混合動(dòng)力汽車EVT構(gòu)型的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化分析

王法寧++徐流明++朱凡予++羅家鑫

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國對(duì)能源的需求量不斷提高。作為最主要的能源，石油的消耗量是巨大的，由于石油是不可再生能源，全世界對(duì)節(jié)約石油都十分關(guān)注，而作為石油的主要消耗者汽車，其油耗的降低是節(jié)約重中之重。目前，對(duì)汽車的能耗方面有多種研究，論文就對(duì)其中具有顯著節(jié)能特點(diǎn)的杠桿法的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車EVT構(gòu)型設(shè)計(jì)做研究，以供參考。

【Abstract】With the rapid development of China's economy， China's demand for energy is increasing. As the main source of energy， the consumption of oil is huge. Because oil is not renewable energy， the world pays great attention to the conservation of oil， as the main consumer of oil， the reduction of automobile fuel consumption is the most important thing. At present， there are many researches on the energy consumption of automobiles. The paper studies the EVT configuration design of hybrid hybrid vehicle with lever method which has significant energy saving characteristics for reference.

【關(guān)鍵詞】杠桿法；混聯(lián)式混合動(dòng)力；EVT構(gòu)型

【Keywords】lever method； mixed type hybrid power； EVT configuration

【中圖分類號(hào)】TH243 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）06-0146-02

1混合動(dòng)力汽車的研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的混合動(dòng)力汽車的研發(fā)起步較晚，目前仍處于初級(jí)階段，在2001年國家才開始在“十五”上啟動(dòng)了863計(jì)劃，主要就是針對(duì)混合動(dòng)力汽車的研究，我國的大型汽車廠如，一汽，上汽，東風(fēng)等都研發(fā)出了一部分混合動(dòng)力車型。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

外國的混合動(dòng)力汽車研究一直領(lǐng)先于我國，日本豐田公司在1997年成功生產(chǎn)并出售了混聯(lián)混合動(dòng)力汽車，開啟了混合動(dòng)力汽車時(shí)代，目前日本豐田公司已經(jīng)推出第三代混合動(dòng)力系統(tǒng)THS，而日本本田公司在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域也有建樹，在2012年成功推出了i-DCD、i-MMD、SH-AWD這三套系統(tǒng)。

美國作為世界上科技最發(fā)達(dá)國家，在混合動(dòng)力汽車上也大力投入，與混合動(dòng)力汽車的發(fā)明者日本并駕齊驅(qū)成為世界上該領(lǐng)域最強(qiáng)的兩個(gè)國家之一。早在1993年就推出了PNGV計(jì)劃用來推動(dòng)節(jié)能汽車的發(fā)展，在混合動(dòng)力汽車問世后，迅速調(diào)整方向?qū)υ摲矫孢M(jìn)行了全方位的研究，目前福特公司推出的FHS系統(tǒng)大受歡迎，被廣泛使用。這也是美國最先進(jìn)的EVT構(gòu)型[1]。

2 基于杠桿法EVT傳統(tǒng)方案的研究

2.1 杠桿法基本原理

杠桿法是一種對(duì)行星排的分析方法，其方法可以有效簡化行星排的運(yùn)動(dòng)。杠桿法的原理是將行星機(jī)構(gòu)的三個(gè)不同部件簡化為一個(gè)杠桿模型中存在的三個(gè)不同點(diǎn)，在其模型上可以直觀的表示出不同部件的受力和速度情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)行星機(jī)構(gòu)的快速分析。在分析中重點(diǎn)分析以下兩個(gè)方面：①速度在杠桿上的表示。根據(jù)行星輪數(shù)量，行星機(jī)構(gòu)劃分為以下兩個(gè)，即單行星輪機(jī)構(gòu)與雙行星輪機(jī)構(gòu)，在杠桿模型中大同小異，推到的速度表達(dá)公式也相同，以單行星輪機(jī)構(gòu)為例，在杠桿模型中，三個(gè)節(jié)點(diǎn)代表著齒圈、行星架、太陽輪。三者之間滿足以下關(guān)系，齒圈的齒數(shù)與太陽輪到行星架的距離成正比關(guān)系；太陽輪的齒數(shù)與齒圈到行星架的距離成正比關(guān)系。通過以上關(guān)系再結(jié)合行星機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)公式推導(dǎo)出在杠桿機(jī)構(gòu)的公式為 ωs S=-ωrR。②受力在杠桿上的表示。杠桿模型在受力情況的表達(dá)中尤為簡潔和直觀，在模型中以整合的三個(gè)力進(jìn)行分析，用有向線段來表示，其方向?yàn)槭芰Ψ较颍溟L短為受力大小。三者關(guān)系的標(biāo)量受力公式為Fc=Fr+Fs

