耦合裝置集成而得到的。其工作原理如下：在車(chē)輛低速運(yùn)行時(shí)，一般所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，此時(shí)發(fā)電機(jī)把太陽(yáng)輪鎖止，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架的相連，電動(dòng)機(jī)與齒圈相連，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)行星架與結(jié)合齒圈之間通過(guò)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，把動(dòng)力通過(guò)與齒圈嚙合的同軸齒輪輸出，即發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)二者之間通過(guò)轉(zhuǎn)矩耦合方式共同驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。在車(chē)輛高速運(yùn)行時(shí)，為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速始終工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，此時(shí)齒圈與電動(dòng)機(jī)脫離嚙合，直接與驅(qū)動(dòng)橋相連，發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成單行星排的轉(zhuǎn)速耦合裝置，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)而平衡車(chē)輛運(yùn)行中載荷的波動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域[1719]。，是一個(gè)三端口、兩自由度的裝置，通過(guò)對(duì)鎖止其中任何一個(gè)部件都可以得到其他兩個(gè)元件之間的傳動(dòng)關(guān)系。 行星齒輪機(jī)構(gòu)首先鎖定行星架，即，此時(shí)從太陽(yáng)輪到齒圈的傳動(dòng)比可表示為： （26）和分別是太陽(yáng)輪和齒圈的角速度，和分別是太陽(yáng)輪和齒圈的齒數(shù)，定義逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎撬俣确较?，因太?yáng)輪和齒圈具有不同的旋轉(zhuǎn)方向，故傳動(dòng)比為負(fù)。當(dāng)行星架以角速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)太陽(yáng)輪和齒圈均未鎖止時(shí)，此時(shí)可以看作在和上同時(shí)加上，就變成了式（26）的形式，即 （27）得到 （28）通過(guò)功率守恒得到如下關(guān)系： （29） 聯(lián)立（28）和（29）得到如下關(guān)系： （210） 當(dāng)鎖定太陽(yáng)輪、行星架和齒圈中一個(gè)部件時(shí)，即行星齒輪機(jī)構(gòu)有一個(gè)自由度被約束，此時(shí)該行星齒輪機(jī)構(gòu)就成為一個(gè)單輸入單輸出的傳動(dòng)裝置。當(dāng)固定不同的部件時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性如下表所示： 行星齒輪各部件轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性鎖定部件轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速太陽(yáng)輪齒圈 行星架 本章小結(jié) 在采用轉(zhuǎn)矩耦合裝置的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中，可以調(diào)節(jié)控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，但發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有固定的線(xiàn)性關(guān)系，不可以單獨(dú)控制。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的影響，不易實(shí)現(xiàn)精確的控制，但是可以通過(guò)控制電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)比較精確的控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在最低油耗曲線(xiàn)附近工作，而且轉(zhuǎn)矩耦合裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，無(wú)需額外設(shè)計(jì)的耦合機(jī)構(gòu)，便于在原車(chē)基礎(chǔ)上改裝，易于批量生產(chǎn)。采用轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩具有線(xiàn)性約束關(guān)系，不能單獨(dú)調(diào)節(jié)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以自由調(diào)節(jié)。因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持固定的轉(zhuǎn)速范圍在最低油耗曲線(xiàn)附近工作，通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)滿(mǎn)足車(chē)輛行駛過(guò)程中車(chē)速的波動(dòng)。還可以通過(guò)連續(xù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)車(chē)速的無(wú)極變化，因此采用轉(zhuǎn)速耦合裝置的混合動(dòng)力汽車(chē)不需要安裝無(wú)級(jí)變速器就可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)的無(wú)級(jí)變速。 采用功率耦合裝置的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中，可以自由調(diào)節(jié)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，車(chē)輛所處工況變化時(shí)對(duì)整車(chē)性能的影響很小。因此可以通過(guò)不斷調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在油耗最低點(diǎn)附近，但電動(dòng)機(jī)的頻繁調(diào)整不但使車(chē)輛的舒適性降低，還會(huì)使經(jīng)濟(jì)性有所下降，所以通常的做法是將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速限定在經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的電流來(lái)平衡車(chē)輛的負(fù)載波動(dòng)，從而使經(jīng)濟(jì)性能大大提高。