莫 愁，陳吉清，蘭鳳崇

(華南理工大學機械與汽車工程學院， 廣州 510640)

2016006

混合動力汽車動力集成傳動機構(gòu)的設(shè)計與分析*

莫 愁，陳吉清，蘭鳳崇

(華南理工大學機械與汽車工程學院， 廣州 510640)

基于行星輪系元件與動力部件匹配的動力學分析，設(shè)計了一種轉(zhuǎn)速耦合、轉(zhuǎn)矩耦合能自由切換的動力集成傳動機構(gòu)。分析了該機構(gòu)工作模式，確定了其行星輪系特征參數(shù)，求得了該機構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。利用Matlab和Cruise軟件進行了性能聯(lián)合仿真，結(jié)果表明裝有該機構(gòu)的混合動力汽車具有較好的動力性和能量經(jīng)濟性。

混合動力汽車；動力集成；傳動機構(gòu)；轉(zhuǎn)速耦合；轉(zhuǎn)矩耦合

前言

混合動力汽車(hybrid electric vehicles, HEV)配置有兩種或兩種以上動力源，其動力系統(tǒng)組成和布置形式對汽車動力性和經(jīng)濟性有著重要影響。目前，豐田Prius的混合動力系統(tǒng)THS(Toyota hybrid system)至今已經(jīng)歷了3代的改進，每代THS均采用行星輪系(planetary gear train，PGT)。2009年推出的第3代Prius THS III結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，由一臺發(fā)動機、兩臺電機和兩組PGT構(gòu)成。左邊PGT的太陽輪連接發(fā)電機，行星輪連接發(fā)動機；右邊PGT太陽輪連接電動機，齒圈固定；左右PGT有著共同的齒圈，該齒圈通過輪系連接汽車驅(qū)動軸。THS III能提供電機驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動且發(fā)電、混合動力驅(qū)動、制動能量回收等工作模式。

圖1 THS III傳動機構(gòu)

國內(nèi)外研究者對HEV動力系統(tǒng)設(shè)計進行了不少的研究。早在2000年前后就有國外學者提出了不同形式的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2-4]，這些結(jié)構(gòu)工作模式較少，對優(yōu)化汽車性能有一定局限性。文獻[5]中巧妙地將電機轉(zhuǎn)子軸用作動力承載軸。文獻[6]中為規(guī)避THS專利的限制與束縛，提出了用傳統(tǒng)的差速器作為混聯(lián)HEV的動力耦合裝置，經(jīng)分析認為可行。

本文中基于與文獻[6]中同樣的出發(fā)點，結(jié)合文獻[5]和THS III的優(yōu)點，提出一種多工作模式動力集成傳動機構(gòu)。該機構(gòu)由兩組行星輪系(planetary)、1臺發(fā)動機(engine)、1臺電機(motor)和若干離合器(clutch)組成，故本文稱之為PEMC動力集成傳動機構(gòu)。確定了行星輪系特征參數(shù)，分析了輸入輸出之間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系；為了驗證所提出傳動機構(gòu)的可行性，利用Matlab和AVL Cruise軟件進行了仿真分析。

1 動力耦合機構(gòu)設(shè)計概述

混合動力汽車動力系統(tǒng)耦合方式可歸結(jié)為三大類:轉(zhuǎn)矩耦合、轉(zhuǎn)速耦合和功率耦合[7]。轉(zhuǎn)矩耦合可實現(xiàn)發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩的獨立控制，且兩者的轉(zhuǎn)矩疊加，故可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但發(fā)動機轉(zhuǎn)速受制于車速，如要保證發(fā)動機轉(zhuǎn)速一直處于最經(jīng)濟區(qū)域，需要增加一個變速器調(diào)節(jié)裝置。轉(zhuǎn)速耦合中發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速彼此無關(guān)，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速獨立控制，使發(fā)動機運行在經(jīng)濟區(qū)域；但輸出轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)矩相關(guān)聯(lián)，不能實現(xiàn)發(fā)動機、電動機轉(zhuǎn)矩的獨立控制。這兩種耦合方式均存在一定缺點，理想狀態(tài)是動力系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速分別是發(fā)動機與電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的線性和，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都可控，實現(xiàn)這種優(yōu)點的耦合方式稱為功率耦合。

