【正文】 固定的數(shù)量關(guān)系，不能獨(dú)立控制。 （ a） (b) 圖 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)。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。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]。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(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大多混合動(dòng)力客車采用這種方式。 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。 10 （ a） (b) 圖 轉(zhuǎn)矩耦合原理簡(jiǎn)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 。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。 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。 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)。在結(jié)構(gòu)上動(dòng)力耦合裝置應(yīng)該盡量簡(jiǎn)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(jiǎn)單方便，驅(qū)動(dòng)可靠安全無沖擊。 （ 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)。 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?cè)谲囕v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)。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。 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。 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)。 圖 混聯(lián)式 PHEV 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。混聯(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。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。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。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。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。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。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。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。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。 插電式混合動(dòng)力汽車按照動(dòng)力傳動(dòng)的路線以及發(fā)動(dòng)機(jī)和車載電源之間能量耦合的方式不同可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，下文具體介紹幾種形式的插電式混合動(dòng)力汽車的工作原理和特點(diǎn)。因此，插電式混合動(dòng)力的動(dòng)力電池組的容量比較大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率比較大，而發(fā)動(dòng)機(jī)的排量相對(duì)于常規(guī)的混合動(dòng)力汽車來說比較小。 （ 4） 輔助裝置是指在汽車傳動(dòng)系中，用于從動(dòng)力裝置中獲取動(dòng)力，區(qū)別于直接驅(qū)動(dòng)車輛，主要用于維持汽車良好的調(diào)控特性、舒適性等所有部件的總稱。 （ 3） 傳動(dòng)系是用于調(diào)節(jié)和傳遞動(dòng)力裝置輸出的動(dòng)力，使之與汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪處要求的理想動(dòng)力達(dá)到較好的匹配的所有部件的總稱。例如，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的車載載能源為油箱，燃料電池電動(dòng)汽車的車載能源由氫氣罐或儲(chǔ)氫金屬和燃料電池堆兩部分組成。 動(dòng)力總成是混合動(dòng)力汽車最為核心的總成部件，它是汽車上用來存儲(chǔ)、傳遞和轉(zhuǎn)化能量并且為車輛提供符合驅(qū)動(dòng)要求功率的所有裝置或機(jī)構(gòu)的總稱，具體包括車載能源、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和其他輔助裝置四個(gè)部分。在這個(gè)比較寬泛的定義中，凡是具有多個(gè)動(dòng)力來源，且能夠采用電能驅(qū)動(dòng)的車輛都可以稱作混合動(dòng)力車輛，因此可以把混合動(dòng)力汽車分為油電混合、氣電混合、電電混合等多種不同的混合 行式。長(zhǎng)途旅行可以開啟混合動(dòng)力模式，也可以采用 的黃金動(dòng)力總成單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，完美體現(xiàn) 了插電式混合動(dòng)力汽車的獨(dú)特優(yōu)勢(shì) [12]。 20xx 年比亞迪推出了全新的插電式混合動(dòng)力汽車秦，該車 混合動(dòng)力模式下零到百公里加速時(shí)間僅為 秒，運(yùn)行最高車速可達(dá) km/h185 ，節(jié)油效果顯著，百公里油耗在 3L 以內(nèi)。駕駛者通過簡(jiǎn)單的操作，即可輕松實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式之間的自由切換。在中國(guó)的汽車制造商中，比亞迪在汽車電池的研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新方面一直走在前列，在這次產(chǎn)業(yè)技術(shù)浪潮中走在了前列，成為國(guó)內(nèi)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的領(lǐng)軍人物 [11]?？