郭海龍，張永棟

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣東 廣州 510650；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車倒車混動(dòng)模式能耗研究

郭海龍1,2，張永棟1,2

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣東 廣州 510650；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

以某混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)了其在倒車工況混動(dòng)模式時(shí)存在能耗偏高的問題。首先分析了該車輛動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，然后在對(duì)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，從理論角度探究了引起能耗偏高問題的原因，發(fā)現(xiàn)由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩在倒車時(shí)無法換向，而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部分輸出轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在相互抵消的問題，故而能耗增加，并通過實(shí)車采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后針對(duì)該問題，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；倒車工況；能耗分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

CLC NO.:U461Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-42-05

前言

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)融合了傳統(tǒng)燃油車和純電動(dòng)車的優(yōu)點(diǎn)[1-5]，能大幅度減少油耗并降低有害氣體排放。一般來說，混合動(dòng)力汽車根據(jù)其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為三類，即串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車[6-8]，其中混聯(lián)型 HEV綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式 HEV的結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)點(diǎn)，可以保證混合動(dòng)力系統(tǒng)能在各種運(yùn)行工況下在高效工作區(qū)運(yùn)行，從而使整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能達(dá)到最佳[9-10]。因此，混聯(lián)型 HEV已經(jīng)成為目前許多汽車制造商的選擇[11]，其中豐田汽車公司的行星齒輪混聯(lián)式混合動(dòng)力車型 Prius最具有代表性[11-14]。眾所知周，HEV的結(jié)構(gòu)型式和能量管理策略對(duì)整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放水平起著決定性的作用，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、能量管理策略制定不恰當(dāng)，均會(huì)導(dǎo)致整車能量浪費(fèi)。

論文針對(duì)某混聯(lián)式 HEV在倒車工況混動(dòng)模式時(shí)存在能耗偏高的問題，對(duì)其動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并研究了倒車混動(dòng)模式能耗偏高的原因及改進(jìn)方案。

1、HEV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

該款混聯(lián)式HEV動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)MG1、電動(dòng)機(jī)MG2、動(dòng)力電池、行星齒輪動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系等部分組成，圖1為動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，表1為整車及動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)，其中電動(dòng)機(jī)MG2與齒圈相連接，發(fā)電機(jī)MG1與太陽輪連接，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架連接。該動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出部件為齒圈，齒圈又進(jìn)一步通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到中間軸，中間軸通過主、從動(dòng)齒輪將動(dòng)力傳遞到主減速器，主減速器的主、從動(dòng)齒輪將動(dòng)力降速增扭后，傳遞到差速器，差速器最終通過行星齒輪和半軸齒輪將動(dòng)力傳遞到左右驅(qū)動(dòng)車輪。圖2為動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)圖，該動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)為NWG型行星齒輪系統(tǒng)。

圖1 行星齒輪式混聯(lián)HEV動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of planetary gear Series-Parallel HEV

表1 行星齒輪混聯(lián)式HEV整車及動(dòng)力學(xué)相關(guān)主要參數(shù)Table 1 Major relevant parameters of planetary gear HEV

表中，CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；δ為質(zhì)量換算系數(shù)；r為車輪自由半徑；Cr為車輪滾動(dòng)半徑；mz為汽車整備質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

圖2 動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖及實(shí)物解剖圖Fig.2 Diagram and physical anatomical chart of dynamic coupling mechanism

表2為該動(dòng)力總成機(jī)構(gòu)的齒輪齒數(shù)和傳動(dòng)效率參數(shù)。

表2 混聯(lián)式HEV動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)Table2 Major relevant parameters of Series-Parallel HEV power transmission mechanism

表中，Zlz為主動(dòng)鏈輪齒數(shù)；Zlc為從動(dòng)鏈輪齒數(shù)；Zzz為中間軸主動(dòng)齒輪齒數(shù)；Zzc為中間軸從動(dòng)齒輪齒數(shù)；Zdz為主減速器主動(dòng)齒輪齒數(shù)；Zdc為主減速器從動(dòng)齒輪齒數(shù)；ηl為傳動(dòng)鏈傳動(dòng)效率；ηz為中間軸傳動(dòng)效率；ηd為主減速器傳動(dòng)效率；ηu為半軸萬向節(jié)傳動(dòng)效率。