HEV動力系統(tǒng)設(shè)計的根本目標是將不同動力源的輸出動力進行合理、高效地合成與分解，在滿足汽車動力性、排放性等性能的同時盡可能提高能量經(jīng)濟性。當汽車轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩需求變化時，動力系統(tǒng)能通過調(diào)節(jié)控制策略滿足轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的增減而使發(fā)動機仍運行在效率較高的工況，是實現(xiàn)這個目標的關(guān)鍵。PGT傳動與定軸齒輪傳動相比，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、承載力強、傳動平穩(wěn)和傳動效率高等優(yōu)點，能完成無級變速、動力合成、動力分解和其它特殊功能，用行星齒輪傳動機構(gòu)組成汽車動力傳動系統(tǒng)可以得到較好的性能[8]。本文中設(shè)計了一種轉(zhuǎn)速耦合和轉(zhuǎn)矩耦合交替使用的傳動機構(gòu)，并選用PGT作為傳動機構(gòu)的基件。

2 動力集成傳動機構(gòu)設(shè)計分析

2.1 傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式確定

(1)

式中：p為PGT特征參數(shù)，是齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比；n和T分別為轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；下標s，r和c分別表示太陽輪、齒圈和行星架。表1列出了行星輪系與動力部件匹配關(guān)系，由式(1)可知，方案3和方案4能使經(jīng)傳動機構(gòu)傳給驅(qū)動車輪的轉(zhuǎn)矩被放大，這種效果能降低動力裝置轉(zhuǎn)矩容量要求，從而降低其實體尺寸和質(zhì)量。方案3和方案4驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)矩與電機和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩關(guān)系分別為

(2)

(3)

式中：下標3和4分別表示方案3和方案4；下標e，MG和out分別表示發(fā)動機、電機和輸出驅(qū)動車輪。

表1 行星輪系與動力部件匹配關(guān)系

對于方案3，電機驅(qū)動時，車輛可以得到p倍轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機驅(qū)動時可以使發(fā)動機運行在較高的轉(zhuǎn)速，而此時發(fā)動機的效率通常較高，因為PGT有作為動力分配器的功能。而方案4，當發(fā)動機或電機單獨驅(qū)動車輛時，都可以使車輛得到更大的轉(zhuǎn)矩，最適合發(fā)動機分配其動力，大部分動力直接用于驅(qū)動汽車，其余部分通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能；而且對發(fā)電機、蓄電池和電動機的功率和容量的要求也低，適合在有限的汽車空間中合理有效地布置[10]。因此，將兩個方案融合，加上若干離合器，構(gòu)成了本文中的PEMC傳動機構(gòu)。

PEMC傳動機構(gòu)如圖2所示。PGT1與動力部件連接關(guān)系同方案3。PGT2太陽輪連接具有發(fā)電機和電動機功能的MG電機，齒圈固定，行星架連接動力輸出軸；PGT1的動力通過齒圈后也輸出到該輸出軸，這樣的動力耦合相當于方案4中的齒圈連接發(fā)動機關(guān)系。將兩排PGT的太陽輪通過一根設(shè)置了離合器C2的軸連接在一起，實現(xiàn)了兩排PGT動力的連接；此連接軸中空，其內(nèi)安裝有動力輸出軸。為了緊湊，將MG轉(zhuǎn)子安裝在此連接軸上，這樣，MG同時作為兩排PGT的動力部件。為了獨立控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，優(yōu)先保證發(fā)動機工作在高效的轉(zhuǎn)速工況，在PGT1太陽輪和MG之間設(shè)置了離合器C2，轉(zhuǎn)矩耦合時由電機補充發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩的不足。為了在不同的工作模式下控制MG動力是否與輸出軸關(guān)聯(lián)，在PGT2行星架與輸出軸之間設(shè)置了離合器C3。為了使發(fā)動機起動等工況不受傳動機構(gòu)影響，在發(fā)動機和PGT1之間設(shè)置了離合器C1。為了在必要時固定PGT1太陽輪，在此太陽輪旁設(shè)置了制動器B。

為了節(jié)省空間，發(fā)動機集成了ISG電機，電機定子安裝在發(fā)動機的飛輪殼內(nèi)圓面上，轉(zhuǎn)子安裝在發(fā)動機的飛輪外圓面上。如果把PGT2齒圈外緣加工上齒，通過齒輪傳動機構(gòu)，在不接合C2和C3狀態(tài)下可以把MG的動力輸出到另一組驅(qū)動輪，從而實現(xiàn)車輛的四輪驅(qū)動。