萍疾吭凇笆濉币?guī)劃期間特別成立了 ―863 電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”。寶馬汽車公司也推出了插電式渦輪增壓柴油混合動(dòng)力概念車 —寶馬 Vision Efficient Dynamics[10]。大眾汽車公司與德國(guó)政府制 4 定了共同開發(fā)插電式混合動(dòng)力汽 車的新能源合作計(jì)劃， 20xx 年大眾公司成功研發(fā)出第六代高爾夫插電式概念車。法國(guó)雷諾汽車 公司研制的 Vert 和 Hymme 兩款插電式混合動(dòng)力汽車已在法國(guó)進(jìn)行了一萬公里的道路運(yùn)行試驗(yàn)。 20xx 年 12 月，本田推出一款混合動(dòng)力版 Accord，該車配備先進(jìn)的燃料混合系統(tǒng)和可變氣缸管理技術(shù)，使得燃油經(jīng)濟(jì)性得到大幅度的提高 [9]。本田公司開發(fā)的 Insight 混合動(dòng)力汽車燃油效率很高，燃油經(jīng)濟(jì)性可達(dá) km/L3026 。這款車在城市循環(huán)工況下純電動(dòng)行駛里程為 25 km，純電動(dòng)行駛時(shí)最高車速可達(dá) 100 km/h[8]。 20xx 年，豐田公司推出了第三代 Prius 插電式混合動(dòng)力車型 。 在日本，豐田是最早開始研發(fā)混合動(dòng)力汽車（ HEV）的汽車公司。 的鋰離子動(dòng)力電池組箱體采用 T 型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng) 米，布置于車體中部和后排座椅下。 3 圖 美國(guó)插電式混合動(dòng)力汽車 Volt 雪佛蘭 Volt 電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電池之間采用的是串聯(lián)的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力不是直接用來驅(qū)動(dòng)車輛前行，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力用來為動(dòng)力電池發(fā)電，動(dòng)力電池通過線控傳動(dòng)技術(shù)帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。最具代表的車型是通用汽車公司在 20xx 年的底特律車展上發(fā)布的 Volt 概 念車。 國(guó)外插電式混合動(dòng)力汽車（ PHEV）技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介 美國(guó)政府十分重視插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，在 20xx 年其能源部就宣布了相關(guān)的插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)的研發(fā)與示范計(jì)劃。 PHEV 能夠很好發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)m(xù)駛里程遠(yuǎn)和電動(dòng)汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)，集節(jié)能環(huán)保于一身。插電式混合動(dòng)力汽車（ PHEV）是指具有大容量動(dòng)力電池并且可以利用外界電網(wǎng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)充充電的混合動(dòng)力汽車。表 詳細(xì)比較了混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)與不足 [4]。就目前的技術(shù)條件和制造水平而言，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車存在一些關(guān)鍵技術(shù)上的難題而沒有得到推廣。汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，成為大氣環(huán)境污染中最為棘手和亟待解決的問題之一 [2]。目前，汽車尾氣排放已成為影響各城市大氣污染程度的關(guān)鍵因素之一。據(jù)國(guó)家環(huán)境部門統(tǒng)計(jì)， 20xx 年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放污染物總量高達(dá) 億噸，在這當(dāng)中，汽車排放的污染物總量最多。隨著能源消費(fèi)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，我國(guó)石油的對(duì)外依賴度仍將不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到 20xx 年將達(dá)到百分之六十， 2020年達(dá)到百分之六十五，對(duì)汽車行業(yè)而言，到 2020 年我國(guó)汽車用油缺口預(yù)計(jì)將達(dá)到數(shù)億噸 [1]。中國(guó)的石油資源相對(duì)比較貧乏，從 1993 年起中國(guó)的石油已經(jīng)不能滿足本國(guó)的消費(fèi)需求，首度成為石油凈進(jìn)口國(guó)，此后石油的對(duì)外依存度以很快的速度逐年增加。全球機(jī)動(dòng)車的保有量也在逐年增加，在 20xx 年的銷售統(tǒng)計(jì)中，已經(jīng)超過了十億輛，每年都在以三千萬輛的速 度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉將達(dá)到三十五億輛。目前，石油成為全世界依賴度最深的能源，而汽車運(yùn)行材料幾乎全部依賴于石油的煉制品。在世界范圍內(nèi)，隨著能源危機(jī)的日益加劇和地球環(huán)境的逐漸惡化，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展遇到了由資 源和環(huán)境帶來的雙重挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，此種動(dòng)力耦合裝置的插電式混合動(dòng)力汽車具有很好的節(jié)能效果，其動(dòng)力性也能很好的滿足人們?nèi)粘Ｊ褂玫男枰?。為了?yàn)證此種耦合裝置對(duì)提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的效果，進(jìn)行了整車仿真分析。本文把動(dòng)力耦合裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)三端口、兩自由度的控制模型，通過鎖止行星齒輪機(jī)構(gòu)的不同組件來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池之間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功