混動雙行星排傳動系統(tǒng)的能量管理＊

卓文得，孫貴斌,2，李英，周慎，左文洋，甘健超

（1.廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.福建省新能源與安全技術研究院，福建 廈門 361024）

前言

隨著全球環(huán)境問題和能源危機的日益突出，混合動力汽車作為一種新能源汽車而備受關注。動力耦合機構是混合動力汽車動力耦合的關鍵部件，目前應用最為廣泛的是行星齒輪動力耦合機構[1]，其中，雙行星排傳動機構有效整合了串聯(lián)結構和并聯(lián)結構的優(yōu)點，同時克服了單排和三排傳動機構的不足，使傳動系統(tǒng)結構更為緊湊，更具實用性[2-3]。傳動系統(tǒng)的能量分配管理直接影響到車輛的動力性和燃油經濟性，是混合動力汽車控制中重要的一部分。

趙博聞和馬東兵[4]采用邏輯門限值能量分配控制策略，在 Matlab環(huán)境下對一款新型雙行星排動力耦合系統(tǒng)進行研究分析，結果表明邏輯門限值能量分配控制策略可以有效提高混合動力汽車的燃油經濟性。 戴宇童和馬瑋廷[5]針對某款星排傳動機構采用瞬時最優(yōu)的能量管理策略，尋找全車速下各高效工作點，研究表明瞬時最優(yōu)的能量管理策略能夠減少燃油消耗。Gao等[6]提出了一種驅動控制策略，該控制策略基于發(fā)動機最小制動比油耗曲線，針對不同的行駛工況，根據車輛電池荷電狀態(tài)（SOC）、車輛需求功率和車輛需求速度確定各種工作模式的能量管理策略，試驗結果表明，該控制策略對于發(fā)動機的控制有良好的效果，能有效地提高整車的燃油經濟性。Huang等[7]將邏輯門限法和瞬時優(yōu)化算法相結合，提出一種新型能量管理策略，在中國典型城市工況下利用Matlab/Simulink進行整車燃油經濟性仿真，結果表明，該能量管理策略能夠有效降低車輛的燃油消耗，并且能夠使電池的SOC值保持在較優(yōu)的工作范圍。

本文基于一款新型雙行星排傳動系統(tǒng)，通過杠桿法對傳動系統(tǒng)進行分析，根據系統(tǒng)的傳動特性采用多種策略相結合的能量管理方式，達到提高混合動力汽車燃油經濟性的目的。

1 系統(tǒng)分析

新型雙行星排傳動系統(tǒng)結構如圖1所示，該傳動系統(tǒng)是一款雙電機（EM1和EM2）、雙離合（C0和C1）、復合式星排深度混合的緊湊型動力系統(tǒng)。系統(tǒng)擁有3個自由度控制模式，結合鎖止機構B1為傳動系統(tǒng)的控制提供更大的自由度，使得系統(tǒng)具有多樣化的工作模式。

圖1 雙行星排混合動力系統(tǒng)結構

傳動系統(tǒng)具備多種純電動及混合動力工作模式，改變離合器C0、C1和制動器B1的結合狀態(tài)可以改變系統(tǒng)的傳動方式，得到不同的工作模式。通過改變3個元件的結合狀態(tài)可得到8種不同的傳動方案，再結合發(fā)動機、電機的工作狀態(tài)，可提煉出10種系統(tǒng)可實現(xiàn)的工作模式，不同工作模式及各部件狀態(tài)見表1。

表1 系統(tǒng)工作模式

2 能量分配

通過分析傳動系統(tǒng)各工作模式的傳動特性，基于提高燃油經濟性的原則對傳動系統(tǒng)做能量管理研究。該傳動系統(tǒng)的主要目標車輛為城市客車，本次研究所選車型的主要技術特征參數見表2。

表2 車輛主要技術特征參數

2.1 純電模式1能量管理

純電工作模式1狀態(tài)下，制動器B1閉合，離合器C0和C1分離，等效杠桿關系如圖2。

圖2 純電模式1—等效杠桿圖

設nS1為輪系1太陽輪的轉速，nS2為輪系2太陽輪的轉速，nout為系統(tǒng)的輸出轉速，nEM1為電機EM1的輸出轉速，nEM2為電機EM2的輸出轉速，TS1為輪系1太陽輪的輸入扭矩，TS2為輪系2太陽輪的輸入扭矩，TEM1為電機EM1的輸出扭矩，TEM2為電機EM2的輸出扭矩，Tout為系統(tǒng)的輸出扭矩，則存在以下關系：

