问题18 插电式混合动力汽车机电耦合系统的工作原理是什么？

对四种不同的插电式混合动力汽车机电耦合系统的原理介绍如下。

1．转矩耦合系统

传动系统耦合是混合动力电动汽车较早采用的一种动力耦合方式，如东风公司EQ7200基于机械式自动变速器（AMT）的耦合系统，日本五十铃公司小型混合动力载货车ELF基于动力输出轴（PTO）的耦合系统，福特公司基于主减速器的机电耦合系统，以及一些基于双驱动桥间的耦合系统，都采用如图2-17所示的传动系耦合系统，且在稳态下都可简化为

式中，i_c1和η_c1分别为从发动机输出轴到机电耦合装置输出轴的传动比和传动效率；i_m1和η_m1分别为从电机输出轴到机电耦合装置输出轴的传动比和传动效率。

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

显然，该系统满足转矩耦合条件，但不满足转速耦合条件，属于转矩耦合系统。

利用电机进行动力耦合也是目前采用较多的机电耦合方式，最为典型的是本田Insight的IMA系统、长安的ISG系统等。这些系统都可简化为图2-17b所示的电机耦合系统，且有

显然，该系统也可以满足转矩耦合条件，但不满足转速耦合条件，因此也属于转矩耦合系统。

由式（2-1）～式（2-6）可知，转矩耦合系统的输出转速与发动机及电机转速之间成固定比例关系，而系统的输出转矩是发动机和电机转矩的线性和。因此，在汽车行驶过程中，发动机的转速不可控，而转矩可以通过电机的转矩调整得到控制。

2．转速耦合系统

行星排是混合动力汽车机电耦合系统中经常使用的机构，按照形式不同又可分为单行星排、双行星排和多行星排。北京理工大学与波兰华沙工业大学联合研制出混合动力汽车用紧凑型行星传动混合动力装置，其原理如图2-18a所示，显然稳态下其输入/输出之间有如下关系

式中，k为齿圈与太阳轮的齿数比；η_s、η_r、η_c分别为太阳轮、齿圈和行星架的传动效率。

根据设计需要，还可以将系统的两个输入和一个输出与行星排的S、R和C之间任意组合，从而衍生出更多的形式，但输入/输出量之间的关系都与式（2-7）和式（2-8）相同，只是系数不同而已。

定子浮动式电机是另一类比较典型的耦合系统，如图2-18b所示，稳态下输入与输出间的关系为

式中，n_R、n_S分别为转子和定子的转速。

由上述方程可知，这两类系统都可以使转速耦合条件得到满足，但转矩耦合条件不能满足，因此都属于转速耦合系统。

由式（2-7）～式（2-10）可知，转速耦合系统的输出转矩与发动机和电机转矩成比例关系，系统的输出转速是发动机和电机转速的线性和。因此，在汽车行驶过程中，发动机的转矩不可控，发动机的转速可以通过对电机的转速调整而得到控制。

3．功率耦合系统

丰田普锐斯采用图2-19a所示的单行星排耦合系统，其中电机1为发电机，电机2为电动机，其输入与输出之间的关系为

雷克萨斯的混合动力SUV RX400h采用图2-19b所示的双行星排机电耦合系统，其中电机1为发电机，电机2为电动机。分析可知，其输入输出之间关系在形式上与普锐斯相同，只是系数不同。

瑞典皇家工学院提出了一种双转子电机耦合系统，如图2-19c所示。根据该结构原理，建立其输入与输出之间的关系式为

由式（2-11）～式（2-14）可知，这三类系统都能使转矩耦合条件和转速耦合条件同时得到满足，因此都属于功率耦合系统。

功率耦合系统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。

4．双模式耦合系统

德克萨斯农机大学开发的混合动力汽车采用一种双模式电机耦合系统，它由一个定子浮动式电机和三个离合器组成，其连接关系可以简化，如图2-20a所示。该系统可为汽车提供两种混合驱动模式。

①转矩耦合模式：CL₁接合，CL₂分离，CL₃接合。此时该系统就变成了图2-17b中的电机耦合系统，因此称为转矩耦合模式。

②转速耦合模式：CL₁分离，CL₂接合，CL₃分离。此时该系统就变成了图2-18b中的定子浮动式电机耦合系统，因此称为转速耦合模式。

美国通用公司开发出一种基于双行星排的双模式机电耦合系统AHS-2，如图2-20b所示，该系统可以为车辆提供两种混合驱动模式。

①低速模式：当车辆在城市道路或轻载状况下行驶时，CL₁分离，CL₂接合。此时行星排1处于差动状态，行星排2处于转矩合成状态，机电耦合系统工作于低速模式。

②高速模式：当车辆在高速公路或重载条下行驶时，CL₁接合，CL₂分离。此时行星排1、2都处于差动状态，机电耦合系统工作于高速模式。

按照上述分析，容易推导出两种模式下的耦合系统输入与输出之间的关系方程式，其形式都与图2-19b所示的双行星排功率耦合系统相同，因此这两种模式下的耦合方式都属于功率耦合。