混聯(lián)混合動力特種車輛參數匹配與性能優(yōu)化研究

陳福忠，韓立金

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島266580;2.北京理工大學機械與車輛工程學院，北京100081)

混聯(lián)混合動力特種車輛參數匹配與性能優(yōu)化研究

陳福忠1，韓立金2

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島266580;2.北京理工大學機械與車輛工程學院，北京100081)

分析了混合驅動系統(tǒng)轉速、轉矩、功率和效率四大特性，在此基礎上提出了多目標優(yōu)化匹配流程，建立了系統(tǒng)參數匹配的優(yōu)化模型。并應用于某重型特種車輛的混合動力系統(tǒng)參數的匹配，通過樣車驗證該匹配方法使車輛具有良好的性能，為混聯(lián)混合動力車輛特性分析和系統(tǒng)匹配研究提供了重要參考。

功率分流;混合驅動;混聯(lián)混合動力車輛;參數匹配;優(yōu)化

0 引言

鋼廠、碼頭等占地面積大，貨物量多、重量大，運輸條件苛刻，而且又是長時間連續(xù)作業(yè)，因此，要求所需特種車輛驅動轉矩大、燃油消耗低、排放少、工作效率高，所以適宜采用混合動力系統(tǒng)進行驅動。功率分流混合驅動車輛的工作原理如圖1所示，發(fā)動機驅動功率經行星耦合機構分流為兩路進行傳遞，其中一路經發(fā)電機轉化為電功率，然后經過電動機與另外一路機械功率實現匯流。通過發(fā)電機和電動機的調節(jié)作用，改善發(fā)動機的工作點，提高驅動系統(tǒng)的效率，因此具有良好的燃油經濟性。文獻［1-2］對類似功率分流結構的轉速轉矩和效率特性進行了分析，文獻［3］研究了具有功率分流特性的多個不同方案的分流規(guī)律，但針對此類方案進行的參數匹配的研究還比較少，對其動力輸出特性的研究還不夠深入。目前的參數匹配研究多集中在串聯(lián)和并聯(lián)方案，有研究電機的恒功率區(qū)擴展系數與車輛加速爬坡等性能要求和電機功率匹配的關系［4］。有研究并聯(lián)方案中發(fā)動機和電機功率的匹配原則，即由發(fā)動機提供車輛平均行駛功率，由電動機提供峰值功率。［5］也有對某混聯(lián)方案的電動機和發(fā)電機的參數匹配進行研究，提出發(fā)電機和電池組的匹配應基于循環(huán)工況，電動機的匹配應基于加速需求的匹配原則［6］。但其匹配并不適合行星排功率分流混合驅動方案。在功率分流方案中電機功率匹配與發(fā)動機功率和行星排特性參數、連接關系等密切相關。本文在對其輸出特性研究的基礎上，提出驅動系統(tǒng)參數匹配的方法和流程。

圖1 功率分流混合驅動系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of power diffluence hybrid propulsion system

1 總體方案

本文所研究的驅動系統(tǒng)參數匹配方法應用在大功率多輪驅動的特種車輛上，其結構簡圖如圖2所示。發(fā)動機與耦合機構的行星架相連，電機A與太陽輪相連，電機B與齒圈相連，共同輸出動力到變速機構。由于大功率電機技術水平的限制，單獨依靠耦合機構的輸出特性無法滿足車輛的動力性能設計指標，因此需要多檔變速機構。在耦合機構中還設計了離合器和制動器等操縱元件，用于實現車輛的不同驅動模式。

系統(tǒng)參數匹配與優(yōu)化設計的目的是在當前各關鍵元件的技術水平下，如何匹配發(fā)動機、電池組、電機A、電機B以及變速機構等使系統(tǒng)能夠協(xié)調工作，并發(fā)揮出最好的驅動性能，滿足車輛性能設計要求，同時使系統(tǒng)的體積重量實現合理的配置，滿足車輛動力傳動系統(tǒng)空間布置的約束。其中關鍵的是與行星耦合機構相連的發(fā)動機、電機A、電機B和電池組間的匹配以及耦合后的共同輸出特性。

