【文章內容簡介】 量關系，可以分別獨立控制，從而使得發(fā)動機的瞬時轉矩不受車輛負載轉矩和路面載荷的影響。而角速度、存在固定的數(shù)量關系，不能獨立控制。轉矩耦合裝置根據耦合部件的機械結構主要有兩軸式和單軸式兩種： ，也可稱為齒輪耦合式，發(fā)動機和電動機分別從兩根軸輸入，一般采用固定速比的齒輪傳動來實現(xiàn)轉矩的耦合，國內生產的大多混合動力客車采用這種方式。，也稱為磁場耦合式，是將發(fā)動機曲軸和電機轉子布置在同一條軸上，通過調整電機的勵磁電流大小來控制輸出耦合轉矩的大小。本田Insight的集成電機助力系統(tǒng)（Integrated Motor AssistIMA）和長安集團的起動/發(fā)電一體化電機（Integrated Started GeneratorISG）均采用該耦合方式[17]。2轉速耦合式 混合動力的動力源也可以通過轉速關系進行耦合。同轉矩耦合器一樣，轉速耦合器也可以簡化為一個三端口、兩自由度的機械裝置。端口1連接發(fā)動機，只能單向輸入，端口2和端口3分別連接電動機和驅動車輪，既能輸入又能輸出，但二者不能同時輸入。 （a） (b) 轉速耦合原理簡圖 行星齒輪機構通常是由一個太陽輪、一個結合齒圈、一個行星架和若干行星輪組成的輪系結構，其中太陽輪、齒圈和行星架可以看做動力耦裝置的三個端口組件，根據行星齒輪轉速耦合原理，轉速耦合裝置的運動關系可表示為： （24）根據功率守恒原理，同時得出它們之間的轉矩關系如下： （25）式中、為轉速耦合器的結構參數(shù)，是與結構和幾何形狀設計相關的常數(shù)。 根據式（24）、（25）可知，發(fā)動機和電動機提供的角速度、之間沒有固定的數(shù)量關系，可以分別獨立控制，從而使得發(fā)動機的瞬時轉速不受車速和車輛負載轉矩的制約。而發(fā)動機和電動機的轉矩、存在固定的數(shù)量關系，不能獨立控制。3功率耦合式功率耦合裝置同時兼顧了轉速耦合與轉矩耦合的共同特點，其輸出轉矩為發(fā)動機和電動機兩個動力裝置輸出轉矩的線性和，其工作轉速為兩個動力裝置轉速的線性和，即式（22）和（24）同時成立。 （a)結構簡圖 (b)模型簡圖 豐田THSⅡ結構原理簡圖，即單行星排功率耦合裝置?？梢钥闯霭l(fā)動機與行星架相連，作為輸入端口；發(fā)電機與太陽輪相連，作為控制端口；齒圈輸出并與電動機通過齒輪以固定速比連接，作為輸出端口。該裝置實際上可以看作是單行星排的轉速耦合裝置與雙軸式齒輪轉矩耦合裝置集成而得到的。其工作原理如下：在車輛低速運行時，一般所需的驅動轉矩較大，此時發(fā)電機把太陽輪鎖止，發(fā)動機與行星架的相連，電動機與齒圈相連，此時發(fā)動機通過行星架與結合齒圈之間通過兩級齒輪傳動，把動力通過與齒圈嚙合的同軸齒輪輸出，即發(fā)動機和電動機二者之間通過轉矩耦合方式共同驅動車輛。在車輛高速運行時，為了控制發(fā)動機的轉速始終工作在經濟區(qū)域，此時齒圈與電動機脫離嚙合，直接與驅動橋相連，發(fā)電機工作在電動機狀態(tài)，和發(fā)動機構成單行星排的轉速耦合裝置，通過不斷調節(jié)的電磁轉矩進而平衡車輛運行中載荷的波動，使發(fā)動機保持在經濟、穩(wěn)定運轉區(qū)域[1719]。，是一個三端口、兩自由度的裝置，通過對鎖止其中任何一個部件都可以得到其他兩個元件之間的傳動關系。 行星齒輪機構首先鎖定行星架，即，此時從太陽輪到齒圈的傳動比可表示為： （26）和分別是太陽輪和齒圈的角速度，和分別是太陽輪和齒圈的齒數(shù)，定義逆時針方向為正角速度方向，因太陽輪和齒圈具有不同的旋轉方向，故傳動比為負。當行星架以角速度運轉時，同時太陽輪和齒圈均未鎖止時，此時可以看作在和上同時加上，就變成了式（26）的形式，即 （27）得到 （28）通過功率守恒得到如下關系： （29） 聯(lián)立（28）和（29）得到如下關系： （210） 當鎖定太陽輪、行星架和齒圈中一個部件時，即行星齒輪機構有一個自由度被約束，此時該行星齒輪機構就成為一個單輸入單輸出的傳動裝置。