雙模行星耦合式油電混合動力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

趙升噸，楊雪松，楊紅偉，楊元元

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

雙模行星耦合式油電混合動力系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

趙升噸，楊雪松，楊紅偉，楊元元

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

雙模行星耦合式油電混合動力系統(tǒng)由兩組或三組行星排構(gòu)成，通過對離合器的控制實(shí)現(xiàn)輸入分流式和復(fù)合分流式的切換,使得系統(tǒng)在全速比范圍內(nèi)效率較優(yōu)。文章分析了現(xiàn)有不同類型功率分流式混合動力裝置的輸出特性與系統(tǒng)匹配參數(shù)關(guān)系，論證雙模行星耦合式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)越性，提出了兩種易于結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)構(gòu)型，以杠桿法為基礎(chǔ)、以系統(tǒng)效率為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。

雙模；混合動力；功率分流；行星耦合

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-27-05

前言

汽油內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)混合驅(qū)動的汽車，即油電復(fù)合汽車作為汽柴油車向電動車轉(zhuǎn)化的過渡產(chǎn)品，在接下來的一段時間內(nèi)會在市場上占領(lǐng)很大的份額，并且向多元化發(fā)展。行星耦合式功率分流無級傳動系統(tǒng)是指利用行星機(jī)構(gòu)將發(fā)動機(jī)所傳遞出的功率分流為機(jī)械和電氣兩條路徑進(jìn)行傳遞，并最終匯流驅(qū)動汽車的變速裝置。該系統(tǒng)綜合了無級變速和電動化這兩大技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)電子無級變速的功能，因此也有學(xué)者[1]將其稱為e-CVT結(jié)構(gòu)或EVT結(jié)構(gòu)[2]。功率分流式混合動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)和負(fù)載的解耦，既保證發(fā)動機(jī)工作在效率較高的區(qū)域，又充分利用機(jī)械功率流傳遞效率、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可大幅提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性能[3]。目前較成功的混合動力汽車包括日本豐田公司的“Prius”[4]和美國通用公司的產(chǎn)品“Allison”[5]等，它們的變速箱均采用了基于行星耦合裝置的功率分流式混合動力系統(tǒng)。

針對混合動力車輛傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與輸入輸出特性分析，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[1]綜述了現(xiàn)有混合動力車輛技術(shù)，分析了不同類型傳動結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及電機(jī)工作特性；文獻(xiàn)[6-7]對兩自由度行星傳動系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析；文獻(xiàn)[8-9]基于以Prius為代表的輸入分流式系統(tǒng)，對系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了介紹，并對動力系進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[10-11]分別對輸入式和復(fù)合式功率分流混合動力系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化研究；文獻(xiàn)[12-13]對混合動力車輛的控制方法進(jìn)行了研究，對車輛行駛中變速箱不同工作模式間的切換控制進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[14]提出了一種方法對雙模混合動力系統(tǒng)的構(gòu)型進(jìn)行分析。但綜上所述，目前關(guān)于功率分流式混合動力傳動系統(tǒng)的研究多局限于輸入分流式或復(fù)合分流式等單一模式，對于集成了這兩種模式的雙?；旌蟿恿鲃酉到y(tǒng)中的行星齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究還尚少，尤其在進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)時很少考慮其結(jié)構(gòu)可行性。因此，有必要通過分析和參數(shù)化設(shè)計(jì)確定一種結(jié)構(gòu)可行的較優(yōu)方案，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)評估。

本文對功率分流式雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，進(jìn)行了基于杠桿法的構(gòu)型設(shè)計(jì)及其擴(kuò)展演化，并進(jìn)行了兩種結(jié)構(gòu)方案的參數(shù)化設(shè)計(jì)；然后創(chuàng)造性地提出以全速比范圍電功率特征值作為優(yōu)化目標(biāo)以確定第三排行星傳動機(jī)構(gòu)特征參數(shù)的方法，并用此方法對提出的兩種方案進(jìn)行了優(yōu)選。

1、行星耦合式功率分流系統(tǒng)

1.1 功率分流系統(tǒng)的構(gòu)型分析

1.1.1 杠桿法

前文中已提到，功率分流系統(tǒng)中用到的行星輪系有兩個自由度，這使得如果直接在原有模型上進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分析時會有較大困難。為此，H.L.Benrord和M.B.Leising在文獻(xiàn)[15]中提出了用杠桿模擬行星輪系的分析方法。杠桿模擬法是將輪系中的各構(gòu)件的角速度模擬為一特定杠桿上不同點(diǎn)對應(yīng)的速度，將輪系中各構(gòu)件受到的扭矩模擬為杠桿上對應(yīng)點(diǎn)受到的力[16]。