圖2 動力集成傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.2 傳動機構(gòu)工作模式分析

通過切換離合器工作狀態(tài)，該傳動機構(gòu)可以得到不同的耦合方式。接合離合器C1和C2而脫離其它離合器，可將發(fā)動機和電機輸出的轉(zhuǎn)速耦合到輸出軸。接合離合器C1，C3和B而脫離C2，可將發(fā)動機和電機輸出的轉(zhuǎn)矩耦合到輸出軸。接合離合器C1，C2和C3而脫離B能耦合發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，因此，可以認為這是功率耦合。

根據(jù)MG電機、ISG電機和發(fā)動機的工作狀態(tài)可以得到6種動力模式：MG電機驅(qū)動模式、混合驅(qū)動模式、發(fā)動機驅(qū)動模式、發(fā)動機驅(qū)動并充電模式、制動能量回收模式和ISG起動模式。通過設(shè)置離合器和制動器的工作狀態(tài)，可將這6種模式細分得到13種動力輸出模式。不同的模式有著不同的傳動比，可實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。眾多的工作模式有利于優(yōu)化能量管理策略。這些工作模式分類與分類中離合器和制動器的工作狀態(tài)、ISG電機和MG電機的功能狀態(tài)列于表2。表中，“☆”表示該部件處于接合狀態(tài)，MG表示MG電機驅(qū)動模式，H表示混合驅(qū)動模式,E表示發(fā)動機驅(qū)動模式，EC表示發(fā)動機驅(qū)動且發(fā)電模式，CVT表示CVT變速器模式，ER表示增程模式，R表示制動能量回收模式。

表2 工作模式部件工作狀態(tài)

2.3 行星輪系特征參數(shù)確定

PGT作為汽車傳動機構(gòu)其顯著優(yōu)點是具有自動變速器的功能，本文中的傳動機構(gòu)CVT模式在眾多工作模式中占重要地位，因此本節(jié)在CVT模式下采用平面優(yōu)化法來確定PGT1的特征參數(shù)。PGT太陽輪、齒圈和行星架3個元件在空間上的運動構(gòu)成了一個轉(zhuǎn)速特征平面，如圖3所示的平面A(A1,A2,…,A6圍成的平面),該平面表示該PGT可以達到的工作范圍。

圖3 行星齒輪機構(gòu)特征轉(zhuǎn)速截面

根據(jù)幾何學原理，圖3中由3個頂點B1，B2和B3確定的平面B在3個坐標平面內(nèi)皆具有較大的投影面積，因此，為了獲得良好的綜合性能，平面A與平面B應(yīng)接近平行，即兩平面的法向量間的夾角θ應(yīng)較小,其夾角θ為

(4)

式中平面A和B的特征法向量為

(5)

(6)

式中：nout max，ne max和nMG max分別表示輸出軸、發(fā)動機和電機最高轉(zhuǎn)速，r/min；umax為混合動力狀態(tài)汽車最高車速，km/h；i0為主減速比；r為輪胎滾動半徑，m。參考某已投產(chǎn)混合動力汽車，本文中取umax=180km/h，i0=3.562，r=0.32m。參考同一汽車，取nemax=4 500r/min，MG作為發(fā)電機時取nMG max=5 500r/min。

根據(jù)上述算式和參數(shù)計算p1與θ的關(guān)系，θ最小時對應(yīng)的p1就是所求PGT1特征參數(shù)。計算得到PGT1的p1與θ的關(guān)系，如圖4所示。由圖可見，在p1=2.4時有最小θ=0.11。

圖4 特征參數(shù)p1與兩平面夾角θ關(guān)系

本文中傳動機構(gòu)的PGT2連接了MG電機，可供純電驅(qū)動之用，基于此思想確定PGT的特征參數(shù)p2。參考國標《CJJ37—2012城市道路工程設(shè)計規(guī)范》中城市道路的速度要求，本文中傳動機構(gòu)以純電行駛時設(shè)定最高時速為80km/h，由式(6)得PGT2應(yīng)輸出轉(zhuǎn)速noutPGT2=2 362r/min，電動機轉(zhuǎn)速可達13 000r/min以上，依據(jù)式(1)，PGT2的特征參數(shù)p可大至4.5以上。PGT特征參數(shù)取值范圍一般p=1.8～12[11]，較小的特征參數(shù)可以得到較小的PGT體積和質(zhì)量，故取PGT2特征參數(shù)p2=2。

