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功率分流式混合動力汽車分析

2021-03-14 18:23:49·  來源：旺材動力總成  
　
來源：上海交通大學(xué)汽車工程研究院底盤所、聯(lián)合汽車電子有限公司作者：劉洋、肖揚(yáng)、喻凡、羅哲混合動力汽車能量管理策略按照控制方式的不同分為基于規(guī)則的管理策
來源：上海交通大學(xué)汽車工程研究院底盤所、聯(lián)合汽車電子有限公司
作者：劉洋、肖揚(yáng)、喻凡、羅哲

混合動力汽車能量管理策略按照控制方式的不同分為基于規(guī)則的管理策略和基于優(yōu)化的管理策略?；谝?guī)則的能量管理策略控制簡單，相比于基于優(yōu)化的能量管理策略更加易于實現(xiàn)。

本文針對一種特定的雙行星排式功率分流機(jī)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)及工作模式進(jìn)行了分析，并建立了不同工作模式下的運(yùn)動學(xué)方程。

一、雙模式混合動力系統(tǒng)

1. 雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1和2所示，該雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)由發(fā)動機(jī)、電機(jī)MGl、電機(jī)MG2和兩個行星排機(jī)構(gòu)PGl、PG2組成。每個行星排有太陽輪、行星架和齒圈三個節(jié)點。


電機(jī)MG1安裝在行星排1的太陽輪上，當(dāng)車輛功率需求較大時可以作為輔助動力源從蓄電池中獲得能量，當(dāng)車輛需求功率較小時可以作為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化發(fā)動機(jī)額外的機(jī)械能為蓄電池補(bǔ)充電量。

電機(jī)MG2安裝在行星排2的太陽輪上，用來直接驅(qū)動車輛，制動時還可以作為制動能量回收裝置。

發(fā)動機(jī)安裝在行星排1的齒圈上，其所產(chǎn)生的功率通過行星排l進(jìn)行分流，一部分能量直接傳遞到輸出端驅(qū)動車輛行駛，另一部分能量通過發(fā)電機(jī)MG1轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中或者用來驅(qū)動電機(jī)MG2；兩個行星排的行星架固連在一起后作為輸出端與主減速器相連接。

此外，該混合動力系統(tǒng)中還存在三個離合器B1、C1和OWC1，通過控制離合器的鎖止與釋放來實現(xiàn)不同工作模式的切換。其中，OWC1為單向離合器，防止發(fā)動機(jī)出現(xiàn)倒拖。

2. 雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)工作模式分析

由上節(jié)所述可知，通過三個離合器的開閉與結(jié)合，可以實現(xiàn)不同模式的切換，具體如下表1所示。


（1）純電動模式1(CD1)

純電動工作模式1，離合器C1、OWC1斷開，離合器B1閉合，由電機(jī)MG2單獨驅(qū)動車輛行駛。該模式下，行星排PG2僅起到固定齒比的減速器作用，行星排PG1沒有動力輸出，且由于發(fā)動機(jī)的慣性較大，電機(jī)MG1處于倒拖狀態(tài)，既不發(fā)電也不提供動力輸出。采用等效杠桿原理得到各動力源的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下：


（2）純電動模式2(CD2)

純電動模式2，離合器B1、OCW1閉合，離合器C1斷開，發(fā)動機(jī)不工作，電動機(jī)MG1、MG2同時參與車輛的驅(qū)動。此時，行星排PG1、PG2相當(dāng)于兩個減速器并聯(lián)在一起，電機(jī)MG1和MG2的扭矩經(jīng)過放大后耦合在一起，形成一種轉(zhuǎn)矩耦合結(jié)構(gòu)。各動力源的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下：


（3）低速增程模式(CS2)

低速增程模式下，離合器B1閉合，離合器OWC1、C1斷開，發(fā)動機(jī)參與驅(qū)動。此時整車需求功率較小，且由于發(fā)動機(jī)在低速、低扭工況下的效率很低，所以需要控制發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)域，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能一部分通過輸出軸與MG2的能量進(jìn)行匯流后用來驅(qū)動車輛行駛，另一部分驅(qū)動發(fā)電機(jī)MG1發(fā)電。


如圖5所示，將MG2等效到C2上則可以發(fā)現(xiàn)，該模式實際為輸入分流模式。各動力源的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下：

（4）固定速比增程模式(CS2)

固定速比增程模式下，離合器B1、C1閉合，單向離合器OWC1斷開，電機(jī)MG2和發(fā)動機(jī)工作，電機(jī)MG1由離合器C1鎖止，不工作。發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的所有功率全部輸出到車輪端，在行星排1上不存在功率分流現(xiàn)象。

電機(jī)MG2的工作狀況視車輛需求而定，當(dāng)車輛制動時，MG2作為能量回收裝置發(fā)電；當(dāng)車輛的功率需求較高時，電機(jī)MG2驅(qū)動以補(bǔ)充額外的功率需求；

