雙模行星耦合式油電混合動力系統的參數優化

趙升噸，楊雪松，楊紅偉，楊元元

（西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049）

雙模行星耦合式油電混合動力系統的參數優化

趙升噸，楊雪松，楊紅偉，楊元元

（西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049）

雙模行星耦合式油電混合動力系統由兩組或三組行星排構成，通過對離合器的控制實現輸入分流式和復合分流式的切換,使得系統在全速比范圍內效率較優。文章分析了現有不同類型功率分流式混合動力裝置的輸出特性與系統匹配參數關系，論證雙模行星耦合式混合動力系統的優越性，提出了兩種易于結構化實現的系統構型，以杠桿法為基礎、以系統效率為優化目標進行了參數化設計。

雙模；混合動力；功率分流；行星耦合

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-27-05

前言

汽油內燃機與電動機混合驅動的汽車，即油電復合汽車作為汽柴油車向電動車轉化的過渡產品，在接下來的一段時間內會在市場上占領很大的份額，并且向多元化發展。行星耦合式功率分流無級傳動系統是指利用行星機構將發動機所傳遞出的功率分流為機械和電氣兩條路徑進行傳遞，并最終匯流驅動汽車的變速裝置。該系統綜合了無級變速和電動化這兩大技術，能實現電子無級變速的功能，因此也有學者[1]將其稱為e-CVT結構或EVT結構[2]。功率分流式混合動力系統實現了發動機和負載的解耦，既保證發動機工作在效率較高的區域，又充分利用機械功率流傳遞效率、可靠性高的優點，可大幅提高車輛的燃油經濟性和動力性能[3]。目前較成功的混合動力汽車包括日本豐田公司的“Prius”[4]和美國通用公司的產品“Allison”[5]等，它們的變速箱均采用了基于行星耦合裝置的功率分流式混合動力系統。

針對混合動力車輛傳動系統的方案設計與輸入輸出特性分析，國內外學者開展了廣泛的研究。文獻[1]綜述了現有混合動力車輛技術，分析了不同類型傳動結構的特點及電機工作特性；文獻[6-7]對兩自由度行星傳動系統進行了運動學及動力學分析；文獻[8-9]基于以Prius為代表的輸入分流式系統，對系統的工作原理進行了介紹，并對動力系進行了分析設計；文獻[10-11]分別對輸入式和復合式功率分流混合動力系統進行了參數化研究；文獻[12-13]對混合動力車輛的控制方法進行了研究，對車輛行駛中變速箱不同工作模式間的切換控制進行了優化；文獻[14]提出了一種方法對雙?；旌蟿恿ο到y的構型進行分析。但綜上所述，目前關于功率分流式混合動力傳動系統的研究多局限于輸入分流式或復合分流式等單一模式，對于集成了這兩種模式的雙?；旌蟿恿鲃酉到y中的行星齒輪機構的設計研究還尚少，尤其在進行構型設計時很少考慮其結構可行性。因此，有必要通過分析和參數化設計確定一種結構可行的較優方案，并對設計結果進行檢驗評估。

本文對功率分流式雙?；旌蟿恿ο到y的構型設計進行了深入的研究，進行了基于杠桿法的構型設計及其擴展演化，并進行了兩種結構方案的參數化設計；然后創造性地提出以全速比范圍電功率特征值作為優化目標以確定第三排行星傳動機構特征參數的方法，并用此方法對提出的兩種方案進行了優選。

1、行星耦合式功率分流系統

1.1 功率分流系統的構型分析

1.1.1 杠桿法

前文中已提到，功率分流系統中用到的行星輪系有兩個自由度，這使得如果直接在原有模型上進行轉速轉矩分析時會有較大困難。為此，H.L.Benrord和M.B.Leising在文獻[15]中提出了用杠桿模擬行星輪系的分析方法。杠桿模擬法是將輪系中的各構件的角速度模擬為一特定杠桿上不同點對應的速度，將輪系中各構件受到的扭矩模擬為杠桿上對應點受到的力[16]。

