混合動力汽車EVT構型的設計與參數優化分析

王法寧++徐流明++朱凡予++羅家鑫

【摘 要】隨著我國經濟的高速發展，我國對能源的需求量不斷提高。作為最主要的能源，石油的消耗量是巨大的，由于石油是不可再生能源，全世界對節約石油都十分關注，而作為石油的主要消耗者汽車，其油耗的降低是節約重中之重。目前，對汽車的能耗方面有多種研究，論文就對其中具有顯著節能特點的杠桿法的混聯式混合動力汽車EVT構型設計做研究，以供參考。

【Abstract】With the rapid development of China's economy， China's demand for energy is increasing. As the main source of energy， the consumption of oil is huge. Because oil is not renewable energy， the world pays great attention to the conservation of oil， as the main consumer of oil， the reduction of automobile fuel consumption is the most important thing. At present， there are many researches on the energy consumption of automobiles. The paper studies the EVT configuration design of hybrid hybrid vehicle with lever method which has significant energy saving characteristics for reference.

【關鍵詞】杠桿法；混聯式混合動力；EVT構型

【Keywords】lever method； mixed type hybrid power； EVT configuration

【中圖分類號】TH243 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）06-0146-02

1混合動力汽車的研究現狀

1.1 國內研究現狀

國內的混合動力汽車的研發起步較晚，目前仍處于初級階段，在2001年國家才開始在“十五”上啟動了863計劃，主要就是針對混合動力汽車的研究，我國的大型汽車廠如，一汽，上汽，東風等都研發出了一部分混合動力車型。

1.2 國外研究現狀

外國的混合動力汽車研究一直領先于我國，日本豐田公司在1997年成功生產并出售了混聯混合動力汽車，開啟了混合動力汽車時代，目前日本豐田公司已經推出第三代混合動力系統THS，而日本本田公司在混合動力汽車領域也有建樹，在2012年成功推出了i-DCD、i-MMD、SH-AWD這三套系統。

美國作為世界上科技最發達國家，在混合動力汽車上也大力投入，與混合動力汽車的發明者日本并駕齊驅成為世界上該領域最強的兩個國家之一。早在1993年就推出了PNGV計劃用來推動節能汽車的發展，在混合動力汽車問世后，迅速調整方向對該方面進行了全方位的研究，目前福特公司推出的FHS系統大受歡迎，被廣泛使用。這也是美國最先進的EVT構型[1]。

2 基于杠桿法EVT傳統方案的研究

2.1 杠桿法基本原理

杠桿法是一種對行星排的分析方法，其方法可以有效簡化行星排的運動。杠桿法的原理是將行星機構的三個不同部件簡化為一個杠桿模型中存在的三個不同點，在其模型上可以直觀的表示出不同部件的受力和速度情況，從而實現對行星機構的快速分析。在分析中重點分析以下兩個方面：①速度在杠桿上的表示。根據行星輪數量，行星機構劃分為以下兩個，即單行星輪機構與雙行星輪機構，在杠桿模型中大同小異，推到的速度表達公式也相同，以單行星輪機構為例，在杠桿模型中，三個節點代表著齒圈、行星架、太陽輪。三者之間滿足以下關系，齒圈的齒數與太陽輪到行星架的距離成正比關系；太陽輪的齒數與齒圈到行星架的距離成正比關系。通過以上關系再結合行星機構的運動公式推導出在杠桿機構的公式為 ωs S=-ωrR。②受力在杠桿上的表示。杠桿模型在受力情況的表達中尤為簡潔和直觀，在模型中以整合的三個力進行分析，用有向線段來表示，其方向為受力方向，其長短為受力大小。三者關系的標量受力公式為Fc=Fr+Fs

2.2 基于杠桿法的EVT方案運算

①基于杠桿法的EVT的構型。科學家在對EVT的研究中為了簡化流程使用杠桿法進行EVT分類。以輸出點作為原點，輸入點到輸出點距離定義為1，用α表示杠桿模型的1號電機，β表示2號電機。通過運算，得出結論，即α或β等于0時，將其稱為輸入分配型；α或β等于1時，為輸出分配型；α或β不為0或1時，為復合分配型。這三種分配形式構成組合分配型的EVT構型[2-4]。②運算過程。在杠桿模型EVT運算時，先進行可能性討論，一般是模型三要素兩兩組合，組合后判斷是否能實現CVT功能，能不能產生ECVT的構型方案，因為這是EVT構型的基本要素。一般不全部組合，因為無法實現CVT也無法產生ECVT方案。在運算上使用矩陣，分別計算不同的行星排接入點數量，得出構型方案數。③運算數據篩選。因為EVT構型的方案數量過多，給實際的實驗操作上帶來很大的困擾，我們通常使用機械點作為篩選條件。因為EVT處于機械點時，由于發動機功率進行功率轉換，也就不存在損耗這時候的系統效率最高。也就代表著在EVT的設計之中，有無機械點等同于有無系統最高效率。所以機械點可以作為評價EVT方案有效性的重要指標。

