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离，发动机输出功率一方面包括汽车征程运行状态下所需功率，此时耦合机构数学模型的约束条件为：发动机转速=电动机转速；另一方面，功率也分配到电机中，电机充当发电机对电池进行充电[4]。满足公式Te-Tm-T=（J1+J2）·。

2.2 混合动力系统耦合结构设计

2.2.1 湿式多片离合器的设计

后备系数推荐值为1.2，湿式多片离合器传递的扭矩是50Nm，传递扭矩 Tt取值为 50Nm；摩擦片机械部分的计算转矩为6000Nm，摩擦盘工作面的平均直径/外直径/内直径分别为12.8/13.5和12.1cm，摩擦盘宽度是0.7cm，摩擦面对数和压强分别是4、83.3N/cm2；结合摩擦片液压结构的计算结果，具体参数设计如下：密封圈摩擦阻力是71.2N，活塞缸压紧力是3897.8N，静止缸复位弹簧力为349.8N；摩擦片渐开线式花键的具体参数为：内花键的齿数为30，内外径分别是114.5和120.6mm，齿厚为1.6mm。外花键的齿数为24，内外径分别是135和140mm，齿厚为1.8mm。

2.2.2 压盘的设计

压盘采用20CrMo材质，深度是0.3到0.5mm，内径是67mm，外径是132mm，厚度是5mm，表面淬火HRC58-62。

2.2.3 回位弹簧的设计

选用圆柱螺旋式RY1的热卷压缩弹簧，材质为60Si2Mn，许用切应力值为590MPa，钢丝直径为1mm，弹簧内/外径分别为6mm和8mm，有效圈数是4.9。

2.2.4 轴的设计

离合器输入/出轴采用的分别是20CrMo、40Cr，输出轴最小半径为 25mm。

3 汽车混合动力系统耦合机构仿真

在汽车CVT式混合动力系统耦合机构的仿真试验中，应用到MATLAB/Simulink 仿真平台，借此建立相应模型，通过汽车不同模式切换的特性和原理，检验相应的控制策略，分析全新耦合机构方案的性能。

3.1 混合动力汽车前向仿真模型

基于前向仿真建模法，对整车前向仿真模型进行搭建，初步验证模式切换中扭矩协调控制策略，仿真步长固定为0.01秒。同时，还要明确包含目标扭矩、协调控制算法、边界条件在内的控制策略顶层模型，结合电起机运行原理，创建汽车由纯电动模式到发动机模式转换时的控制模型[5]。

在该混合动力汽车耦合机构模型中，控制模块Stateflow能够实现各模块间的平滑转化，呈现出不同的状态，具体包括：特定发动机转速下点火状态、电机扭矩补偿状态、纯电动状态、离合器抵抗发动机启动阻力矩状态等。耦合机构中电起机处在变化的状态中，不同状态下的参数也会随之改变，同离合器相互配合，合理调整动力源，保证发动机、电机及离合器彼此间的有效配合运行，使汽车发动机的启动速度大大缩减，冲击性更小。

3.2 仿真分析

以上述方针模型为基础，在对CVT式混合动力系统耦合机构进行仿真分析时候，可以开展纯电动模式转化为发动机驱动模式的仿真研究，获取生成动力性模式分析结果。

根据图5中的方针实验结果，能够得知：汽车在纯电动工况下，加速踏板初始开度是0.2，切换到依靠发动机进行驱动的工况后，其开度提高到0.4，由最初55Nm的需求扭矩变为103Nm，同时汽车电机、离合器及发动机彼此配合，保障汽车稳定运行。就仿真试验中发动机动力性曲线进行分析，加速踏板开度达到0.4后，发动机转速约为4800r/min，汽车动力较强，满足了运行要求。在5.8s后，混合动力系统控制器会对电器机指令进行发布，不断接合离合器，同时离合器控制器也能够根据加速踏板的具体变化、开度，控制主动盘和从动盘的转速，此时对应的瞬间冲击度是2m/s3。由此能够说明，汽车CVT式混动动力系统耦合机构在离合器车模糊控制策略下，能够有效完成不同工况的切换，使驾驶员可以更好的控制汽车运行。

此外，在混合动力汽车的发动机启动之后，电机斜率持续降低，最终保持关闭状态，但发动机扭矩会持续增大，借助电机进行扭矩补偿，使离合器输入扭矩保持稳定状态。CVT式混合动力系统耦合机构下，电机输出扭矩在7.8s时达到极限值，约为109Nm，电机扭矩持续降低，而发动机输出正扭矩。7.9s时，耦合机构湿式多片离合器完全接合，电机扭矩降到零，汽车由发动机进行单独驱动。

混合动力汽车耦合机构纯电动模式CVT速比值是2.54，但10s后不断变化，在20s时速左右时固定位1.5。纯电动、发动机单独驱动两大模式切换耗时2.2s，对应扭矩波动值从-10Nm到10Nm，冲击度绝对值小于8m/s3，达到了规范冲击度标准。

混合动力汽车耦合机构动力性模式与上述经济性模式相似，需要让发动机转速保持为3000r/min，CVT速比值在8s时发生改变，20s后达到固定值，约为1。CVT式混合动力系统耦合机构的经济性模式仿真图详见图6。

混合动力汽车在模块切换的过程中，电机转速降低，而由于发动机扭矩、转速的增大，单项离合器会使电机转速也随之增大。由于不同模式切换后，速比和车速均发生了改变，需求扭矩不断降低。根据混合动力系统耦合机构仿真试验的具体结果，能够发现全新耦合机构的扭矩控制策略可以保证汽车节能性及动力性的要求，在启动和行使过程中不会出现较大的冲击力，维持了汽车的稳定性。

此外，在仿真实验过程中，还应在测功机未加载的前提下，开展行驶状态中起动发动机试验、不同车速/坡度的行进间起动发动机试验。结果表明：多种条件下，全新CVT式耦合机构可以保证不同运行模式的有效切换。

4 结语

本研究所设计的新型CVT式混合动力系统耦合机构工作模式齐全、结构紧凑、控制便利，促进耦合机构朝着功能完善、空时先进的方向发展，组建出相应的混合动力系统，能够借助扭矩协调控制策略来提升整车平顺性、动力性，保障了汽车不同模式的切换品质。

参考文献：

[1]窦海石，魏洪乾，艾强，等.双流耦合构型混合动力拖拉机旋耕工况控制策略研究[J].农业机械学报，2024，55（02）：393-400+414.

[2]方瑞莲，蔡强，张维果，等.串联式混合动力汽车动力耦合控制策略研究[J].专用汽车，2023（07）：23-25.

[3]张安伟，祁宏钟，赵江灵，等.混合动力机电耦合系统效率优化分析[J].汽车零部件，2021（11）：1-8.

[4]刘盛.多模功率分流式混合动力汽车模式切换特性分析及优化控制[D].杭州：江苏大学，2023.

[5]秦鹏飞，颜长征，王若璜，等.混合动力汽车耦合系统工作模式分析与动态特性研究[J].客车技术与研究，2021，43（01）：12-15+29.