圖2 車輛動力傳動系統(tǒng)簡圖Fig.2 Diagram of power transmission system in vehicle

2 耦合機構特性分析

由圖2所示行星排連接關系，可以得到電機A與電機B的轉速轉矩與耦合機構輸入輸出轉速轉矩的方程如下

式中，k為耦合機構行星排特性參數，是其齒圈齒數與太陽輪齒數之比;ni、Ti分別為耦合機構的輸入轉速、轉矩，輸入直接與發(fā)動機相連;n0、T0分別為耦合機構輸出轉速轉矩;na、T0分別為電機A的轉速轉矩，nb、Tb分別為電機B的轉速、轉矩。

耦合機構是混合動力系統(tǒng)的核心部件，主要表現出轉速、轉矩、功率、效率等四個方面的特性。

2.1 無級調速特性

無級調速特性是行星排功率分流混聯(lián)混合動力系統(tǒng)的突出優(yōu)點之一。通過電機A與電機B的配合，改變系統(tǒng)機電功率流的分流比例，實現了當發(fā)動機轉速恒定不變時，輸出轉速無級調節(jié)的目的。即在車速一定時，發(fā)動機的轉速可以進行無級調節(jié)，使其處于最優(yōu)工作區(qū)域。定義耦合機構的傳動比為

則可以推出如下表達式

從圖3中可以看出，耦合機構無級變速特性與傳統(tǒng)無級傳動的變速特性不同，其傳動比調節(jié)范圍隨輸出轉速或輸入轉速的變化而變化，而傳統(tǒng)無級變速器的傳動比調節(jié)范圍是一定的。從圖3a可知，當輸出轉速較低時，傳動比可以為零，即在不需要主離合器的條件下，車輛可以實現零速起步，并且具有較好的低速穩(wěn)定行駛的能力。從圖3b可知，耦合機構的傳動比可以為負值，因此不需要專門設置倒檔就可以實現倒車功能。由公式(1)和(2)可知，耦合機構無級調速范圍與電機A的轉速范圍密切相關，電機A轉速范圍越寬，無級傳動比可調范圍也就越大。

圖3 耦合機構無級變速特性Fig.3 Stepless speed change characteristics of couplingmechanism

2.2 轉矩輸出特性

發(fā)動機和電動機輸出特性如圖4所示。在相同的額定功率下，電動機的轉速范圍比發(fā)動機寬，輸出轉矩比發(fā)動機大。通過行星齒輪傳動機構把發(fā)動機與多個電機連接到一起后，系統(tǒng)的輸出特性可以分為四個階段，低速階段、恒轉矩階段、過渡階段和恒功率階段如圖5所示。根據系統(tǒng)匹配參數的不同，每個階段的車速范圍也有所變化。

從理論上講，可以沒有低速階段，車輛直接從恒轉矩階段起步。但系統(tǒng)匹配時，對電機A的參數要求較高。此階段只要滿足車輛不同工況下起步以及較低車速下穩(wěn)定行駛的功能即可。恒轉矩階段工作時，電機B處于恒轉矩輸出工況，發(fā)動機在其最大轉矩點工作，系統(tǒng)具有最大輸出轉矩。過渡階段，發(fā)動機從最大轉矩點移動到額定功率點，電機B也從恒轉矩階段過渡到恒功率階段。在恒功率區(qū)，發(fā)動機在額定功率點穩(wěn)定工作，電機B在恒功率段轉速逐漸升高，電機A的轉速隨之降低，保證發(fā)動機轉速不變。

2.3 功率分流特性

功率分流是混聯(lián)混合動力行星齒輪傳動耦合系統(tǒng)的主要特征，通過對分流功率的控制可以實現功率的最優(yōu)分配和利用。耦合機構中存在兩種功率分流工況，如圖6所示。若定義電功率分流比例系數為電機發(fā)電工況下的功率與輸入功率之比，則