1.1.2 機械點

功率分流式混合動力系統中發動機輸出的功率經行星耦合機構后分流為機械功率和電功率兩條路徑進行傳遞，在此過程中實現電子無級變速功能以及將發動機工作點維持在最優工作曲線附近。當系統不需要外部提供電能即電池功率為零時，會存在某一傳動比值處發動機功率全部以機械功率進行傳遞，即系統中無電功率的傳輸，此時，兩電機功率均為零。反應到動力系統構型上，某一電機的轉速為零，另一電機的轉矩為零。這個特定的傳動比值被稱為機械點。輸入分流模式中由于電機2與輸出相連，正常工作時轉速不能為零，而輸出分流模式中由于電機1與發動機相連，轉速不能為零，故這兩種模式均只有一個機械點；復合分流模式由于采用雙行星排，系統具有兩個機械點。

1.1.3 復合分流模式的杠桿模型

復合分流式結構中的雙行星排共有四個相互獨立的接點，將其體現在杠桿模型中即為四節點桿模型，發動機、電機1、電機2和輸出端與四節點連接組成不同的構型，如圖1 （1）所示。在利用四節點模型對結構中各構件中的轉速進行分析時，可根據節點處連線的長度及位置關系來判斷該點的轉速大小及方向，如圖1（2）所示。 當系統工作在兩機械點時，其各構件轉速如圖1（3）（4）所示。從圖中可看出，在機械點1，電機1轉速為零，發動機與輸出轉速方向相反；在機械點2，電機2轉速為零，發動機與輸出轉速方向相同。車輛實際工作過程中，要求在正向行進時，發動機始終與輸出轉向相同，故該結構不合理。

圖1 四節點桿模型及節點轉速圖

對四節點桿模型分析可得知，若要系統具有兩個機械點，且在兩機械點處發動機轉速及輸出轉速均為正值，發動機和輸出端必須連接在相鄰兩節點?；诖嗽瓌t，共可確定出如圖2中的三種合理的構型。

圖2 三種合理的四節點桿模型

復合分流式系統的結構有上百種可能性，對圖2中三種模型就行分析，可以發現只有圖2（3）中所示的結構的兩個機械點分布在γ=1兩側。本文在進行設計時考慮的系統全速比范圍內的效率最優，因此選擇第三種四節點桿模型進行拆分。在進行不同構型拆分時，方法基本一致，每個四節點桿模型可分解成四種三節點桿模型，將其進行兩兩組合即可得到不同的結構?？紤]到實際連接結構的復雜程度及工藝性，將其拆分組合成如圖3所示的兩種結構進行接下來的參數化研究。

圖3 兩種復合分流結構構型

1.2 雙?；旌蟿恿ο到y

行星耦合功率分流式混合動力系統的傳動比在機械點附近效率較高，在偏離機械點時效率會下降較快。復合分流式系統具有兩個機械點，在進行系統效率優化時，機械點的取值就顯得尤為重要。若兩點相離很近，則在兩機械點外系統效率很低；若兩機械點相聚較遠，則在兩機械點間系統效率會達到一個相對較低的值。汽車變速箱的常用傳動比都在0.6~2.2或更大范圍內，這就使得很多時候具有兩機械點的復合分流系統不能最大程度上滿足系統綜合效率最低的要求，雙?；旌蟿恿ο到y就是在這種情況下被提出的。功率分流式雙?；旌蟿恿ο到y由兩個或三個行星排組合，通過離合器的不同組合來實現輸入分流式和復合分流式的切換。若想系統具有三個機械點，在更寬的速比范圍內具有較高效率，需采用三個行星排的結構，如圖4所示。當系統工作在輸入分流模式時，第一離合器斷開，第二離合器結合；當系統工作在復合分流模式時，第一離合器結合，第二離合器斷開。

圖4 兩種功率分流雙模式系統構型

2、系統的參數化設計及效率優化

2.1 復合分流系統的參數化計算

在對復合分流式混合動力系統進行參數化設計的過程中，需要考慮到車輛對變速箱的輸出特性要求以及系統中各動力原件的固有特性限制。系統中發動機被控制在其最優工作曲線附近，因此主要需考慮的是兩個電機的輸出特性是否能滿足系統要求，下面對電機的轉速轉矩進行分析。