3 改進后的EVT構型性能對比仿真

混合動力汽車的燃油雖然不多，但是也要考慮其經濟性，這也是評價混合動力汽車的一項重要指標。本文選取了目前最普遍的單行星排輸入分配型EVT構型，以此方法作為基礎進行全方位改進方案進行評價。選取并聯和串聯兩種結構做對比，對混合動力汽車的兩種結構和其混搭的第三種結構進行數學建模，為了提高精確度能夠得到最低的燃油消耗值。在算法上選取了動態規劃算法進行數學建模，就其仿真結果進行客觀分析，驗證混聯式混合動力汽車的優越性和燃油經濟性[5]。

3.1 構型及其參數改進后EVT性能仿真

在仿真選取上，選擇混聯式混合動力汽車的動態規劃進行仿真，使用以下四種循環工況：NEDC、UDDS、HWFET、US06。參數展示上選取燃油消耗率、發動機轉矩、發動機轉速、電池SOC、電機轉矩、電機轉速這六個方面。此外還展示發動機的運行點代入萬有經濟特性圖之后得出的結果，結合圖像查看其在高效區的比例大小。下面就四種工況進行仿真分析。

①NEDC仿真分析。在NEDC型工況下，汽車的百公里為3.9895，而電池SOC上升了2.31%，而在ECE工況下，動力為電力，在EUDC下，則以EVT模式為主，經計算仿真結果為可行區域數值。在NEDC中低功率工作主要以電力驅動，在高功率工作中，發動機啟動并且其運行數據處于燃油高效區，同時電池SOC提高。通過EUDC的仿真結果來看，電池SOC在數值上變化較小，可以看出EUDC的整體控制能力還是比較理想的。②UDDS仿真分析。在UDDC型工況下，百公里為3.4563，同時電池SOC上漲0.77%，發動機運行數據中有90.67%處于燃油高效區。在UDDS模式下，汽車啟停較為頻繁，在低轉速時，運行模式為電動運行，動力源為電力，比如在600-800S或者0-200S的時候，發動機不啟動，而且電池SOC也會隨之降低。在高轉速時，則以EVT模式運行為主，動力為混合動力功率上主要由發動機提供，同時可以為電池充電，使電池SOC升高。③US06型仿真分析。在US06工況下，百公里為5.3991，同時電池SOC上漲0.031%，其燃油高效區運行數值占比93.55%，在整個US06工況下都以EVT模式為主，因為US06的整體功率較高，車速較大，純電動模式已經不足以滿足功率需求，因此在設計中只有EVT一種模式。功率輸出上以發動機為主，電機為輔。因此在持續的高速運行中，電池SOC下降較快。④HWFET型仿真分析。在HWFET工況下，百公里為4.2566，其燃油高效區運算數據占90.33%。因為HWEFT是基于高速公路的工況，車輛要保持較高的車速，普遍超過100公里/小時，導致了轉速和輸出功率較高，所以從實際出發，只能選擇EVT模式。在HWFET工況中由于其工作環境的原因，導致其風阻最大，燃油經濟性最低。

3.2 EVT優化性能對比仿真

①串聯式性能仿真。首先對串聯式混合動力汽車在UDDS、NEDC、HWFET、US06四種工況下進行仿真。對于該汽車中串聯發動機的控制策略為，在確保發動機處于最優轉速的基礎上，根據車輛功率需求改變發動機轉矩。仿真過程中對于模型構建的兩個電機而言一個為發電機，一個為電動機在轉速上保持一致，在轉矩上數值相反。從電動機和車輪的關系來看，電動機車輪的轉速成比例，其轉矩也成比例。②并聯式性能仿真。同上面方法一樣，先對并聯式混合動力汽車在NEDC、HWFET、US06、UDDS四種工況下進行仿真。就仿真結果而言，電池SOC的變化處于合理范圍，在低轉速時，采用電機驅動模式和行車充電模式，在高轉速時，采用電機助力并聯模式。因為并聯機構的電機無法進行發動機速度調節，導致了發動機助力不足，發動機在燃油高效區占比較低，為此進行EVT優化時采取了雙電機輔助方案，可以有效緩解問題。

4 總結

本文對杠桿法的混聯式混合動力汽車EVT構型進行了全面分析，不僅分析了傳統的EVT構型，還在其基礎之上參考現行的技術，進行了全方位優化，并對其進行數學建模，仿真后的結果作為直接依據，進行分析，得出結論。其成果對整個EVT構型設計上具有參考作用，也對杠桿法的使用方式上進行擴展補充，有效豐富了混合動力汽車領域的構型數量。

【參考文獻】

【1】陳杰.基于杠桿法的混聯式混合動力汽車EVT構型的設計與參數優化[D].重慶：重慶大學，2016.

【2】張俊.混合動力汽車雙模EVT構型分析[D].長春：吉林大學，2016.

【3】利劍一.混聯式混合動力汽車EVT構型分析[D].長春：吉林大學，2014.

【4】巴特.混聯混合動力客車的參數匹配與控制策略研究[D].長春：吉林大學，2012.