李美军
(河北省承德县交通局，河北承德 067400)
摘 要：在混合动力电动汽车(H EV)开发过程中，动力传动系统处于重要地位。文中对
H EV动力系统开发的难点———动力耦合方式进行了分析和比较，研究和总结了各种动力耦合方
式的耦合规律和优缺点，指出了H EV传动系统研究的方向和趋势。
关键词：汽车；混合动力电动汽车(H EV)；传动系统；动力耦合
中图分类号:U464.9 文献标识码:B 文章编号:1671-2668(2008)02-0024-04
当今，为解决日益严重的环境污染和能源匮乏问题，电动汽车技术成为汽车研究的方向。但由于电池技术不够成熟，纯电动汽车(EV)的研制与发展大大受限。混合动力电动汽车(H EV)作为传统燃油汽车与纯电动汽车之间的折中方案和过渡产物，在解决环保和能源问题方面的潜力受到世界范围内的广泛认可，成为汽车研究中的热点。
H EV与传统汽车及EV的最大差别是其动力系统，不同H EV之间的最大差别是动力耦合方式与结构。H EV动力系统开发的核心和实质是如何将不同动力源的输出动力进行合理、高效的合成与分解，从而提高汽车的燃油经济性。
H EV的动力耦合方式决定动力系统的结构，也决定零部件的数量、种类及系统的控制策略；不同的动力耦合结构导致H EV的适用条件和使用要求各不相同，开发难度也相差很大。可以说，动力耦合形式与结构决定H EV动力系统研究开发的难度和方向，关系到产品开发的进度和水平，是H EV开发中关键的一步。因此，对H EV的动力耦合方式进行研究、分析和分类具有十分重要的意义。
1 HEV动力耦合方式的分类与分析
H EV的动力系统分类方式多种多样，通常按照其驱动系统布置结构，可将其分为串联(SH EV)、并联(P H EV)和混联(SP H EV)3类；而基于任务的现代分类方法，则把H EV动力系统分为轻度混合型(M HV)、功率混合型(P HV)和能量混合型(EHV)3类。除这2种分类法外，还有更复杂的分类方法，这里不再赘述。
动力耦合主要是针对并联或混联式混合动力车的动力系统。本文根据多个动力源输出动力耦合方式的不同，将H EV动力系统分为扭矩耦合式、转速耦合式、牵引力耦合式和混合耦合式4类。下面将分别从动力学和运动学规律、传动效率、能量流动路径等方面分别分析这4类传动方式的动力耦合过程。
以两动力源为例，设动力源1(发动机)的输出扭矩为T1，输出转速为n1；动力源2(电动机)的输出扭矩为T2，输出转速为n2；耦合后的输出扭矩为T3，输出转速为n3。
1.1 扭矩耦合式
扭矩耦合式动力系统是指2个(多个)动力源的输出动力在耦合过程中，两动力源的输出扭矩相互独立，而输出转速必须互成比例，最终的合成扭矩是两动力源输出扭矩的耦合叠加，而合成转速则不是两动力源输出转速的叠加，合成扭矩
T3=η(T1+k T2)
2)在中负荷运转区域，气门重叠角增大，提高内部的废气再循环率，可以控制NO x的产生和减少HC的含量。而且，气门重叠角的增大会使进气管的负压降低，减少动力损失。
3)在高负荷低速运转区域，使进气门提前关闭(提前角)，提高充气效率，得到最大的气门重叠角(最大提前角)。
参考文献:
[1] 浦 重夫. の VV T-I ƒ を見る
[J].自動車と整備,1999(2).
