【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車 串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、 6 逆變器組成，如圖 。在開始起步階段，蓄電池提前經(jīng)過一個(gè)周 期的充電，電量充足，此時(shí)在整車控制器的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，蓄電池提供汽車行駛的全部動(dòng)力，即為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)汽車需要加速行駛時(shí)，加速功率超過蓄電池所能提供的最大功率時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)開始驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)與蓄電池共同提供的能量經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化成定頻定壓的電流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而為驅(qū)動(dòng)輪提供加速轉(zhuǎn)矩，此時(shí)進(jìn)入發(fā)電機(jī)和蓄電池混合驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)汽車完成加速進(jìn)入勻速行駛模式時(shí)，所需的功率減小，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能輸出較高的功率，除滿足車輛行駛外，剩余的電量為蓄電池進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)充充電；如果汽車在減速行駛時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于車輪 轉(zhuǎn)速，電機(jī)被反拖發(fā)電，制動(dòng)能量回饋利用，為蓄電池進(jìn)行充電。 圖 串聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡圖 由此可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輪，而是用來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，和蓄電池一起來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或?qū)π铍姵剡M(jìn)行補(bǔ)充充電，車輛的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)，能夠很好地匹配驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系之間布置了起緩沖作用的電動(dòng)機(jī)，取消了二者的機(jī)械裝置連接，這樣可以在很大程度上減少路面上的瞬態(tài)載荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠優(yōu)化自身的燃油噴射和點(diǎn)火正時(shí)控制，使其工作在十分理想的工況點(diǎn)附近，獲得較好的動(dòng)力性和燃料經(jīng) 濟(jì)性，經(jīng)常保持在高效、穩(wěn)定、低污染的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 在串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)中需要將發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及蓄電池等幾大部件總成裝配在車身底盤上，雖然它們之間大都是采用電氣連接，在布置時(shí)可以不考慮彼此間位置的影響，但各個(gè)子部件的額定功率相對(duì)較大，使得整體的外形尺寸和整車質(zhì)量也隨之增大，所需的布置空間就比較大，因此，在中小型汽車上布置存在一定困難。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最末端只有一條能量提供路線，如果電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，車輛將不能正常運(yùn)行。同時(shí)在 電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中能量傳遞鏈較長，在 機(jī)械能—電能—熱能 的相互轉(zhuǎn)換過程中，能量損失比較大。源于發(fā)動(dòng)機(jī)的能量經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換過程才傳遞驅(qū)動(dòng)輪，能量的綜合利用效率相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的一次轉(zhuǎn)化較低，因此串聯(lián)結(jié)構(gòu)的 PHEV 適合在城市大型客車上使用。 7 并聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車 并聯(lián)式 PHEV 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示，汽車行駛的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池電動(dòng)機(jī)單獨(dú)或者通過機(jī)電耦合裝置聯(lián)合提供。在汽車起步加速時(shí)，根據(jù)駕駛員踩下加速踏板的力度，整車控制器 判斷是采用純電動(dòng)模式還是混合驅(qū)動(dòng)模式。汽車緩慢加速時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，則動(dòng)力僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)提供；如果所需加速功率較小，則采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)車輛在低速巡航行駛時(shí)，由于整車所需功率較小，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷低效率區(qū)域，采用純電動(dòng)模式；當(dāng)車輛行駛速度很高時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作區(qū)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，整車進(jìn)入混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，在這個(gè)階段通過增加蓄電池 電動(dòng)機(jī)輸出的功率來滿足汽車急加速重載荷的工作條件。當(dāng)汽車高速巡航時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，為了提高整車的能量利用效率，僅有發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng) 汽車減速制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，此時(shí)車輪帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電模式為動(dòng)力電池充電。 圖 并聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡圖 由于并聯(lián)式 PHEV 主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池 電動(dòng)機(jī)兩大總成組成，兩大動(dòng)力總成可以進(jìn)行功率疊加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的功率比較低時(shí)仍能滿足要求，因此可以大大縮減動(dòng)力系統(tǒng)裝配所需的空間，降低了的整備質(zhì)量，使整車生產(chǎn)成本大幅降低。并聯(lián)式 PHEV 的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以通過機(jī)械聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)橋直接相聯(lián)接，在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋的聯(lián)軸器間有電磁離合器可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力，能量利用效率較高。