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功率分流式混合动力汽车分析

2021-03-14 18:23:49·  来源：旺材动力总成  
　
来源：上海交通大学汽车工程研究院底盘所、联合汽车电子有限公司作者：刘洋、肖扬、喻凡、罗哲混合动力汽车能量管理策略按照控制方式的不同分为基于规则的管理策
来源：上海交通大学汽车工程研究院底盘所、联合汽车电子有限公司
作者：刘洋、肖扬、喻凡、罗哲

混合动力汽车能量管理策略按照控制方式的不同分为基于规则的管理策略和基于优化的管理策略。基于规则的能量管理策略控制简单，相比于基于优化的能量管理策略更加易于实现。

本文针对一种特定的双行星排式功率分流机构，对其结构及工作模式进行了分析，并建立了不同工作模式下的运动学方程。

一、双模式混合动力系统

1. 双模混合动力系统结构

如图1和2所示，该双模混合动力系统由发动机、电机MGl、电机MG2和两个行星排机构PGl、PG2组成。每个行星排有太阳轮、行星架和齿圈三个节点。


电机MG1安装在行星排1的太阳轮上，当车辆功率需求较大时可以作为辅助动力源从蓄电池中获得能量，当车辆需求功率较小时可以作为发电机转化发动机额外的机械能为蓄电池补充电量。

电机MG2安装在行星排2的太阳轮上，用来直接驱动车辆，制动时还可以作为制动能量回收装置。

发动机安装在行星排1的齿圈上，其所产生的功率通过行星排l进行分流，一部分能量直接传递到输出端驱动车辆行驶，另一部分能量通过发电机MG1转化为电能储存在蓄电池中或者用来驱动电机MG2；两个行星排的行星架固连在一起后作为输出端与主减速器相连接。

此外，该混合动力系统中还存在三个离合器B1、C1和OWC1，通过控制离合器的锁止与释放来实现不同工作模式的切换。其中，OWC1为单向离合器，防止发动机出现倒拖。

2. 双模混合动力系统工作模式分析

由上节所述可知，通过三个离合器的开闭与结合，可以实现不同模式的切换，具体如下表1所示。


（1）纯电动模式1(CD1)

纯电动工作模式1，离合器C1、OWC1断开，离合器B1闭合，由电机MG2单独驱动车辆行驶。该模式下，行星排PG2仅起到固定齿比的减速器作用，行星排PG1没有动力输出，且由于发动机的惯性较大，电机MG1处于倒拖状态，既不发电也不提供动力输出。采用等效杠杆原理得到各动力源的转速转矩关系如下：


（2）纯电动模式2(CD2)

纯电动模式2，离合器B1、OCW1闭合，离合器C1断开，发动机不工作，电动机MG1、MG2同时参与车辆的驱动。此时，行星排PG1、PG2相当于两个减速器并联在一起，电机MG1和MG2的扭矩经过放大后耦合在一起，形成一种转矩耦合结构。各动力源的转速转矩关系如下：


（3）低速增程模式(CS2)

低速增程模式下，离合器B1闭合，离合器OWC1、C1断开，发动机参与驱动。此时整车需求功率较小，且由于发动机在低速、低扭工况下的效率很低，所以需要控制发动机工作在高效区域，发动机产生的机械能一部分通过输出轴与MG2的能量进行汇流后用来驱动车辆行驶，另一部分驱动发电机MG1发电。


如图5所示，将MG2等效到C2上则可以发现，该模式实际为输入分流模式。各动力源的转速转矩关系如下：

（4）固定速比增程模式(CS2)

固定速比增程模式下，离合器B1、C1闭合，单向离合器OWC1断开，电机MG2和发动机工作，电机MG1由离合器C1锁止，不工作。发动机产生的所有功率全部输出到车轮端，在行星排1上不存在功率分流现象。

