混聯(lián)式混合動力電動汽車倒車混動模式能耗研究

郭海龍，張永棟

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣東 廣州 510650；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

混聯(lián)式混合動力電動汽車倒車混動模式能耗研究

郭海龍1,2，張永棟1,2

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣東 廣州 510650；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

以某混聯(lián)式混合動力電動汽車（HEV）為研究對象，發(fā)現(xiàn)了其在倒車工況混動模式時存在能耗偏高的問題。首先分析了該車輛動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，然后在對動力耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，從理論角度探究了引起能耗偏高問題的原因，發(fā)現(xiàn)由于發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩在倒車時無法換向，而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)部分輸出轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在相互抵消的問題，故而能耗增加，并通過實車采集的實驗數(shù)據(jù)，對理論分析結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證，最后針對該問題，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

混聯(lián)式混合動力電動汽車；倒車工況；能耗分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

CLC NO.:U461Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-42-05

前言

混合動力電動汽車(HEV)融合了傳統(tǒng)燃油車和純電動車的優(yōu)點[1-5]，能大幅度減少油耗并降低有害氣體排放。一般來說，混合動力汽車根據(jù)其設(shè)計結(jié)構(gòu)特點可以分為三類，即串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動力汽車[6-8]，其中混聯(lián)型 HEV綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式 HEV的結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)點，可以保證混合動力系統(tǒng)能在各種運行工況下在高效工作區(qū)運行，從而使整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能達(dá)到最佳[9-10]。因此，混聯(lián)型 HEV已經(jīng)成為目前許多汽車制造商的選擇[11]，其中豐田汽車公司的行星齒輪混聯(lián)式混合動力車型 Prius最具有代表性[11-14]。眾所知周，HEV的結(jié)構(gòu)型式和能量管理策略對整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放水平起著決定性的作用，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、能量管理策略制定不恰當(dāng)，均會導(dǎo)致整車能量浪費。

論文針對某混聯(lián)式 HEV在倒車工況混動模式時存在能耗偏高的問題，對其動力耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)和動力學(xué)分析，并研究了倒車混動模式能耗偏高的原因及改進(jìn)方案。

1、HEV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

該款混聯(lián)式HEV動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)MG1、電動機(jī)MG2、動力電池、行星齒輪動力耦合機(jī)構(gòu)、傳動系等部分組成，圖1為動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，表1為整車及動力學(xué)相關(guān)參數(shù)，其中電動機(jī)MG2與齒圈相連接，發(fā)電機(jī)MG1與太陽輪連接，發(fā)動機(jī)與行星架連接。該動力耦合機(jī)構(gòu)的動力輸出部件為齒圈，齒圈又進(jìn)一步通過鏈傳動將動力傳遞到中間軸，中間軸通過主、從動齒輪將動力傳遞到主減速器，主減速器的主、從動齒輪將動力降速增扭后，傳遞到差速器，差速器最終通過行星齒輪和半軸齒輪將動力傳遞到左右驅(qū)動車輪。圖2為動力耦合機(jī)構(gòu)圖，該動力耦合機(jī)構(gòu)為NWG型行星齒輪系統(tǒng)。

圖1 行星齒輪式混聯(lián)HEV動力總成結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of planetary gear Series-Parallel HEV

表1 行星齒輪混聯(lián)式HEV整車及動力學(xué)相關(guān)主要參數(shù)Table 1 Major relevant parameters of planetary gear HEV

表中，CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；δ為質(zhì)量換算系數(shù)；r為車輪自由半徑；Cr為車輪滾動半徑；mz為汽車整備質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)。

圖2 動力耦合機(jī)構(gòu)簡圖及實物解剖圖Fig.2 Diagram and physical anatomical chart of dynamic coupling mechanism

表2為該動力總成機(jī)構(gòu)的齒輪齒數(shù)和傳動效率參數(shù)。

表2 混聯(lián)式HEV動力傳動機(jī)構(gòu)主要參數(shù)Table2 Major relevant parameters of Series-Parallel HEV power transmission mechanism

表中，Zlz為主動鏈輪齒數(shù)；Zlc為從動鏈輪齒數(shù)；Zzz為中間軸主動齒輪齒數(shù)；Zzc為中間軸從動齒輪齒數(shù)；Zdz為主減速器主動齒輪齒數(shù)；Zdc為主減速器從動齒輪齒數(shù)；ηl為傳動鏈傳動效率；ηz為中間軸傳動效率；ηd為主減速器傳動效率；ηu為半軸萬向節(jié)傳動效率。

2、HEV倒車混動模式能耗研究

2.1 動力耦合機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析

2.1.1 行星齒輪動力耦合機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析

據(jù)機(jī)械原理[15-16]，可知行星齒輪傳動轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