2.4 傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系分析

行星輪系特征參數(shù)確定后，結(jié)合式(1)和表1中所列各工作子模式，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸入、輸出關(guān)系即可以確定，傳動機構(gòu)部件轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩存在以下關(guān)系式：

(7)

(8)

式中：下標r2表示PGT2齒圈，其余符號意義同上。

代入兩個特征參數(shù)到式(7)和式(8)，可以得到 各工作模式下部件之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系，這里僅給出較有代表性的H1和CVT模式關(guān)系。對于H1，離合器C1，C2和C3都接合，發(fā)動機和電機共同驅(qū)動車輛，發(fā)動機動力通過PGT1齒圈、電機動力則通過PGT2行星架傳給輸出軸。輸出軸轉(zhuǎn)速nout與電機轉(zhuǎn)速nMG和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne關(guān)系為

(9)

可見，為協(xié)同驅(qū)動車輛，電機需以3倍、而發(fā)動機需以1.6倍輸出軸轉(zhuǎn)速運行。它們的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

Tout=-3.4TMG-1.8Te

(10)

可見，H1模式能使輸出轉(zhuǎn)矩達到3.4倍電機轉(zhuǎn)矩和1.8倍發(fā)動機轉(zhuǎn)矩之和。

對于CVT模式，離合器C1和C2接合，其它離合器松開。此時PGT1擔當動力分配器功能，發(fā)動機動力一部分通過齒圈傳遞給動力輸出軸驅(qū)動汽車，一部分傳遞給切換到發(fā)電功能的MG電機發(fā)電。此時轉(zhuǎn)速關(guān)系為

nout=-0.42nMG+1.42ne

(11)

對于給定的輸出轉(zhuǎn)速，如果要使發(fā)動機運行在某一優(yōu)化轉(zhuǎn)速，可以通過調(diào)節(jié)MG電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。這個模式下，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

(12)

可見，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩有71%用于驅(qū)動汽車，29%用于發(fā)電。

3 實例研究

3.1 整車控制策略與基本參數(shù)

本文中設(shè)計的傳動機構(gòu)能實現(xiàn)的工作模式較多，設(shè)置不同的工作模式組合，可以得到多種工作模式切換程序。這些程序可以歸類為動力性能程序和經(jīng)濟性能程序，式(13)和式(14)分別是動力性能程序和經(jīng)濟性能程序中較典型的一種。兩種程序都可以由電機驅(qū)動起步，然后切換到發(fā)動機驅(qū)動或混合驅(qū)動模式，再切換到CVT模式。顯然，在整個行駛過程中，必須考慮電池SOC狀態(tài)，充電功能可以由EC模式、CVT模式或ER模式完成。

MG→H1→H2→H3→E2 or CVT

(13)

MG→E1→E2 or CVT

(14)

不同的能量管理策略可以得到不同的整車性能，本文中以MG→H1→H2→H3→CVT工作模式切換程序為例，用工程上易于實現(xiàn)的基于邏輯門限能量管理策略進行性能仿真。汽車起步和低速運行階段用MG模式，電機單獨提供動力；須要加速或爬坡時，只要電池SOC在25%以上，發(fā)動機只運行在油耗最優(yōu)工況，未滿足汽車需求的部分動力由電動機補充；當汽車車速較高，發(fā)動機能運行在高效率區(qū)時，切換到CVT模式，電機切換到發(fā)電狀態(tài)，發(fā)動機提供汽車驅(qū)動力的同時帶動電機發(fā)電，其邏輯框圖如圖5所示。

圖5 能量控制策略邏輯框圖

以一款國產(chǎn)HEV(對比車1)和一款國外HEV(對比車2)為對比對象，比較整車動力性和經(jīng)濟性。對比車1發(fā)動機和電機雙軸并聯(lián)，前置前驅(qū)，配置AT變速器。對比車2由雙排PGT構(gòu)成動力傳動機構(gòu)，前置前驅(qū)。三者采用相同的整車質(zhì)量、滾動系數(shù)、迎風面積和風阻系數(shù)等動力計算參數(shù)，采用相同的控制策略進行性能仿真。三者動力部件主要參數(shù)見表3。