圖5 構型A分析模型

構型A的分析模型如圖5所示，對其利用杠桿法分析，并對其桿長度進行參數化假設，得到其四節點轉速轉矩的關系表達式：

首先可求出構型A的兩機械點的表達式：

當ω1=0時，代入上式，γ1=ωEng/ωout=(y-x)/y；

當ω2=0時，代入上式，γ2=ωEng/ωout=1/(1-x)；

根據上式求得x，y取值范圍，并在范圍內選擇其設計值，此處我們選擇x=0.25，y=2.25。則，γ1=8/9，γ2=4/3。

對構型B的杠桿模型進行轉速轉矩分析，如圖6所示：可得到下式：

圖6 構型B分析模型

同樣，我們可求出構型B的兩機械點表達式：γ1= (x+y)/y，γ2= 1/(1+x)，再根據兩電機的轉速轉矩約束求其x，y的取值范圍：

在此范圍內我們選擇x=1/3，y=2/3這一組合值，可求得兩機械點取值，則，γ1=1.5，γ2=0.75。并在接下來對設計結果進行檢驗。

2.2 混合動力系統的效率分析

從功率分流式混合動力系統的定義中我們可以看出，在系統內有機械能和電能兩種能量傳遞途徑。在上文的分析中我們沒有考慮電功率在機械能-電能-機械能間轉化時的效率問題，其實無論是MG1還是MG2在發電模式還是電動模式工作時都存在能量損失。因此，我們在要求系統完成發動機工作在最優工作曲線以及實現電子變速功能的同時，希望系統的能量損失最小，即希望電功率在總傳遞功率中所占的比例最小。此處，我們引入電功率比例這一值作為評價指標，定義：

下面我們分別對構型A和構型B的電功率比例值進行分析。

聯立（2）（6）兩式，可得構型A的電功率比例表達式：

作出圖像對兩構型的電功率比例值進行比較，如圖7所示。

圖7 A、B構型的電功率

從圖中可以看出，在兩機械點之間，構型B的電功率比例值較小，但在兩機械點之外，該比例值急劇上升。為了更加直觀的對兩構型的效率進行比較，引入電功率特征值Sβ，并定義：

其中a，b為需考察的傳動比范圍的上下限。本文在設計時選擇的原型車變速箱常用傳動比范圍為0.6~2.2，此處考慮的是雙?；旌蟿恿Φ膹秃戏至鞑糠?，主要覆蓋了傳動比范圍內較小的兩個機械點，故選擇γ=0.6和γ=1.7作為電功率特征值計算時的上下限，經過計算：

因此，從全速比范圍內系統效率較優的角度考慮，選擇構型B作為本文所設計的雙?；旌蟿恿ο到y的復合分流部分。

2.3 第三排行星輪的設計

本文設計的是輸入分流和復合分流組合的雙模式混合動力系統，輸入分流適宜工作在低速大傳動比的場合。此節的任務主要是確定合理的第三排行星結構特征參數，使得混合動力系統的三個機械點分布合理，系統整體效率最優化，并確定系統在兩模式間的切換點。構型B的雙模式工作分析結構如圖8所示。

圖8 雙模式混合動力系統分析模型

列出輸入分流模式下系統的轉速轉矩關系式：

輸入分流模式時，只有電機MG1轉速可為0，據此可求出機械點3，當ω1=0時，代入上式：

聯立，可解得：

圖9 雙?；旌蟿恿ο到y電功率比例圖

聯立（4）（8）（9）（11），可求得雙?；旌蟿恿ο到y在全速比范圍內的電功率比例值函數，將x=1/3，y=2/3代入，作出函數圖像如圖9所示。

在對第三排行星結構進行參數化設計時，同樣引入電功率特征值Sβ，確定變速箱的常用傳動比區間0.6和2.2。求出特征值Sβ關于參數z的表達式，并作出其函數圖像，如圖10所示。

圖10 系統Sβ-z函數圖像

通過計算可得出，使電功率特征值Sβ取得最小值的z=0.5182，即第三排行星結構的特征參數k=(1+x)/z=2.6時，系統整體效率最優。

3、結論

本文設計了一種基于行星耦合裝置的混聯式混合動力系統，具有輸入分流和復合分流兩種工作模式。車輛運行時該系統可根據車速及扭矩需求進行模式切換，保證在全速比范圍內混合動力系統都具有很高的效率。在進行系統的參數化設計時，采用電功率特征值作為系統效率的評價指標，并定義電功率特征值為電功率比例值在全速比范圍內的積分，具體體現為：

（1）進行前兩組行星排參數設計時，對提出的兩種構型在復合分流模式下的電功率特征值進行比較，以確定較優結構方案；

（2）第三組行星排設計過程中，以全速比范圍內電功率特征值作為優化目標，行星排特征參數作為變量進行分析，計算出最優參數取值。

[1] Miller,J.M., Hybrid electric vehicle propulsion system architectures of the e-CVT type. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006. 21(3): p. 756-767.

