混合動(dòng)力車(chē)輛自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景

林夢(mèng)

摘 要：車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)是鏈接動(dòng)力輸入單元（發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)）與行駛系系統(tǒng)（車(chē)輪）的結(jié)構(gòu)，直接影響著車(chē)輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。其能量傳遞方式和傳遞路徑具有較高的研究?jī)r(jià)值。分析了混合動(dòng)力車(chē)輛的動(dòng)力特點(diǎn)，介紹了多種用于混合動(dòng)力汽車(chē)的傳動(dòng)形式及其性能特點(diǎn)，并預(yù)測(cè)了混合動(dòng)力車(chē)輛自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力車(chē)輛；傳動(dòng)系統(tǒng)；新能源；內(nèi)燃機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.024

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人類(lèi)社會(huì)的快速工業(yè)化，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題已成為阻礙可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題。綠色能源和節(jié)能減排成為許多工業(yè)領(lǐng)域，尤其是汽車(chē)行業(yè)倡導(dǎo)的一種發(fā)展理念。作為世界最大的汽車(chē)市場(chǎng)之一——中國(guó)，隨著2001年“十五”計(jì)劃明確提出發(fā)展新能源汽車(chē)工業(yè)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注和參與中國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展。

1 新能源汽車(chē)簡(jiǎn)介

新能源汽車(chē)，是指使用一種或以上非傳統(tǒng)化石燃料（柴油、汽油）的新能源為動(dòng)力的汽車(chē)，新的動(dòng)力可替代傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機(jī)（ICE），或采取與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)共同工作的方式，從而驅(qū)動(dòng)車(chē)輛正常行駛。目前，新能源汽車(chē)主要包括純電動(dòng)汽車(chē)（EV）、油電混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）、燃料電池汽車(chē)（FCEV）和液化天然氣動(dòng)力汽車(chē)（CNG）等。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)的傳動(dòng)形式及性能特點(diǎn)

油電混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）指的是采用內(nèi)燃機(jī)（ICE）和電動(dòng)機(jī)（MG）兩種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，其特點(diǎn)是充分發(fā)揮了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和電驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性，具有很高的自由度，布置靈活，可根據(jù)車(chē)輛的不同動(dòng)力性需求設(shè)計(jì)傳動(dòng)形式。因此，研究其自動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)有著很高的研究?jī)r(jià)值。

油電混合汽車(chē)的特點(diǎn)在于其動(dòng)力輸出系統(tǒng)由內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)共同組成，內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)在組合動(dòng)力輸出方面有著非常靈活的選擇性。根據(jù)現(xiàn)有對(duì)混合動(dòng)力車(chē)輛傳動(dòng)形式的研究，其主要的傳動(dòng)形式可概括為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型。

2.1 串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)

串聯(lián)型的特點(diǎn)在于發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋是串聯(lián)的。串聯(lián)型的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式采用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，將化石燃料的化石能轉(zhuǎn)化成為電能，進(jìn)而儲(chǔ)存或直接供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋直接采用的不是機(jī)械的固態(tài)鏈接，而以電能為介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)能量在化石能、機(jī)械能、電能與機(jī)械能間的傳遞。在自動(dòng)變速器方面，由于串聯(lián)型混合動(dòng)力可簡(jiǎn)化地將發(fā)動(dòng)機(jī)看作一種電源裝置，車(chē)輛由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。由于電動(dòng)機(jī)在動(dòng)力學(xué)方面具有的特點(diǎn)，能很好地滿(mǎn)足車(chē)輛行駛的功率需求。因此，串聯(lián)型混合動(dòng)力車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)可省略或僅需針對(duì)少數(shù)特殊工況設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。

2.2 并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)

并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)均通過(guò)某種類(lèi)型的變速器與車(chē)輪有直接的連接。這種結(jié)構(gòu)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速受到車(chē)速的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著電機(jī)輔助而增加。并聯(lián)方式的發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)速的關(guān)聯(lián)使其在控制車(chē)輛排放方面不比串聯(lián)方式，但這種連接方式可利用電機(jī)平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)在更高的效率區(qū)域工作。并聯(lián)型混合動(dòng)力車(chē)有2種基本類(lèi)型：以發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，電機(jī)助力；以電機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，發(fā)動(dòng)機(jī)助力。由于只有1個(gè)電機(jī)，并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)的成本低于串聯(lián)型，但因發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間采用物理連接，導(dǎo)致并聯(lián)型控制比串聯(lián)型復(fù)雜得多。

2.3 混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)

混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)的適應(yīng)性強(qiáng)，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。豐田公司在混聯(lián)式混合動(dòng)力方面獲得了一定的成果。THS-II是一種典型的混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力總成，其旗艦車(chē)型“普銳斯”推出了PRUISI、II、III三個(gè)系列的車(chē)型，均采用混聯(lián)式的布置方案。此外，德國(guó)寶馬公司、戴姆勒奔馳公司和美國(guó)通用公司也相繼推出了混聯(lián)式混合動(dòng)力產(chǎn)品。

單星帶傳動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)減振器與單星排的行星架相連，電動(dòng)機(jī)與太陽(yáng)輪、齒圈相連。其中，行星排的齒圈和行星輪的直接動(dòng)力可以分離，齒圈為系統(tǒng)輸出，通過(guò)帶輪實(shí)現(xiàn)減速增距，以滿(mǎn)足汽車(chē)行駛的需求?！半p星傳動(dòng)式”采用2個(gè)平行的行星排，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)電動(dòng)機(jī)直接的功率分配，其主要代表車(chē)型為豐田“普銳斯”第 III 代混合動(dòng)力轎車(chē)。單星CVT式變速機(jī)由1個(gè)行星排和1個(gè)CVT 機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且僅需要1個(gè)電動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力。該方案將行星齒輪機(jī)構(gòu)與金屬帶式CVT相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了功率分流和無(wú)級(jí)變速。其中，部分功率經(jīng)CVT傳遞至輸出端，提高了傳動(dòng)效率。該方案無(wú)須電動(dòng)機(jī)參與調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了全機(jī)械傳動(dòng)，不存在能量轉(zhuǎn)換，效率高；不足之處為速比范圍較小、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的最低穩(wěn)定車(chē)速較大。

3 混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)

油電混合動(dòng)力的傳動(dòng)系統(tǒng)是基于車(chē)輛行駛需求的，可實(shí)現(xiàn)化石能和電能的功率分流和匹配的系統(tǒng)。其發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下3點(diǎn)：①動(dòng)力鏈接方式多元化。隨著混合動(dòng)力車(chē)輛的發(fā)展，各動(dòng)力直接的匹配越來(lái)越趨向單一化，匹配方案不再簡(jiǎn)單地以串聯(lián)型和并聯(lián)型進(jìn)行劃分。②傳動(dòng)系統(tǒng)更加緊湊。隨著行星排的巧妙利用，傳動(dòng)系統(tǒng)的變速機(jī)構(gòu)更加緊湊。通過(guò)對(duì)各行星排之間自由度的約束，可實(shí)現(xiàn)多檔間的可靠性換擋。③基于電機(jī)的輔助作用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的無(wú)極傳動(dòng)。混合動(dòng)力汽車(chē)可以通過(guò)行星機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的補(bǔ)充，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出范圍盡可能地貼合路面行駛需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)能在較為經(jīng)濟(jì)的工況下實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，同時(shí)，延長(zhǎng)車(chē)輛的續(xù)駛里程。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