摘"要：動力耦合是“電動汽車技術(shù)”課程的重點和難點內(nèi)容，實驗環(huán)節(jié)對學生的理解和掌握非常重要，實驗教學設(shè)計直接影響教學效果。本文提出“電動汽車技術(shù)”課程動力耦合實驗教學內(nèi)容和方法的設(shè)計，通過教學后的學生反饋，設(shè)計的教學效果較好，可為電動汽車相關(guān)內(nèi)容的實驗教學提供參考，具體教學可根據(jù)學生學習情況和課程內(nèi)容做適當調(diào)整。

關(guān)鍵詞：實驗教學；內(nèi)容和方法；電動汽車技術(shù)；動力耦合

中圖分類號：G420；U469.72""文獻標識碼：A

“電動汽車技術(shù)”是車輛工程和交通運輸?shù)认嚓P(guān)專業(yè)的專業(yè)課程，內(nèi)容包含了純電動汽車、增程式電動汽車和混合動力汽車等內(nèi)容。純電動汽車的動力源是電動機，增程式和混合動力汽車是發(fā)動機和電動機。超過一個動力源時，需要對動力源提供的動力進行分配控制，其中有電子控制和機械控制兩種。并聯(lián)式電動汽車或混聯(lián)式電動汽車的動力源具有并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)動力源通過機械機構(gòu)的聯(lián)結(jié)來控制動力的分配，將發(fā)動機和電動機等的力矩和速度按一定比例關(guān)系耦合分配到驅(qū)動輪的過程就稱為動力耦合。

動力耦合是電動汽車設(shè)計的一個關(guān)鍵技術(shù)，其內(nèi)容是“電動汽車技術(shù)”課程的重點和難點內(nèi)容之一，理論性和實踐性均較強。實踐教學是對理論知識的鞏固和加深理解，也在增加學生學習興趣和主觀能動性方面發(fā)揮重要作用，實驗設(shè)計是否合適將直接影響實驗教學的效果。根據(jù)在動力耦合內(nèi)容的教學和科研中遇到的問題，經(jīng)過不斷調(diào)整教學內(nèi)容和方法，進行實驗教學設(shè)計，達到了較好的教學效果，可為相關(guān)課程和內(nèi)容的實驗教學提供參考。

1"動力耦合知識架構(gòu)

電動汽車動力耦合相關(guān)內(nèi)容的知識構(gòu)架如圖1所示，先是電動汽車總體上聯(lián)結(jié)方式的分類、結(jié)構(gòu)、動力傳遞路線及其控制，以此為基礎(chǔ)，進一步詳細介紹并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動力耦合分類、結(jié)構(gòu)、原理和控制。

圖1"電動汽車動力耦合的知識構(gòu)架

發(fā)動機和電動機是電動汽車的動力來源，二者與車輛驅(qū)動輪的聯(lián)結(jié)方式分為三類：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，如圖1所示。

串聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機與車輛驅(qū)動輪不直接進行機械聯(lián)結(jié)，不直接參與驅(qū)動輪的驅(qū)動，其作用是帶動發(fā)電機發(fā)電，給動力電池充電或給電動機供電。車輛的驅(qū)動輪由電動機單一進行驅(qū)動，不存在發(fā)動機與電動機通過機械部分來進行動力耦合的問題，發(fā)動機可直接通過電子控制來實現(xiàn)各種運行工況和動力輸出。并聯(lián)式混合動力汽車的發(fā)動機和電動機通過機械部分并聯(lián)聯(lián)結(jié)，然后與驅(qū)動輪直接聯(lián)結(jié)，從而共同驅(qū)動車輛驅(qū)動輪，并聯(lián)聯(lián)結(jié)的機械部分需要對力矩和速度等進行動力耦合分配控制?；炻?lián)式結(jié)構(gòu)既包含了串聯(lián)成分，又具有并聯(lián)方式，既可實現(xiàn)串聯(lián)的功能，又可以實現(xiàn)并聯(lián)功能。如圖1，不論并聯(lián)式還是混聯(lián)式電動汽車，均含有并聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在動力耦合的實現(xiàn)，實驗課程主要內(nèi)容是其結(jié)構(gòu)、耦合原理和控制分析。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)有力矩、轉(zhuǎn)速、功率和牽引力等四種耦合形式，各種形式由其結(jié)構(gòu)決定。結(jié)構(gòu)包括由平面定軸輪系、齒輪鏈條或行星齒輪等組成的聯(lián)結(jié)機構(gòu)，以及聯(lián)結(jié)機構(gòu)與發(fā)動機、電動機和驅(qū)動輪的聯(lián)結(jié)方式。聯(lián)結(jié)機構(gòu)確定后，發(fā)動機和電動機通過聯(lián)結(jié)機構(gòu)與驅(qū)動輪聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)方式?jīng)Q定了動力的輸入口和輸出口。聯(lián)結(jié)機構(gòu)在速度、力矩等機械原理上的作用規(guī)律是動力耦合的理論基礎(chǔ)，通過動力輸入和輸出口的確定，可得出力矩和速度等在輸入和輸出口上的動力分配關(guān)系。動力分配關(guān)系確定后，還需要進一步和發(fā)動機、電動機的特性相結(jié)合，在動力耦合基礎(chǔ)上實現(xiàn)電動汽車對發(fā)動機或電動機的控制，從而實現(xiàn)電動汽車的動力性、經(jīng)濟性和排放性等控制目標?？傊?，不同的聯(lián)結(jié)機構(gòu)以及不同的動力輸入輸出口決定了不同的動力耦合作用，不同的耦合作用就決定了電動汽車不同的控制目標。

2"實驗教學內(nèi)容

2.1"教學內(nèi)容設(shè)計

實驗教學內(nèi)容應圍繞著圖1的電動汽車動力耦合知識構(gòu)架進行設(shè)計，以幫助學生理解和掌握這部分內(nèi)容。一般情況下，對于整個課程的學時數(shù)和內(nèi)容，這部分內(nèi)容均安排一個實驗，課時量為兩個學時。實驗學時有限，實驗內(nèi)容不可能涉及理論知識的所有知識點，選擇并聯(lián)聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)和動力耦合原理作為實驗內(nèi)容較為合適。

按講解先后順序，總體上應包含兩部分內(nèi)容，一是并聯(lián)混合動力汽車總體結(jié)構(gòu)和原理，二是動力耦合的結(jié)構(gòu)和原理。前者內(nèi)容包含動力電池、發(fā)動機、電動機、動力耦合部分和各種控制器等，總體性地介紹各部分的位置、聯(lián)結(jié)關(guān)系和基本原理。后者內(nèi)容包括動力耦合部分的分解結(jié)構(gòu)及其與發(fā)動機的聯(lián)結(jié)關(guān)系、并聯(lián)聯(lián)結(jié)機構(gòu)的分解結(jié)構(gòu)及其動力輸入輸出口、并聯(lián)聯(lián)結(jié)機構(gòu)的動力傳遞關(guān)系，前兩個部分是對照實物進行講解，后一個部分要對照實物并結(jié)合理論上的推導進行講解。

2.2"實驗設(shè)備選定

實驗內(nèi)容的確定決定了實驗設(shè)備的選定。實驗設(shè)備承載的教學內(nèi)容應包含并聯(lián)式混合動力的總體結(jié)構(gòu)和動力耦合兩個部分，前者選定為豐田普銳斯混合動力實訓臺架，如圖2，后者選定為混合動力耦合系統(tǒng)解剖實訓臺架，如圖3。

