混合动力汽车的耦合技术

摘要：动力耦合系统是混合动力汽车的核心部分，通过动力耦合装置可以实现混合动力汽车不同工作模式之间的转换，动力耦合系统的性能会直接关系到混合动力汽车的整车性能状况。本文从混合动力汽车的耦合技术的功能、动力耦合装置的分类以及动力耦合装置的发展趋势等方面对混合动力汽车耦合技术进行论述。

关键词：混合动力汽车;功能;动力耦合;发展趋势

动力耦合装置是混合动力汽车上使得多个动力源输出与整车动力输出之间产生一定影响关系的机构，对于常见的油-电混合动力汽车就是指能够把发动机和电机动力耦合输出的装置。根据动力耦合方式的不同可以将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和牵引力合成式，其中串联式结构最为简单，并联式次之，混联和牵引力合成式最为复杂，同时也是混合动力汽车发展的主要方向。

1.功能

虽然混合动力汽车的动力耦合方式存在很大的差别，但是它们的功能基本相同，归纳总结起来主要有以下几项。

动力耦合功能：实现多个动力源的转速、转矩和功率的合成，形成驱动车辆的动力。各动力源的输出的动力不能相互干涉，每个动力源可以单独驱动车辆也可以几个动力源共同驱动，不能影响传动效率。必要的时候还能够将一个动力源输出的动力进行分解。行驶发电模式就是将发动机的动力分成两部分，一部分用来驱动车辆，另一部分用来驱动电机发电。

能量回馈功能：再生制动功能是混合动力汽车四种节能途径之一，它利用汽车在制动时的动能拖动电机发电。这个过程需要保持驱动轮与电机的机械连接并且断开与发动机的连接，动力耦合装置应该在再生制动的时候实现这种连接。

模式切换功能：动力耦合装置应该结构紧凑，与动力传动系统的其他部件配合紧密，控制便捷可靠，能够方便地实现多种驱动模式并且保证模式之间的切换过程平顺且无冲击。

辅助功能：动力耦合装置应该能够满足混合动力汽车起步时的低速、大转矩的需求，避免传动汽车在起步离合器上消耗的能量损失;除此之外，该装置还能够利用电动机的反转特性或者改变发动机转矩方向实现倒车的功能，进而取消变速器的倒挡机构。

动力耦合装置的前两项属于基本功能，后两项是混合动力汽车发展到一定阶段才能实现的高级功能。目前国内混合动力汽车的动力耦合装置基本实现了前两项功能，后两项功能尚未实现。

2.动力耦合装置的分类

混合动力汽车通过下列四类耦合方式把多个动力源的动力合成输出：

转矩耦合式：各动力源输出的转矩独立，转速符合一定的比例关系，动力耦合器输出的转矩等于各动力源转矩的线性和。这类耦合方式还可以进一步细分为三种，第一种是齿轮耦合式，一汽集团和二汽集团开发的混合动力城市客车都采用这种结构。第二种是磁场耦合式，将电机转子和发动机曲轴布置在同一条轴线上，通过电机的励磁控制把电机转矩和发动机转矩耦合到一起输出，本田公司的IMA系统和长安集团的ISG系统都采用这种耦合方式。第三种是链或者带耦合式，通过链条或者皮带将动力源输出的动力进行合成，这种耦合方式结构简单、冲击小，但是效率低下。

转速耦合式：各动力源的转速独立，转矩成一定的比例，动力耦合器输出的转速等于各动力源转速的线性和。这种耦合方式可以进一步细分为两种：一种是行星齿轮耦合式，该种耦合方式是利用一组行星齿轮将发动机和电机的动力耦合，通过一组离合器和两组制动器的结合/分离控制整车的工作模式和模式之间的切换。第二种是差速器耦合式，湖南大学以菱形轿车作为基础开发差速器耦合式混合动力轿车，菱形车的驱动车轮位于中间，两个转向轮分别位于汽车的前后方，该车巧妙地反向运用汽车差速器作为动力耦合装置，把发动机和电机的动力耦合用两个离合/制动器控制该车的工作模式及其切換过程。

牵引力耦合式：前后轴分别由独立的动力源驱动，通过前后轴的驱动力实现各动力源的耦合，这种耦合方式前后轴独立性好，可以将整车的驱动功率划分为几个等级。该种耦合方式的显著优点是：汽车的驱动力由两根驱动轴承担，因此作用于每一根驱动轴上的驱动力都会达到其轮胎与地面之间的附着极限;在标准的工作模式下，汽车主要是由发动机驱动，在零排放模式下，只是用电动机驱动;当汽车需要加速或者爬坡，发动机和电动机同时驱动;此种结构的混合动力汽车的燃油经济性和动力性都超过了传统的内燃机汽车。

混合耦合式：近几年出现了在同一辆混合动力汽车上采用两种甚至两种以上的动力耦合方式的设计，这就是混合耦合。丰田旗下的Camry的混合耦合就是发动机和MG1电机通过转速合成端的行星齿轮构成转速耦合，动力从齿圈输出，由于MG1电机具有转速调节作用，发动机转速与车速相互独立，即实现了ECVT。转速耦合形成的动力再与MG2电机形成转矩耦合，动力在齿圈上叠加输出。这种耦合方式能够汇集多种耦合方式的优点，避免它们的不足，实现多种工作模式，与变速系统紧密配合，使得混合动力汽车节能减排的优势得到充分的发挥，但是同时也使得结构最复杂、控制难度最大的动力耦合方式。这种耦合方式已经成为混合动力汽车的发展趋势。

3.动力耦合装置的发展趋势

由以上的分析可以知道，混合动力汽车的动力耦合装置正向功能更加完备、结构更加复杂、控制更先进的方向发展。国外一些汽车公司凭借他们掌握的丰富的产品开发经验、精湛的制造工艺和先进的控制技术不断研制新的动力耦合方式，推出的混合动力汽车主要是采用混合耦合方式。

国内在这方面目前仍还处于初级阶段，功能上仅能满足基本要求，耦合方式只局限于前三类，与国外相比较还存在着很大的差距。中国在混合动力汽车关键单元技术方面已经取得了一定的重大进展，如何将这些关键单元用更高级的耦合方式形成功能更完备的混合动力汽车是当务之急。

参考文献

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作者简介：吴俊锋（1998-），男，福建省泉州市人，在读本科，山东科技大学交通学院车辆工程专业2016级，研究方向为车辆工程。