式中ei12為取行星架為轉(zhuǎn)化構(gòu)件，轉(zhuǎn)化輪系中太陽輪和齒圈之間的傳動比，其它類似；w1為太陽輪轉(zhuǎn)速，RPM；w2為齒圈轉(zhuǎn)速，RPM；we為行星架轉(zhuǎn)速，RPM。

由p =2.6，可得：

另由機(jī)械原理，可知行星齒輪傳動的運動學(xué)方程為：

可得：

2.1.2 行星齒輪動力耦合機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系分析

由機(jī)械傳動原理[15]，可得如下的功率平衡關(guān)系式：

式中，PA為主動件輸入功率，W；PB為被動件輸出功率，W；η為機(jī)械傳動效率。

由行星齒輪的工作原理知，不同的構(gòu)件均可能成為行星齒輪組的主動件或被動件，而行星齒輪組不同的主被動關(guān)系和不同的轉(zhuǎn)速關(guān)系，其功率平衡方程形式均有所不同，因此本節(jié)以常見八種情況為例，分析行星齒輪構(gòu)件的轉(zhuǎn)矩關(guān)系。

2.2 行星齒輪動力耦合機(jī)構(gòu)效率模型研究

為求解3.1.2節(jié)行星齒輪組動力學(xué)關(guān)系式，需求解行星齒輪不同情況下的效率，同理，當(dāng)行星齒輪組的主、被動件及轉(zhuǎn)速不同時，其傳動效率均不同，故也分八種情況來分析。

2.2.1 行星齒輪動力耦合機(jī)構(gòu)的效率分析

①若w1＞we＞w2＞0，且輸入構(gòu)件為1、2，輸出構(gòu)件為e時。

式中，fm為嚙合摩擦因數(shù)(本文取0.05)；εα1εα2εαc為按太陽輪1，齒圈2，行星齒輪c的齒頂嚙合線長度計算的部分端面重合度。

式中，ααt1ααt2ααtc為太陽輪、齒圈、行星齒輪的齒頂圓壓力角，°； 'α為嚙合角，°。

根據(jù)齒輪齒頂圓壓力角計算公式，有：

式中，da1db1da2db2dacdbc分別為太陽輪、齒圈和行星齒輪的齒頂圓直徑和基圓直徑，mm。

2.3 倒車混動模式能量浪費理論分析

為便于分析，現(xiàn)將汽車前進(jìn)方向時齒圈旋轉(zhuǎn)方向約定為行星齒輪系統(tǒng)的運動正方向，反之為負(fù)；若動力部件輸出轉(zhuǎn)矩方向與運動正方向一致，則規(guī)定為正轉(zhuǎn)矩，反之為負(fù)。在混動模式倒車工況時，由行星齒輪混聯(lián)式 HEV動力總成結(jié)構(gòu)可知，電動機(jī)MG2反轉(zhuǎn)驅(qū)動，則MG2輸出轉(zhuǎn)矩T2和轉(zhuǎn)速w2存在如下關(guān)系：

由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)向無法改變，則發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速we存在如下關(guān)系：

此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩 Te的一部分 T1通過行星架傳遞給太陽輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，另一部分T2通過行星架作用于齒圈，用

于驅(qū)動車輛，T1和T2可由3.1.2計算。則此時齒圈實際輸出轉(zhuǎn)矩Tr為：

由上式可知，此時發(fā)動機(jī)作用于齒圈的轉(zhuǎn)矩T2與電動機(jī)作用于齒圈的轉(zhuǎn)矩Tm方向相反，形成阻力，故只有電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩抵消該阻力轉(zhuǎn)矩后，才能真正驅(qū)動汽車倒車。因此，該模式存在能量浪費問題。

3、HEV倒車混動模式能量浪費實驗

3.1 HEV實車實驗數(shù)據(jù)采集

為對實驗車能量控制策略進(jìn)行分析，特進(jìn)行了實車實驗和數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。實驗設(shè)備包括混聯(lián)式HEV一部、專用數(shù)據(jù)流測試儀器Intelligent Tester-Ⅱ一臺、筆記本計算機(jī)一臺、專用數(shù)據(jù)處理軟件Intelligent Viewer一套。Intelligent Tester-Ⅱ可以通過車輛診斷專用接口從整車 CAN網(wǎng)絡(luò)獲取車輛數(shù)據(jù)，并將其記錄保存在存儲設(shè)備中，數(shù)據(jù)采樣周期約為51ms，可采集全車各個電控系統(tǒng)部件數(shù)據(jù)。

