混聯式混合動力電動汽車倒車混動模式能耗研究

郭海龍，張永棟

（1.廣東交通職業技術學院汽車與工程機械學院，廣東 廣州 510650；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

混聯式混合動力電動汽車倒車混動模式能耗研究

郭海龍1,2，張永棟1,2

（1.廣東交通職業技術學院汽車與工程機械學院，廣東 廣州 510650；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

以某混聯式混合動力電動汽車（HEV）為研究對象，發現了其在倒車工況混動模式時存在能耗偏高的問題。首先分析了該車輛動力系統的結構及參數，然后在對動力耦合機構進行運動學和動力學分析的基礎上，從理論角度探究了引起能耗偏高問題的原因，發現由于發動機輸出轉速和轉矩在倒車時無法換向，而導致發動機部分輸出轉矩與電動機輸出轉矩存在相互抵消的問題，故而能耗增加，并通過實車采集的實驗數據，對理論分析結果進行了實驗驗證，最后針對該問題，提出了結構改進方案。

混聯式混合動力電動汽車；倒車工況；能耗分析；結構改進

CLC NO.:U461Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-42-05

前言

混合動力電動汽車(HEV)融合了傳統燃油車和純電動車的優點[1-5]，能大幅度減少油耗并降低有害氣體排放。一般來說，混合動力汽車根據其設計結構特點可以分為三類，即串聯式、并聯式和混聯式混合動力汽車[6-8]，其中混聯型 HEV綜合了串聯式和并聯式 HEV的結構及性能優點，可以保證混合動力系統能在各種運行工況下在高效工作區運行，從而使整車的燃油經濟性和排放性能達到最佳[9-10]。因此，混聯型 HEV已經成為目前許多汽車制造商的選擇[11]，其中豐田汽車公司的行星齒輪混聯式混合動力車型 Prius最具有代表性[11-14]。眾所知周，HEV的結構型式和能量管理策略對整車的燃油經濟性和排放水平起著決定性的作用，如果結構設計不合理、能量管理策略制定不恰當，均會導致整車能量浪費。

論文針對某混聯式 HEV在倒車工況混動模式時存在能耗偏高的問題，對其動力耦合機構進行了運動學和動力學分析，并研究了倒車混動模式能耗偏高的原因及改進方案。

1、HEV動力系統結構及參數

該款混聯式HEV動力系統主要由發動機、發電機MG1、電動機MG2、動力電池、行星齒輪動力耦合機構、傳動系等部分組成，圖1為動力系統結構簡圖，表1為整車及動力學相關參數，其中電動機MG2與齒圈相連接，發電機MG1與太陽輪連接，發動機與行星架連接。該動力耦合機構的動力輸出部件為齒圈，齒圈又進一步通過鏈傳動將動力傳遞到中間軸，中間軸通過主、從動齒輪將動力傳遞到主減速器，主減速器的主、從動齒輪將動力降速增扭后，傳遞到差速器，差速器最終通過行星齒輪和半軸齒輪將動力傳遞到左右驅動車輪。圖2為動力耦合機構圖，該動力耦合機構為NWG型行星齒輪系統。

圖1 行星齒輪式混聯HEV動力總成結構簡圖Fig.1 Structural diagram of planetary gear Series-Parallel HEV

表1 行星齒輪混聯式HEV整車及動力學相關主要參數Table 1 Major relevant parameters of planetary gear HEV

表中，CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；δ為質量換算系數；r為車輪自由半徑；Cr為車輪滾動半徑；mz為汽車整備質量；f為滾動阻力系數。

圖2 動力耦合機構簡圖及實物解剖圖Fig.2 Diagram and physical anatomical chart of dynamic coupling mechanism

表2為該動力總成機構的齒輪齒數和傳動效率參數。

表2 混聯式HEV動力傳動機構主要參數Table2 Major relevant parameters of Series-Parallel HEV power transmission mechanism

表中，Zlz為主動鏈輪齒數；Zlc為從動鏈輪齒數；Zzz為中間軸主動齒輪齒數；Zzc為中間軸從動齒輪齒數；Zdz為主減速器主動齒輪齒數；Zdc為主減速器從動齒輪齒數；ηl為傳動鏈傳動效率；ηz為中間軸傳動效率；ηd為主減速器傳動效率；ηu為半軸萬向節傳動效率。

2、HEV倒車混動模式能耗研究

2.1 動力耦合機構的運動學和動力學分析

2.1.1 行星齒輪動力耦合機構的運動學分析

據機械原理[15-16]，可知行星齒輪傳動轉速有如下關系：

式中ei12為取行星架為轉化構件，轉化輪系中太陽輪和齒圈之間的傳動比，其它類似；w1為太陽輪轉速，RPM；w2為齒圈轉速，RPM；we為行星架轉速，RPM。

由p =2.6，可得：

另由機械原理，可知行星齒輪傳動的運動學方程為：

可得：

2.1.2 行星齒輪動力耦合機構的轉矩關系分析

由機械傳動原理[15]，可得如下的功率平衡關系式：

式中，PA為主動件輸入功率，W；PB為被動件輸出功率，W；η為機械傳動效率。

由行星齒輪的工作原理知，不同的構件均可能成為行星齒輪組的主動件或被動件，而行星齒輪組不同的主被動關系和不同的轉速關系，其功率平衡方程形式均有所不同，因此本節以常見八種情況為例，分析行星齒輪構件的轉矩關系。