工況1:電機A發(fā)電，此時na＞0，

工況2:電機B發(fā)電，此時na＜0

當na＞0時，有βele=0。

綜上可知，耦合機構電功率分流比例系數為

當輸入轉速一定時，電功率分流比例系數與輸出轉速呈線性關系。當n0=0時，所有功率為電功率;當時，電功率為零，系統(tǒng)所有功率通過機械輸出。

圖6 混合驅動系統(tǒng)功率分流示意圖Fig.6 Diagram for power diffluence of hybrid propulsion system

2.4 效率特性

耦合機構效率與系統(tǒng)電功率分流比例有關，在不考慮行星排機械功率損失的條件下，功率損失主要產生于從機械功率到電功率以及從電功率到機械功率能量轉換等過程，因此電功率分流比例越大，系統(tǒng)效率也就越低。由于行星排機械功率損失與其傳遞的相對功率有關，即與傳動比有關。在不考慮外界電功率交換的條件下，推導耦合機構效率得

電機A和電機B的效率如果取平均效率，計算可得圖7所示耦合機構效率曲線。當傳動比時，有最高效率，隨著傳動比的增大，系統(tǒng)效率降低。大部分工況下，考慮行星排機械功率損失時，其效率比不考慮大約低0到2個百分點。車輛正常行駛時，不僅要考慮使耦合機構在高效區(qū)工作，同時應保證發(fā)動機工作在最佳燃油經濟區(qū)，使系統(tǒng)具有最優(yōu)的綜合效率。

圖7 耦合機構效率特性Fig.7 Efficiency characteristics of couplingmechanism

3 多目標性能優(yōu)化匹配策略

功率分流混合驅動系統(tǒng)的性能參數匹配涉及到多能量源以及多個驅動元件間的功率分配，并且行星耦合機構屬于二自由度行星系統(tǒng)，所以很難通過傳統(tǒng)的車輛參數匹配方法來實現，而應通過優(yōu)化的方法求解最優(yōu)設計參數組合。根據前面的分析，提出功率分流混合驅動系統(tǒng)性能匹配與優(yōu)化的設計流程，如圖8所示。

圖8 混合驅動車輛參數匹配流程Fig.8 Flow chart for parametermatching of hybrid driving vehicle

3.1 優(yōu)化目標函數確定

應該根據所研究車輛的實際用途，確定系統(tǒng)性能匹配的優(yōu)化目標。本文研究對象是重型特種車輛，對動力性有較高的要求，而對于排放則要求相對較低。另外，由于車輛功率較大，對大功率電機和動力電池組有較高要求，應盡量減小電機設計功率和動力電池組的功率和能量容量，以改善動力艙的結構布置并減輕整車重量。綜上所述，功率分流混合驅動系統(tǒng)性能匹配的目標是合理配置系統(tǒng)各關鍵元件的參數，使各元件能夠協(xié)調工作，并且發(fā)揮出最優(yōu)的驅動性能，同時兼顧各元件的體積和質量，便于整車空間布置，使各元件的技術設計難度和成本降到最低。

選用驅動功率利用率作為評價系統(tǒng)動力性的指標，其定義為

式中，T0為行星耦合機構輸出轉矩;n0為輸出轉速;Toid為滿足車輛需求的理想驅動輸出轉矩。所以驅動功率利用率可以描述為

電機A的作用主要用來分流發(fā)動機的功率，其功率大小與發(fā)動機功率相關。電機B功率越大就越有利于系統(tǒng)動力性的發(fā)揮，但在實際設計中，無論從成本還是從混合驅動裝置本身重量體積來看，都需要兩電機的功率盡量小。這就造成了電機需求和系統(tǒng)動力性之間的矛盾。處理這個問題的原則是，在滿足基本動力性的條件下，選擇合適的電機功率，使系統(tǒng)動力性得到較好的發(fā)揮。建立體現電機B質量和體積與電機設計參數間的函數:

同樣，考慮動力電池組的重量和成本，建立與動力電池組功率相關的函數:

同一系列發(fā)動機，當功率相差不大時，對其體積和重量影響都不大，所以沒有考慮發(fā)動機功率對其重量體積的影響。建立如下多目標優(yōu)化函數。

式中，V－min表示向量極小化，即向量目標F(x)=［－f1(x)，f2(x)，f3(x)］T中各個子目標函數盡量極小化，設計變量為

3.2 約束方程的建立

系統(tǒng)約束方程與動力輸出特性優(yōu)化的約束方程大部分相同。

耦合機構的轉速轉矩約束

電功率平衡方程

此外還有發(fā)動機、電機A、電機B本身的轉速轉矩限制，以及動力電池組的充放電功率限制

式中，na、Ta、Pa分別為電機A的轉速、轉矩和功率;nb、Tb、Pb分別為電機B的轉速、轉矩和功率;Pbatt、T0、P0分別為動力電池組的充放電功率，輸出轉矩和功率。

求解上述優(yōu)化模型可以得到不同輸出轉速下的輸出轉矩和功率，并且得到電機A、電機B和發(fā)動機的轉速轉矩和功率變化規(guī)律。

靜音行駛需求功率計算

式中，Vs為靜音行駛的速度;ηbs為靜音行駛時從動力電池組到地面的傳動效率。

動力電池組的續(xù)駛里程計算公式

式中，Cbatt為電池組的容量;Ubatt為電池組的電壓，ΔSOC為電池組的有效荷電狀態(tài);ξ(c)為溫度影響因子。

由此可以根據續(xù)駛里程的設計指標計算動力電池組的能量容量。發(fā)動機和電機的轉矩約束滿足下列模型。

發(fā)動機外特性模型采用經驗公式

電機A和電機B采用同樣的外特性模型，其描述如下

其中，Pmmax為電機最大功率，nmmax為電機最高轉速，β為電機擴展恒功率區(qū)系數。

4 試驗結果與結論

按照方案流程進行匹配計算，得最后匹配參數見表1。

表1 混合驅動系統(tǒng)匹配參數Tab.1 Matching parameters of hybrid propulsion system

所設計車輛混合驅動系統(tǒng)經跑車試驗，其0～60 km/h加速特性如圖9所示。

圖9 0～60 km/h加速過程曲線Fig.9 Curves of acceleration process(0～60 km/h)

對比試驗數據和計算結果，二者基本吻合，說明本文基于混合驅動車輛功率耦合系統(tǒng)的轉速、轉矩、功率、效率等四大特性所建立的參數匹配優(yōu)化模型是正確的，通過實例驗證了基于優(yōu)化的系統(tǒng)參數匹配流程的可靠性。本研究對于開發(fā)大功率混合驅動車輛，對車輛進行性能分析和系統(tǒng)參數匹配具有較強的實際應用價值。

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Research on parametersmatching and performance optim ization of special SPHEV

CHEN Fu-zhong1，HAN Li-jin2
(1.School of Electromechanical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China;2.School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

The four characteristics(rotate speed，torque，power and efficiency)of HEVs are analyzed in this paper．Based on the analysis of the characteristics of the hybrid propulsion system，the process formulti-objective optimization matching is proposed．A parameter optimizationmodel for system matchingwas established and adopted in parameter matching of the hybrid power system of a specialty vehicle．Experiment results of a prototype vehicle show that thematchingmethod can make vehicles to have better performance．An important reference is provided for further study on characteristic analysis and system matching of hybrid power vehicles．

power diffluence;combination propulsion;SPHEV;parametermatching;optimization

U273

A

1001－196X(2012)05－0025－07

2012－05－29;

2012－08－06

國家自然科學基金資助項目(50905018)

陳福忠(1975－)，男，博士，研究方向為車輛傳動理論與技術，車輛NVH。