2.2 基于杠桿法的EVT方案運(yùn)算

①基于杠桿法的EVT的構(gòu)型。科學(xué)家在對(duì)EVT的研究中為了簡化流程使用杠桿法進(jìn)行EVT分類。以輸出點(diǎn)作為原點(diǎn)，輸入點(diǎn)到輸出點(diǎn)距離定義為1，用α表示杠桿模型的1號(hào)電機(jī)，β表示2號(hào)電機(jī)。通過運(yùn)算，得出結(jié)論，即α或β等于0時(shí)，將其稱為輸入分配型；α或β等于1時(shí)，為輸出分配型；α或β不為0或1時(shí)，為復(fù)合分配型。這三種分配形式構(gòu)成組合分配型的EVT構(gòu)型[2-4]。②運(yùn)算過程。在杠桿模型EVT運(yùn)算時(shí)，先進(jìn)行可能性討論，一般是模型三要素兩兩組合，組合后判斷是否能實(shí)現(xiàn)CVT功能，能不能產(chǎn)生ECVT的構(gòu)型方案，因?yàn)檫@是EVT構(gòu)型的基本要素。一般不全部組合，因?yàn)闊o法實(shí)現(xiàn)CVT也無法產(chǎn)生ECVT方案。在運(yùn)算上使用矩陣，分別計(jì)算不同的行星排接入點(diǎn)數(shù)量，得出構(gòu)型方案數(shù)。③運(yùn)算數(shù)據(jù)篩選。因?yàn)镋VT構(gòu)型的方案數(shù)量過多，給實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作上帶來很大的困擾，我們通常使用機(jī)械點(diǎn)作為篩選條件。因?yàn)镋VT處于機(jī)械點(diǎn)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，也就不存在損耗這時(shí)候的系統(tǒng)效率最高。也就代表著在EVT的設(shè)計(jì)之中，有無機(jī)械點(diǎn)等同于有無系統(tǒng)最高效率。所以機(jī)械點(diǎn)可以作為評(píng)價(jià)EVT方案有效性的重要指標(biāo)。

3 改進(jìn)后的EVT構(gòu)型性能對(duì)比仿真

混合動(dòng)力汽車的燃油雖然不多，但是也要考慮其經(jīng)濟(jì)性，這也是評(píng)價(jià)混合動(dòng)力汽車的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文選取了目前最普遍的單行星排輸入分配型EVT構(gòu)型，以此方法作為基礎(chǔ)進(jìn)行全方位改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。選取并聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)做對(duì)比，對(duì)混合動(dòng)力汽車的兩種結(jié)構(gòu)和其混搭的第三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，為了提高精確度能夠得到最低的燃油消耗值。在算法上選取了動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，就其仿真結(jié)果進(jìn)行客觀分析，驗(yàn)證混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)越性和燃油經(jīng)濟(jì)性[5]。

3.1 構(gòu)型及其參數(shù)改進(jìn)后EVT性能仿真

在仿真選取上，選擇混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行仿真，使用以下四種循環(huán)工況：NEDC、UDDS、HWFET、US06。參數(shù)展示上選取燃油消耗率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電池SOC、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速這六個(gè)方面。此外還展示發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)代入萬有經(jīng)濟(jì)特性圖之后得出的結(jié)果，結(jié)合圖像查看其在高效區(qū)的比例大小。下面就四種工況進(jìn)行仿真分析。