2.2 行星齒輪動力耦合機構效率模型研究

為求解3.1.2節行星齒輪組動力學關系式，需求解行星齒輪不同情況下的效率，同理，當行星齒輪組的主、被動件及轉速不同時，其傳動效率均不同，故也分八種情況來分析。

2.2.1 行星齒輪動力耦合機構的效率分析

①若w1＞we＞w2＞0，且輸入構件為1、2，輸出構件為e時。

式中，fm為嚙合摩擦因數(本文取0.05)；εα1εα2εαc為按太陽輪1，齒圈2，行星齒輪c的齒頂嚙合線長度計算的部分端面重合度。

式中，ααt1ααt2ααtc為太陽輪、齒圈、行星齒輪的齒頂圓壓力角，°； 'α為嚙合角，°。

根據齒輪齒頂圓壓力角計算公式，有：

式中，da1db1da2db2dacdbc分別為太陽輪、齒圈和行星齒輪的齒頂圓直徑和基圓直徑，mm。

2.3 倒車混動模式能量浪費理論分析

為便于分析，現將汽車前進方向時齒圈旋轉方向約定為行星齒輪系統的運動正方向，反之為負；若動力部件輸出轉矩方向與運動正方向一致，則規定為正轉矩，反之為負。在混動模式倒車工況時，由行星齒輪混聯式 HEV動力總成結構可知，電動機MG2反轉驅動，則MG2輸出轉矩T2和轉速w2存在如下關系：

由于發動機轉向無法改變，則發動機輸出轉矩Te和轉速we存在如下關系：

此時發動機轉矩 Te的一部分 T1通過行星架傳遞給太陽輪帶動發電機發電，另一部分T2通過行星架作用于齒圈，用

于驅動車輛，T1和T2可由3.1.2計算。則此時齒圈實際輸出轉矩Tr為：

由上式可知，此時發動機作用于齒圈的轉矩T2與電動機作用于齒圈的轉矩Tm方向相反，形成阻力，故只有電動機驅動轉矩抵消該阻力轉矩后，才能真正驅動汽車倒車。因此，該模式存在能量浪費問題。

3、HEV倒車混動模式能量浪費實驗

3.1 HEV實車實驗數據采集

為對實驗車能量控制策略進行分析，特進行了實車實驗和數據采集，如圖3所示。實驗設備包括混聯式HEV一部、專用數據流測試儀器Intelligent Tester-Ⅱ一臺、筆記本計算機一臺、專用數據處理軟件Intelligent Viewer一套。Intelligent Tester-Ⅱ可以通過車輛診斷專用接口從整車 CAN網絡獲取車輛數據，并將其記錄保存在存儲設備中，數據采樣周期約為51ms，可采集全車各個電控系統部件數據。

圖3 實車實驗及數據采集Fig.3 Actual vehicle testing and data collecting

圖4(a)～(c)為實驗過程采集的車速、發動機轉速、發電機轉速、電動機轉速、發電機轉矩、電動機轉矩，由發動機輸出轉矩測算原理[11]，可得如圖4(d)所示的發動機轉矩。

圖4 HEV 倒車過程動力部件參數Figure 4 The power units parameters during HEV reversing process

3.2 能量浪費實驗驗證

根據2.1和2.2節動力耦合機構的動力學和效率模型，可得如圖 5(a)所示的齒圈上的倒車驅動轉矩（發動機和電動機的合成轉矩）。

將上述齒圈倒車驅動轉矩代入汽車行駛動力學方程：

然后，結合整車參數，可計算得出如圖5(b)所示的車速曲線，由計算得出的車速曲線和實驗車采集車速曲線的對比結果，可知兩者基本一致，說明原車倒車混動模式存在轉矩抵消、能量浪費的問題。

圖5 齒圈上的倒車轉矩(a)及車速結果對比(b)Figure 5 The reversing torque on ring gear(a) and vehicle speed comparison results

3.3 改進方案建議

由上述分析可知，在該工況下，發動機必須進行動力輸出，而發動機不像電動機可以四象限工作，且此時行星齒輪齒圈處于反轉狀態，因此解決該問題的最佳方案是在發動機之后加裝一個換擋裝置，當 HEV處于前進狀態時，該檔位為前進檔，直接傳遞動力，當 HEV處于倒車狀態時，該檔位為倒檔，前進檔和倒檔的傳動比可選為 1，或進行優化，當然具體選型和結構參數需要結合總成空間結構和成本控制來綜合考量。

