混聯式混合動力汽車功率分流裝置建模*

白海 范永臻 郭曉輝

（1.廣西師范大學職業技術師范學院；2.科力遠混合動力技術有限公司上海分公司；3.陜西職業技術學院航空服務與汽車工程學院）

混聯式混合動力汽車兼具串聯式和并聯式混合動力汽車的優點，并以多種組合形式對汽車進行驅動，可以使車輛的整備質量降低，經濟性有所提高，不僅動力性能可以達到傳統內燃機汽車的水平，而且有效地降低了有害氣體的排放，實現“超低污染”的目標。混合動力汽車能量管理控制策略的優化設計需要建立在完整的整車仿真模型基礎之上。功率分流裝置是混合動力系統功率分流的核心部件，相比輸入功率分流與輸出功率分流系統，復合功率分流系統具有全車速范圍內傳動效率高、電機成本低等優點，因而得到廣泛的應用。雙行星排齒輪機構屬于典型的復合功率分流模式，文章運用Simulink軟件，針對混聯式混合動力汽車復合功率分流裝置特有的雙行星齒輪機構建立了準確合理的功率分流裝置模型，該模型對進一步研究該機構特性至關重要。

1 混聯式混合動力汽車動力系統結構

圖1示出混聯式混合動力汽車動力系統的結構。該結構采用的功率分流裝置使用拉維娜行星齒輪機構[1-2]，它的特點是前行星輪排增大，后行星輪排減小，達到儲能和加速的目的。

圖1 混聯式混合動力汽車功率分流混合動力系統結構示意圖

混聯式混合動力汽車動力系統中，發動機與混合動力變速箱中的行星架經由扭轉減振器相連接，電機1（E1）與混合動力變速箱中的太陽輪1（S1）相連接，電機2（E2）與混合動力變速箱中的太陽輪2（S2）相連接，動力電池由電機控制器進行控制。

2 功率分流裝置

功率分流裝置是混聯式混合動力汽車動力系統的核心部件。通過功率分流裝置，發動機轉速與整車車速解耦，實現無極變速功能，進而優化發動機工作點，提高動力總成的工作效率，降低發動機的油耗。行星排齒輪機構是實現功率分流的核心裝置，通過采用雙行星排齒輪機構，實現布置形式的改進，衍生出多種功率分流裝置。

雙行星排機構是四軸功率分流系統，主要包括S1、S2、行星架（PC）以及齒圈。基于單行星排機構原理，通過改進拉維娜復合行星齒輪機構[3]，雙行星排機構可實現2個行星排復合工作，具有行星排齒輪個數少、結構緊湊等特點。圖2示出雙行星排齒輪機構運動簡圖。

圖2 功率分流裝置的雙行星排齒輪機構運動簡圖

雙行星排齒輪機構由前行星排和后行星排構成。前行星排由S1、行星輪1（PG1）和齒圈共同組成；后行星排由S2、行星輪2（PG2）、PG1和齒圈構成。前行星排與后行星排共同使用PG1和齒圈。對于前行星排，PG1與齒圈嚙合，PG1與S1嚙合，PG1同時與PG2嚙合；對于后行星排，PG2與S2嚙合，PG2同時與行PG1嚙合。PG1與PG2共同固定于PC上。

