汽車混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)仿真設計

摘 要：混合動力汽車由兩種或多種儲能器、能源及轉(zhuǎn)換器為驅(qū)動能源，核心部分為動力耦合機構(gòu)，其性能直觀影響到整車性能。文章主要對汽車混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)進行了概述，對新型CVT式混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)進行了設計，并在Matlab/Simulink環(huán)境下建立仿真模型，研究純電動模式切換至發(fā)動機單獨驅(qū)動模式時的控制策略科學性，驗證新型耦合機制的可靠性、合理性，以期借助可靠、穩(wěn)定的耦合機構(gòu)來快速、平穩(wěn)的啟動發(fā)動機，保證汽車的有效行駛。

關鍵詞：汽車 混合動力系統(tǒng) 耦合機構(gòu) 仿真設計

在倡導節(jié)能、環(huán)保、低碳的新時代背景下，新能源汽車行業(yè)發(fā)展前景極為廣闊，對純電動汽車及燃料電池汽車關鍵技術(shù)的研發(fā)力度逐步加深，推出了解決資源短缺和環(huán)境問題的重要方案—混合動力汽車[1]。為了優(yōu)化混合動力汽車的經(jīng)濟性、動力性和舒適性，優(yōu)化傳動系統(tǒng)的空間布局，必須結(jié)合整車性能要求，對動力耦合機構(gòu)進行科學設計。針對汽車混合動力系統(tǒng)，探究耦合機構(gòu)仿真設計及整車控制策略，能夠更好的指導耦合機構(gòu)研發(fā)工作的開展，促進汽車混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)朝著功能完善、控制先進的方向發(fā)展。

1 汽車混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)概述

在汽車混合動力系統(tǒng)開發(fā)過程中，耦合機構(gòu)占據(jù)著重要位置，只有從根本上保障耦合機構(gòu)性能，才能夠確保整車性能符合設計要求。汽車混合動力系統(tǒng)的耦合機構(gòu)功能主要包括：（1）動力耦合功能。動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)可以分解并合成不同動力源的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率，讓汽車在動力支持下穩(wěn)定運行。各動力源所輸出的動力既然彼此配合也相互獨立，協(xié)同發(fā)揮驅(qū)動作用；（2）再生制動功能。該功能是混合動力汽車能源消耗較低的關鍵，尤其在汽車進行減速、剎車控制的過程中，動能傳動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電機轉(zhuǎn)子在磁場中的旋轉(zhuǎn)運動，在磁生電原理下產(chǎn)生電流，有效回收制動能量。汽車混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)在該功能的支撐下，可以有效連接電機轉(zhuǎn)子機械和驅(qū)動輪，并保持發(fā)動機和驅(qū)動輪二者間的斷開狀態(tài)，使制動能量回收率顯著提升；（3）工作模式切換功能。混合動力系統(tǒng)可以結(jié)合需求，切換并調(diào)整為相應的工作模式，最大限度的減少沖擊，使汽車在多種工況下正常行使，具有動力和經(jīng)濟性強的特征；（4）輔助功能?；旌蟿恿ζ囋谧畛跗鸩诫A段，耦合機構(gòu)扭矩較大，且電機轉(zhuǎn)速較低。汽車通過變速器倒擋倒車時需要依靠電機來實現(xiàn)，變速器機構(gòu)更加簡潔化。

常見混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)包括：ISG型混合動力耦合機構(gòu)、BSG雙電機型混合動力耦合機構(gòu)、通用Two-mode混合動力耦合機構(gòu)、豐田THS混合動力耦合機構(gòu)，不同耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)點有所差異，在不同工況、工作模式下的穩(wěn)定運行方面仍存在不足[2]。

2 新型混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)設計

結(jié)合汽車混合動力系統(tǒng)的功能要求，本研究設計出一種新型CVT式混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)，可以在多種運行工況下，結(jié)合車輛對傳動系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠運行。該混合動力傳動系統(tǒng)擁有純電動、發(fā)動機驅(qū)動、混合驅(qū)動和行車充電四大模式[3]。

2.1 混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)特性

首先，純電動模式下耦合機構(gòu)特性。混合動力汽車在起步或者低速行駛時，電機單獨驅(qū)動，發(fā)動機關閉，單向離合器不工作，濕式多片離合器分離，電機提供整個汽車的驅(qū)動力。ISG電機將動力以此至CTV變速器、車輪，使汽車正常啟動。該模式下，汽車動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)的數(shù)學模型的約束條件為：發(fā)動機扭矩（Te）=0，濕式多片離合器傳遞扭矩（Tcl）=0，發(fā)動機轉(zhuǎn)速（ωe）=0，且滿足公式Tm-T=J2·。其中，Tm為發(fā)動機扭矩分配到電動機軸上的扭矩，T為等效到變速器輸入端阻力矩，J2為系統(tǒng)濕式多片離合器后端的等效轉(zhuǎn)動慣量。純電動模式下耦合機構(gòu)特性詳見圖1。