1.1.2 機(jī)械點(diǎn)

功率分流式混合動力系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)輸出的功率經(jīng)行星耦合機(jī)構(gòu)后分流為機(jī)械功率和電功率兩條路徑進(jìn)行傳遞，在此過程中實(shí)現(xiàn)電子無級變速功能以及將發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)維持在最優(yōu)工作曲線附近。當(dāng)系統(tǒng)不需要外部提供電能即電池功率為零時，會存在某一傳動比值處發(fā)動機(jī)功率全部以機(jī)械功率進(jìn)行傳遞，即系統(tǒng)中無電功率的傳輸，此時，兩電機(jī)功率均為零。反應(yīng)到動力系統(tǒng)構(gòu)型上，某一電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，另一電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為零。這個特定的傳動比值被稱為機(jī)械點(diǎn)。輸入分流模式中由于電機(jī)2與輸出相連，正常工作時轉(zhuǎn)速不能為零，而輸出分流模式中由于電機(jī)1與發(fā)動機(jī)相連，轉(zhuǎn)速不能為零，故這兩種模式均只有一個機(jī)械點(diǎn)；復(fù)合分流模式由于采用雙行星排，系統(tǒng)具有兩個機(jī)械點(diǎn)。

1.1.3 復(fù)合分流模式的杠桿模型

復(fù)合分流式結(jié)構(gòu)中的雙行星排共有四個相互獨(dú)立的接點(diǎn)，將其體現(xiàn)在杠桿模型中即為四節(jié)點(diǎn)桿模型，發(fā)動機(jī)、電機(jī)1、電機(jī)2和輸出端與四節(jié)點(diǎn)連接組成不同的構(gòu)型，如圖1 （1）所示。在利用四節(jié)點(diǎn)模型對結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件中的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析時，可根據(jù)節(jié)點(diǎn)處連線的長度及位置關(guān)系來判斷該點(diǎn)的轉(zhuǎn)速大小及方向，如圖1（2）所示。 當(dāng)系統(tǒng)工作在兩機(jī)械點(diǎn)時，其各構(gòu)件轉(zhuǎn)速如圖1（3）（4）所示。從圖中可看出，在機(jī)械點(diǎn)1，電機(jī)1轉(zhuǎn)速為零，發(fā)動機(jī)與輸出轉(zhuǎn)速方向相反；在機(jī)械點(diǎn)2，電機(jī)2轉(zhuǎn)速為零，發(fā)動機(jī)與輸出轉(zhuǎn)速方向相同。車輛實(shí)際工作過程中，要求在正向行進(jìn)時，發(fā)動機(jī)始終與輸出轉(zhuǎn)向相同，故該結(jié)構(gòu)不合理。

圖1 四節(jié)點(diǎn)桿模型及節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)速圖

對四節(jié)點(diǎn)桿模型分析可得知，若要系統(tǒng)具有兩個機(jī)械點(diǎn)，且在兩機(jī)械點(diǎn)處發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)速均為正值，發(fā)動機(jī)和輸出端必須連接在相鄰兩節(jié)點(diǎn)?；诖嗽瓌t，共可確定出如圖2中的三種合理的構(gòu)型。

圖2 三種合理的四節(jié)點(diǎn)桿模型

復(fù)合分流式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有上百種可能性，對圖2中三種模型就行分析，可以發(fā)現(xiàn)只有圖2（3）中所示的結(jié)構(gòu)的兩個機(jī)械點(diǎn)分布在γ=1兩側(cè)。本文在進(jìn)行設(shè)計(jì)時考慮的系統(tǒng)全速比范圍內(nèi)的效率最優(yōu)，因此選擇第三種四節(jié)點(diǎn)桿模型進(jìn)行拆分。在進(jìn)行不同構(gòu)型拆分時，方法基本一致，每個四節(jié)點(diǎn)桿模型可分解成四種三節(jié)點(diǎn)桿模型，將其進(jìn)行兩兩組合即可得到不同的結(jié)構(gòu)?？紤]到實(shí)際連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及工藝性，將其拆分組合成如圖3所示的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行接下來的參數(shù)化研究。

圖3 兩種復(fù)合分流結(jié)構(gòu)構(gòu)型

1.2 雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)