采用功率耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)?yán)碚撋峡梢灾苯訚M(mǎn)足行走機(jī)械的驅(qū)動(dòng)特性，不需要添加離合器和變速機(jī)構(gòu)，而且可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的耦合系統(tǒng)相比，功率耦合系統(tǒng)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)的標(biāo)定和整車(chē)性能的提高方面都更具優(yōu)越性。第三章 PHEV的動(dòng)力耦合系統(tǒng)分析與建模插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)的和傳統(tǒng)汽車(chē)的數(shù)學(xué)模型在很大程度相似，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗計(jì)算模型基本一致，但是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)還有動(dòng)力電池組的放電模型，電機(jī)的工作模型，對(duì)動(dòng)力耦合裝置各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，是計(jì)算整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)，是進(jìn)行仿真的前提。為了能夠很好的對(duì)不同工況的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行縱向比較，本文通過(guò)微積分變換，把基于對(duì)時(shí)間所求的評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為基于距離的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本文在插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力總成中增設(shè)3個(gè)離合器和2個(gè)制動(dòng)器來(lái)自由控制車(chē)輛在轉(zhuǎn)矩耦合方式和轉(zhuǎn)速耦合方式間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，進(jìn)而使整車(chē)能夠較好地滿(mǎn)足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求。為探究混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力耦合方式及其工作方式具有很好的研究?jī)r(jià)值。通過(guò)下圖來(lái)具體說(shuō)明轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合交替控制的實(shí)現(xiàn)原理和方式。在低速運(yùn)行時(shí)，要求車(chē)輛采用轉(zhuǎn)矩耦合方式來(lái)滿(mǎn)足起步加速以及爬坡等大轉(zhuǎn)矩工況要求，此時(shí)斷開(kāi)離合器，結(jié)合制動(dòng)器，太陽(yáng)輪被鎖止，從電動(dòng)機(jī)到太陽(yáng)輪之間的動(dòng)力傳遞中斷，離合器和結(jié)合，制動(dòng)器斷開(kāi)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)離合器傳遞到齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)和疊加后，經(jīng)過(guò)離合器、齒輪、齒圈、行星架傳遞給驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。在這里行星齒輪結(jié)構(gòu)僅僅起到降速增扭的作用。在車(chē)輛高速運(yùn)行時(shí)，為了使發(fā)動(dòng)極轉(zhuǎn)速始終工作在最低燃油消耗區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間采用轉(zhuǎn)速耦合方式，此時(shí)離合器斷開(kāi)，中斷了從電動(dòng)機(jī)到齒輪的動(dòng)力傳遞，離合器和結(jié)合，制動(dòng)器和斷開(kāi)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)齒輪和傳到齒圈，電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)離合器傳到太陽(yáng)輪，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與行星架相連，此時(shí)構(gòu)成了行星齒輪轉(zhuǎn)速耦合結(jié)構(gòu)，車(chē)輛運(yùn)行速度是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性代數(shù)和。 整車(chē)動(dòng)力耦合裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 為了方便進(jìn)行下文的建模和仿真計(jì)算，通過(guò)查找豐田的一些車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于缺少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和完整的車(chē)身結(jié)構(gòu)參數(shù)，這里簡(jiǎn)要給出一些參數(shù)，如下表所示[20]。整車(chē)性能參數(shù)數(shù)值空載整車(chē)質(zhì)量/kg1625 滿(mǎn)載整車(chē)質(zhì)量m/kg2125滾動(dòng)阻力系數(shù)f車(chē)輪半徑r/m空氣阻力系數(shù)車(chē)身迎風(fēng)面積/發(fā)動(dòng)機(jī)排量/L最大功率（kw）/轉(zhuǎn)速（r/min）65/6000主減速器速比電機(jī)類(lèi)型永磁無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)額定功率/kw25電機(jī)峰值功率/kw45動(dòng)力電池Liion電池容量/()32電池額定電壓/v340 發(fā)動(dòng)機(jī)模型 發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是排量為一款四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于缺少比較精準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與油耗的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)汽車(chē)?yán)碚撝械慕?jīng)驗(yàn)公式給出發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率之間的關(guān)系，如下所示： （31）式中的；。