2、HEV倒車混動(dòng)模式能耗研究

2.1 動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

2.1.1 行星齒輪動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

據(jù)機(jī)械原理[15-16]，可知行星齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

式中ei12為取行星架為轉(zhuǎn)化構(gòu)件，轉(zhuǎn)化輪系中太陽輪和齒圈之間的傳動(dòng)比，其它類似；w1為太陽輪轉(zhuǎn)速，RPM；w2為齒圈轉(zhuǎn)速，RPM；we為行星架轉(zhuǎn)速，RPM。

由p =2.6，可得：

另由機(jī)械原理，可知行星齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

可得：

2.1.2 行星齒輪動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系分析

由機(jī)械傳動(dòng)原理[15]，可得如下的功率平衡關(guān)系式：

式中，PA為主動(dòng)件輸入功率，W；PB為被動(dòng)件輸出功率，W；η為機(jī)械傳動(dòng)效率。

由行星齒輪的工作原理知，不同的構(gòu)件均可能成為行星齒輪組的主動(dòng)件或被動(dòng)件，而行星齒輪組不同的主被動(dòng)關(guān)系和不同的轉(zhuǎn)速關(guān)系，其功率平衡方程形式均有所不同，因此本節(jié)以常見八種情況為例，分析行星齒輪構(gòu)件的轉(zhuǎn)矩關(guān)系。

2.2 行星齒輪動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)效率模型研究

為求解3.1.2節(jié)行星齒輪組動(dòng)力學(xué)關(guān)系式，需求解行星齒輪不同情況下的效率，同理，當(dāng)行星齒輪組的主、被動(dòng)件及轉(zhuǎn)速不同時(shí)，其傳動(dòng)效率均不同，故也分八種情況來分析。

2.2.1 行星齒輪動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的效率分析

①若w1＞we＞w2＞0，且輸入構(gòu)件為1、2，輸出構(gòu)件為e時(shí)。

式中，fm為嚙合摩擦因數(shù)(本文取0.05)；εα1εα2εαc為按太陽輪1，齒圈2，行星齒輪c的齒頂嚙合線長度計(jì)算的部分端面重合度。

式中，ααt1ααt2ααtc為太陽輪、齒圈、行星齒輪的齒頂圓壓力角，°； 'α為嚙合角，°。

根據(jù)齒輪齒頂圓壓力角計(jì)算公式，有：

式中，da1db1da2db2dacdbc分別為太陽輪、齒圈和行星齒輪的齒頂圓直徑和基圓直徑，mm。

2.3 倒車混動(dòng)模式能量浪費(fèi)理論分析

為便于分析，現(xiàn)將汽車前進(jìn)方向時(shí)齒圈旋轉(zhuǎn)方向約定為行星齒輪系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)正方向，反之為負(fù)；若動(dòng)力部件輸出轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)動(dòng)正方向一致，則規(guī)定為正轉(zhuǎn)矩，反之為負(fù)。在混動(dòng)模式倒車工況時(shí)，由行星齒輪混聯(lián)式 HEV動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)可知，電動(dòng)機(jī)MG2反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，則MG2輸出轉(zhuǎn)矩T2和轉(zhuǎn)速w2存在如下關(guān)系：

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向無法改變，則發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速we存在如下關(guān)系：

此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 Te的一部分 T1通過行星架傳遞給太陽輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，另一部分T2通過行星架作用于齒圈，用

于驅(qū)動(dòng)車輛，T1和T2可由3.1.2計(jì)算。則此時(shí)齒圈實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩Tr為：

由上式可知，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)作用于齒圈的轉(zhuǎn)矩T2與電動(dòng)機(jī)作用于齒圈的轉(zhuǎn)矩Tm方向相反，形成阻力，故只有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩抵消該阻力轉(zhuǎn)矩后，才能真正驅(qū)動(dòng)汽車倒車。因此，該模式存在能量浪費(fèi)問題。