該模式下系統(tǒng)輸出的轉速與電機單體輸出轉速存在固定比例，電機EM1和電機EM2的輸出轉速由需求轉速確定，系統(tǒng)輸出扭矩由電機EM1和電機EM2聯(lián)合提供，與電機單體的輸出扭矩不存在固定比例，故電機的輸出扭矩是該模式的主要控制變量。由式（1）可知，在需求扭矩確定的情況下，當其中一個電機的輸出扭矩確定，則另一個電機的輸出扭矩被動確定，即該工作模式下的控制變量只有一個。在已知電機工作特性的前提下，采用靜態(tài)邏輯門限能量管理策略將兩電機控制在綜合效率最優(yōu)的工作點上，能夠最大程度上提高能量的利用率。

基于Matlab平臺上，對滿足該工作模式的所有工況求兩電機綜合工作效率最優(yōu)的工作點，結果如圖3、圖4。從圖中可知，隨著需求扭矩的增加，電機EM1和電機EM2的輸出扭矩和呈上升趨勢，符合該模式的傳動特性邏輯。此外，由于電機的工作特性，在需求扭矩較小時，主要由電機 EM1單獨提供輸出，電機EM2的輸出功率基本為0。從圖2可知，兩電機到輸出軸的傳動比相同，同一工況下兩電機的輸出可以相互對換。

圖3 純電模式1—電機1輸出扭矩

圖4 純電模式1—電機2輸出扭矩

2.2 純電模式2能量管理

在純電模式2狀態(tài)下，制動器B1處于分離狀態(tài)，離合器C0和C1處于分離狀態(tài)，傳動系統(tǒng)的等效杠桿關系如圖5。

圖5 純電模式2—等效杠桿圖

從等效杠桿圖可得到以下關系：

由圖5可知，受到杠桿平衡的限制，系統(tǒng)的輸出扭矩與電機EM1和電機EM2的輸出扭矩存在固定傳動比，電機的輸出扭矩取決于需求扭矩。系統(tǒng)的輸出轉速由電機 EM1和EM2按照一定關系共同驅動，可以從0到最高轉速實現(xiàn)無級變速，與電機單體的輸出轉速不存在固定傳動比例，故該模式下的主要控制變量是電機輸出轉速。同純電模式1類似，在需求轉速確定的情況下，系統(tǒng)的控制變量只有一個，同樣采用靜態(tài)邏輯門限能量管理策略將兩電機控制在綜合效率最優(yōu)的工作點上。

對能夠滿足該工作模式的所有工況求電機 EM1和電機EM2的最優(yōu)工作轉速，結果如圖6和圖7。從圖中可知，電機 EM1的工作轉速范圍大，落在－7000r/min到 7000r/min之間，隨著需求轉速的增加，電機 EM1的輸出轉速從－7000r/min開始下降，再上升到7000r/min。相較于電機EM1，電機 EM2的工作轉速范圍較小，沒有明顯地上升或下降趨勢，主要集中在3000r/min-5000r/min的高效工作區(qū)域。

圖6 純電模式—電機1輸出轉速圖

圖7 純電模式2—電機2輸出轉速圖

2.3 混動模式1能量管理

當傳動系統(tǒng)處于該工作模式下時，制動器 B1閉合，離合器C0分離，離合器C1閉合，發(fā)動機參與驅動車輛，電機EM1和電機EM2選擇性參與驅動，系統(tǒng)等效杠桿關系如圖8所示。

圖8 混動模式1—等效杠桿圖

由等效杠桿圖可得：

該工作模式下發(fā)動機和電機的輸出轉速與系統(tǒng)輸出轉速存在固定傳動比，發(fā)動機與電機的輸出轉速由需求轉速確定。系統(tǒng)輸出扭矩由發(fā)動機和電機聯(lián)合提供，與發(fā)動機或電機單體的輸出扭矩不存在固定傳動比，故該模式下主要控制變量為發(fā)動機和電機的輸出扭矩?；诠?jié)能減排的考慮，對發(fā)動機參與工作的模式，將發(fā)動機作為優(yōu)先控制的對象。在發(fā)動機輸出轉速確定的情況下，采用最優(yōu)工作曲線策略將發(fā)動機控制在對應工作轉速下的最佳工作狀態(tài)[8]，發(fā)動機最優(yōu)工作曲線如圖9所示，紅色曲線為發(fā)動機在不同工作轉速下的最優(yōu)工作扭矩。確定發(fā)動機的輸出扭矩后，兩電機的控制與純電模式1類似，采用靜態(tài)邏輯門限能量管理策略控制兩電機的輸出扭矩。