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車在低速行 駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低，后備功率沒有得到充分利用，燃油經(jīng)濟(jì)性較差，而并聯(lián)式 PHEV 此時(shí)可以只用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛，或者使發(fā)動(dòng)機(jī)保持比較合理的負(fù)荷狀態(tài)，后備功率用來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，給動(dòng)力電池補(bǔ)充充電。相比于串聯(lián)式 PHEV，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)都可以直接向驅(qū)動(dòng)輪提供轉(zhuǎn)矩，不存在能量的轉(zhuǎn)換，能量損失少；由于不需要附加的發(fā)電機(jī)，而且電動(dòng)機(jī)相比于串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)要小，因此結(jié)構(gòu)緊湊。 混聯(lián)結(jié)構(gòu)的插電式混合動(dòng)力汽車 混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)具備了并聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)電耦合以及串聯(lián)式混合 動(dòng)力的電電耦合的特點(diǎn)?；炻?lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力裝置同時(shí)集成了并聯(lián)結(jié)構(gòu)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)的功能，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。當(dāng)蓄電池具有較高的電量且滿足整車行駛所 8 需求的功率時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷和燃油消耗低效率區(qū)域，混聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)以純電動(dòng)工作模式工作，關(guān)閉車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池給電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)車輪前行；當(dāng)車輛需求功率增加或者蓄電池能量偏低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作，若發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率滿足汽車行駛所需功率且蓄電池不需要充電時(shí)，此時(shí)僅有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功 率分為兩部分，一部分通過行星齒輪直接輸出給驅(qū)動(dòng)輪，另一部 分經(jīng)過行星齒輪、發(fā)電機(jī)、逆變器和電動(dòng)機(jī)后供驅(qū)動(dòng)輪使用；當(dāng)汽車需要更大的功率時(shí)，整車工作在混合動(dòng)力模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池同時(shí)供能；若蓄電池能量不足或者發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量富裕時(shí)，實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)向蓄電池強(qiáng)制充電工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力分為三部分，一部分通過行星齒輪機(jī)構(gòu)直接輸送給驅(qū)動(dòng)車輪，一部分經(jīng)過發(fā)電機(jī)、逆變器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化后平衡車輛負(fù)載，一部分經(jīng)過發(fā)電機(jī)、逆變器轉(zhuǎn)化之后為蓄電池充電。 圖 混聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡圖 混聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合裝置的驅(qū)動(dòng)模式的控制策略是：在汽車低速小功率行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn) 行耦合輸出動(dòng)力，充分消耗動(dòng)力電池儲(chǔ)存的能量，從而獲得較好的排放性能；當(dāng)汽車高速大功率行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)則采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為車輛提供足夠的功率，獲得較好的動(dòng)力性?；炻?lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力分配裝置，這種機(jī)構(gòu)有兩個(gè)自由度，可以自由的控制兩個(gè)動(dòng)力源，車輛并不是單純的串聯(lián)結(jié)構(gòu)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而是兩種驅(qū)動(dòng)形式并存。 混聯(lián)式插電混合動(dòng)力汽車集中了串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力車輛的優(yōu)點(diǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)了在不同的行駛條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和動(dòng)力電池組之間轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的合理分配，充分發(fā)揮了插電式混合動(dòng)力 車輛低油耗、低排放的特點(diǎn)。但是混聯(lián)式 PHEV 的動(dòng)力系統(tǒng)在控制器的設(shè)計(jì)和動(dòng)力之間的耦合轉(zhuǎn)換變得更為復(fù)雜，同時(shí)對(duì)動(dòng)力耦合裝置的可靠性要求比較高 [1315]。 PHEV 的動(dòng)力耦合裝置 動(dòng)力耦合系統(tǒng)的概念 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一般都有兩個(gè)動(dòng)力源，這兩個(gè)動(dòng)力源發(fā)出的動(dòng)力需要通過一定的機(jī)械或電氣裝置進(jìn)行整合疊加之后再經(jīng)過傳動(dòng)裝置輸送給驅(qū)動(dòng)車輪來供車輛利用。動(dòng)力耦合裝置就是把混合動(dòng)力汽車的兩條或者多條獨(dú)立的動(dòng)力傳遞系 9 輸出的動(dòng)力進(jìn)行耦合疊加的所有部件的總稱。對(duì)于經(jīng)常使用的油 電混合動(dòng)力汽車而言，就是指能把 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池組的動(dòng)力耦合輸出的裝置。對(duì)于并聯(lián)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力車輛，動(dòng)力耦合裝置就是把車輛的多個(gè)動(dòng)力源進(jìn)行合理的組合分配，更好地滿足車輛行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)特性，它直接關(guān)系到車輛的各種性能是否滿足乘客的使用要求，在混合動(dòng)力整車開發(fā)中處于至關(guān)重要的作用。