3、HEV倒車混動(dòng)模式能量浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 HEV實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

為對(duì)實(shí)驗(yàn)車能量控制策略進(jìn)行分析，特進(jìn)行了實(shí)車實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括混聯(lián)式HEV一部、專用數(shù)據(jù)流測(cè)試儀器Intelligent Tester-Ⅱ一臺(tái)、筆記本計(jì)算機(jī)一臺(tái)、專用數(shù)據(jù)處理軟件Intelligent Viewer一套。Intelligent Tester-Ⅱ可以通過車輛診斷專用接口從整車 CAN網(wǎng)絡(luò)獲取車輛數(shù)據(jù)，并將其記錄保存在存儲(chǔ)設(shè)備中，數(shù)據(jù)采樣周期約為51ms，可采集全車各個(gè)電控系統(tǒng)部件數(shù)據(jù)。

圖3 實(shí)車實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集Fig.3 Actual vehicle testing and data collecting

圖4(a)～(c)為實(shí)驗(yàn)過程采集的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩測(cè)算原理[11]，可得如圖4(d)所示的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

圖4 HEV 倒車過程動(dòng)力部件參數(shù)Figure 4 The power units parameters during HEV reversing process

3.2 能量浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)2.1和2.2節(jié)動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和效率模型，可得如圖 5(a)所示的齒圈上的倒車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩）。

將上述齒圈倒車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩代入汽車行駛動(dòng)力學(xué)方程：

然后，結(jié)合整車參數(shù)，可計(jì)算得出如圖5(b)所示的車速曲線，由計(jì)算得出的車速曲線和實(shí)驗(yàn)車采集車速曲線的對(duì)比結(jié)果，可知兩者基本一致，說明原車倒車混動(dòng)模式存在轉(zhuǎn)矩抵消、能量浪費(fèi)的問題。

圖5 齒圈上的倒車轉(zhuǎn)矩(a)及車速結(jié)果對(duì)比(b)Figure 5 The reversing torque on ring gear(a) and vehicle speed comparison results

3.3 改進(jìn)方案建議

由上述分析可知，在該工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行動(dòng)力輸出，而發(fā)動(dòng)機(jī)不像電動(dòng)機(jī)可以四象限工作，且此時(shí)行星齒輪齒圈處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此解決該問題的最佳方案是在發(fā)動(dòng)機(jī)之后加裝一個(gè)換擋裝置，當(dāng) HEV處于前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，該檔位為前進(jìn)檔，直接傳遞動(dòng)力，當(dāng) HEV處于倒車狀態(tài)時(shí)，該檔位為倒檔，前進(jìn)檔和倒檔的傳動(dòng)比可選為 1，或進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)然具體選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)需要結(jié)合總成空間結(jié)構(gòu)和成本控制來綜合考量。

圖4-3所示為換向裝置，當(dāng)汽車正向行駛時(shí)，結(jié)合套7滑向最右邊，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸直接與行星齒輪連接軸相連；當(dāng)汽車處于混動(dòng)模式倒車工況時(shí)，結(jié)合套滑向最左邊，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸不能直接與行星齒輪連接軸相連，而是通過一組齒輪換向結(jié)構(gòu)，使行星齒輪連接軸的旋轉(zhuǎn)方向與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，達(dá)到換向的目的。從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)行星齒輪傳遞到齒圈上的轉(zhuǎn)矩 T2與電動(dòng)機(jī)作用于齒圈的轉(zhuǎn)矩Tm方向一致，不再存在轉(zhuǎn)矩抵消而引起的能量浪費(fèi)的問題。

圖6 改進(jìn)方案Figure 6 The structure improvement scheme

4、結(jié)論

論文針對(duì)某混聯(lián)式 HEV在倒車工況混動(dòng)模式時(shí)存在能耗偏高的問題，分析了其動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，得到了倒車工況混動(dòng)模式能耗偏高的原因。最后通過采集實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并提出了改進(jìn)方案。

[1] 張承慧,李珂,崔納新,等.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵控制問題研究進(jìn)展[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版, 2011, 41(5):1-8. Meradji M, Cecati C, Wang G, et al.Dynamic Modeling and Optimal Control for Hybrid Electric Vehicle Drivetrain[A]. 2016 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT)[C]., 2016, Taipei, IEEE, 2016: 1424 - 1429.