圖9 發(fā)動機最優(yōu)工作曲線

2.4 混動模式2能量管理

該模式下制動器B1分離，離合器C0、C1閉合，發(fā)動機與電機EM1、電機EM2聯(lián)合驅動車輛，等效杠桿關系如圖10所示。

該模式下發(fā)動機的輸出轉速到輸出軸的傳動比為 1，電機的輸出轉速始終是發(fā)動機輸出轉速的2倍，分析等效杠桿圖可得：

由圖10可知，該模式與混動模式1相同，系統(tǒng)的輸出轉速與發(fā)動機和電機的輸出轉速存在固定傳動比，系統(tǒng)的輸出扭矩由發(fā)動機和電機聯(lián)合提供，與發(fā)動機或電機單體的輸出扭矩不存在固定傳動比。故該模式的能量管理同混動模式 1一樣，對于發(fā)動機的控制，采用最優(yōu)工作曲線策略，對于電機輸出扭矩的控制，采用靜態(tài)邏輯門限的能量管理策略。由式（4）可知，混動模式2主要用于中高速平路行駛工況，存在需求扭矩小于發(fā)動機最優(yōu)工作扭矩的狀況，因此在發(fā)動機輸出功率富余且電池的SOC值低于充電上限時，將發(fā)動機的剩余功率轉化為電能，存儲在蓄電池中。

圖10 混動模式2—等效杠桿圖

2.5 混動模式3能量管理

混動模式3狀態(tài)下制動器B1分離，離合器C0閉合，離合器C1分離，發(fā)動機的輸出功率全部通過離合器C0輸入到星排機構，系統(tǒng)等效杠桿關系如圖11所示。

圖11 混動模式3—等效杠桿圖

該模式下發(fā)動機與電機采用功率分流的杠桿平衡方式驅動車輛，系統(tǒng)輸出轉速可以實現(xiàn)從0到最高轉速之間連續(xù)變化。從等效杠桿圖可以得：

該模式下系統(tǒng)輸出的轉速、扭矩與發(fā)動機或電機單體的輸出轉速、扭矩都不存在固定傳動比，故發(fā)動機和兩電機的輸出轉速、扭矩都是該模式下的控制變量。由式（5）可知，針對一些確定的工況點，發(fā)動機的輸出轉速和扭矩在一定區(qū)間內可任意調節(jié)，通過用恒定工作點能量管理策略將發(fā)動機控制在最優(yōu)工作點上輸出，能夠最大程度降低發(fā)動機的油耗和排放[9]。將發(fā)動機的相關數據導入到Matlab中，求出發(fā)動機的最優(yōu)工作點如圖12。在發(fā)動機的輸出轉速、扭矩得到確定后，電機EM1和電機EM2的輸出轉速、扭矩由系統(tǒng)需求和發(fā)動機的實際輸出共同確定。

圖12 發(fā)動機最優(yōu)工作點

2.6 再生制動模式能量管理

再生制動模式能夠在車輛減速時將部分動能通過電機轉化為電能儲存在蓄電池中，提高車輛的能源利用率。再生制動模式1狀態(tài)下，制動器B1閉合，離合器C0和C1分離，等效杠桿關系如圖 13。當再生制動模式 2狀態(tài)下，制動器B1、離合器C0、C1都處于分離狀態(tài)，等效杠桿關系如圖14。由圖13、14可知，兩種再生制動模式的傳動特性分別與兩種純電工作模式相似，只有能量流動方向不同。所以兩種再生制動模式的能量管理方式可分別比照兩種純電工作模式，通過靜態(tài)邏輯門限策略分別控制兩電機的輸出扭矩、轉速。

圖13 再生制動模式1—等效杠桿圖

圖14 再生制動模式2—等效杠桿圖

2.7 停車發(fā)電工作模式能量管理

設置停車發(fā)電模式能夠充分利用車輛靜止的空余時間使用發(fā)動機對蓄電池的電量進行補充，保證電池的SOC值處于更合適的水平，對電池的壽命和車輛的排放都有積極的作用。該模式下，動器B1分離，離合器C0分離，離合器C1閉合，發(fā)動機和兩電機同時參與工作，但系統(tǒng)輸出轉速、扭矩都為0，等效杠桿關系如圖15所示。