行星耦合功率分流式混合動力系統(tǒng)的傳動比在機(jī)械點(diǎn)附近效率較高，在偏離機(jī)械點(diǎn)時效率會下降較快。復(fù)合分流式系統(tǒng)具有兩個機(jī)械點(diǎn)，在進(jìn)行系統(tǒng)效率優(yōu)化時，機(jī)械點(diǎn)的取值就顯得尤為重要。若兩點(diǎn)相離很近，則在兩機(jī)械點(diǎn)外系統(tǒng)效率很低；若兩機(jī)械點(diǎn)相聚較遠(yuǎn)，則在兩機(jī)械點(diǎn)間系統(tǒng)效率會達(dá)到一個相對較低的值。汽車變速箱的常用傳動比都在0.6~2.2或更大范圍內(nèi)，這就使得很多時候具有兩機(jī)械點(diǎn)的復(fù)合分流系統(tǒng)不能最大程度上滿足系統(tǒng)綜合效率最低的要求，雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)就是在這種情況下被提出的。功率分流式雙模混合動力系統(tǒng)由兩個或三個行星排組合，通過離合器的不同組合來實(shí)現(xiàn)輸入分流式和復(fù)合分流式的切換。若想系統(tǒng)具有三個機(jī)械點(diǎn)，在更寬的速比范圍內(nèi)具有較高效率，需采用三個行星排的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)工作在輸入分流模式時，第一離合器斷開，第二離合器結(jié)合；當(dāng)系統(tǒng)工作在復(fù)合分流模式時，第一離合器結(jié)合，第二離合器斷開。

圖4 兩種功率分流雙模式系統(tǒng)構(gòu)型

2、系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及效率優(yōu)化

2.1 復(fù)合分流系統(tǒng)的參數(shù)化計(jì)算

在對復(fù)合分流式混合動力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮到車輛對變速箱的輸出特性要求以及系統(tǒng)中各動力原件的固有特性限制。系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)被控制在其最優(yōu)工作曲線附近，因此主要需考慮的是兩個電機(jī)的輸出特性是否能滿足系統(tǒng)要求，下面對電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。

圖5 構(gòu)型A分析模型

構(gòu)型A的分析模型如圖5所示，對其利用杠桿法分析，并對其桿長度進(jìn)行參數(shù)化假設(shè)，得到其四節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的關(guān)系表達(dá)式：

首先可求出構(gòu)型A的兩機(jī)械點(diǎn)的表達(dá)式：

當(dāng)ω1=0時，代入上式，γ1=ωEng/ωout=(y-x)/y；

當(dāng)ω2=0時，代入上式，γ2=ωEng/ωout=1/(1-x)；

根據(jù)上式求得x，y取值范圍，并在范圍內(nèi)選擇其設(shè)計(jì)值，此處我們選擇x=0.25，y=2.25。則，γ1=8/9，γ2=4/3。

對構(gòu)型B的杠桿模型進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩分析，如圖6所示：可得到下式：

圖6 構(gòu)型B分析模型

同樣，我們可求出構(gòu)型B的兩機(jī)械點(diǎn)表達(dá)式：γ1= (x+y)/y，γ2= 1/(1+x)，再根據(jù)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩約束求其x，y的取值范圍：

在此范圍內(nèi)我們選擇x=1/3，y=2/3這一組合值，可求得兩機(jī)械點(diǎn)取值，則，γ1=1.5，γ2=0.75。并在接下來對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2 混合動力系統(tǒng)的效率分析

從功率分流式混合動力系統(tǒng)的定義中我們可以看出，在系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)械能和電能兩種能量傳遞途徑。在上文的分析中我們沒有考慮電功率在機(jī)械能-電能-機(jī)械能間轉(zhuǎn)化時的效率問題，其實(shí)無論是MG1還是MG2在發(fā)電模式還是電動模式工作時都存在能量損失。因此，我們在要求系統(tǒng)完成發(fā)動機(jī)工作在最優(yōu)工作曲線以及實(shí)現(xiàn)電子變速功能的同時，希望系統(tǒng)的能量損失最小，即希望電功率在總傳遞功率中所占的比例最小。此處，我們引入電功率比例這一值作為評價指標(biāo)，定義：

下面我們分別對構(gòu)型A和構(gòu)型B的電功率比例值進(jìn)行分析。

聯(lián)立（2）（6）兩式，可得構(gòu)型A的電功率比例表達(dá)式：

作出圖像對兩構(gòu)型的電功率比例值進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 A、B構(gòu)型的電功率