對(duì)單位時(shí)間的燃油消耗進(jìn)行積分可以得到從初始時(shí)刻運(yùn)行時(shí)間為時(shí)的燃油消耗量，即有： （32）汽車(chē)車(chē)速的計(jì)算有如下公式： （33）式中。為了方便比較，需要把對(duì)時(shí)間積分的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗計(jì)算轉(zhuǎn)化為對(duì)距離積分的，把式（33）帶入（32）即有： （34） 電機(jī)模型 永磁無(wú)刷電機(jī)利用電子換相，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組安裝在定子上，具有很好的導(dǎo)熱性能，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以節(jié)省布置的空間，不容易發(fā)生失步、振蕩等問(wèn)題，是目前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)。本文采用永磁無(wú)刷電機(jī)作為混合動(dòng)力汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其功率參數(shù)見(jiàn)表 。電機(jī)在工作過(guò)程中，既可以當(dāng)作電動(dòng)機(jī)使用，對(duì)外輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩；也可以作為發(fā)電機(jī)使用，輸出電流向動(dòng)力電池組補(bǔ)充充電。電機(jī)的工作區(qū)域分為兩個(gè)部分，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域和恒功率區(qū)域，在轉(zhuǎn)速比較低時(shí)如圖所示，電機(jī)的輸出的轉(zhuǎn)矩保持定值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定的范圍時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩逐漸降低，此時(shí)電機(jī)的輸出功率保持不變，隨轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸下降。在電機(jī)反向制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化與驅(qū)動(dòng)時(shí)相同[21]。 電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系圖 電池模型 動(dòng)力電池作為混合動(dòng)力汽車(chē)的儲(chǔ)能動(dòng)力源，在車(chē)輛純電動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用，在分析動(dòng)力電池的性能時(shí)首先應(yīng)該從以下幾個(gè)性能指標(biāo)入手：（state of charge）荷電狀態(tài)（SOC）是指參加反應(yīng)的電池的容量與電池充滿(mǎn)狀態(tài)時(shí)的容量的比值。即表明電池處于滿(mǎn)電荷狀態(tài)，隨著電池的電荷逐漸減少，SOC的值逐漸降低，為了保護(hù)電池的使用壽命，通常當(dāng)SOC下降到30%左右時(shí)，蓄電池就不能再放電，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充充電。動(dòng)力電池的能量密度是動(dòng)力電池輸出的能量與所占體積的比值，即單位體積的電池能夠提供的能量。一般的鉛酸電池和鎳鎘蓄電池的能量密度為80。 在進(jìn)行混合動(dòng)力車(chē)輛運(yùn)行分析時(shí)，一般選取動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)（SOC）作為控制對(duì)象，在進(jìn)行蓄電池建模時(shí)，選取SOC作為目標(biāo)參數(shù)。 動(dòng)力電池工作時(shí)電路圖蓄電池的輸出功率為　　　　　　　　　　 （35）為輸出功率，單位；為回路電流，單位；為電池端電壓，單位。可以通過(guò)歐姆定律近似求解動(dòng)力電池的端電壓： （36）其中，它們是關(guān)于的函數(shù)。聯(lián)立（35）、（36）兩式可以解得電池的電流與電池的輸出功率、之間的關(guān)系： （37）動(dòng)力電池的計(jì)算公式為： （38）式中為電池的額定容量，單位，當(dāng)電池對(duì)外放電時(shí)為正，當(dāng)外界對(duì)電池充電時(shí)為負(fù)。同理轉(zhuǎn)換到對(duì)距離的積分，表達(dá)式為 (39)在對(duì)汽車(chē)進(jìn)行使用性能分析時(shí)離不開(kāi)對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模，建模過(guò)程中最關(guān)心的是車(chē)輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。汽車(chē)動(dòng)力學(xué)建模涉及到一系列復(fù)雜的非線(xiàn)性方程，本文只研究控制策略的設(shè)計(jì)及動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，所以車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型只涉及到縱向動(dòng)力學(xué)模型，并不涉及車(chē)輛振動(dòng)和行駛的操縱穩(wěn)定性。在忽略地面?zhèn)认蛄?duì)車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力的影響時(shí)，通常把車(chē)輛簡(jiǎn)化為線(xiàn)性系統(tǒng)，僅僅考慮車(chē)輛受到的行駛阻力來(lái)建立車(chē)輛的縱向行駛方程式： （310）式中：驅(qū)動(dòng)時(shí)為牽引力，單位；為滾動(dòng)阻力，單位；為爬坡阻力，單位；為空氣阻力，單位；為加速阻力，單位。 （311）式中的為重力加速度，單位；為坡度角，單位?？諝庾枇τ靡韵鹿接?jì)算： （312） （313） （313）轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的積分，