圖2"豐田普銳斯混合動力實訓臺架

圖3"混合動力耦合系統(tǒng)解剖實訓臺架

圖2為整體式臺架，承載的實驗內(nèi)容是從外觀上認識混合動力的總體結(jié)構(gòu)，臺架由發(fā)動機、實訓操控臺、動力耦合器和電機、動力電池、混合動力控制器和整車控制器展板等幾個部分組成。圖2和圖3均為豐田普銳斯混合動力的同種車型，但圖3是圖2的動力耦合部分的分解結(jié)構(gòu)，臺架由三個獨立的部分構(gòu)成：一是由發(fā)動機與耦合器組成的一個整體，為半分解結(jié)構(gòu)；二是動力耦合器部分的全分解結(jié)構(gòu)；三是動力耦合器原理展示板。

2.3"實驗步驟的確定

有了具體的實驗內(nèi)容和實驗設(shè)備，需要設(shè)計合理的實驗步驟。為了更好地完成預設(shè)實驗內(nèi)容的教學，實驗步驟應密切結(jié)合實驗內(nèi)容，并遵循從總體到局部、由淺到深的原則?？傮w上包括以下六個步驟：

步驟一：混合電動汽車總體結(jié)構(gòu)認識；

步驟二：混合電動汽車總體控制原理；

步驟三：混合電動汽車各部分控制器的基本控制原理；

步驟四：發(fā)動機、并聯(lián)聯(lián)結(jié)機構(gòu)和電機組成的半分解結(jié)構(gòu)和基本原理；

步驟五：根據(jù)動力輸入輸出口，推導動力耦合機構(gòu)的動力分配公式，分析原理；

步驟六：動力耦合對發(fā)動機和電動機的控制原理。

此六個實驗步驟作為基本的必需步驟，教學實施或修訂實驗教學大綱時，根據(jù)往屆的相關(guān)教學反饋情況，可做出適當?shù)募毣?、添加或調(diào)整。

3"實驗教學方法

3.1"預習組織

對于重難點內(nèi)容的學習，往往是相關(guān)基礎(chǔ)知識影響了學生的理解和掌握，提前預習所需的基礎(chǔ)知識非常重要。此實驗教學重難點是動力耦合關(guān)系分析，涉及的內(nèi)容包含三部分：一是以組成和結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，確定耦合聯(lián)結(jié)機構(gòu)的動力輸入輸出口；二是在已知動力輸入輸出口情況下，推導出耦合機構(gòu)動力分配關(guān)系；三是分析動力分配關(guān)系在發(fā)動機和電動機控制中發(fā)揮的作用。

動力耦合分配關(guān)系是速度和扭矩在各輸入輸出口上的關(guān)系，其基礎(chǔ)知識是“機械原理”課程中齒輪結(jié)構(gòu)和原理的相關(guān)內(nèi)容。動力分配關(guān)系對發(fā)動機和電動機的控制作用，涉及課程“發(fā)動機原理”的發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性等，以及“電工技術(shù)”課程的電動機特性等內(nèi)容。

上述三門課程是“電動汽車技術(shù)”的前導課程，相關(guān)內(nèi)容對本實驗學習很重要，可組織學生進行課前預習。預習組織可在正式上課之前聯(lián)系各班班干部，建立實驗課程溝通群，列出相關(guān)參考書和預習思考題，使學生有針對性地進行預習。

3.2"現(xiàn)場討論

現(xiàn)場討論有利于營造良好的學習氛圍，使同學們能主動思考，這更加有利于實驗課上的理論知識和實踐的銜接，討論的題目可以是預習布置的思考題，也可以是本次實驗中需要重點分析的一些關(guān)鍵問題。

比如，對于轉(zhuǎn)矩耦合的平面定軸輪系聯(lián)結(jié)機構(gòu)，由機械原理可知，平面定軸輪系主動輪和從動輪的轉(zhuǎn)速比和轉(zhuǎn)矩比都是固定的，為什么是轉(zhuǎn)矩耦合而不是轉(zhuǎn)速耦合呢？授課過程中發(fā)現(xiàn)，這個問題是很多同學疑惑的地方，經(jīng)過現(xiàn)場分組討論，有些組能討論出問題的答案，即使不能討論出答案的組，也能夠?qū)栴}認識更加深刻，離答案也只是一步之遙，教師只要點撥齒輪副的齒輪均為主動輪這一點，學生在討論的基礎(chǔ)上很快就會明白其中原理和區(qū)別，問題迎刃而解。

