混合動力汽車動力集成傳動機構的設計與分析*

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)

2016006

混合動力汽車動力集成傳動機構的設計與分析*

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，設計了一種轉速耦合、轉矩耦合能自由切換的動力集成傳動機構。分析了該機構工作模式，確定了其行星輪系特征參數，求得了該機構輸出轉速和轉矩與輸入轉速和轉矩的關系。利用Matlab和Cruise軟件進行了性能聯合仿真，結果表明裝有該機構的混合動力汽車具有較好的動力性和能量經濟性。

混合動力汽車；動力集成；傳動機構；轉速耦合；轉矩耦合

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，其動力系統組成和布置形式對汽車動力性和經濟性有著重要影響。目前，豐田Prius的混合動力系統THS(Toyota hybrid system)至今已經歷了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結構如圖1所示[1]，由一臺發動機、兩臺電機和兩組PGT構成。左邊PGT的太陽輪連接發電機，行星輪連接發動機；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動軸。THS III能提供電機驅動、發動機驅動、發動機驅動且發電、混合動力驅動、制動能量回收等工作模式。

圖1 THS III傳動機構

國內外研究者對HEV動力系統設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結構[2-4]，這些結構工作模式較少，對優化汽車性能有一定局限性。文獻[5]中巧妙地將電機轉子軸用作動力承載軸。文獻[6]中為規避THS專利的限制與束縛，提出了用傳統的差速器作為混聯HEV的動力耦合裝置，經分析認為可行。

本文中基于與文獻[6]中同樣的出發點，結合文獻[5]和THS III的優點，提出一種多工作模式動力集成傳動機構。該機構由兩組行星輪系(planetary)、1臺發動機(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。確定了行星輪系特征參數，分析了輸入輸出之間的轉速、轉矩關系；為了驗證所提出傳動機構的可行性，利用Matlab和AVL Cruise軟件進行了仿真分析。

1 動力耦合機構設計概述

混合動力汽車動力系統耦合方式可歸結為三大類:轉矩耦合、轉速耦合和功率耦合[7]。轉矩耦合可實現發動機和電機轉矩的獨立控制，且兩者的轉矩疊加，故可實現大轉矩輸出，但發動機轉速受制于車速，如要保證發動機轉速一直處于最經濟區域，需要增加一個變速器調節裝置。轉速耦合中發動機轉速、電機轉速與輸出軸轉速彼此無關，可實現轉速獨立控制，使發動機運行在經濟區域；但輸出轉矩與發動機和電動機的轉矩相關聯，不能實現發動機、電動機轉矩的獨立控制。這兩種耦合方式均存在一定缺點，理想狀態是動力系統輸出轉矩與轉速分別是發動機與電機轉矩和轉速的線性和，發動機轉矩和轉速都可控，實現這種優點的耦合方式稱為功率耦合。

HEV動力系統設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濟性。當汽車轉速或轉矩需求變化時，動力系統能通過調節控制策略滿足轉速或轉矩的增減而使發動機仍運行在效率較高的工況，是實現這個目標的關鍵。PGT傳動與定軸齒輪傳動相比，具有質量輕、結構緊湊、傳動比大、承載力強、傳動平穩和傳動效率高等優點，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組成汽車動力傳動系統可以得到較好的性能[8]。本文中設計了一種轉速耦合和轉矩耦合交替使用的傳動機構，并選用PGT作為傳動機構的基件。

2 動力集成傳動機構設計分析

2.1 傳動機構結構形式確定

(1)

式中：p為PGT特征參數，是齒圈齒數與太陽輪齒數之比；n和T分別為轉速和轉矩；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系，由式(1)可知，方案3和方案4能使經傳動機構傳給驅動車輪的轉矩被放大，這種效果能降低動力裝置轉矩容量要求，從而降低其實體尺寸和質量。方案3和方案4驅動車輛轉矩與電機和發動機轉矩關系分別為

