基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的多模混合動力系統(tǒng)構(gòu)型選擇及匹配設(shè)計研究

鄒玉鳳

摘 要：隨著中國政府對車輛油耗限值的要求越來越低，2020年達到5L/100km，2025年達到4L/100km，因此越來越多的中國OEM開始研發(fā)高節(jié)油率的混合動力系統(tǒng)。這其中，以豐田、通用為代表的具備功率分流功能的混動系統(tǒng)引起了越來越多的關(guān)注。但豐田的混動系統(tǒng)在發(fā)動機工作時只能以功率分流的形式工作，不具備發(fā)動機直接驅(qū)動功能，因此在高速行駛時整車的油耗水平偏高，而通用的雙?；靹酉到y(tǒng)雖然在全車速下都具備較好的油耗水平，但因其采用雙排行星排、4個離合器及制動器，導(dǎo)致系統(tǒng)的成本較高。本文試圖基于系統(tǒng)效率最優(yōu)、在考慮成本的前提下，設(shè)計一種多模式混合動力系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)成本的前提下，實現(xiàn)高的節(jié)油率。

關(guān)鍵詞：多模混合;優(yōu)化;油耗最低

1 功率分流系統(tǒng)的效率分析

行星排是功率分流系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件。其包括：太陽輪、行星架及齒圈。圖1 為行星排的杠桿圖分析。

設(shè)定行星排的特征參數(shù)為2，電機的效率為98%，則根據(jù)以上7式可以得到動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速比與系統(tǒng)效率的曲線，動力系統(tǒng)各部件轉(zhuǎn)速與速比的曲線。當速比為1.5時，動力系統(tǒng)具有最高的效率，此時的發(fā)電機EM1的轉(zhuǎn)速為0，驅(qū)動電機EM2的轉(zhuǎn)速為0，即此時動力系統(tǒng)中無電功率的傳遞。當速比由0逐漸增大到1.5時，系統(tǒng)的效率逐漸提升，但在速比超過1.5之后，系統(tǒng)的效率逐漸降低，這就意味著如果發(fā)動機的轉(zhuǎn)速固定在一個設(shè)定的轉(zhuǎn)速下，隨著車速的提高，系統(tǒng)的效率先增加，當超過機械點時，系統(tǒng)的效率會下降，且下降的幅度遠大于機械點之前上升的幅度。因此，我們在設(shè)計動力系統(tǒng)的工作模式時，應(yīng)避免整車工作在機械點之后，避免系統(tǒng)效率過低。

2 基于效率最優(yōu)的多?；旌蟿恿ο到y(tǒng)構(gòu)型設(shè)計

在進行動力系統(tǒng)的構(gòu)型分析時，考慮到電機及發(fā)動機的特性，在起步時，采用EM1與EM2電機共同驅(qū)動的方式，來降低對EM2電機的轉(zhuǎn)矩及功率需求;在低速加速或行駛時，基于EM1或EM2電機的效率及轉(zhuǎn)矩能力，采用EM1或EM2單電機驅(qū)動的方式;在中速行駛時，充分利用行星排的功率分流模式，實現(xiàn)系統(tǒng)效率的最大化;在中速到高速的加速過程中，以功率分流為主模式，利用EM2電機的轉(zhuǎn)矩來提供額外的助力轉(zhuǎn)矩，避免動力系統(tǒng)各部件的轉(zhuǎn)速急劇變化，提升系統(tǒng)的效率;在高速行駛時，采用發(fā)動機直接驅(qū)動的方式，利用發(fā)動機中高速時的高效率特性，避免功率分流在機械點之后的系統(tǒng)效率下降問題。

在此構(gòu)型中，采用了一個行星排作為功率分流裝置，發(fā)電機連接到太陽輪上，發(fā)動機連接到行星架上，齒圈連接到輸出軸上，驅(qū)動電機通過一個減速齒輪連接到輸出軸上。在行星架上，放置一個單向離合器，使得發(fā)動機只能正向旋轉(zhuǎn)，從而保證EM1的反向驅(qū)動功能，實現(xiàn)整車的雙電機驅(qū)動功能。在太陽輪上，放置一個制動器，在齒圈與行星架之間放置一個離合器，從而實現(xiàn)發(fā)動機的兩個擋位。驅(qū)動電機EM2與輸出軸通過減速齒輪連接，可以降低對EM2電機的轉(zhuǎn)矩需求，降低系統(tǒng)的成本。

3 多模混合動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配

多?；旌蟿恿ο到y(tǒng)中最關(guān)鍵的參數(shù)是行星排的特征參數(shù)，此參數(shù)是動力系統(tǒng)效率的主要影響因素?？紤]到NEDC工況下的車速分布及發(fā)動機的BSFC特性曲線，我們可以看到30～70km/h的車速占比最大，為35%左右，因此在該車速范圍內(nèi)，應(yīng)采用功率分流模式，且功率分流模式時，發(fā)動機的工作點應(yīng)在機械點之前，以保證良好的系統(tǒng)效率;較小的k值可以保證發(fā)動機的工作點更靠近發(fā)動機的高效區(qū)。

考慮到電機在低轉(zhuǎn)速時效率較低的特性，在功率分流模式下應(yīng)適當?shù)膶l(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制在一個設(shè)定的轉(zhuǎn)速門限之上，這也就意味著小的行星排特征參數(shù)可以保證更好的系統(tǒng)效率。在趨向于機械點的過程中，k=2相對于k=2.6可以保證更高的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。到小的k值可以取得更高的系統(tǒng)效率。

綜合考慮以上因素，本文選取k=2作為最終的行星排特征參數(shù)，這樣可以保證在70km/h以下采用功率分流模式可以取得更好的系統(tǒng)效率，而在70km/h以上采用發(fā)動機直接驅(qū)動時取得更好的發(fā)動機效率。

4 整車經(jīng)濟性仿真驗證

基于整車架構(gòu)，在MATLAB/Simulink中建立整車仿真模型，整車仿真模型主要包括兩大部分：車輛的物理模型及整車控制策略模型。

本文分別基于NEDC及WLTC工況，對所設(shè)計的多模式混合動力系統(tǒng)與其它類型的動力系統(tǒng)進行了仿真對比。表1為具體的對比情況。

由仿真結(jié)果可知：在NEDC及WLTC工況下，本文設(shè)計的功率分流混合動力系統(tǒng)均具備較好的經(jīng)濟性，在EV模式下的動力性也處于較好的水平。

5 結(jié)語

本文對基于行星排的功率分流系統(tǒng)的分析，通過增加離合器及制動器，實現(xiàn)了發(fā)動機的直驅(qū)功能，構(gòu)建了多?；旌蟿恿ο到y(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的原則，對行星排的特征參數(shù)進行了匹配，通過搭建的整車仿真模型，對所構(gòu)建的多模混合動力系統(tǒng)與其他類型的動力系統(tǒng)進行了仿真對比。仿真結(jié)果充分驗證了本文所設(shè)計的多模混合動力系統(tǒng)在保證整車動力性的前提下，實現(xiàn)了整車油耗最低的設(shè)計目標。

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