圖3 實車實驗及數(shù)據(jù)采集Fig.3 Actual vehicle testing and data collecting

圖4(a)～(c)為實驗過程采集的車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，由發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩測算原理[11]，可得如圖4(d)所示的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩。

圖4 HEV 倒車過程動力部件參數(shù)Figure 4 The power units parameters during HEV reversing process

3.2 能量浪費實驗驗證

根據(jù)2.1和2.2節(jié)動力耦合機(jī)構(gòu)的動力學(xué)和效率模型，可得如圖 5(a)所示的齒圈上的倒車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩（發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩）。

將上述齒圈倒車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩代入汽車行駛動力學(xué)方程：

然后，結(jié)合整車參數(shù)，可計算得出如圖5(b)所示的車速曲線，由計算得出的車速曲線和實驗車采集車速曲線的對比結(jié)果，可知兩者基本一致，說明原車倒車混動模式存在轉(zhuǎn)矩抵消、能量浪費的問題。

圖5 齒圈上的倒車轉(zhuǎn)矩(a)及車速結(jié)果對比(b)Figure 5 The reversing torque on ring gear(a) and vehicle speed comparison results

3.3 改進(jìn)方案建議

由上述分析可知，在該工況下，發(fā)動機(jī)必須進(jìn)行動力輸出，而發(fā)動機(jī)不像電動機(jī)可以四象限工作，且此時行星齒輪齒圈處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此解決該問題的最佳方案是在發(fā)動機(jī)之后加裝一個換擋裝置，當(dāng) HEV處于前進(jìn)狀態(tài)時，該檔位為前進(jìn)檔，直接傳遞動力，當(dāng) HEV處于倒車狀態(tài)時，該檔位為倒檔，前進(jìn)檔和倒檔的傳動比可選為 1，或進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)然具體選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)需要結(jié)合總成空間結(jié)構(gòu)和成本控制來綜合考量。

圖4-3所示為換向裝置，當(dāng)汽車正向行駛時，結(jié)合套7滑向最右邊，使發(fā)動機(jī)輸出軸直接與行星齒輪連接軸相連；當(dāng)汽車處于混動模式倒車工況時，結(jié)合套滑向最左邊，使發(fā)動機(jī)輸出軸不能直接與行星齒輪連接軸相連，而是通過一組齒輪換向結(jié)構(gòu)，使行星齒輪連接軸的旋轉(zhuǎn)方向與發(fā)動機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，達(dá)到換向的目的。從而使得發(fā)動機(jī)經(jīng)行星齒輪傳遞到齒圈上的轉(zhuǎn)矩 T2與電動機(jī)作用于齒圈的轉(zhuǎn)矩Tm方向一致，不再存在轉(zhuǎn)矩抵消而引起的能量浪費的問題。

圖6 改進(jìn)方案Figure 6 The structure improvement scheme

4、結(jié)論

論文針對某混聯(lián)式 HEV在倒車工況混動模式時存在能耗偏高的問題，分析了其動力耦合機(jī)構(gòu)各部件的運動學(xué)關(guān)系，得到了倒車工況混動模式能耗偏高的原因。最后通過采集實車實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行了實驗驗證，并提出了改進(jìn)方案。

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Study on the energy consumption of series-parallel HEV in reverse hybrid mode

Guo Hailong1,2, Zhang Yongdong1,2
( 1.School of Automobile and construction machinery, Guangdong Communication Polytechnic, Guangdong Guangzhou 510650; 2.College of Mechanical andAutomotive Engineering, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510640）

Taking aseries-parallel hybrid electric vehicle (HEV) as the research object, it is found that there is a high energy consumption in the hybrid mode under the reverse condition.Firstly, the structure and parameters of the vehicle’s dynamic system are analyzed, and then on the basis of analyzing the kinematics and dynamics of the dynamic coupling mechanism of the vehicle, the reason of the high energy consumption in reverse gear mixing-power mode is explored theoretically, that is because of the output speed and torque of the engine cannot change in reverse condition, so the energy consumption increases. And then, the high energy consumption problem is verified by experimentaldata collectedfrom the real vehicle, and an improvement scheme is put forward. Finally, aiming at the problem, the structure improvement scheme is proposed.

series-parallel HEV; reverse condition; energy consumption analysis; structure improvement

U461

A

1671-7988 (2017)06-42-05

郭海龍，男，副教授，（1981-），博士，就職于廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，華南理工大學(xué)訪問學(xué)者，研究方向：新能源汽車技術(shù)研究?；痦椖浚海?）廣東省優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)項目（YQ2013197）；（2）廣東省高等學(xué)校高層次人才項目（2013-203）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.013