圖4-3所示為換向裝置，當汽車正向行駛時，結合套7滑向最右邊，使發動機輸出軸直接與行星齒輪連接軸相連；當汽車處于混動模式倒車工況時，結合套滑向最左邊，使發動機輸出軸不能直接與行星齒輪連接軸相連，而是通過一組齒輪換向結構，使行星齒輪連接軸的旋轉方向與發動機輸出軸的旋轉方向相反，達到換向的目的。從而使得發動機經行星齒輪傳遞到齒圈上的轉矩 T2與電動機作用于齒圈的轉矩Tm方向一致，不再存在轉矩抵消而引起的能量浪費的問題。

圖6 改進方案Figure 6 The structure improvement scheme

4、結論

論文針對某混聯式 HEV在倒車工況混動模式時存在能耗偏高的問題，分析了其動力耦合機構各部件的運動學關系，得到了倒車工況混動模式能耗偏高的原因。最后通過采集實車實驗數據，進行了實驗驗證，并提出了改進方案。

[1] 張承慧,李珂,崔納新,等.混合動力電動汽車能量及驅動系統的關鍵控制問題研究進展[J].山東大學學報工學版, 2011, 41(5):1-8. Meradji M, Cecati C, Wang G, et al.Dynamic Modeling and Optimal Control for Hybrid Electric Vehicle Drivetrain[A]. 2016 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT)[C]., 2016, Taipei, IEEE, 2016: 1424 - 1429.

[2] 吳少雄.行星排混聯式混合動力客車的聯合仿真分析[J].客車技術與研究, 2016, 03(03):1-3.

[3] 白羽鶴,范健文,譚光興.基于 Matlab/Simulink的混聯式混合動力電動汽車建模與仿真[J].計算機與現代化, 2014, 03(03):24-30.

[4] Song D, Zhang C, Yang N, Shang M, et al.Control Strategy of Hybrid Electric Vehicle with Double Planetary Gear Sets[J].SAE Technical Paper, 2015, 01(01):12-16.

[5] Zhang L, Qi B, Zhang R, et al.Powertrain design and energy management of a novel coaxial series-parallel plug-in hybrid electric vehicle[J].Science China Technological Sciences, 2016, 59(4):618-630.

[6] Sabri M F, Danapalasingam K A, Rahmat M F.A review on hybrid electric vehicles architecture and energy management strategies [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 53(8):1433 -1442.

[7] 肖仁鑫, 李濤, 鄒敢, 等.基于隨機動態規劃的混聯式混合動力汽車能量管理策略[J].汽車工程, 2013, 04(04):317-321.

[8] 舒紅, 劉文杰, 袁景敏, 等.混聯型混合動力汽車能量管理策略優化[J].農業機械學報, 2009, 40(3):31-35.

[9] ?a?atayBayindir K, G?zükü?ük M A, Teke A. A comprehensive overview of hybrid electric vehicle: Powertrain configurations, powertrain control techniques and electronic control units[J]. Energy Conversion and Management, 2011,52(2):1305-1313.

[10] Kaw ahashi A.A new-generation hybrid electric vehicle and its supporting power semiconductor devices[J].Proceedings of the 16th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 2004, 1(1):23-29.

[11] Kimura A, Abe T, Sasaki S.Drive force control of a parallel-series hybrid system[J][J].JSAE Review, 1999, 20(3):337-341.

[12] LiuW.Introductiontohybridvehiclesystemmodelingandcontrol. [M], Hoboken, New Jersey:John Wiley & Sons, 2013.

[13] Husain I.Electricandhybridvehicles:designfundamentals. [M], Flo -rida: CRCPress; 2011.

[14] 饒振綱.行星齒輪傳動設計[M], 北京: 化學工業出版社, 2003.

[15] 郭海龍, 李禮夫.混聯式HEV發動機輸出轉矩實時測算方法[J].農業機械學報, 2011, 10(10):30-34.

Study on the energy consumption of series-parallel HEV in reverse hybrid mode

Guo Hailong1,2, Zhang Yongdong1,2
( 1.School of Automobile and construction machinery, Guangdong Communication Polytechnic, Guangdong Guangzhou 510650; 2.College of Mechanical andAutomotive Engineering, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510640）

Taking aseries-parallel hybrid electric vehicle (HEV) as the research object, it is found that there is a high energy consumption in the hybrid mode under the reverse condition.Firstly, the structure and parameters of the vehicle’s dynamic system are analyzed, and then on the basis of analyzing the kinematics and dynamics of the dynamic coupling mechanism of the vehicle, the reason of the high energy consumption in reverse gear mixing-power mode is explored theoretically, that is because of the output speed and torque of the engine cannot change in reverse condition, so the energy consumption increases. And then, the high energy consumption problem is verified by experimentaldata collectedfrom the real vehicle, and an improvement scheme is put forward. Finally, aiming at the problem, the structure improvement scheme is proposed.

series-parallel HEV; reverse condition; energy consumption analysis; structure improvement

U461

A

1671-7988 (2017)06-42-05

郭海龍，男，副教授，（1981-），博士，就職于廣東交通職業技術學院，華南理工大學訪問學者，研究方向：新能源汽車技術研究?；痦椖浚海?）廣東省優秀青年教師培養項目（YQ2013197）；（2）廣東省高等學校高層次人才項目（2013-203）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.013