問題19 插電式混合動力機電耦合系統的原理是什么？

對四種不同的插電式混合動力機電耦合系統的原理介紹如下。

1.轉矩耦合系統

轉矩系耦合是混合動力電動汽車較早采用的一種動力耦合方式，如東風公司EQ7200基于機械式自動變速器（AMT）的耦合系統，日本五十鈴公司小型混合動力載貨車ELF基于動力輸出軸（PTO）的耦合系統，福特公司基于主減速器的機電耦合系統，以及一些基于雙驅動橋間的耦合系統都可以歸為如圖3-7所示的傳動系耦合系統，且在穩態下都可簡化為

式中，i_c1和η_c1分別為從發動機輸出軸到機電耦合裝置輸出軸的傳動比和傳動效率；i_m1和η_m1分別為從電機輸出軸到機電耦合裝置輸出軸的傳動比和傳動效率。

令α_c1 =η_c1i_c1， α_m1 =η_m1i_m1， β_c1 =I/i_c1， β_m1 =I/i_m1，則有

顯然，該系統滿足轉矩耦合條件，但不滿足轉速耦合條件，屬于轉矩耦合系統。

利用電機進行動力耦合也是目前采用較多的機電耦合方式，最為典型的是本田Insight的IMA系統、長安的ISG系統等，這些系統都可簡化為圖3-7b所示的電機耦合系統，且有

顯然，該系統也可以滿足轉矩耦合條件，但不滿足轉速耦合條件，因此也屬于轉矩耦合系統。

由式（3-1）～式（3-6）可知，轉矩耦合系統的輸出轉速與發動機及電機轉速之間成固定比例關系，而系統的輸出轉矩是發動機和電機轉矩的線性和。因此，在汽車行駛過程中，發動機的轉速不可控，而轉矩可以通過電機的轉矩調整得到控制。

2.轉速耦合系統

行星排是混合動力汽車機電耦合系統中經常使用的機構，按照形式不同又可分為單行星排、雙行星排和多行星排。北京理工大學與波蘭華沙工業大學聯合研制出混合動力汽車用緊湊型行星傳動混合動力裝置，其原理如圖3-8a所示，顯然穩態下其輸入輸出之間有如下關系

式中，k為齒圈與太陽輪的齒數比；η_s、η_r、η_c分別為太陽輪、齒圈和行星架的傳動效率。

根據設計需要，還可以將系統的兩個輸入和一個輸出與行星排的S、R和C之間任意組合，從而衍生出更多的形式，但輸入輸出量之間的關系都與式（3-7）和式（3-8）相同，只是系數不同而已。

定子浮動式電機是另一類比較典型的耦合系統，如圖3-8b所示，穩態下輸入與輸出間關系為

式中，n_R、n_S分別為轉子和定子的轉速。

由上述方程可知，這兩類系統都可以使轉速耦合條件得到滿足，但轉矩耦合條件不能滿足，因此都屬于轉速耦合系統。

由式（3-7）～式（3-10）可知，轉速耦合系統的輸出轉矩與發動機和電機轉矩成比例關系，系統的輸出轉速是發動機和電機轉速的線性和。因此，在汽車行駛過程中，發動機的轉矩不可控，發動機的轉速可以通過對電機的轉速調整而得到控制。

3.功率耦合系統

豐田普銳斯采用圖3-9a所示的單行星排耦合系統，其中電機1為發電機，電機2為電動機，其輸入與輸出之間的關系為

雷克薩斯的混合動力SUV RX400h采用圖3-9b所示的雙行星排機電耦合系統，其中電機1為發電機，電機2為電動機，分析可知，其輸入輸出之間關系在形式上與普銳斯相同，只是系數不同。

瑞典皇家工學院提出了一種雙轉子電機耦合系統，如圖3-9c所示。根據該結構原理，建立其輸入與輸出之間關系式為

由式（3-11）～式（3-14）可知，這三類系統都能使轉矩耦合條件和轉速耦合條件同時得到滿足，因此都屬于功率耦合系統。

功率耦合系統的輸出轉矩與轉速分別是發動機與電機轉矩和轉速的線性和，因此發動機的轉矩和轉速都可控。

4.雙模式耦合系統

得克薩斯農機大學開發的混合動力汽車采用一種雙模式電機耦合系統，它由一個定子浮動式電機和3個離合器組成，其連接關系可以簡化，如圖3-10a所示。該系統可為汽車提供兩種混合驅動模式。

①轉矩耦合模式：CL₁接合，CL₂分離，CL₃接合，此時該系統就變成了圖3-7b中的電機耦合系統，因此被稱為轉矩耦合模式。

②轉速耦合模式：CL₁分離，CL₂接合，CL₃分離，此時該系統就變成了圖3-8b中的定子浮動式電機耦合系統，因此被稱作轉速耦合模式。

美國GM公司開發出一種基于雙行星排的雙模式機電耦合系統AHS-2，如圖3-10b所示，該系統可以為車輛提供兩種混合驅動模式。

①低速模式：當車輛在城市道路或輕載狀況下行駛時，CL₁分離，CL₂接合，此時行星排1處于差動狀態，行星排2處于轉矩合成狀態，機電耦合系統工作于低速模式。

②高速模式：當車輛在高速公路或重載條下行駛時，CL₁ 接合，CL₂ 分離，此時行星排1、2都處于差動狀態，機電耦合系統工作于高速模式。

按照上述分析，容易推導出兩種模式下的耦合系統輸入與輸出之間關系方程式，其形式都與圖3-8b所示的雙行星排功率耦合系統相同，因此這兩種模式下的耦合方式都屬于功率耦合。