從圖中可以看出，在兩機(jī)械點(diǎn)之間，構(gòu)型B的電功率比例值較小，但在兩機(jī)械點(diǎn)之外，該比例值急劇上升。為了更加直觀的對兩構(gòu)型的效率進(jìn)行比較，引入電功率特征值Sβ，并定義：

其中a，b為需考察的傳動比范圍的上下限。本文在設(shè)計(jì)時選擇的原型車變速箱常用傳動比范圍為0.6~2.2，此處考慮的是雙?；旌蟿恿Φ膹?fù)合分流部分，主要覆蓋了傳動比范圍內(nèi)較小的兩個機(jī)械點(diǎn)，故選擇γ=0.6和γ=1.7作為電功率特征值計(jì)算時的上下限，經(jīng)過計(jì)算：

因此，從全速比范圍內(nèi)系統(tǒng)效率較優(yōu)的角度考慮，選擇構(gòu)型B作為本文所設(shè)計(jì)的雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的復(fù)合分流部分。

2.3 第三排行星輪的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是輸入分流和復(fù)合分流組合的雙模式混合動力系統(tǒng)，輸入分流適宜工作在低速大傳動比的場合。此節(jié)的任務(wù)主要是確定合理的第三排行星結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，使得混合動力系統(tǒng)的三個機(jī)械點(diǎn)分布合理，系統(tǒng)整體效率最優(yōu)化，并確定系統(tǒng)在兩模式間的切換點(diǎn)。構(gòu)型B的雙模式工作分析結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 雙模式混合動力系統(tǒng)分析模型

列出輸入分流模式下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系式：

輸入分流模式時，只有電機(jī)MG1轉(zhuǎn)速可為0，據(jù)此可求出機(jī)械點(diǎn)3，當(dāng)ω1=0時，代入上式：

聯(lián)立，可解得：

圖9 雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)電功率比例圖

聯(lián)立（4）（8）（9）（11），可求得雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)在全速比范圍內(nèi)的電功率比例值函數(shù)，將x=1/3，y=2/3代入，作出函數(shù)圖像如圖9所示。

在對第三排行星結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時，同樣引入電功率特征值Sβ，確定變速箱的常用傳動比區(qū)間0.6和2.2。求出特征值Sβ關(guān)于參數(shù)z的表達(dá)式，并作出其函數(shù)圖像，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)Sβ-z函數(shù)圖像

通過計(jì)算可得出，使電功率特征值Sβ取得最小值的z=0.5182，即第三排行星結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)k=(1+x)/z=2.6時，系統(tǒng)整體效率最優(yōu)。

3、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于行星耦合裝置的混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，具有輸入分流和復(fù)合分流兩種工作模式。車輛運(yùn)行時該系統(tǒng)可根據(jù)車速及扭矩需求進(jìn)行模式切換，保證在全速比范圍內(nèi)混合動力系統(tǒng)都具有很高的效率。在進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)時，采用電功率特征值作為系統(tǒng)效率的評價指標(biāo)，并定義電功率特征值為電功率比例值在全速比范圍內(nèi)的積分，具體體現(xiàn)為：

（1）進(jìn)行前兩組行星排參數(shù)設(shè)計(jì)時，對提出的兩種構(gòu)型在復(fù)合分流模式下的電功率特征值進(jìn)行比較，以確定較優(yōu)結(jié)構(gòu)方案；

（2）第三組行星排設(shè)計(jì)過程中，以全速比范圍內(nèi)電功率特征值作為優(yōu)化目標(biāo)，行星排特征參數(shù)作為變量進(jìn)行分析，計(jì)算出最優(yōu)參數(shù)取值。

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Parameter optimization of a two mode planetary coupled hybrid electric power system

Zhao Shengdun, Yang Xuesong, Yang Hongwei, Yang Yuanyuan
( School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049 )

Dual mode planetary coupling type oil electricity hybrid power system is made up of two or three groups of planetary rows, it can switch between input split type and compound split type through controlling clutches, which makes the system efficiency optimalin full speed range. This paper analyzes the output characteristics and system parameters matching of existing different types of power-split hybrid power devices, demonstrates the superiority of dual-mode planetary coupling hybrid system, designs two structure which is easy to realize the configuration, using the lever method as foundation, using the system efficiency as the target to optimizethe parametric design.

dual-mode; hybrid electric vehicles; power split; planetary coupling

U462.1

A

1671-7988(2016)07-27-05

趙升噸，西安交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠嚬?jié)能機(jī)電一體化設(shè)備開發(fā)。

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：51335009）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.009