①NEDC仿真分析。在NEDC型工況下，汽車的百公里為3.9895，而電池SOC上升了2.31%，而在ECE工況下，動(dòng)力為電力，在EUDC下，則以EVT模式為主，經(jīng)計(jì)算仿真結(jié)果為可行區(qū)域數(shù)值。在NEDC中低功率工作主要以電力驅(qū)動(dòng)，在高功率工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并且其運(yùn)行數(shù)據(jù)處于燃油高效區(qū)，同時(shí)電池SOC提高。通過EUDC的仿真結(jié)果來看，電池SOC在數(shù)值上變化較小，可以看出EUDC的整體控制能力還是比較理想的。②UDDS仿真分析。在UDDC型工況下，百公里為3.4563，同時(shí)電池SOC上漲0.77%，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)中有90.67%處于燃油高效區(qū)。在UDDS模式下，汽車啟停較為頻繁，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，運(yùn)行模式為電動(dòng)運(yùn)行，動(dòng)力源為電力，比如在600-800S或者0-200S的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，而且電池SOC也會(huì)隨之降低。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，則以EVT模式運(yùn)行為主，動(dòng)力為混合動(dòng)力功率上主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，同時(shí)可以為電池充電，使電池SOC升高。③US06型仿真分析。在US06工況下，百公里為5.3991，同時(shí)電池SOC上漲0.031%，其燃油高效區(qū)運(yùn)行數(shù)值占比93.55%，在整個(gè)US06工況下都以EVT模式為主，因?yàn)閁S06的整體功率較高，車速較大，純電動(dòng)模式已經(jīng)不足以滿足功率需求，因此在設(shè)計(jì)中只有EVT一種模式。功率輸出上以發(fā)動(dòng)機(jī)為主，電機(jī)為輔。因此在持續(xù)的高速運(yùn)行中，電池SOC下降較快。④HWFET型仿真分析。在HWFET工況下，百公里為4.2566，其燃油高效區(qū)運(yùn)算數(shù)據(jù)占90.33%。因?yàn)镠WEFT是基于高速公路的工況，車輛要保持較高的車速，普遍超過100公里/小時(shí)，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)速和輸出功率較高，所以從實(shí)際出發(fā)，只能選擇EVT模式。在HWFET工況中由于其工作環(huán)境的原因，導(dǎo)致其風(fēng)阻最大，燃油經(jīng)濟(jì)性最低。

3.2 EVT優(yōu)化性能對(duì)比仿真

①串聯(lián)式性能仿真。首先對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在UDDS、NEDC、HWFET、US06四種工況下進(jìn)行仿真。對(duì)于該汽車中串聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略為，在確保發(fā)動(dòng)機(jī)處于最優(yōu)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛功率需求改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。仿真過程中對(duì)于模型構(gòu)建的兩個(gè)電機(jī)而言一個(gè)為發(fā)電機(jī)，一個(gè)為電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速上保持一致，在轉(zhuǎn)矩上數(shù)值相反。從電動(dòng)機(jī)和車輪的關(guān)系來看，電動(dòng)機(jī)車輪的轉(zhuǎn)速成比例，其轉(zhuǎn)矩也成比例。②并聯(lián)式性能仿真。同上面方法一樣，先對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在NEDC、HWFET、US06、UDDS四種工況下進(jìn)行仿真。就仿真結(jié)果而言，電池SOC的變化處于合理范圍，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和行車充電模式，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，采用電機(jī)助力并聯(lián)模式。因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)構(gòu)的電機(jī)無法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)助力不足，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油高效區(qū)占比較低，為此進(jìn)行EVT優(yōu)化時(shí)采取了雙電機(jī)輔助方案，可以有效緩解問題。

4 總結(jié)

本文對(duì)杠桿法的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車EVT構(gòu)型進(jìn)行了全面分析，不僅分析了傳統(tǒng)的EVT構(gòu)型，還在其基礎(chǔ)之上參考現(xiàn)行的技術(shù)，進(jìn)行了全方位優(yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，仿真后的結(jié)果作為直接依據(jù)，進(jìn)行分析，得出結(jié)論。其成果對(duì)整個(gè)EVT構(gòu)型設(shè)計(jì)上具有參考作用，也對(duì)杠桿法的使用方式上進(jìn)行擴(kuò)展補(bǔ)充，有效豐富了混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域的構(gòu)型數(shù)量。

【參考文獻(xiàn)】

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