關于混合動力汽車動力耦合技術分析

彭建偉

摘 要：混合動力電動汽車是未來汽車技術發(fā)展的重要方向，而混合動力耦合技術是混合電動汽車發(fā)展的關鍵技術，通過當前混合動力耦合技術的功能進行分析，結合混合動力耦合技術的分類，討論了齒輪式機械動力耦合系統(tǒng)、電磁式動力耦合技術、液壓混合動力耦合系統(tǒng)三種混合動力汽車技術，為混合動力汽車耦合技術的研究提供借鑒。

關鍵詞：混合動力；耦合技術；驅動技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.014

混合動力電動汽車是將電力驅動技術與燃油驅動技術相結合的車輛，它采用的機電耦合系統(tǒng)的動力耦合技術來實現(xiàn)二者之間的相互轉換，耦合動力技術的形式不僅決定了混合動力汽車的工作方式，也決定了汽車功率分配的途徑，并且對整個汽車的動力性能、經濟性能，還會對汽車的排放性能產生影響。

1 混合動力汽車的耦合形式及功能

混合動力汽車是燃油動力與電力動力的混合體，它的主要特點是車輛能夠隨車攜帶多個動力源，在具體的工作過程中，要求動力源能夠根據(jù)汽車運行的情況和諧工作，相互補充。根據(jù)混合動力汽車的運行方式，可以將其耦合系統(tǒng)分為純電動動力驅動、燃油驅動、混合動力驅動三種模式。因此，混合動力車輛的耦合系統(tǒng)具有如下功能：

（1）汽車動力合成功能。動力耦合系統(tǒng)的動力合成功能要求能夠有效的合成輸出多個動力源，以滿足汽車的電力動能與燃油動能的要求，因為電力動力與燃油動力的特征不同，在動力合成的過程中，各個動力源不能相互干涉，并根據(jù)汽車的做功情況，采用不同的驅動技術來輸出動力。

（2）動力分解功能?；旌蟿恿ζ囋谄囆旭偟倪^程中，要能夠自行的對蓄電池進行充電，在汽車行駛的過程中，需要對動力進行分解，一部分用于對發(fā)電機發(fā)電，給蓄電池充電，一部分用于驅動車輛行駛。

（3）制動能量回收功能。為了提高混合動力汽車的能量使用效率，提升汽車整體的燃油經濟性能，耦合系統(tǒng)要能夠回收汽車制動時產生的動能，對汽車制動能量的可以采用發(fā)電回收與液壓儲能兩種方式。

（4）提高汽車的燃油經濟性能。耦合系統(tǒng)能夠控制發(fā)動機的負載和轉速，使汽車能夠保持均勻的動力，保證發(fā)動機在合理的區(qū)域工作，提高汽車的燃油性能。

2 混合動力汽車動力耦合技術分類

由于混合動力汽車主要以燃油與電力混合為主，也就是說混合動力汽車的動力源主要以內燃發(fā)動機與電力電動機兩種。在一些低速、頻繁起停的工程車和公交車上采用的液壓混合系統(tǒng)，它們的動力源主要以內燃機與液壓馬達為主，根據(jù)混合動力的形成原理與結構，可以將混合動力耦合技術分為如下幾種類型：

2.1 齒輪式機械動力耦合系統(tǒng)

這種混合動力耦合系統(tǒng)主要以齒輪式機械動力耦合系統(tǒng)為主，一般采用的行星齒輪耦合機構，它主要有兩個自由的旋轉速度，太陽齒輪、行星齒輪以及齒輪圈在工作的過程中，能夠以不同的速度旋轉，以便于有效的對汽車的動力進行分配與匯聚，實現(xiàn)混合動力的節(jié)能效果。例如豐田Prius轎車的混合動力系統(tǒng)（THS）是典型的單排行星齒輪式機械動力耦合系統(tǒng)，它的耦合系統(tǒng)主要由單排行星齒輪機構構成的耦合系統(tǒng)，如下圖1所示：

從圖1可以看出，發(fā)動機輸出軸與行星架相連，發(fā)電機轉子與太陽輪相連，它們之間能夠配合運動共同工作，電動機的外齒圈通過鏈條與后橋相連，與汽車的發(fā)電裝置結合在一起，可以實現(xiàn)發(fā)電機與電動機的配合工作，既可以形成發(fā)電機，也可以根據(jù)汽車運行的情況形成燃油驅動設備。隨著混合動力技術的而發(fā)展，在單排行星齒輪動力耦合技術的基礎上，已經出現(xiàn)了雙排雙模、三排行星齒輪動力耦合技術，并在很多混合動力汽車上得到了應用。齒輪式機械混合動力耦合技術的系統(tǒng)結構比較復雜，在技術實現(xiàn)上控制難度較大，而且該類混合動力系統(tǒng)受到機械加工工藝與制造精度的限制，以及新材料的研制與控制技術的落后等原因的影響，致使齒輪式機械混合動力耦合技術的應用存在瓶頸。