其次，發(fā)動機驅(qū)動模式下耦合機構(gòu)特性。在汽車發(fā)動機驅(qū)動模式下，車速較高或驅(qū)動力矩需求較大，電機不輸出轉(zhuǎn)矩，濕式多片離合器分離，單向離合器傳遞扭矩，發(fā)動機帶動電機空轉(zhuǎn)運行。該模式下，耦合機構(gòu)數(shù)學模型為：發(fā)動機轉(zhuǎn)速（ωe）=電動機轉(zhuǎn)速（ωm），發(fā)動機扭矩分配到電動機軸上的扭矩為零，且滿足公式Te-T=（J1+J2）·。其中，J1為系統(tǒng)濕式多片離合器前端黨的等效轉(zhuǎn)動慣量。

然后，混合驅(qū)動模式下耦合機構(gòu)特性。汽車處在混合驅(qū)動工況下，發(fā)動機、電機同時運行，共同輸出轉(zhuǎn)矩，滿足所需的扭矩，單向離合器不工作，電機和發(fā)動機二者扭矩耦合，傳輸至變速器，滿足汽車在運行過程中的速度要求。汽車各元件的轉(zhuǎn)速在混合驅(qū)動過程中相同，使動力傳動模塊能夠合成扭矩。該模式下，耦合機構(gòu)數(shù)學模型符合發(fā)動機轉(zhuǎn)速=電動機轉(zhuǎn)速，即ωe=ωm，且滿足公式Te-Tm-T=（J1+J2）·。

最后，行車充電模式下耦合機構(gòu)特性。汽車在運行過程中如果出現(xiàn)電量較低的狀況，應提高發(fā)動機負荷率，借助發(fā)動機來帶動電機進行發(fā)電，從而通過電機提供負轉(zhuǎn)矩。該模式下，發(fā)動機驅(qū)動，電機發(fā)電，單向離合器不工作，且濕式多片離合器分離，發(fā)動機輸出功率一方面包括汽車征程運行狀態(tài)下所需功率，此時耦合機構(gòu)數(shù)學模型的約束條件為：發(fā)動機轉(zhuǎn)速=電動機轉(zhuǎn)速；另一方面，功率也分配到電機中，電機充當發(fā)電機對電池進行充電[4]。滿足公式Te-Tm-T=（J1+J2）·。

2.2 混合動力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)設計

2.2.1 濕式多片離合器的設計

后備系數(shù)推薦值為1.2，濕式多片離合器傳遞的扭矩是50Nm，傳遞扭矩 Tt取值為 50Nm；摩擦片機械部分的計算轉(zhuǎn)矩為6000Nm，摩擦盤工作面的平均直徑/外直徑/內(nèi)直徑分別為12.8/13.5和12.1cm，摩擦盤寬度是0.7cm，摩擦面對數(shù)和壓強分別是4、83.3N/cm2；結(jié)合摩擦片液壓結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，具體參數(shù)設計如下：密封圈摩擦阻力是71.2N，活塞缸壓緊力是3897.8N，靜止缸復位彈簧力為349.8N；摩擦片漸開線式花鍵的具體參數(shù)為：內(nèi)花鍵的齒數(shù)為30，內(nèi)外徑分別是114.5和120.6mm，齒厚為1.6mm。外花鍵的齒數(shù)為24，內(nèi)外徑分別是135和140mm，齒厚為1.8mm。

2.2.2 壓盤的設計

壓盤采用20CrMo材質(zhì)，深度是0.3到0.5mm，內(nèi)徑是67mm，外徑是132mm，厚度是5mm，表面淬火HRC58-62。

2.2.3 回位彈簧的設計

選用圓柱螺旋式RY1的熱卷壓縮彈簧，材質(zhì)為60Si2Mn，許用切應力值為590MPa，鋼絲直徑為1mm，彈簧內(nèi)/外徑分別為6mm和8mm，有效圈數(shù)是4.9。

2.2.4 軸的設計

離合器輸入/出軸采用的分別是20CrMo、40Cr，輸出軸最小半徑為 25mm。

3 汽車混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)仿真

在汽車CVT式混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)的仿真試驗中，應用到MATLAB/Simulink 仿真平臺，借此建立相應模型，通過汽車不同模式切換的特性和原理，檢驗相應的控制策略，分析全新耦合機構(gòu)方案的性能。

3.1 混合動力汽車前向仿真模型

基于前向仿真建模法，對整車前向仿真模型進行搭建，初步驗證模式切換中扭矩協(xié)調(diào)控制策略，仿真步長固定為0.01秒。同時，還要明確包含目標扭矩、協(xié)調(diào)控制算法、邊界條件在內(nèi)的控制策略頂層模型，結(jié)合電起機運行原理，創(chuàng)建汽車由純電動模式到發(fā)動機模式轉(zhuǎn)換時的控制模型[5]。

