摘 要：針對混合動力乘用車的動力經(jīng)濟(jì)性問題，設(shè)計(jì)了雙行星排式動力耦合系統(tǒng)。以燃油消耗量最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立整車模型，對動力部件進(jìn)行選型和參數(shù)匹配，采用基于轉(zhuǎn)矩的邏輯門限控制策略，獲取動力源最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配，建立AVL-Cruise和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境，進(jìn)行動力性和經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真結(jié)果表明，NEDC工況下與原車相比，百公里燃油消耗量和零百公里加速時間分別下降了26.1%和7%，最高車速、最大爬坡度分別提高了19.5%和15.4%，整車的動力性與經(jīng)濟(jì)性均有明顯改善。

關(guān)鍵詞：混合動力乘用車；雙行星排式動力耦合系統(tǒng)；參數(shù)匹配；轉(zhuǎn)矩分配

中圖分類號：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Parameter matching and control strategies of dual-planetary gear power coupling systems

WANG Fanglin XIE Youhao

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Anhui University of Science amp; Technology， Huainan 232000， China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Chuzhou University， Chuzhou 239000， China）

Abstract： Aiming at improving the power efficiency of hybrid commercial vehicles， a dual-planetary gear power coupling system was designed. Taking the minimum fuel consumption as the optimization objective， the whole vehicle model was established， and the power components selection and parameters matching were conducted. The torque-based logic threshold control strategy was adopted to obtain the optimal torque distribution of the power source， and a joint simulation environment of AVL-Cruise and MATLAB/Simulink was established to carry out the simulation of power performance and energy economy. The simulation results show that， under the NEDC condition， compared with the original vehicle， the 100 km fuel consumption and 0 km/h to 100 km/h acceleration time decreased by 26.1% and 7%， respectively. While the maximum speed and maximum gradeability increased by 19.5% and 15.4%， respectively. Thus， the power and economical performance of the whole vehicle were significantly improved.

Key words： hybrid commercial vehicles; dual-planetary gear power coupling system; parameter matching; torque distribution

能源危機(jī)和環(huán)境污染對汽車行業(yè)構(gòu)成挑戰(zhàn)，車企轉(zhuǎn)向清潔能源[1]。雙電機(jī)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)技術(shù)備受關(guān)注，它具有快速響應(yīng)和廣泛轉(zhuǎn)速范圍等特點(diǎn)[2]。合理的能量控制策略能使多個動力源協(xié)同工作[3]，提升車輛性能，同時也實(shí)現(xiàn)充電和制動能量回收，降低燃油消耗和碳排放[4]。對于頻繁啟停的城市和環(huán)城高速路況[5]，雙電機(jī)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能有效應(yīng)對，兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性。

近年來，雙電機(jī)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)技術(shù)存在多種問題，如工作模式少、驅(qū)動電機(jī)利用率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動力中斷等[6]。為了解決這些難題，亟需對傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動力部件的參數(shù)匹配與選型以及能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化與提升[7]。具體而言，這要求精準(zhǔn)地調(diào)控發(fā)動機(jī)與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配，智能控制發(fā)動機(jī)的啟停時機(jī)以及整車在不同工作模式間切換，以適應(yīng)多樣化的行駛條件，進(jìn)而有效降低燃油消耗與電力損耗[8]。

本文針對雙行星排式動力耦合系統(tǒng)混合動力乘用車，旨在通過構(gòu)建車輛縱向動力學(xué)模型，明確界定并優(yōu)化該系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作模式下的運(yùn)行策略。在此過程中，匹配了動力部件各項(xiàng)參數(shù)，并設(shè)計(jì)了一套基于轉(zhuǎn)矩邏輯門限的能量控制策略。此策略能夠依據(jù)整車實(shí)時狀態(tài)信息及穩(wěn)態(tài)工作模式特性，智能地控制發(fā)動機(jī)啟停，優(yōu)化轉(zhuǎn)矩分配，并靈活切換工作模式，以滿足不同駕駛場景的需求。為了驗(yàn)證所提出參數(shù)匹配方案與控制策略的有效性，通過AVL-Cruise與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真分析，準(zhǔn)確評估動力系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

1 整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析

1.1 整車參數(shù)與性能指標(biāo)

為定量分析雙行星排式動力耦合系統(tǒng)性能，選取1.8 L/73 kW發(fā)動機(jī)+電動機(jī)+E-CVT的混合動力乘用車。將原驅(qū)動系統(tǒng)改造為雙行星排式，設(shè)計(jì)參數(shù)。表1為原車參數(shù)，表2為改造后預(yù)達(dá)性能指標(biāo)。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

圖1為雙行星排式動力耦合系統(tǒng)。前端由發(fā)動機(jī)、ISG電機(jī)、行星排PG1和離合器C1/C2組成，后端則由TM電機(jī)、行星排PG2和離合器C3構(gòu)成。發(fā)動機(jī)通過C1驅(qū)動行星排PG1行星輪，ISG電機(jī)動力經(jīng)離合器C2至PG1太陽輪，TM電機(jī)動力經(jīng)離合器C3至行星排PG2太陽輪。行星排PG2行星輪固定，兩行星排共用復(fù)合齒圈，動力最終通過此齒圈傳遞至主減速器，驅(qū)動車輛。