動(dòng)力耦合裝置中最為典型的是豐田 Prius 采用 THS ）（ S ys te m H yb r id T oy ot a 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，通過使用精密的行星齒輪組對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng) 力電池的輸出的功率進(jìn)行重新分配，通過與太陽輪相連的電機(jī)來不斷調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)。本田汽車公司的 Insight 混合動(dòng)力汽車搭載的 ）（ A s s is t e dM ot o r I nt e gr a t e dI M A 混合動(dòng)力系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)矩耦合的形式，把發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的扭矩進(jìn)行疊加后輸出。 動(dòng)力耦合系統(tǒng)的功能 插電式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力耦合系統(tǒng)在耦合方式上雖然存在比較大的差別，但它們在車輛上發(fā)揮的主要作用大抵相同，主要概括有以下功能： （ 1） 動(dòng)力合成功能，將不同動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率進(jìn)行組合再分配，提供車 輛所需的動(dòng)力。動(dòng)力耦合裝置在輸出動(dòng)力時(shí)要能夠保證各個(gè)動(dòng)力源既可以獨(dú)自工作，也可以采用聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的形式，而且彼此之間不發(fā)生運(yùn)動(dòng)的干涉。 （ 2）能量反饋功能，在汽車進(jìn)行減速制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該能切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，同時(shí)要保持傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電機(jī)之間的機(jī)械連接，此時(shí)車輪的轉(zhuǎn)速高于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。 （ 3）模式切換簡單方便，過程平順無沖擊。在結(jié)構(gòu)上動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該盡量簡單，方便與傳動(dòng)裝置之間的配合，同時(shí)保證動(dòng)力模式切換過程中操縱簡單方便，驅(qū)動(dòng)可靠安全無沖擊。 （ 4）輔助功能，動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該能夠緩沖 起步時(shí)路面對(duì)車輛的沖擊，保證車輛在低速行駛時(shí)的平順性，同時(shí)還可以利用電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)特性，在不增加倒檔齒輪的前提下實(shí)現(xiàn)倒車 [16]。 動(dòng)力耦合系統(tǒng)的分類 動(dòng)力耦合裝置根據(jù)能量源耦合方式的不同可以分為電電耦合裝置和機(jī)電耦合裝置，一般串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用的是電電耦合，并聯(lián)結(jié)構(gòu)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力汽車中，采用的是機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)。根據(jù)各個(gè)部件之間轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率的量化關(guān)系，動(dòng)力耦合裝置可以分為轉(zhuǎn)速耦合、轉(zhuǎn)矩耦合和功率耦合三種，以下具體介紹此三種耦合裝置的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)。 轉(zhuǎn)矩耦合裝置的主要作用是把發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過機(jī)械聯(lián)軸器疊加到一起，并將總轉(zhuǎn)矩傳遞到傳動(dòng)系以驅(qū)動(dòng)車輛。如圖 所示，簡單表明了一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合的原理圖，可以簡化為一個(gè)三端口、兩自由度的裝置。其中端口 1 只能單向輸入，端口 2 和端口 3 既能輸入又可輸出，但端口 2 和端口 3 不能同時(shí)輸入。結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源組成可知，端口 1 與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，端口 2與電動(dòng)機(jī)相連，端口 3 則與驅(qū)動(dòng)輪相連。 10 （ a） (b) 圖 轉(zhuǎn)矩耦合原理簡圖 如圖 為一種雙齒輪式轉(zhuǎn)矩耦合裝置，忽略傳遞過程中的能量損耗，則有輸入端口的總能量應(yīng)當(dāng)和輸出端口的總能量相等，即 221121333 TTPPTP ??? ???????? （ 21） 轉(zhuǎn)矩耦合的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 22113 TkTkT ?? （ 22） 322311 k k ???? ?? （ 23） 其中， 1P 、 2P 、 3P 分別為 率入功率和驅(qū)動(dòng)橋輸出功發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功、電機(jī)輸 。 1T 、 2T 、 3T 分別為以上三個(gè)端口對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩， 1? 、 2? 、 3? 為以上三個(gè)端口對(duì)應(yīng)的角速度， 1k 、 2k 為傳動(dòng)比。 根據(jù)式（ 22）、（ 23）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩 1T 、 2T 之間沒有固定的數(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)矩不受車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩和路面載荷的影響。而角速度 1? 、 2? 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)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的耦合，國內(nèi)生產(chǎn)的大多混合動(dòng)力客車采用這種方式。 ，也稱為磁場耦合式，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，通過調(diào)整電機(jī)的勵(lì)磁電流大小來控制輸出耦合轉(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)力源也可以通過轉(zhuǎn)速關(guān)系進(jìn)行耦合，如圖 所示。同轉(zhuǎn)矩耦合器一樣，轉(zhuǎn)速耦合器也可以簡化為一個(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)車輪，既能 11 輸入又能輸出，但二者不能同時(shí)輸入。 （ a） (b) 圖 轉(zhuǎn)速耦合原理簡圖 行星齒輪機(jī)構(gòu)通常是由一個(gè)太陽輪、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： 2231133 ii ??? ?? （ 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： 1331221 i Ti TT ?? （ 25） 式中 13i 、 23i 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 1? 、 2? 之間沒有固定的數(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