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汽车混合动力系统耦合机构仿真设计

摘要：混合动力汽车由两种或多种储能器、能源及转换器为驱动能源，核心部分为动力耦合机构，其性能直观影响到整车性能。文章主要对汽车混合动力系统耦合机构进行了概述，对新型CVT式混合动力系统耦合机构进行了设计，并在Matlab/Simulink环境下建立仿真模型，研究纯电动模式切换至发动机单独驱动模式时的控制策略科学性，验证新型耦合机制的可靠性、合理性，以期借助可靠、稳定的耦合机构来快速、平稳的启动发动机，保证汽车的有效行驶。

关键词：汽车混合动力系统耦合机构仿真设计

在倡导节能、环保、低碳的新时代背景下，新能源汽车行业发展前景极为广阔，对纯电动汽车及燃料电池汽车关键技术的研发力度逐步加深，推出了解决资源短缺和环境问题的重要方案—混合动力汽车[1]。为了优化混合动力汽车的经济性、动力性和舒适性，优化传动系统的空间布局，必须结合整车性能要求，对动力耦合机构进行科学设计。针对汽车混合动力系统，探究耦合机构仿真设计及整车控制策略，能够更好的指导耦合机构研发工作的开展，促进汽车混合动力系统耦合机构朝着功能完善、控制先进的方向发展。

1汽车混合动力系统耦合机构概述

在汽车混合动力系统开发过程中，耦合机构占据着重要位置，只有从根本上保障耦合机构性能，才能够确保整车性能符合设计要求。汽车混合动力系统的耦合机构功能主要包括：（1）动力耦合功能。动力系统耦合机构可以分解并合成不同动力源的扭矩、转速和功率，让汽车在动力支持下稳定运行。各动力源所输出的动力既然彼此配合也相互独立，协同发挥驱动作用；（2）再生制动功能。该功能是混合动力汽车能源消耗较低的关键，尤其在汽车进行减速、刹车控制的过程中，动能传动系统能够实现电机转子在磁场中的旋转运动，在磁生电原理下产生电流，有效回收制动能量。汽车混合动力系统耦合机构在该功能的支撑下，可以有效连接电机转子机械和驱动轮，并保持发动机和驱动轮二者间的断开状态，使制动能量回收率显著提升；（3）工作模式切换功能。混合动力系统可以结合需求，切换并调整为相应的工作模式，最大限度的减少冲击，使汽车在多种工况下正常行使，具有动力和经济性强的特征；（4）辅助功能。混合动力汽车在最初起步阶段，耦合机构扭矩较大，且电机转速较低。汽车通过变速器倒挡倒车时需要依靠电机来实现，变速器机构更加简洁化。

常见混合动力系统耦合机构包括：ISG型混合动力耦合机构、BSG双电机型混合动力耦合机构、通用Two-mode混合动力耦合机构、丰田THS混合动力耦合机构，不同耦合系统的结构、优点有所差异，在不同工况、工作模式下的稳定运行方面仍存在不足[2]。

2新型混合动力系统耦合机构设计

结合汽车混合动力系统的功能要求，本研究设计出一种新型CVT式混合动力系统耦合机构，可以在多种运行工况下，结合车辆对传动系统的要求，实现系统可靠运行。该混合动力传动系统拥有纯电动、发动机驱动、混合驱动和行车充电四大模式[3]。

2.1混合动力系统耦合机构特性

首先，纯电动模式下耦合机构特性。混合动力汽车在起步或者低速行驶时，电机单独驱动，发动机关闭，单向离合器不工作，湿式多片离合器分离，电机提供整个汽车的驱动力。ISG电机将动力以此至CTV变速器、车轮，使汽车正常启动。该模式下，汽车动力系统耦合机构的数学模型的约束条件为：发动机扭矩（Te）=0，湿式多片离合器传递扭矩（Tcl）=0，发动机转速（ωe）=0，且满足公式Tm-T=J2·。其中，Tm为发动机扭矩分配到电动机轴上的扭矩，T为等效到变速器输入端阻力矩，J2为系统湿式多片离合器后端的等效转动惯量。纯电动模式下耦合机构特性详见图1。

其次，发动机驱动模式下耦合机构特性。在汽车发动机驱动模式下，车速较高或驱动力矩需求较大，电机不输出转矩，湿式多片离合器分离，单向离合器传递扭矩，发动机带动电机空转运行。该模式下，耦合机构数学模型为：发动机转速（ωe）=电动机转速（ωm），发动机扭矩分配到电动机轴上的扭矩为零，且满足公式Te-T=（J1+J2）·。其中，J1为系统湿式多片离合器前端党的等效转动惯量。

然后，混合驱动模式下耦合机构特性。汽车处在混合驱动工况下，发动机、电机同时运行，共同输出转矩，满足所需的扭矩，单向离合器不工作，电机和发动机二者扭矩耦合，传输至变速器，满足汽车在运行过程中的速度要求。汽车各元件的转速在混合驱动过程中相同，使动力传动模块能够合成扭矩。该模式下，耦合机构数学模型符合发动机转速=电动机转速，即ωe=ωm，且满足公式Te-Tm-T=（J1+J2）·。

最后，行车充电模式下耦合机构特性。汽车在运行过程中如果出现电量较低的状况，应提高发动机负荷率，借助发动机来带动电机进行发电，从而通过电机提供负转矩。该模式下，发动机驱动，电机发电，单向离合器不工作，且湿式多片离合器分