基于系統效率最優的多模混合動力系統構型選擇及匹配設計研究

鄒玉鳳

摘 要：隨著中國政府對車輛油耗限值的要求越來越低，2020年達到5L/100km，2025年達到4L/100km，因此越來越多的中國OEM開始研發高節油率的混合動力系統。這其中，以豐田、通用為代表的具備功率分流功能的混動系統引起了越來越多的關注。但豐田的混動系統在發動機工作時只能以功率分流的形式工作，不具備發動機直接驅動功能，因此在高速行駛時整車的油耗水平偏高，而通用的雙模混動系統雖然在全車速下都具備較好的油耗水平，但因其采用雙排行星排、4個離合器及制動器，導致系統的成本較高。本文試圖基于系統效率最優、在考慮成本的前提下，設計一種多模式混合動力系統，在保證系統成本的前提下，實現高的節油率。

關鍵詞：多模混合;優化;油耗最低

1 功率分流系統的效率分析

行星排是功率分流系統中的關鍵零部件。其包括：太陽輪、行星架及齒圈。圖1 為行星排的杠桿圖分析。

設定行星排的特征參數為2，電機的效率為98%，則根據以上7式可以得到動力系統的轉速比與系統效率的曲線，動力系統各部件轉速與速比的曲線。當速比為1.5時，動力系統具有最高的效率，此時的發電機EM1的轉速為0，驅動電機EM2的轉速為0，即此時動力系統中無電功率的傳遞。當速比由0逐漸增大到1.5時，系統的效率逐漸提升，但在速比超過1.5之后，系統的效率逐漸降低，這就意味著如果發動機的轉速固定在一個設定的轉速下，隨著車速的提高，系統的效率先增加，當超過機械點時，系統的效率會下降，且下降的幅度遠大于機械點之前上升的幅度。因此，我們在設計動力系統的工作模式時，應避免整車工作在機械點之后，避免系統效率過低。

2 基于效率最優的多模混合動力系統構型設計

在進行動力系統的構型分析時，考慮到電機及發動機的特性，在起步時，采用EM1與EM2電機共同驅動的方式，來降低對EM2電機的轉矩及功率需求;在低速加速或行駛時，基于EM1或EM2電機的效率及轉矩能力，采用EM1或EM2單電機驅動的方式;在中速行駛時，充分利用行星排的功率分流模式，實現系統效率的最大化;在中速到高速的加速過程中，以功率分流為主模式，利用EM2電機的轉矩來提供額外的助力轉矩，避免動力系統各部件的轉速急劇變化，提升系統的效率;在高速行駛時，采用發動機直接驅動的方式，利用發動機中高速時的高效率特性，避免功率分流在機械點之后的系統效率下降問題。

在此構型中，采用了一個行星排作為功率分流裝置，發電機連接到太陽輪上，發動機連接到行星架上，齒圈連接到輸出軸上，驅動電機通過一個減速齒輪連接到輸出軸上。在行星架上，放置一個單向離合器，使得發動機只能正向旋轉，從而保證EM1的反向驅動功能，實現整車的雙電機驅動功能。在太陽輪上，放置一個制動器，在齒圈與行星架之間放置一個離合器，從而實現發動機的兩個擋位。驅動電機EM2與輸出軸通過減速齒輪連接，可以降低對EM2電機的轉矩需求，降低系統的成本。

3 多模混合動力系統的參數匹配

多模混合動力系統中最關鍵的參數是行星排的特征參數，此參數是動力系統效率的主要影響因素。考慮到NEDC工況下的車速分布及發動機的BSFC特性曲線，我們可以看到30～70km/h的車速占比最大，為35%左右，因此在該車速范圍內，應采用功率分流模式，且功率分流模式時，發動機的工作點應在機械點之前，以保證良好的系統效率;較小的k值可以保證發動機的工作點更靠近發動機的高效區。

考慮到電機在低轉速時效率較低的特性，在功率分流模式下應適當的將發電機的轉速控制在一個設定的轉速門限之上，這也就意味著小的行星排特征參數可以保證更好的系統效率。在趨向于機械點的過程中，k=2相對于k=2.6可以保證更高的發電機轉速。到小的k值可以取得更高的系統效率。

綜合考慮以上因素，本文選取k=2作為最終的行星排特征參數，這樣可以保證在70km/h以下采用功率分流模式可以取得更好的系統效率，而在70km/h以上采用發動機直接驅動時取得更好的發動機效率。

4 整車經濟性仿真驗證

基于整車架構，在MATLAB/Simulink中建立整車仿真模型，整車仿真模型主要包括兩大部分：車輛的物理模型及整車控制策略模型。

本文分別基于NEDC及WLTC工況，對所設計的多模式混合動力系統與其它類型的動力系統進行了仿真對比。表1為具體的對比情況。

由仿真結果可知：在NEDC及WLTC工況下，本文設計的功率分流混合動力系統均具備較好的經濟性，在EV模式下的動力性也處于較好的水平。

5 結語

本文對基于行星排的功率分流系統的分析，通過增加離合器及制動器，實現了發動機的直驅功能，構建了多模混合動力系統，在此基礎上，基于系統效率最優的原則，對行星排的特征參數進行了匹配，通過搭建的整車仿真模型，對所構建的多模混合動力系統與其他類型的動力系統進行了仿真對比。仿真結果充分驗證了本文所設計的多模混合動力系統在保證整車動力性的前提下，實現了整車油耗最低的設計目標。

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