當(dāng)車輛的功率需求較低時，電機(jī)MG2通過吸收發(fā)動機(jī)多余的功率發(fā)電，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)域。同純電動模式CD2一樣，該模式也為轉(zhuǎn)矩耦合的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。各動力源的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下：


（5）高速增程模式(CS3)

高速增程模式下，離合器B1、OWC1斷開，離合器B1鎖止。發(fā)動機(jī)，電機(jī)MG1，電機(jī)MG2均參與工作，兩個電機(jī)是否以電動機(jī)或者發(fā)電機(jī)運(yùn)行需要視整車的功率需求而定。通過控制電機(jī)MG1、MG2來控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)動機(jī)在高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。該模式為典型的復(fù)合分流模式。各動力源的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如下：


3. 各工作模式差異性分析

對比式(1)和式(2)可知，CD1和CD2兩種模式下的速度約束公式相同，車輛速度均受到MG1、MG2極限速度的制約，且車輛行駛的速度區(qū)間完全相同。

由于CD2模式下雙電機(jī)共同驅(qū)動車輛，耦合后的輸出扭矩比CD1模式更寬，因此CD1適用于低速、低扭矩的工況，CD2模式適用于低速、大扭矩的工況。

CS1模式下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過MG1進(jìn)行調(diào)節(jié)，MG1轉(zhuǎn)速為負(fù)，工作于發(fā)電狀態(tài)。車輛速度受到電機(jī)MG2極限速度的制約，轉(zhuǎn)矩區(qū)間與CD2模式相同，CS1模式彌補(bǔ)了低速、大扭矩狀況下純電動驅(qū)動效率低下的不足，發(fā)動機(jī)啟動于CD1向CD2模式切換的過程中，CS1適用于低速、大扭矩的工況。

CS2模式下車輛的速度區(qū)間與CS1完全相同，高速行駛時，CS2模式發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速相對較低，CS2與CS1兩種模式下的轉(zhuǎn)矩區(qū)間完全相同，中高速低扭工況下，CS2模式可使MG2工作于發(fā)電狀態(tài)，從而拉高發(fā)動機(jī)的扭矩，使得發(fā)動機(jī)處于高效工作狀態(tài)，CS2模式適用于中高速、低扭矩工況。

相比于CS2模式，CS3模式的車速范圍更寬，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速解耦，可直接通過調(diào)節(jié)MG1的轉(zhuǎn)速使得發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在高效工作區(qū)間。雖然與CS2模式輸出轉(zhuǎn)矩的工作區(qū)間完全相同，但CS3模式下MG2長期工作于發(fā)電狀態(tài)，從而拉高發(fā)動機(jī)的扭矩，使得發(fā)動機(jī)處于高效工作狀態(tài)，適用于高速低扭矩工況。


4. 高速增程模式系統(tǒng)傳動效率分析

由前面的分析可知，高速增程模式下，行星排對發(fā)動機(jī)的機(jī)械功率進(jìn)行多次分流，同時在輸出端對所有分流后的功率再次進(jìn)行匯流，為典型的復(fù)合功率分流模式，系統(tǒng)比較復(fù)雜。而機(jī)械能在轉(zhuǎn)化為電能的同時存在能量轉(zhuǎn)化的損失，隨后電能再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，又存在能量損失，因此，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能越多，二次轉(zhuǎn)化所造成的整體效率越低。對復(fù)合功率分流模式下的傳動效率進(jìn)行研究，能夠確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性。

（1）傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)關(guān)系分析



忽略行星齒輪轉(zhuǎn)動慣量以及各個齒輪之間摩擦力相互作用的影響，該模式下各傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)關(guān)系式可表示如下：


（2）傳動效率分析

在功率分流結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)功率可以通過機(jī)械路徑和電路徑兩種方式傳遞到車輪，考慮到電路徑存在二次轉(zhuǎn)化使得整體效率降低，因此希望發(fā)動機(jī)功率通過電路徑的部分越小越好。當(dāng)發(fā)動機(jī)功率全部通過機(jī)械路徑傳遞到車輪時，整車效率最高，電池的電功率為零。

在復(fù)合分流機(jī)構(gòu)中，存在兩種情況滿足以上條件：

1)電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)速為零，電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩為零；
2)電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速為零。

將以上兩種情況下的輸出軸轉(zhuǎn)速Wout與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速Weng之比定義為機(jī)械點，即當(dāng)傳動比等于機(jī)械點時，電功率為零，發(fā)動機(jī)功率全部通過機(jī)械路徑傳遞到車輪。忽略各運(yùn)動部件的角加速度，并假設(shè)電池的電功率為零，則公式(6)可以簡化為：

推導(dǎo)得出電功率分流比如下：


 
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