混合动力电动汽车是内燃机与电机两种动力混合驱动的车辆,这种混合是通过动力耦合器的耦合作用实现的。动力耦合器的形式不仅决定了混合动力电动汽
车具备的工作模式,也是功率分配策略制定的依据,并最终对整车的动力性、经济性和排放性产生重要影响。
动力耦合类型主要有转矩耦合、转速耦合、功率耦合和牵引力耦合等。
一、转矩耦合转矩耦合式动力系统是指两个(或多个)动力源的输出动力在耦合过程中,2个动力源的输出转矩相互独立,而输出转速必须互成比例,最终的合成转矩是2个动力源输出转矩的耦合叠加的系统。
转矩耦合方式可以通过齿轮耦合、磁场耦合、链或带耦合等多种方式实现。
(1)齿轮耦合方式齿轮耦合方式是通过啮合齿轮(组)将多个输入动力合成在一起输出;这种耦合方式结构简单,可以实现单输入和多输入等多种驱动形式,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。
齿轮耦合式混合动力电动汽车系统结构如图12-39所示。
成输出转矩为
式中,n1为发动机输出转速;n2为电机输出转速;n3为发动机和电机的合成输出转速。
(2)磁场耦合方式磁场耦合方式是将电机的转子与发动机输出轴做成体,通过磁场作用力将电机输出动力和发动机输出动力耦合在一起。这种耦合方式效率高,结构紧凑,耦合冲击小,能量回馈方便;但混合度低,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动力电动汽车上,是目前采用较多的动力耦合方式,如本田 Insight混合动力电动汽车采用的就是磁场耦合方式。
磁场耦合式混合动力电动汽车系统结构如图12-40所示。
(3)链或带耦合方式链或带耦合方式是把齿轮改为链条或皮带,通过链条或皮带将两动力源输出动力进行合成,这种耦合方式结构简单,冲击小,但耦合效率低。
转矩耦合方式的特点是发动机的转矩可控,而发动机转速不可控。通过控制电机转矩的大小来调节发动机转矩,使发动机工作在最佳油耗曲线附近。转矩耦合方式结构简单,传动效率高,而且无需专门设计耦合机构,便于在原车基础上改装。
二、转速耦合转速耦合式动力系统是指2个(或多个)动力源的输出动力在耦合过程中两个动力源的输出转速相互独立,而输出转矩必须互成比例,最终的合成转速是2个动力源输出转速的耦合叠加,合成转矩则不是2个动力源输出转矩的叠加的系统。合成转速为
转速耦合方式可以通过行星齿轮和差速器等方式实现。
(1)行星齿轮耦合方式行星齿轮耦合方式是一种普遍采用的动力耦合方式,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。这种耦合方式结构简单,传动效率高,混合度高,并且还可以实现多种形式驱动动力切换过程中冲击力小,但整车驱动控制难度较大。如图12-41所示为行星齿轮耦合方式。
(2)差速器耦合方式差速器耦合方式是行星齿轮耦合的一种特殊情况,其耦合方式与行星齿轮耦合方式基本类似,只是两者对发动机和电机的动力性能要求不同,从而导致动力混合程度不同。差速器耦合要求发动机和电机动力参数相当,动力混合程度比较高。
如图12-42所示为差速器耦合方式。
转速耦合方式的特点是发动机的转矩不离合制动器可控,发动机的转速可以通过对电机的转速调整而得到控制。在行驶过程中采用转速耦合方式的混合动力电动汽车,可以通过调整电机转速来调节发动机转速,使发动机在最佳油耗曲线附近工作。即使在发动机的工作点不变的情况下,通过连续调整电动汽车电机转速,也可以使车速连续变化,因此,采用转速耦合方式的混合动力电动汽车无需无级变速器便可以实现整车的无级变速。
三、功率耦合功率耦合方式的输出转矩与转速分别是发动机与电机转矩和转速的线性和,
因此发动机的转矩和转速都可控。
在采用功率耦合方式的混合动力电动汽车中,发动机的转矩和转速都可以自由控制,而不受汽车工况的影响。因此,理论上可以通过调整电机的转速和转矩,使发动机始终处在最佳油耗点工作。但实际上,频繁调整发动机工作点也可能会使经济性有所下降,因此,通常的做法是将发动机的工作点限定在经济区域内,缓慢调整发动机的工作点,使发动机工作相对稳定,经济性能提高。采用功率耦合方式的混合动力电动汽车理论上不需要离合器和变速器,而且可实现无级变速。与前两种耦合系统相比,功率耦合方式无论是对发动机工作点的优化,还是在整车变速方面,都更具优越性。丰田普锐斯混合动力电动汽车采用的单/双行星排混合动力系统、雷克萨斯RX400h混合动力电动汽车采用的双行星排混合动力系统,都属于功率耦合方式。
雷克萨斯RX400h混合动力电动汽车的动力耦合系统如图12-43所示,发动机和电机M1通过前排行星齿轮进行转速耦合,通过速度合成实现电机M1对发动机转速的调节,使发动机转速与车速相独立,实现动力耦合器功能,转速合成之后的动力在与M2电机的动力形成转矩耦合。混合耦合方式汇集了转矩和转速耦合方式的优点,能实现多种工作模式,可以充分发挥混合动力电动汽车节能减排的优势。虽然结构复杂,控制困难,但随着制造技术和控制技术的发展,这种耦合方式已经成为混合动力电动汽车的发展趋势。
四、牵引力耦合牵引力耦合方式是指发动机驱动前轮(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耦合在一起。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等多种驱动方式,但整车的驱动控制
更为复杂,适合于四轮驱动各种动力耦合方式的比较见表12-2。
