作者 | 吳為理，張雄，李東東，趙江靈/廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院
來源 | 寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司官網(wǎng)
混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要分3類：串聯(lián)式(Series Hy．brid)、并聯(lián)式(Parallel Hybrid)和混聯(lián)式(Series．parallel Hy．brid)。其中串聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量流相對(duì)簡(jiǎn)單，文獻(xiàn)將該串聯(lián)式系統(tǒng)的耦合方式稱為電耦合：而并聯(lián)式和混聯(lián)式的動(dòng)力系統(tǒng)中都存在直接的機(jī)械能耦合，根據(jù)耦合方式和運(yùn)動(dòng)特性不同。機(jī)械耦合又可分為轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合。轉(zhuǎn)矩耦合是指各動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)矩獨(dú)立，轉(zhuǎn)速符合一定的比例關(guān)系。動(dòng)力耦合輸出的轉(zhuǎn)矩等于各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩的線性和。常見的機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性如圖1所示。在忽略能量損耗的穩(wěn)定工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩耦合的輸出功率應(yīng)等于其輸入功率之和。轉(zhuǎn)速耦合是指各動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速相互獨(dú)立。而轉(zhuǎn)矩則成一定比例關(guān)系，動(dòng)力耦合輸出的轉(zhuǎn)速等于各動(dòng)力源轉(zhuǎn)速的線性和。常見的機(jī)械轉(zhuǎn)速耦合有行星齒輪耦合、定子浮動(dòng)式電機(jī)耦合等，以下以單排行星齒輪結(jié)構(gòu)為例分析轉(zhuǎn)速耦合的運(yùn)動(dòng)特性。根據(jù)行星齒輪運(yùn)動(dòng)特性。轉(zhuǎn)速耦合裝置的各轉(zhuǎn)速關(guān)系可表示為：為更直觀地了解圖2所示行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速耦合的轉(zhuǎn)速關(guān)系和功率流向，可轉(zhuǎn)化為圖3。圖3(a)所示為單排行星齒輪3個(gè)輸入輸出端的轉(zhuǎn)速關(guān)系，可通過任意調(diào)節(jié)其中2個(gè)轉(zhuǎn)速達(dá)到滿足第3個(gè)轉(zhuǎn)速要求的效果；當(dāng)3個(gè)端口轉(zhuǎn)速方向一致時(shí)，可完成圖3(b)或與圖3(b)相反的功率分流或耦合。因此，通過改變輸入轉(zhuǎn)速的方向?qū)崿F(xiàn)更多的動(dòng)力傳遞路徑。目前市場(chǎng)上常見的混合動(dòng)力汽車機(jī)電耦合系統(tǒng)有轉(zhuǎn)矩耦合、轉(zhuǎn)速耦合、同時(shí)含轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合。如舍弗勒P2系統(tǒng)和本田i-MMD采用的是轉(zhuǎn)矩耦合．科力遠(yuǎn)CHS采用的轉(zhuǎn)矩耦合方式．豐田THS和通用Volt則同時(shí)采用了轉(zhuǎn)速耦合和轉(zhuǎn)矩耦合，而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合的裝置則以定軸齒輪和行星齒輪為主。因此，參考機(jī)械式變速器的定義，將采用不同耦合裝置的機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型分為固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)和行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)。固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)是指所有軸的旋轉(zhuǎn)中心固定不變的機(jī)電耦合系統(tǒng)。而根據(jù)集成電機(jī)數(shù)量的不同又可分為單電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)和雙電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上主流的單電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)主要有舍弗勒P2、比亞迪秦等混合動(dòng)力系統(tǒng)：而主流的雙電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)主要有本田i-MMD、三菱歐藍(lán)德PHEV前驅(qū)系統(tǒng)等。如圖4所示，整個(gè)機(jī)電耦合系統(tǒng)采用定軸齒輪進(jìn)行．通過控制離合器改變發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，從而實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)模式，且所有傳動(dòng)均為定速比傳動(dòng)。該結(jié)構(gòu)在中高速時(shí)可由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛，在低速時(shí)以EV或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式為主．因此可同時(shí)兼顧不同車輛工況下的動(dòng)力系統(tǒng)效率，以降低能耗。在混合動(dòng)力模式下，為了提高燃油效率。系統(tǒng)會(huì)考慮SOC、車速等條件。在Ev、串聯(lián)混合動(dòng)力、并聯(lián)混合動(dòng)力之中選擇燃油效率最好的模式；在SOC偏低的狀態(tài)下。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式后，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，發(fā)電也會(huì)同步進(jìn)行。從而提升SOC。當(dāng)SOC上升到一定程度后，發(fā)動(dòng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)，切換到EV模式行駛。