圖15 停車發(fā)電模式—等效杠桿圖

分析等效杠桿圖可得：

該模式下系統(tǒng)內的能量由發(fā)動機流向電機，發(fā)動機輸出轉速與電機輸出轉速存在固定比例，發(fā)動機輸出扭矩與電機輸出扭矩不存在固定比例。由于該工作模式不受行駛工況影響，所以發(fā)動機的工作狀態(tài)可以任意設定。基于節(jié)能減排的考慮，采用恒定工作點能量管理策略將發(fā)動機控制在最優(yōu)工作點上，最大程度上降低發(fā)動機的油耗和排放。當發(fā)動機工作點得到確定后，兩電機的輸出轉速被動確定，對于電機輸出扭矩控制，通過靜態(tài)邏輯門限的策略求兩電機綜合效率最優(yōu)的工作點。將相關數據導入Matlab軟件，編程求得發(fā)動機和電機的工作點如圖16所示。

圖16 停車發(fā)電模式—發(fā)動機和電機工作點

3 仿真建模與結果分析

本次整車建模采用前向仿真與后向仿真相結合的方式[10]，根據研究結果和相關參數搭建整車仿真模型。選用工況

的百公里油耗作為評價燃油經濟性的主要指標，車輛負載為滿載質量的65%，此外，盡可能使電池電量在仿真起始點和仿真結束點保持一致，降低電池電量的對仿真結果的影響[11]。根據我國最新發(fā)布的中國汽車行駛工況標準 GB_T 38146.2-2019《中國汽車行駛工況 第2部分 重型商用車輛》對于混合動力重型商用車進行燃油經濟性考核，考核工況為CHTC-B中國城市客車行駛工況。在不影響結果的前提下，為了便于研究，去除工況起步和結束時車速為0km/h的點[12]，得到行駛工況如圖17。

圖17 行駛工況

根據標準運行仿真模型，圖18為工況覆蓋圖。從圖中可得，在誤差允許的范圍內，實際輸出車速完全覆蓋工況需求車速，這表明，對于混動雙行星排傳動系統(tǒng)的能量分配管理在動力性方面能夠滿足工況需求，仿真結果具備一定參考價值。

圖18 工況覆蓋圖

圖19為發(fā)動機實時燃油消耗率曲線圖，從圖中可得，在整個工況中，發(fā)動機的實時燃油消耗率大部分都低于200g/kwh，只有少數幾個時刻接近200g/kwh，即在整個行駛工況中發(fā)動機的工作點基本落在最優(yōu)工作區(qū)間內。仿真結果表明，本次能量分配管理對于發(fā)動機參與工作的工況采用優(yōu)先控制發(fā)動機的效果顯著，總體上能夠有效地將發(fā)動機控制在較優(yōu)的工作區(qū)域內，有利于提高整車燃油經濟性。

圖19 發(fā)動機實時燃油消耗率

圖20為電池實時SOC值曲線圖。由圖可得，在整個工況運行過程中，電池SOC值基本保持在49-52，表現(xiàn)比較穩(wěn)定。電池SOC值波動幅度小，有利于電池的穩(wěn)定工作和使用壽命的延長。此外，電池的SOC值在仿真起始點和仿真結束點保持一致，消除了電池電量對仿真結果的影響，使仿真更加精確。

圖20 電池實時SOC值

通過求取累積油耗和累積行駛里程，計算出本次基于CHTC-B城市工況的百公里仿真油耗為15.11L，仿真結果如圖21，對比GB 30510-2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》中的限值 31L，該結果極大降低了燃油消耗量，車輛的燃油經濟性得到顯著提高。

圖21 百公里油耗

4 結語

本次研究從中國CHTC-B城市工況出發(fā)，對一款新型雙行星排混合動力傳動系統(tǒng)做能量管理研究。通過對傳動系統(tǒng)工作模式進行特性分析，采用多種策略相結合的方式對系統(tǒng)做能量分配管理。根據研究結果和車輛參數基于Matlab/Simulink平臺上搭建整車仿真模型，對傳動系統(tǒng)做燃油經濟性測試。測試結果表明，本次能量管理能夠有效地將發(fā)動機和電機控制在較優(yōu)的工作區(qū)域內，基于中國CHTC-B城市工況的百公里仿真油耗為15.11L，降低車輛燃油消耗的效果顯著，極大提高了混動汽車的燃油經濟性。