(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分別表示發動機、電機和輸出驅動車輪。

表1 行星輪系與動力部件匹配關系

對于方案3，電機驅動時，車輛可以得到p倍轉矩，發動機驅動時可以使發動機運行在較高的轉速，而此時發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，當發動機或電機單獨驅動車輛時，都可以使車輛得到更大的轉矩，最適合發動機分配其動力，大部分動力直接用于驅動汽車，其余部分通過發電機轉化為電能；而且對發電機、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，構成了本文中的PEMC傳動機構。

PEMC傳動機構如圖2所示。PGT1與動力部件連接關系同方案3。PGT2太陽輪連接具有發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中的齒圈連接發動機關系。將兩排PGT的太陽輪通過一根設置了離合器C2的軸連接在一起，實現了兩排PGT動力的連接；此連接軸中空，其內安裝有動力輸出軸。為了緊湊，將MG轉子安裝在此連接軸上，這樣，MG同時作為兩排PGT的動力部件。為了獨立控制發動機轉速，優先保證發動機工作在高效的轉速工況，在PGT1太陽輪和MG之間設置了離合器C2，轉矩耦合時由電機補充發動機輸出轉矩的不足。為了在不同的工作模式下控制MG動力是否與輸出軸關聯，在PGT2行星架與輸出軸之間設置了離合器C3。為了使發動機起動等工況不受傳動機構影響，在發動機和PGT1之間設置了離合器C1。為了在必要時固定PGT1太陽輪，在此太陽輪旁設置了制動器B。

為了節省空間，發動機集成了ISG電機，電機定子安裝在發動機的飛輪殼內圓面上，轉子安裝在發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，在不接合C2和C3狀態下可以把MG的動力輸出到另一組驅動輪，從而實現車輛的四輪驅動。

圖2 動力集成傳動機構結構

2.2 傳動機構工作模式分析

通過切換離合器工作狀態，該傳動機構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，可將發動機和電機輸出的轉速耦合到輸出軸。接合離合器C1，C3和B而脫離C2，可將發動機和電機輸出的轉矩耦合到輸出軸。接合離合器C1，C2和C3而脫離B能耦合發動機和電機的轉速和轉矩，因此，可以認為這是功率耦合。

根據MG電機、ISG電機和發動機的工作狀態可以得到6種動力模式：MG電機驅動模式、混合驅動模式、發動機驅動模式、發動機驅動并充電模式、制動能量回收模式和ISG起動模式。通過設置離合器和制動器的工作狀態，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，可實現不同的轉速和轉矩輸出。眾多的工作模式有利于優化能量管理策略。這些工作模式分類與分類中離合器和制動器的工作狀態、ISG電機和MG電機的功能狀態列于表2。表中，“☆”表示該部件處于接合狀態，MG表示MG電機驅動模式，H表示混合驅動模式,E表示發動機驅動模式，EC表示發動機驅動且發電模式，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

2.3 行星輪系特征參數確定

PGT作為汽車傳動機構其顯著優點是具有自動變速器的功能，本文中的傳動機構CVT模式在眾多工作模式中占重要地位，因此本節在CVT模式下采用平面優化法來確定PGT1的特征參數。PGT太陽輪、齒圈和行星架3個元件在空間上的運動構成了一個轉速特征平面，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 行星齒輪機構特征轉速截面

根據幾何學原理，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應接近平行，即兩平面的法向量間的夾角θ應較小,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、發動機和電機最高轉速，r/min；umax為混合動力狀態汽車最高車速，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作為發電機時取nMG max=5 500r/min。

根據上述算式和參數計算p1與θ的關系，θ最小時對應的p1就是所求PGT1特征參數。計算得到PGT1的p1與θ的關系，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p1與兩平面夾角θ關系

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

2.4 傳動機構轉速和轉矩關系分析

行星輪系特征參數確定后，結合式(1)和表1中所列各工作子模式，轉速和轉矩的輸入、輸出關系即可以確定，傳動機構部件轉速和轉矩存在以下關系式：

(7)