在該混合動力汽車耦合機構(gòu)模型中，控制模塊Stateflow能夠?qū)崿F(xiàn)各模塊間的平滑轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，具體包括：特定發(fā)動機轉(zhuǎn)速下點火狀態(tài)、電機扭矩補償狀態(tài)、純電動狀態(tài)、離合器抵抗發(fā)動機啟動阻力矩狀態(tài)等。耦合機構(gòu)中電起機處在變化的狀態(tài)中，不同狀態(tài)下的參數(shù)也會隨之改變，同離合器相互配合，合理調(diào)整動力源，保證發(fā)動機、電機及離合器彼此間的有效配合運行，使汽車發(fā)動機的啟動速度大大縮減，沖擊性更小。

3.2 仿真分析

以上述方針模型為基礎，在對CVT式混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)進行仿真分析時候，可以開展純電動模式轉(zhuǎn)化為發(fā)動機驅(qū)動模式的仿真研究，獲取生成動力性模式分析結(jié)果。

根據(jù)圖5中的方針實驗結(jié)果，能夠得知：汽車在純電動工況下，加速踏板初始開度是0.2，切換到依靠發(fā)動機進行驅(qū)動的工況后，其開度提高到0.4，由最初55Nm的需求扭矩變?yōu)?03Nm，同時汽車電機、離合器及發(fā)動機彼此配合，保障汽車穩(wěn)定運行。就仿真試驗中發(fā)動機動力性曲線進行分析，加速踏板開度達到0.4后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速約為4800r/min，汽車動力較強，滿足了運行要求。在5.8s后，混合動力系統(tǒng)控制器會對電器機指令進行發(fā)布，不斷接合離合器，同時離合器控制器也能夠根據(jù)加速踏板的具體變化、開度，控制主動盤和從動盤的轉(zhuǎn)速，此時對應的瞬間沖擊度是2m/s3。由此能夠說明，汽車CVT式混動動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)在離合器車模糊控制策略下，能夠有效完成不同工況的切換，使駕駛員可以更好的控制汽車運行。

此外，在混合動力汽車的發(fā)動機啟動之后，電機斜率持續(xù)降低，最終保持關閉狀態(tài)，但發(fā)動機扭矩會持續(xù)增大，借助電機進行扭矩補償，使離合器輸入扭矩保持穩(wěn)定狀態(tài)。CVT式混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)下，電機輸出扭矩在7.8s時達到極限值，約為109Nm，電機扭矩持續(xù)降低，而發(fā)動機輸出正扭矩。7.9s時，耦合機構(gòu)濕式多片離合器完全接合，電機扭矩降到零，汽車由發(fā)動機進行單獨驅(qū)動。

混合動力汽車耦合機構(gòu)純電動模式CVT速比值是2.54，但10s后不斷變化，在20s時速左右時固定位1.5。純電動、發(fā)動機單獨驅(qū)動兩大模式切換耗時2.2s，對應扭矩波動值從-10Nm到10Nm，沖擊度絕對值小于8m/s3，達到了規(guī)范沖擊度標準。

混合動力汽車耦合機構(gòu)動力性模式與上述經(jīng)濟性模式相似，需要讓發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持為3000r/min，CVT速比值在8s時發(fā)生改變，20s后達到固定值，約為1。CVT式混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)的經(jīng)濟性模式仿真圖詳見圖6。

混合動力汽車在模塊切換的過程中，電機轉(zhuǎn)速降低，而由于發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速的增大，單項離合器會使電機轉(zhuǎn)速也隨之增大。由于不同模式切換后，速比和車速均發(fā)生了改變，需求扭矩不斷降低。根據(jù)混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)仿真試驗的具體結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)全新耦合機構(gòu)的扭矩控制策略可以保證汽車節(jié)能性及動力性的要求，在啟動和行使過程中不會出現(xiàn)較大的沖擊力，維持了汽車的穩(wěn)定性。

此外，在仿真實驗過程中，還應在測功機未加載的前提下，開展行駛狀態(tài)中起動發(fā)動機試驗、不同車速/坡度的行進間起動發(fā)動機試驗。結(jié)果表明：多種條件下，全新CVT式耦合機構(gòu)可以保證不同運行模式的有效切換。

4 結(jié)語

本研究所設計的新型CVT式混合動力系統(tǒng)耦合機構(gòu)工作模式齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、控制便利，促進耦合機構(gòu)朝著功能完善、空時先進的方向發(fā)展，組建出相應的混合動力系統(tǒng)，能夠借助扭矩協(xié)調(diào)控制策略來提升整車平順性、動力性，保障了汽車不同模式的切換品質(zhì)。

參考文獻：

[1]竇海石，魏洪乾，艾強，等.雙流耦合構(gòu)型混合動力拖拉機旋耕工況控制策略研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2024，55（02）：393-400+414.

[2]方瑞蓮，蔡強，張維果，等.串聯(lián)式混合動力汽車動力耦合控制策略研究[J].專用汽車，2023（07）：23-25.

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