當固定不同的部件時，行星齒輪機構轉矩和轉速特性如下表所示： 行星齒輪各部件轉矩轉速特性鎖定部件轉矩轉速太陽輪齒圈 行星架 本章小結 在采用轉矩耦合裝置的混合動力電動汽車中，可以調節(jié)控制發(fā)動機輸出轉矩，但發(fā)動機的轉速和電動機轉速具有固定的線性關系，不可以單獨控制。發(fā)動機的轉矩受轉速和節(jié)氣門開度的影響，不易實現(xiàn)精確的控制，但是可以通過控制電機的勵磁電流來比較精確的控制電動機的輸出轉矩，從而使發(fā)動機在最低油耗曲線附近工作，而且轉矩耦合裝置結構簡單，采用齒輪傳動，傳動效率高，無需額外設計的耦合機構，便于在原車基礎上改裝，易于批量生產。采用轉速耦合系統(tǒng)的混合動力電動汽車，發(fā)動機的轉矩和電動機轉矩具有線性約束關系，不能單獨調節(jié)控制，發(fā)動機的轉速可以自由調節(jié)。因此發(fā)動機可以保持固定的轉速范圍在最低油耗曲線附近工作，通過調整電動機的轉速來滿足車輛行駛過程中車速的波動。還可以通過連續(xù)調整電機轉速，實現(xiàn)車速的無極變化，因此采用轉速耦合裝置的混合動力汽車不需要安裝無級變速器就可以實現(xiàn)整車的無級變速。 采用功率耦合裝置的混合動力電動汽車中，可以自由調節(jié)控制發(fā)動機的轉速和轉矩，車輛所處工況變化時對整車性能的影響很小。因此可以通過不斷調整電動機的轉速和轉矩，使發(fā)動機工作在油耗最低點附近，但電動機的頻繁調整不但使車輛的舒適性降低，還會使經濟性有所下降，所以通常的做法是將發(fā)動機的轉速限定在經濟區(qū)域內，通過調整電動機的電流來平衡車輛的負載波動，從而使經濟性能大大提高。采用功率耦合系統(tǒng)的混合動力電動汽車理論上可以直接滿足行走機械的驅動特性，不需要添加離合器和變速機構，而且可實現(xiàn)無級變速。與串聯(lián)結構和并聯(lián)結構的耦合系統(tǒng)相比，功率耦合系統(tǒng)在對發(fā)動機最佳工作點的標定和整車性能的提高方面都更具優(yōu)越性。第三章 PHEV的動力耦合系統(tǒng)分析與建模插電式混合動力汽車的動力系統(tǒng)的和傳統(tǒng)汽車的數(shù)學模型在很大程度相似，比如發(fā)動機的油耗計算模型基本一致，但是插電式混合動力汽車還有動力電池組的放電模型，電機的工作模型，對動力耦合裝置各個子系統(tǒng)進行建模分析，是計算整車的動力性和經濟性的基礎，是進行仿真的前提。為了能夠很好的對不同工況的動力性和經濟性進行縱向比較，本文通過微積分變換，把基于對時間所求的評價指標轉化為基于距離的評價指標。 插電式混合動力汽車動力系統(tǒng)結構 本文在插電式混合動力系統(tǒng)的動力總成中增設3個離合器和2個制動器來自由控制車輛在轉矩耦合方式和轉速耦合方式間的協(xié)調運行，進而使整車能夠較好地滿足動力性和經濟性的要求。為探究混合動力汽車的動力耦合方式及其工作方式具有很好的研究價值。通過下圖來具體說明轉矩耦合和轉速耦合交替控制的實現(xiàn)原理和方式。在低速運行時，要求車輛采用轉矩耦合方式來滿足起步加速以及爬坡等大轉矩工況要求，此時斷開離合器，結合制動器，太陽輪被鎖止，從電動機到太陽輪之間的動力傳遞中斷，離合器和結合，制動器斷開，此時電動機輸出的轉矩通過離合器傳遞到齒輪，發(fā)動機發(fā)出的轉矩通過和疊加后，經過離合器、齒輪、齒圈、行星架傳遞給驅動車輪。在這里行星齒輪結構僅僅起到降速增扭的作用。在車輛高速運行時，為了使發(fā)動極轉速始終工作在最低燃油消耗區(qū)，發(fā)動機和電動機之間采用轉速耦合方式，此時離合器斷開，中斷了從電動機到齒輪的動力傳遞，離合器和結合，制動器和斷開，此時發(fā)動機發(fā)出的動力經過齒輪和傳到齒圈，電動機輸出的動力經過離合器傳到太陽輪，驅動車輪與行星架相連，此時構成了行星齒輪轉速耦合結構，車輛運行速度是發(fā)動機和電動機轉速的線性代數(shù)和。 整車動力耦合裝置結構簡圖 為了方便進行下文的建模和仿真計算，通過查找豐田的一些車輛結構參數(shù)，由于缺少系統(tǒng)的實驗數(shù)據和完整的車身結構參數(shù)，這里簡要給出一些參數(shù)，如下表所示[20]。