2.2 行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)是指采用行星齒輪進(jìn)行動(dòng)力耦合和傳動(dòng)的機(jī)電耦合系統(tǒng)。采用行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車一般為雙電機(jī)系統(tǒng)．豐田THS、通用Volt、科力遠(yuǎn)CHS等均為行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)。各行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在采用的行星齒輪的型式和數(shù)量。如豐田THS采用單個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)，新一代通用Volt則采用雙行星齒輪進(jìn)行動(dòng)力耦合。而科力遠(yuǎn)CHS采用的是復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)。如圖5所示，Volt整個(gè)機(jī)電耦合系統(tǒng)含3個(gè)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)，其中主要有1個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)(R1／C1／S1)用于動(dòng)力耦合。通過3個(gè)離合器的控制。可實(shí)現(xiàn)多種不同動(dòng)力傳遞路徑和驅(qū)動(dòng)模式。由于行星齒輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速耦合。輸入輸出轉(zhuǎn)速彼此解耦，可實(shí)現(xiàn)更多的動(dòng)力傳遞路徑和驅(qū)動(dòng)模式。動(dòng)力傳遞路徑也更為復(fù)雜。由表2可知：Volt較i-MMD多出2個(gè)混合驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)SOC偏低時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)車速、油門信號(hào)等條件。在混動(dòng)模式1、發(fā)動(dòng)機(jī)定速比驅(qū)動(dòng)、混動(dòng)模式2之中選擇兼顧系統(tǒng)效率和動(dòng)力輸出的模式。從而在任意工況下保證良好的整車經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。根據(jù)前文對(duì)轉(zhuǎn)速耦合的特性分析。可將3種驅(qū)動(dòng)模式的工作原理用圖6示意，其中混動(dòng)模式1、混動(dòng)模式2還具有無級(jí)變速功能；從圖中3種模式的耦合特性可看出：混動(dòng)模式1、發(fā)動(dòng)機(jī)定速比驅(qū)動(dòng)、混動(dòng)模式2一般用于低、中、高車速工況。
3. 機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型評(píng)價(jià)混合動(dòng)力汽車發(fā)展的主要優(yōu)勢(shì)和目的是節(jié)能減排，在保證良好的動(dòng)力性前提下盡量降低整車油耗和排放，因此機(jī)電耦合系統(tǒng)的評(píng)價(jià)主要基于是否有利于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，從而降低油耗和排放，同時(shí)保證良好的動(dòng)力性能。采用固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車可實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)模式較少，主要耦合方式有電耦合和轉(zhuǎn)矩耦合。電耦合時(shí)，可獨(dú)立控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)區(qū)域，但能量經(jīng)2次轉(zhuǎn)化后?？傮w效率將有所降低。轉(zhuǎn)矩耦合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩可控。轉(zhuǎn)速不可獨(dú)立控制，因而可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域；為定速比傳動(dòng)，不可變速，可增加多擋位設(shè)置使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量運(yùn)行在更小更精確的經(jīng)濟(jì)區(qū)域。固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式動(dòng)力傳遞路徑比較單一?？刂葡鄬?duì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，也方便在傳統(tǒng)車現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改裝。3.2 行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)采用行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車可實(shí)現(xiàn)更多的混合驅(qū)動(dòng)模式，以轉(zhuǎn)速耦合為主，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可獨(dú)立控制，轉(zhuǎn)矩不可控?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，也可通過連續(xù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速使車速連續(xù)變化，具有無級(jí)變速的特性。可通過實(shí)現(xiàn)不同的混動(dòng)模式．改變動(dòng)力傳遞路徑，以在不同工況均保持較高的系統(tǒng)效率。行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，具有更多的混動(dòng)模式和動(dòng)力傳遞路徑，系統(tǒng)效率可維持在一個(gè)較高的水平。同時(shí)具有無級(jí)變速功能，無須再單獨(dú)設(shè)置變速器。
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