电机MG2的工作状况视车辆需求而定，当车辆制动时，MG2作为能量回收装置发电；当车辆的功率需求较高时，电机MG2驱动以补充额外的功率需求；

当车辆的功率需求较低时，电机MG2通过吸收发动机多余的功率发电，从而调节发动机工作在高效区域。同纯电动模式CD2一样，该模式也为转矩耦合的并联机构。各动力源的转速转矩关系如下：


（5）高速增程模式(CS3)

高速增程模式下，离合器B1、OWC1断开，离合器B1锁止。发动机，电机MG1，电机MG2均参与工作，两个电机是否以电动机或者发电机运行需要视整车的功率需求而定。通过控制电机MG1、MG2来控制发动机的转速和转矩，使得发动机在高效区域内运行。该模式为典型的复合分流模式。各动力源的转速转矩关系式如下：


3. 各工作模式差异性分析

对比式(1)和式(2)可知，CD1和CD2两种模式下的速度约束公式相同，车辆速度均受到MG1、MG2极限速度的制约，且车辆行驶的速度区间完全相同。

由于CD2模式下双电机共同驱动车辆，耦合后的输出扭矩比CD1模式更宽，因此CD1适用于低速、低扭矩的工况，CD2模式适用于低速、大扭矩的工况。

CS1模式下发动机的转速可通过MG1进行调节，MG1转速为负，工作于发电状态。车辆速度受到电机MG2极限速度的制约，转矩区间与CD2模式相同，CS1模式弥补了低速、大扭矩状况下纯电动驱动效率低下的不足，发动机启动于CD1向CD2模式切换的过程中，CS1适用于低速、大扭矩的工况。

CS2模式下车辆的速度区间与CS1完全相同，高速行驶时，CS2模式发动机的转速相对较低，CS2与CS1两种模式下的转矩区间完全相同，中高速低扭工况下，CS2模式可使MG2工作于发电状态，从而拉高发动机的扭矩，使得发动机处于高效工作状态，CS2模式适用于中高速、低扭矩工况。

相比于CS2模式，CS3模式的车速范围更宽，发动机转速与车速解耦，可直接通过调节MG1的转速使得发动机运转在高效工作区间。虽然与CS2模式输出转矩的工作区间完全相同，但CS3模式下MG2长期工作于发电状态，从而拉高发动机的扭矩，使得发动机处于高效工作状态，适用于高速低扭矩工况。


4. 高速增程模式系统传动效率分析

由前面的分析可知，高速增程模式下，行星排对发动机的机械功率进行多次分流，同时在输出端对所有分流后的功率再次进行汇流，为典型的复合功率分流模式，系统比较复杂。而机械能在转化为电能的同时存在能量转化的损失，随后电能再次转化为机械能，又存在能量损失，因此，机械能转化为电能越多，二次转化所造成的整体效率越低。对复合功率分流模式下的传动效率进行研究，能够确定机械结构的合理性。

（1）传动机构动力学关系分析



忽略行星齿轮转动惯量以及各个齿轮之间摩擦力相互作用的影响，该模式下各传动机构动力学关系式可表示如下：


（2）传动效率分析

在功率分流结构中，发动机功率可以通过机械路径和电路径两种方式传递到车轮，考虑到电路径存在二次转化使得整体效率降低，因此希望发动机功率通过电路径的部分越小越好。当发动机功率全部通过机械路径传递到车轮时，整车效率最高，电池的电功率为零。

在复合分流机构中，存在两种情况满足以上条件：

1)电机MG1的转速为零，电机MG2的转矩为零；
2)电机MG1的转矩为零，电机MG2的转速为零。

将以上两种情况下的输出轴转速Wout与发动机转速Weng之比定义为机械点，即当传动比等于机械点时，电功率为零，发动机功率全部通过机械路径传递到车轮。忽略各运动部件的角加速度，并假设电池的电功率为零，则公式(6)可以简化为：

推导得出电功率分流比如下：


 
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