收稿日期:2007-10-29
式中:η、k分别为耦合效率和从动力源2到动力源1的传动比。
依据机械结构的不同，扭矩耦合方式又可分为齿轮耦合、磁场耦合、链或带耦合3种。
2014汉兰达1.1.1 齿轮耦合式
这种动力耦合方式通过啮合齿轮(组)将多个输入动力合成在一起而输出。深圳明华环保汽车有限公司开发的一款复合电动环保汽车动力转换器就属于此类型(见图1)。
图1 齿轮耦合式HEV传动结构
T3=η(T1+k T2);n3=n1=1/k n2。这种耦合方式结构简单，可以实现单输入、双输入等多种驱动方式，
耦合效率较高，控制相对简单；但由于齿轮是刚性啮合的，在动力切换、耦合过程中易产生冲击。
1.1.2 磁场耦合式
这种耦合方式是将电机的转子与发动机输出轴做成一体，通过磁场作用力将电机输出动力与发动机输出动力耦合在一起。福特汽车公司的Prodigy L SR就属于这一类型(见图2)，国内长安汽车股份
有限公司开发的2款混合动力系统与此相仿
。
图2 磁场耦合式HEV传动结构
T3=T1+T2;n3=n1=n2。这种耦合方式耦合效率高，结构紧凑，耦合冲击小，能量回馈方便、效率高；但混合度(电机功率与发动机功率之比)低，电机一般只能起辅助驱动的作用。由于电机转子具有一定的惯性，所以多用于轻度混合的电动车上。
1.1.3 链或带耦合式
这种耦合方式通过链条或皮带将两动力源输出动力进行合成。图3为带耦合式传动结构。为满足电机大功率的需求，在原来12V的基础上串联36 V电池。
图3 带耦合式HEV传动结构
链或带耦合结构简单，冲击小，但是耦合效率低。T3=η(T1+k T2),n3=n1=1/kn2，动力学和运动学规律与齿轮耦合式一致。
1.2 转速耦合式
一汽集团公司
转速耦合式动力系统是指2个(多个)动力源的输出动力在耦合过程中，两动力源的输出转速相互独立，而输出扭矩必须互成比例，最终的合成转速是两动力源输出转速的耦合叠加，合成扭矩则不是两动力源输出扭矩的叠加,n3=p n1+qn2,p、q由耦合器的结构确定。
依据驱动结构的不同，转速耦合方式又可分为行星齿轮式和差速器式2种。
1.2.1 行星齿轮式
这是一种普遍采用的动力耦合形式，通常发动机输出轴与太阳轮连接，电机与齿圈连接，行星架作为输出端。华沙工业大学开发的P H EV驱动结构属于这种类型(见图4)。华南理工大学开发的混合电动汽车的动力耦合方式与此相似，只是其采用了2排行星齿轮机构。福特汽车公司开发的P H EV 采用的P T H动力耦合方式也属于这一类型
。
图4 行星齿轮耦合式HEV传动结构
n3=
n1/k1+k n2/k2
1+k
=p n1+qn2
T3=η1k1T1(1+k)=η2k2T2(1+1/k)
式中:k 1为从发动机轴到太阳轮轴的传动比;k 2为从电机轴到齿圈的传动比;k 为齿圈齿数与太阳轮
齿数的比值;η1、η2为内部功率损失折算系数;p =1/[k 1(1+k )];q =k/[k 2(1+k )]。
行星齿轮式耦合的结构简单，传动效率高(约98%)，混合程度高，并且还可实现多形式驱动，动力切换过程中冲击较小，但整车驱动控制难度增大。1.2.2 差速器式
差速器实际上是行星齿轮系k =1时的一种特殊情况。对一般差速器，将动力分解，对此逆用即可实现动力的耦合。湖南大学开发的一款H EV 的动力耦合方式即是这一类型(见图5)
。
图5 差速器耦合式HEV 传动结构
n 3=
n 1+n 2
2
T 3=2η1T 1=2η2T 2
p =q =1/2
差速器耦合方式与行星齿轮耦合方式基本类
似，只是二者对发动机和电机的动力性能要求不同，从而导致H EV 动力混合程度高低不同。差速器式H EV 要求发动机和电机动力参数相当，动力混合程度比较高。1.3 牵引力耦合式
这种耦合方式比较特殊，发动机驱动汽车前轮(后轮)，电机驱动后轮(前轮
)，通过前后车轮驱动力将多个动力源输出动力合成在一起。克莱斯勒汽车公司的Citadel (实验车)是这类典型车型(见图6)。
图6 牵引力耦合式HEV 传动结构
动力合成规律为
F =F 1+F 2
式中:F 为整车驱动力;F 1为发动机最终作用在前
轮上的驱动力,F 1=η1′i 1T 1/r;η1′为从发动机到前轮的传动效率;i 1为从发动机到前轮的传动比;F 2为电机最终作用在后轮上的驱动力,F 2=η2′i 2T 2/r;η2′
为从电机到后轮的传动效率;i 2为从电机到后轮的传动比。
这种耦合方式结构简单，改装方便，可实现单、双模式驱动及制动再生多种驱动方式，但整车的驱动控制更为复杂。1.4 混合耦合式