3.3"翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂對學生是個考驗，能很好地激起同學們的學習興趣，使學生發(fā)揮主觀能動性。選擇實驗的一個重要內(nèi)容作為翻轉(zhuǎn)課堂，對促進同學們學習和活躍課堂氣氛非常有益，比如轉(zhuǎn)速耦合的原理和控制作用，上課前在學習群里事先布置，上課將隨機找同學來講。

為了將這部分內(nèi)容講好，同學們就需要認真思考轉(zhuǎn)速耦合的結(jié)構(gòu)、原理和控制等各方面內(nèi)容，同樣會思考轉(zhuǎn)速耦合與轉(zhuǎn)矩耦合、功率耦合、牽引力耦合的區(qū)別，弄清楚這些知識點就要帶著一點壓力去準備，壓力就會轉(zhuǎn)化為動力。

3.4"公式板書推導

實驗內(nèi)容中如果需要公式作為理論支撐，教師對公式進行板書推導是必要的，可引導學生跟上教師思路去思考，幫助學生加深理解和增加學習信心。動力耦合原理以耦合聯(lián)結(jié)機構(gòu)的動力學原理為基礎(chǔ)，涉及耦合機構(gòu)的動力學公式推導。比如平面定軸輪系聯(lián)結(jié)機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩耦合，如圖4，發(fā)動機和電動機作為動力輸入端口，發(fā)動機輸入轉(zhuǎn)矩T1和轉(zhuǎn)速ω1，電動機輸入T2和ω2，輸出端口是驅(qū)動輪，輸出T3和ω3。

圖4"平面定軸輪系的轉(zhuǎn)矩耦合結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)功率平衡原理，輸入功率等于輸出功率，得到式（1）：

T3ω3=T1ω1+T2ω2（1）

等式兩邊同除ω3，并令k1=ω1/ω3，k2=ω2/ω3，得到式（2）：

T3=k1T1+k2T2（2）

對于平面定軸輪系，設(shè)計參數(shù)確定后，k1、k2為確定的傳動比。

由式（2）可知，T3為驅(qū)動輪載荷轉(zhuǎn)矩，其為T1、T2的線性和。而T1、T2分別為發(fā)動機和電動機輸入的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它們彼此獨立輸入，也就是說二者可分別進行單獨控制，故稱為轉(zhuǎn)矩耦合。

公式的推導進一步使發(fā)動機和電動機的控制分析變得明確，在外界需要載荷轉(zhuǎn)矩T3一定時，只要提供的T1、T2的線性和達到即可，此時就可通過控制電動機的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機工作在最佳油耗附近，從而發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩可控。而ω3=ω1/k1=ω2/k2，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和電動機、驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速都存在固定的比例關(guān)系，受多種因素影響而隨時變化，故不可控。

由式（2）還可進一步說明轉(zhuǎn)矩耦合不同結(jié)構(gòu)的動力耦合情況。如果驅(qū)動輪和電機同軸，則k2=1；如果是磁場耦合方式，則k1=k2=1。

結(jié)語

本文對電動汽車課程中的動力耦合實驗進行設(shè)計，包括內(nèi)容、實驗設(shè)備和教學方法，根據(jù)內(nèi)容舉出例子，并進行了分析。本文僅對實驗教學內(nèi)容進行了闡述，具體知識點的授課內(nèi)容并沒有展開。實踐教學是鞏固和掌握理論知識不可缺少的重要環(huán)節(jié)，希望設(shè)計能為相關(guān)課程的教與學提供借鑒和參考，提高動力耦合實驗的教學效果。

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