表3 主要動力部件參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果及分析

在Matlab軟件上構(gòu)建控制程序，將控制程序應(yīng)用在AVL Cruise軟件上仿真計算汽車動力性和經(jīng)濟性，結(jié)果如表4和圖6所示。由表4可見，與對比車1相比，本文中PEMC機構(gòu)：(1)3項動力性能指標均較差，但油耗卻降低27%；(2)對比車1良好的動力性源于它配置了超過100kW的發(fā)動機和55kW的電機，具有充足的動力。與對比車2相比，本文中PEMC機構(gòu)：(1)最高車速較低，這是由于動力系統(tǒng)傳動比設(shè)置不同等因素造成；(2)加速性能稍差，由于本文能量控制策略是SOC在許可范圍內(nèi)發(fā)動機只運行在高效工況，整車功率提升較慢所致；(3)爬坡性能稍優(yōu)，因為利用了其低速時有較大耦合轉(zhuǎn)矩輸出的優(yōu)勢；(4)油耗略高6%，即使這樣，百公里5.6L的油耗仍具有很大的競爭力，這得益于使用了較低功率發(fā)動機和較高功率電機，且發(fā)動機只運行在高效工況。整個NEDC循環(huán)過程，電池SOC由95%下降至81%，電量降低幅度較小。

表4 性能仿真結(jié)果

圖6示出了本文中PEMC機構(gòu)運行NEDC循環(huán)時車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)矩的變化歷程。從圖6(a)可以看出，實際車速很好地跟隨需求車速。而由圖6(b)和圖6(c)可見，發(fā)動機在循環(huán)中部分工況不工作，只運行在車速較高的工況，起到降低油耗的效果；對應(yīng)地，發(fā)動機不工作的工況由電機輸出動力，當車輛減加速度較大時，電機發(fā)電；在約890～980s期間，即使車輛需求轉(zhuǎn)速較低，發(fā)動機仍等速運行，靠電機反轉(zhuǎn)發(fā)電滿足車速變化需求，此時傳動機構(gòu)起著CVT的作用。

圖6 NEDC循環(huán)整車及動力部件運行狀態(tài)

4 結(jié)論

設(shè)計了一種PEMC傳動機構(gòu)，具有常見混合動力汽車傳動機構(gòu)特點，比如，能實現(xiàn)常用的動力耦合方式；可以實現(xiàn)電機驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動且發(fā)電、混合動力驅(qū)動和制動能量回收等功能；兩個動力源均可以單獨驅(qū)動車輛，一個動力部件失效時另一個可以提供動力。該傳動機構(gòu)還具有以下優(yōu)點： (1) 結(jié)構(gòu)緊湊，ISG電機集成在發(fā)動機飛輪和飛輪殼之間，MG電機轉(zhuǎn)子固定安裝在太陽輪軸上，有效地縮小了布置空間；(2) 操作性強，6種工作主模式可以細分得到13種工作子模式，更多的工作模式能獲得較優(yōu)的能量管理策略。

利用Matlab/Simulink和AVL Cruise軟件進行了性能聯(lián)合仿真，結(jié)果顯示，本文提出的PEMC機構(gòu)動力性能較一款國產(chǎn)HEV差，油耗則更好；本文中PEMC機構(gòu)爬坡性能優(yōu)于國外某HEV，最高車速、加速性能和油耗則稍差。根據(jù)所作研究，總結(jié)出HEV動力耦合機構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的幾個原則：(1) 盡可能使發(fā)動機運行在高效工況；(2) 盡可能多使用電能；(3) 盡量實現(xiàn)更多工作模式；(4) 盡量減小耦合機構(gòu)的體積和質(zhì)量。

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Design and Analysis of a Power-integrated Transmission Mechanism for Hybrid Electric Vehicles

Mo Chou， Chen Jiqing & Lan Fengchong

SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640

Based on kinematics analysis on the matching between planetary gear train (PGT) and powertrain components, a power-integrated transmission mechanism is designed with free switching between speed coupling and torque coupling,. The operation modes of the mechanism are analyzed, the feature parameters of PGT is determined, and then the relationships between output speed and torque and input speed and torque are obtained. A Matlab / Cruise co-simulation on vehicle performance is conducted. The results show that the hybrid electric vehicle with power-integrated transmission mechanism has better power performance and energy economy.

HEV; power integration; transmission mechanism; speed coupling; torque coupling

*廣東省科技計劃項目(2013B010405007, 2013B090600024和2014B010106002)資助。

原稿收到日期為2014年2月21日，修改稿收到日期為2014年8月26日。