[2] 吳少雄.行星排混聯(lián)式混合動(dòng)力客車的聯(lián)合仿真分析[J].客車技術(shù)與研究, 2016, 03(03):1-3.

[3] 白羽鶴,范健文,譚光興.基于 Matlab/Simulink的混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化, 2014, 03(03):24-30.

[4] Song D, Zhang C, Yang N, Shang M, et al.Control Strategy of Hybrid Electric Vehicle with Double Planetary Gear Sets[J].SAE Technical Paper, 2015, 01(01):12-16.

[5] Zhang L, Qi B, Zhang R, et al.Powertrain design and energy management of a novel coaxial series-parallel plug-in hybrid electric vehicle[J].Science China Technological Sciences, 2016, 59(4):618-630.

[6] Sabri M F, Danapalasingam K A, Rahmat M F.A review on hybrid electric vehicles architecture and energy management strategies [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 53(8):1433 -1442.

[7] 肖仁鑫, 李濤, 鄒敢, 等.基于隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量管理策略[J].汽車工程, 2013, 04(04):317-321.

[8] 舒紅, 劉文杰, 袁景敏, 等.混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車能量管理策略優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(3):31-35.

[9] ?a?atayBayindir K, G?zükü?ük M A, Teke A. A comprehensive overview of hybrid electric vehicle: Powertrain configurations, powertrain control techniques and electronic control units[J]. Energy Conversion and Management, 2011,52(2):1305-1313.

[10] Kaw ahashi A.A new-generation hybrid electric vehicle and its supporting power semiconductor devices[J].Proceedings of the 16th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 2004, 1(1):23-29.

[11] Kimura A, Abe T, Sasaki S.Drive force control of a parallel-series hybrid system[J][J].JSAE Review, 1999, 20(3):337-341.

[12] LiuW.Introductiontohybridvehiclesystemmodelingandcontrol. [M], Hoboken, New Jersey:John Wiley & Sons, 2013.

[13] Husain I.Electricandhybridvehicles:designfundamentals. [M], Flo -rida: CRCPress; 2011.

[14] 饒振綱.行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M], 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[15] 郭海龍, 李禮夫.混聯(lián)式HEV發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)測(cè)算方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 10(10):30-34.

Study on the energy consumption of series-parallel HEV in reverse hybrid mode

Guo Hailong1,2, Zhang Yongdong1,2
( 1.School of Automobile and construction machinery, Guangdong Communication Polytechnic, Guangdong Guangzhou 510650; 2.College of Mechanical andAutomotive Engineering, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510640）

Taking aseries-parallel hybrid electric vehicle (HEV) as the research object, it is found that there is a high energy consumption in the hybrid mode under the reverse condition.Firstly, the structure and parameters of the vehicle’s dynamic system are analyzed, and then on the basis of analyzing the kinematics and dynamics of the dynamic coupling mechanism of the vehicle, the reason of the high energy consumption in reverse gear mixing-power mode is explored theoretically, that is because of the output speed and torque of the engine cannot change in reverse condition, so the energy consumption increases. And then, the high energy consumption problem is verified by experimentaldata collectedfrom the real vehicle, and an improvement scheme is put forward. Finally, aiming at the problem, the structure improvement scheme is proposed.

series-parallel HEV; reverse condition; energy consumption analysis; structure improvement

U461

A

1671-7988 (2017)06-42-05

郭海龍，男，副教授，（1981-），博士，就職于廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，華南理工大學(xué)訪問學(xué)者，研究方向：新能源汽車技術(shù)研究?；痦?xiàng)目：（1）廣東省優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)項(xiàng)目（YQ2013197）；（2）廣東省高等學(xué)校高層次人才項(xiàng)目（2013-203）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.013