(8)

式中：下標r2表示PGT2齒圈，其余符號意義同上。

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

(9)

可見，為協同驅動車輛，電機需以3倍、而發動機需以1.6倍輸出軸轉速運行。它們的轉矩關系為

Tout=-3.4TMG-1.8Te

(10)

可見，H1模式能使輸出轉矩達到3.4倍電機轉矩和1.8倍發動機轉矩之和。

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，發動機動力一部分通過齒圈傳遞給動力輸出軸驅動汽車，一部分傳遞給切換到發電功能的MG電機發電。此時轉速關系為

nout=-0.42nMG+1.42ne

(11)

對于給定的輸出轉速，如果要使發動機運行在某一優化轉速，可以通過調節MG電機轉速來實現。這個模式下，發電機轉矩、輸出轉矩和發動機轉矩關系為

(12)

可見，發動機轉矩有71%用于驅動汽車，29%用于發電。

3 實例研究

3.1 整車控制策略與基本參數

本文中設計的傳動機構能實現的工作模式較多，設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濟性能程序，式(13)和式(14)分別是動力性能程序和經濟性能程序中較典型的一種。兩種程序都可以由電機驅動起步，然后切換到發動機驅動或混合驅動模式，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，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，發動機只運行在油耗最優工況，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，發動機能運行在高效率區時，切換到CVT模式，電機切換到發電狀態，發動機提供汽車驅動力的同時帶動電機發電，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濟性。對比車1發動機和電機雙軸并聯，前置前驅，配置AT變速器。對比車2由雙排PGT構成動力傳動機構，前置前驅。三者采用相同的整車質量、滾動系數、迎風面積和風阻系數等動力計算參數，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見表3。

表3 主要動力部件參數

3.2 仿真結果及分析

在Matlab軟件上構建控制程序，將控制程序應用在AVL Cruise軟件上仿真計算汽車動力性和經濟性，結果如表4和圖6所示。由表4可見，與對比車1相比，本文中PEMC機構：(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：(1)最高車速較低，這是由于動力系統傳動比設置不同等因素造成；(2)加速性能稍差，由于本文能量控制策略是SOC在許可范圍內發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，因為利用了其低速時有較大耦合轉矩輸出的優勢；(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動機和較高功率電機，且發動機只運行在高效工況。整個NEDC循環過程，電池SOC由95%下降至81%，電量降低幅度較小。

表4 性能仿真結果

圖6示出了本文中PEMC機構運行NEDC循環時車速、發動機轉速和電機轉矩的變化歷程。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，發動機在循環中部分工況不工作，只運行在車速較高的工況，起到降低油耗的效果；對應地，發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，電機發電；在約890～980s期間，即使車輛需求轉速較低，發動機仍等速運行，靠電機反轉發電滿足車速變化需求，此時傳動機構起著CVT的作用。

圖6 NEDC循環整車及動力部件運行狀態

4 結論

設計了一種PEMC傳動機構，具有常見混合動力汽車傳動機構特點，比如，能實現常用的動力耦合方式；可以實現電機驅動、發動機驅動、發動機驅動且發電、混合動力驅動和制動能量回收等功能；兩個動力源均可以單獨驅動車輛，一個動力部件失效時另一個可以提供動力。該傳動機構還具有以下優點： (1) 結構緊湊，ISG電機集成在發動機飛輪和飛輪殼之間，MG電機轉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的能量管理策略。

利用Matlab/Simulink和AVL Cruise軟件進行了性能聯合仿真，結果顯示，本文提出的PEMC機構動力性能較一款國產HEV差，油耗則更好；本文中PEMC機構爬坡性能優于國外某HEV，最高車速、加速性能和油耗則稍差。根據所作研究，總結出HEV動力耦合機構設計應遵循的幾個原則：(1) 盡可能使發動機運行在高效工況；(2) 盡可能多使用電能；(3) 盡量實現更多工作模式；(4) 盡量減小耦合機構的體積和質量。

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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。