红旗h5mini混合耦合式是一种采用前面2种或2种以上耦合方式的动力耦合方式。如日本丰田汽车公司开发的Pruis H EV 混合驱动结构(如图7所示)，发动机与发电机的动力耦合是行星齿轮式，之后两者的合成动力又与电机动力进行齿轮式耦合，最终的合动力驱动差速器；再如福特汽车公司的Escape (如图8所示)，其动力合成是磁场扭矩耦合与行星齿轮转速
耦合2种方式的结合；此外，美国加州大学提出的一
种先进、高效H EV 传动系统的动力合成也采用混合耦合方式。
混合耦合方式将几种耦合方式相结合，可方便地
实现多模式驱动，还可实现三动力源输出或更多动力
源输出的耦合；能量回馈容易，动力混合度高。但混
合耦合方式的结构复杂，驱动控制相对麻烦。
2 各种动力耦合方式的比较及HEV传动系统的研制方向与趋势
表1为从动力混合度、动力切换平顺性、结构复杂程度、耦合效率、是否容易控制、能否实现多模式驱动及造价等角度对以上各动力耦合方式进行评价的结果。通过分析和比较，结合国内外H EV研究和
发展现状，一款理想、高效、紧凑、经济的H EV动力系统必须具备以下几点:
表1 各种动力耦合方式的比较
耦合方式混合度结合平顺性结构复杂程度耦合效率控制难度能量再生难度造价
扭矩耦合式
齿轮耦合中差低高低中低磁场耦合中好中高中低中链或带耦合低中低低低中低
转速耦合式行星齿轮式中中低高中高低差速器式高中低高中高低
牵引力耦合式高好中高高中中
混合耦合式高好高中较高低高 注：混合度是指电机输出功率与发动机输出功率的比
1)H EV要有高效方便的能量回收功能。能量回收是提高H EV燃油经济性的最有效途径之一，特别是对城市行驶车辆。
2)要从根本上提高燃油经济性，减少排放,
H EV的机(内燃机动力)电(电机动力)混合度不能太低。因为混合度太低，则接近一般燃油汽车，很难达到预期效果。但从目前国内外H EV技术研究水平来看，混合度也不能太高，因为太高，电力驱动起主要作用，势必会增加电池的重量，增加车重，反而增大燃油消耗。
3)要使发动机一直工作于理想工况,H EV驱动系统必须具有无级变速功能。H EV能提高燃油经济性、降低排放的关键是在车辆运行时改善发动机工作状况，使其工作于经济工况下，而彻底解决这一问题的方法就是采用无级变速。采用无级变速传动还可大大提高制动能量再生效率。
4)H EV多能源输出的动力耦合或动力切换(驱动模式从一个动力源切换到另一个动力源)要平顺，以保证汽车的行驶平顺性和驾驶性能。
临沂2手车市场5)H EV传动系统的机械结构要尽可能紧凑、高效，复杂功能的实现尽可能依靠电子软件，以降低整车制造成本，为批量生产打下基础。
呼和浩特二手车以上是目前H EV动力传动系统研制的方向和趋势，也是现阶段使H EV达到较高燃油经济性、较低排放的理想措施。
3 结 语
本文在详细研究国内外各种H EV传动系统的基础上，从动力合成方式的角度，将H EV的传动系统分
为扭矩耦合式、转速耦合式、牵引力耦合式和混合耦合式4类；同时研究和总结了各种动力耦合方式的耦合规律和优缺点，并指出了H EV传动系统研究的方向和趋势。可为进一步开发设计紧凑、高效的H EV动力传动系统提供参考和依据。哈同高速路况
参考文献:
[1] 王 冬，田光宇，陈全世.混合动力电动汽车动力系统
选型策略分析[J].汽车工业研究,2001(2).
[2] 深圳明华环保汽车有限公司.复合电动环保汽车动力
转换器[P].中国专利:0239940.7,2001-10-31. [3] 胡 骅，宋 慧.电动汽车[M].北京：人民交通出版
社,2003.
[4] Hidetoshi Kusumi,Katsunori Yagi,Y oshihide Ny,et
al.42V power control system for mild hybrid vehicle
(M HV)[J].Society of Automobile Engineers,2002
(1).
[5] 陈清泉，孙逢春.混合电动汽车基础[M].北京：北京理
工大学出版社,2001.
[6] 钟 勇.基于CV T的类菱形混合动力电动汽车系统研
究与仿真[D].长沙：湖南大学,2005.
[7] L.W.Tsai,G.Schultz.A motor2integrated parallel hy2
brid transmission[J].Journal of Mechanical Design,
2004,126(5).
[8] 黄贤广，林 逸，何洪文，等.混合动力汽车机电动力耦
合系统现状及发展趋势[J].上海汽车,2006(7).
收稿日期:2007-10-13
发布评论