2.2 電磁式動力耦合技術

該類技術主要采用的是非接觸式的動力耦合技術，是運用電磁力對動力系統(tǒng)進行耦合的混合動力系統(tǒng)，根據(jù)電磁耦合的工作方式，可以將電磁式動力耦合技術分為串聯(lián)式電機動力耦合技術與雙轉子電磁式動力耦合技術。

（1）串聯(lián)式電動機耦合技術。該耦合式集成動力技術采用的發(fā)動機輸出軸與汽車發(fā)電機的轉子轉軸直接采用串聯(lián)的方式進行連接，在二者之間也可能通過離合器進行連接，這樣汽車的電動機與發(fā)動機之間采用同軸轉矩疊加方式進行動力耦合，即電力驅動與燃油驅動通過疊加?？梢钥闯觯擃惢旌霞夹g動力系統(tǒng)具有機構緊湊、可靠性高、成本低等優(yōu)點，在一些中高檔的混合動力汽車中經常用串聯(lián)式電動機耦合技術作為驅動技術。

從目前對串聯(lián)式電機集成動力耦合技術的應用來看，輕度、中度的混合動力耦合技術在混合動力汽車耦合系統(tǒng)應用比較廣泛，但是，采用輕度與中度混合耦合技術對于汽車的燃油性能不高，這不符合低碳環(huán)保的要求，在具體的應用中還不是十分廣泛。因此，發(fā)展適度重度混合動力耦合電磁式技術是未來混合動力發(fā)展的重要方向之一。

（2）雙轉子電機動力耦合系統(tǒng)。該耦合系統(tǒng)的工作原理主要采用雙轉子電機進行工作，電機的內部結構比較復雜，在其內部有兩個轉子與一個定子，這樣內轉子與外轉子就可以形成一個內發(fā)電機，而外轉子與定子又可以形成一個外電機，這樣就形成了雙電動機進行工作。因此，從這個結構上說，它形成的雙電機的結構模式，即雙轉子的電機動力耦合結構，可以有效的將機械能轉換為電能。雙轉子電機動力耦合技術優(yōu)點是系統(tǒng)控制靈活，結構比較緊湊簡單，成本造價比較低，相對于其他電機來說，它的功率密度與轉矩有了很大的提高，能提高汽車的燃油經濟性能。尤其是作為多端口機電能量轉換裝置，為制動能量的收集提供了多樣化的選擇，采用雙轉子電機動力耦合技術可以有效的協(xié)調系統(tǒng)的內外兩個電機協(xié)調工作，采用該技術能夠代替混合動力汽車的變速箱、起動機與發(fā)電機的諸多功能，使得混合動力汽車實現(xiàn)無級變速和多種工作模式的功能，提高整車的安全性與經濟性能。

2.3 液壓混合動力耦合系統(tǒng)

液壓混合動力耦合技術系統(tǒng)主要由電力驅動技術、液壓傳動技術、燃油驅動技術等組件構成，它一般有并聯(lián)型混合動力耦合技術與混聯(lián)性液壓混合動力耦合技術傳動裝置構成。它是由液壓變量馬達、液壓變量泵、高壓蓄能器等組件構成，該混合動力耦合技術具有良好的制動能量回收、發(fā)動驅動等混合驅動的性能。在液壓混合動力耦合系統(tǒng)中，液壓油是液壓混合動力的驅動介質，在耦合系統(tǒng)中起到了十分重要的作用，液壓混合動力耦合系統(tǒng)的動力聚合與分配同時通過液壓介質的控制來實現(xiàn)的。

液壓混合動力耦合技術是混合動力汽車的重要發(fā)展方向，它的節(jié)能性能比較好，該技術結構簡單，蓄能的密度高，整車的成本也比較低，在回收制動能量的過程中，沒有化學能與機械能的相互轉化，這樣能夠有效的保證蓄電池的電能在制動時不會被損耗，而且蓄電池的功率密度也比較大，而且制動能量的轉換速度比較快，能量的回收率也比較高，能夠有效的提高混合動力整車的燃油性能，減少尾氣的排放量。

3 結束語

混合動力耦合技術的發(fā)展是發(fā)展高性能混合動力汽車的重要技術，在未來汽車發(fā)展的過程中具有十分重要的作用，通過對混合動力技術的種類與功能進行探究，指出了混合動力耦合技術在實際應用過程中優(yōu)缺點，在未來的研究中，需要從動力耦合技術系統(tǒng)進行開發(fā)與研究，這樣才能有效的促進新能源汽車的發(fā)展，同樣混合動力控制的智能化與混合動力車輛結構的集成化也將是未來混合動力汽車的發(fā)展方向。

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