1.3 工作模式分析

車輛工作模式和各動力部件的工作狀態(tài)見表3。

2 驅(qū)動系統(tǒng)選型匹配

2.1 發(fā)動機(jī)選型匹配

2.2 驅(qū)動電機(jī)選型匹配

2.3 動力電池選型匹配

2.4 主減速器傳動比參數(shù)匹配

3 能量控制策略設(shè)計(jì)

3.1 門限值確定

通過限制發(fā)動機(jī)和電池工作區(qū)域，結(jié)合驅(qū)動電機(jī)外特性曲線，優(yōu)化整車轉(zhuǎn)矩分配。參考仿真和實(shí)車數(shù)據(jù)，確定控制策略參數(shù)閾值。表5為控制策略參數(shù)閾值。

3.2 控制策略流程

本文智能切換車輛驅(qū)動模式，考慮制動踏板、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動模式、車速、電池電量及功率需求。進(jìn)入純電動模式后，根據(jù)制動踏板位置選擇制動能量回收或保持驅(qū)動。車速和驅(qū)動模式狀態(tài)決定發(fā)動機(jī)是否啟動進(jìn)入混合動力模式?；旌蟿恿δＪ较峦瑯舆x擇制動能量回收或保持驅(qū)動。條件滿足時，發(fā)動機(jī)停止，車輛重回純電動模式。圖2為整車工作模式切換控制流程圖。

4 整車仿真

4.1 信號通信

利用AVL_Cruise軟件建立改進(jìn)混合動力乘用車的仿真模型。在HCU模塊創(chuàng)建Mad_File，導(dǎo)出參數(shù)至Simulink。通過Simulink設(shè)置控制策略，處理參數(shù)后輸入Cruise模型，建立信號通信。構(gòu)建驅(qū)動模式切換策略，優(yōu)化仿真。設(shè)置求解器、算法等，編譯生成DLL文件。將DLL文件導(dǎo)入HCU模塊，進(jìn)行聯(lián)合仿真。圖3為Cruise與Simulink信號通信。

4.2 行駛工況與動力經(jīng)濟(jì)性任務(wù)設(shè)置

Cruise中添加油耗、零百公里加速時間、最高車速和最大爬坡度測試任務(wù)，通過NEDC和工況仿真，得到車輛油耗、零百公里加速時間、最高車速和最大爬坡度。

4.3 仿真結(jié)果對比分析

圖4～圖7為兩種工況下的車速跟隨曲線，一條曲線為目標(biāo)車速，另一條曲線為實(shí)際車速。放大圖顯示兩條曲線基本一致，表明改造后的混合動力乘用車在NEDC和CLTC-P工況下能良好保持車速跟隨。

圖8～圖10為CLTC-P工況下發(fā)動機(jī)、TM和ISG電機(jī)的扭矩變化曲線。發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)集中在最佳油耗曲線附近，效率得到提升，電機(jī)工作點(diǎn)集中在高效區(qū)域，驅(qū)動和制動狀態(tài)效率相當(dāng)。圖11為車輛動力電池SOC變化曲線圖，CLTC-P工況下SOC先降后升，反映制動能量回收。SOC穩(wěn)定在45%左右，滿足混合動力乘用車需求。圖12為驅(qū)動模式切換頻次圖，CLTC-P工況下整車模式切換206次，短時間內(nèi)切換頻次適中。圖13～圖15分別為油耗、車速和爬坡度測試結(jié)果，在NEDC工況下，發(fā)動機(jī)油耗為0.33 L，工況距離為10.93 km，考慮等效距離百公里油耗為3.03 L；滿負(fù)荷速度測試工況下，零百公里加速時間為11.35 s，最高車速為191.2 km/h;滿載最大爬坡度測試工況下，最大爬坡度為30.1%，此時爬坡車速為36.6 km/h。與表1中列出的原車性能參數(shù)相比，該車型在燃油經(jīng)濟(jì)性方面實(shí)現(xiàn)了顯著提升，百公里燃油消耗量減少了1.07 L，降幅達(dá)26.1%。同時，在動力性能上，零百公里加速時間縮短了0.86 s，降幅達(dá)7%。此外，最高車速也實(shí)現(xiàn)了顯著提升，增加了31.2 km/h，增幅達(dá)19.5%。在爬坡能力方面，最大爬坡度增加了4.01%，增幅達(dá)15.4%，進(jìn)一步增強(qiáng)了車輛應(yīng)對復(fù)雜路況的能力。綜上所述，該車型在燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性能上均實(shí)現(xiàn)了全面升級。

5 結(jié)論

1）選取1.8 L/73 kW油電混合乘用車，將原驅(qū)動系統(tǒng)改造為雙行星排式動力耦合系統(tǒng)，以發(fā)動機(jī)、TM電機(jī)、ISG電機(jī)、動力電池、主減速器等為研究對象，設(shè)計(jì)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作模式。

2）以燃油消耗最小為目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于轉(zhuǎn)矩的邏輯門限能量控制策略，并通過MATLAB/Simulink搭建模型實(shí)時分配轉(zhuǎn)矩；在Cruise中搭建整車模型，導(dǎo)入能量控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真。

3）雙行星排式動力耦合系統(tǒng)選型匹配與能量控制策略設(shè)計(jì)合理，與原車相比，百公里燃油消耗下降26.1%，零百公里加速時間縮短7%，最大車速和最大爬坡度分別提高19.5%和15.4%，動力性與經(jīng)濟(jì)性明顯改善。

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