雙行星排齒輪機構特性主要體現為四軸轉速約束關系和轉矩約束關系，根據行星排受力分析以及能量守恒定律，可得四軸轉速關系和轉矩關系如下：

式中：nS1，nS2，nPC，nR——太陽輪1、太陽輪2、行星架、齒圈的轉速，r/min；

TS1，TS2，TPC，TR——太陽輪1、太陽輪2、行星架、齒圈的轉矩，N·m；

i1——前行星排的傳動比，在等效杠桿圖中代表太陽輪1與行星架之間的等效杠桿距離；

i2——后行星排的傳動比，在等效杠桿圖中代表太陽輪2與行星架之間的等效杠桿距離。

根據傳動比的定義，i1和i2亦滿足如下基本關系式：

式中：ωS1，ωS2，ωR——太陽輪1、太陽輪2、齒圈的角轉速，rad/s；

ZR，ZS1，ZS2——齒圈、太陽輪1、太陽輪2的齒數；

rR，rS1，rS2——齒圈、太陽輪1、太陽輪2的半徑，m。

3 復合功率分流模式

發動機、電機及功率分流裝置之間可采用多種組合方式，以實現不同的動力總成拓撲結構。根據動力總成拓撲結構中功率分流裝置所在的位置不同，功率分流混合動力系統分為輸入功率分流、輸出功率分流及復合功率分流3種模式[4]。

文章研究的雙行星排齒輪機構屬于復合功率分流模式，將雙行星排齒輪機構布置在傳動系統的輸入端和輸出端。圖3示出混合動力汽車復合功率分流系統拓撲結構。2個功率分流裝置（PGD1，PGD2）串聯，發動機（ICE）與E1，E2均單獨連接到功率分流裝置的輸入軸上，整車驅動軸連接到傳動系統輸出端的功率分流裝置輸出軸上。

圖3 混合動力系統復合功率分流系統拓撲結構示意圖

圖4示出混合動力系統復合功率分流系統等效杠桿圖。相比輸入功率分流系統與輸出功率分流系統，復合功率分流系統增加了1根電機軸，實現電機轉速與發動機轉速和車速解耦，對E2工作轉速的要求大大降低。在全車速范圍內，由2個電機協同工作，以平衡發動機的轉矩，E1的工作轉矩范圍顯著地降低。系統機械點由1個增加到了2個[5]，提高了系統在全車速范圍內的傳動效率。

圖4 混合動力系統復合功率分流系統等效杠桿圖

4 混合動力系統復合功率分流裝置建模

四軸行星齒輪機構模型，如圖5所示。根據四軸行星齒輪機構物理連接，通過齒輪齒數比確定轉速和轉矩的關系。其中，S1與PG1嚙合，齒數比為1.09，PG1固定于PC之上，三者以行星-行星（Planet-Planet）模塊連接；S2與PG2嚙合，齒數比為1.35，PG2固定于PC之上，三者以Planet-Planet模塊連接；PG1與PG2嚙合，齒數比為1.09，PG1與PG2均固定于PC之上，三者均以Planet-Planet模塊連接；PG1與齒圈嚙合，齒數比為2.92，PG1、PC以及齒圈以齒圈-行星（Ring-Planet）模塊連接。由于行星齒輪機構中齒輪轉動慣量較小，可忽略不計。然而，發動機和電機的轉子轉動慣量以及整車當量轉動慣量較大，轉矩傳遞過程中，只有部分轉矩用于轉動部件加速。四軸行星齒輪機構輸入輸出模型，如圖6所示。轉矩傳感器模塊（Torque Sensor）用于輸入輸出轉矩傳遞，并將傳動軸上實際轉矩物理量轉化為數字顯示量。轉速傳感器模塊（Speed Sensor）實現將傳動軸轉速物理量轉變為數字顯示量。四軸的轉動慣量分別在發動機、電機以及整車動力學模型中表示。

圖5 四軸行星齒輪機構模型

圖6 四軸行星齒輪機構輸入輸出模型圖

2018年10月基本型乘用車（轎車）生產匯總表

5 結論

與輸入功率分流和輸出功率分流模式相比，文章所研究的混合動力系統為復合功率分流模式，采用雙行星排齒輪機構，優化了電機的轉速和轉矩工作點，增加了系統機械點。針對混聯式混合動力汽車復合功率分流裝置特有的雙行星齒輪機構，運用Simulink軟件進行建模，進而得出四軸行星齒輪機構模型及其輸入輸出模型，為研究該機構特性提供了重要的仿真試驗基礎。