整車性能參數(shù)數(shù)值空載整車質量/kg1625 滿載整車質量m/kg2125滾動阻力系數(shù)f車輪半徑r/m空氣阻力系數(shù)車身迎風面積/發(fā)動機排量/L最大功率（kw）/轉速（r/min）65/6000主減速器速比電機類型永磁無刷直流電機電機額定功率/kw25電機峰值功率/kw45動力電池Liion電池容量/()32電池額定電壓/v340 發(fā)動機模型 發(fā)動機采用的是排量為一款四缸汽油發(fā)動機，由于缺少比較精準的發(fā)動機轉速與油耗的數(shù)據，可以根據汽車理論中的經驗公式給出發(fā)動機的燃油消耗量與發(fā)動機轉速和功率之間的關系，如下所示： （31）式中的；。對單位時間的燃油消耗進行積分可以得到從初始時刻運行時間為時的燃油消耗量，即有： （32）汽車車速的計算有如下公式： （33）式中。為了方便比較，需要把對時間積分的發(fā)動機油耗計算轉化為對距離積分的，把式（33）帶入（32）即有： （34） 電機模型 永磁無刷電機利用電子換相，永磁體安裝在轉子上，電樞繞組安裝在定子上，具有很好的導熱性能，結構比較簡單，可以節(jié)省布置的空間，不容易發(fā)生失步、振蕩等問題，是目前應用最廣泛的電機。本文采用永磁無刷電機作為混合動力汽車的驅動電機，其功率參數(shù)見表 。電機在工作過程中，既可以當作電動機使用，對外輸出機械轉矩；也可以作為發(fā)電機使用，輸出電流向動力電池組補充充電。電機的工作區(qū)域分為兩個部分，恒轉矩區(qū)域和恒功率區(qū)域，在轉速比較低時如圖所示，電機的輸出的轉矩保持定值，當電機轉速超過一定的范圍時，電機的轉矩逐漸降低，此時電機的輸出功率保持不變，隨轉速升高，電機轉矩逐漸下降。在電機反向制動時，轉矩的變化與驅動時相同[21]。 電機轉矩轉速關系圖 電池模型 動力電池作為混合動力汽車的儲能動力源，在車輛純電動運行的過程中發(fā)揮著極其重要的作用，在分析動力電池的性能時首先應該從以下幾個性能指標入手：（state of charge）荷電狀態(tài)（SOC）是指參加反應的電池的容量與電池充滿狀態(tài)時的容量的比值。即表明電池處于滿電荷狀態(tài)，隨著電池的電荷逐漸減少，SOC的值逐漸降低，為了保護電池的使用壽命，通常當SOC下降到30%左右時，蓄電池就不能再放電，需要對其進行補充充電。動力電池的能量密度是動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。 在進行混合動力車輛運行分析時，一般選取動力電池的荷電狀態(tài)（SOC）作為控制對象，在進行蓄電池建模時，選取SOC作為目標參數(shù)。 動力電池工作時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?？梢酝ㄟ^歐姆定律近似求解動力電池的端電壓： （36）其中，它們是關于的函數(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、之間的關系： （37）動力電池的計算公式為： （38）式中為電池的額定容量，單位，當電池對外放電時為正，當外界對電池充電時為負。同理轉換到對距離的積分，表達式為 (39)在對汽車進行使用性能分析時離不開對汽車的動力系統(tǒng)進行建模，建模過程中最關心的是車輛速度、發(fā)動機轉速和動力系統(tǒng)需求轉矩之間的關系。汽車動力學建模涉及到一系列復雜的非線性方程，本文只研究控制策略的設計及動力性和經濟性評價，所以車輛動力學模型只涉及到縱向動力學模型，并不涉及車輛振動和行駛的操縱穩(wěn)定性。在忽略地面?zhèn)认蛄囕嗱寗恿Φ挠绊憰r，通常把車輛簡化為線性系統(tǒng)，僅僅考慮車輛受到的行駛阻力來建立車輛的縱向行駛方程式： （310）式中：驅動時為牽引力，單位；為滾動阻力，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接嬎悖? （312） （313） （313）轉換為對距離的積分，