[2] 薛天揚,彭增雄.雙模式功率分流混合動力車輛功率優化與仿真.機械設計與制造, 2014(7): p. 8-11.

[3] 韓立金, 李宏才, and 韓全福, 功率分流混合動力車輛模糊控制策略設計與仿真.機械設計與制造, 2011(7): p. 4-6.

[4] Prokhorov, D. Toyota Prius HEV neurocontrol. in Neural Networks, 2007. IJCNN 2007. International Joint Conference on. 2007.

[5] Miller, J.M., et al. Ultracapacitor Plus Battery Energy Storage System Sizing Methodology for HEV Power Split Electronic CVT's. in Industrial Electronics, 2005. ISIE 2005. Proceedings of the IEEE International Symposium on. 2005.

[6] pennestri, E. and p.p. valentini, 兩自由度周轉輪系機械效率分析公式的評議.傳動技術, 2004. 18(1): p. 34-40.

[7] Huang, K.J. and T.S. Liu, DYNAMIC ANALYSIS OF A SPUR GEAR BY THE DYNAMIC STIFFNESS METHOD. Journal of Sound & Vibration, 2000. 234(2): p. 311-329.

[8] 張金柱, 豐田第二代混合動力系統(THSⅡ).內燃機, 2005(3): p. 6-9.

[9] 韓立金, et al., 功率分流混合動力汽車參數匹配與優化研究.汽車工程, 2014(8): p. 904-910.

[10] 項昌樂, et al., 混聯混合動力車輛功率分流耦合機構特性分析.汽車工程, 2010. 32(3): p. 183-187.

[11] 杜愛民,劉開圣,朱忠攀等.單模復合功率分流混合動力系統結構優化[J].中國機械工程,2015,(21):2976-2981.DOI:10.3969/ j.issn. 1004-132X.2015.21.023.

[12] 薛天揚,彭增雄.雙模式功率分流混合動力車輛功率優化與仿真.機械設計與制造, 2014(7): p. 8-11.

[13] Ahn, K., Optimal Operation of the Power-Split Hybrid Electric Vehicle Powertrain. Journal of Research of the National Institute of Standards & Technology, 1951. 58(5): p. 789-800.

[14] 王偉華, et al..雙模功率分流式混合動力系統構型分析.汽車工程, 2015(6): p. 648-654.

[15] Benford, H. L., & Leising, M. B. (1981). The lever analogy: A new tool in transmission analysis. SAE Technical Papers, doi:10.4271/ 810102

[16] 劉釗, 趙世琴, and 黃宗益, 用杠桿模擬法建立行星變速器動力學模型.汽車工程.2000. 22(4): p. 274-277.

Parameter optimization of a two mode planetary coupled hybrid electric power system

Zhao Shengdun, Yang Xuesong, Yang Hongwei, Yang Yuanyuan
( School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049 )

Dual mode planetary coupling type oil electricity hybrid power system is made up of two or three groups of planetary rows, it can switch between input split type and compound split type through controlling clutches, which makes the system efficiency optimalin full speed range. This paper analyzes the output characteristics and system parameters matching of existing different types of power-split hybrid power devices, demonstrates the superiority of dual-mode planetary coupling hybrid system, designs two structure which is easy to realize the configuration, using the lever method as foundation, using the system efficiency as the target to optimizethe parametric design.

dual-mode; hybrid electric vehicles; power split; planetary coupling

U462.1

A

1671-7988(2016)07-27-05

趙升噸，西安交通大學教授，博士生導師，研究方向為汽車節能機電一體化設備開發。

國家自然科學基金重點項目（編號：51335009）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.009