采用鍵合圖理論的HEV雙行星排動力耦合機構功率流分析

張絢瑋，陳 龍

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

采用鍵合圖理論的HEV雙行星排動力耦合機構功率流分析

張絢瑋，陳 龍

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

針對雙行星排式混合動力汽車由于動力耦合機構內部出現循環功率而導致的系統功率損失和傳遞效率下降現象，基于鍵合圖理論，對雙行星排式動力耦合機構進行優化設計。從雙行星排式動力耦合機構功率傳遞路徑和分配比重角度，分析系統循環功率流的產生機理，建立動力耦合機構不同驅動模式下的動力學模型。在此基礎上，研究了各驅動模式下行星排特征參數對系統內部功率流的影響規律，確定了避免產生系統循環功率的一般條件，為雙行星排式混合動力汽車動力耦合機構的優化設計提供了理論依據和參考。

混合動力汽車；雙行星排；功率循環；鍵合圖

隨著石油資源的漸趨匱乏、環境污染日益嚴重，開發新能源汽車逐漸成為汽車產業發展的緊迫任務[1]。混合動力汽車因其兼有高效率、低排放、良好的動力性和續駛里程的優點成為當今研究熱點[2]。混合動力汽車為多動力源的耦合輸出，動力耦合裝置的性能直接影響整車性能[3-5]。雙行星排式動力耦合機構由于質量輕、結構緊湊、能匯集多種耦合方式，已成為汽車工程界的關注重點[6-7]。但由于其具有多個輸入輸出端口，傳輸功率存在多條路徑，當系統中支路傳動比或其他參數選擇不合理時，可能會在耦合機構內部出現功率循環[8]，從而導致一系列缺陷，如噪音、磨損、壽命減少、傳動效率降低等。

目前，國內外對雙行星排結構已有一定的研究。國外通過對具體案例調查分析出避免功率循環的主要條件[9-10]。我國張木青、朱新軍等[11-12]分析了2排行星齒輪系剛性連接時功率流方向與功率分配系數的關系，確定了功率循環對系統傳動效率的影響。但這些研究僅確定了在單個功率輸入情況下的功率傳動情況，未對多功率輸入情況進行分析。本文介紹了一種新型雙行星排齒輪耦合機構，將對其不同功率輸入情況下的耦合機構功率流進行分析，并分析合理選擇的單元傳動比對傳動效率的影響。

1 雙行星排式動力耦合機構

1.1 基本結構

雙行星排耦合機構結構多樣，但現已應用在Prius、Lexus車型上的結構有工作模式過少、增速效果不明顯、對電機要求過高等缺點[13]。國內研究的GEF結構[14]工作模式過多、控制復雜。因此，本研究選擇的動力耦合機構是一套雙行星排式齒輪傳動機構，由2排簡單的行星輪系、1個離合器、2個制動器組成。系統結構圖如圖1所示。其中，在第1個行星排中，行星架C1通過離合器CR、制動器CB1與發動機相連，太陽輪S1通過制動器CB2與電機MG1相連；在第2個行星排中，齒圈R2與第1排的行星架相連，太陽輪S2與電機MG2相連，行星架C2與第1排的齒圈R1相連接并作為輸出。

圖1 系統結構

1.2 系統工作模式

系統通過控制1個離合器、2個制動器的分離與接合，實現多種工作模式的切換，從而完成不同行駛工況下發動機和電機的動力合成。根據混合動力汽車的實際運行工況，可以提煉出7種工作模式，如表1所示。

表1 整車工作模式

2 功率循環機理

若不考慮行星齒輪能量傳遞效率，行星齒輪的基本特性方程為：

ωS+k·ωR-(1+k)ωC=0

(1)

TS+TR+TC=0

(2)

TSωS+TRωR+TCωC=0

(3)

式中：ωS、ωR、ωC分別是太陽輪、齒圈和行星架的角速度；TS、TR、TC分別是作用于太陽輪、齒圈和行星架的扭矩；k為太陽輪對齒圈的傳動比。

根據以上方程可以得到扭矩的關系式：

(4)

分析不同工作模式，可知該耦合系統工作時主要分為1個功率輸入和2個功率輸入2種情況。為了更加清楚地表示功率流的流動方向，把動力系統圖簡化為方塊圖，如圖2、3所示。

圖2 單輸入工作狀態

圖3 雙輸入工作狀態

圖2中由構件1輸入功率，由構件3、6輸出功率。輸入功率P1利用雙路徑傳遞，其中一部分功率P3通過第一排行星輪系由構件3直接傳遞給輸出軸，另一部分功率P2繞過第2排行星輪傳遞給輸出軸。圖3中構件1端口輸入的功率與圖2中一致，另一端口的輸入功率P4同理也分為P5、P6輸出。

P1=P2+P3

(5)

P4=P5+P6

(6)

可以設：

P2=X1·P1

(7)

P5=X2·P4

(8)

P3=(1-X1)·P1

(9)

P6=(1-X2)·P4

(10)

其中X1、X2為輸入功率在支路上的分配系數。根據分配系數的大小可以判斷系統中是否存在功率循環。

由表2中3個循環圖可以看出：當功率分配系數X<0時，功率P2、P3呈逆時針方向循環；當分配系數01時，功率P2、P3呈順時針方向循環。

表2 行星齒輪單輸入內部功率流循環方向

由表3中的循環圖看出：雖然有兩端都輸入的功率流流向大致可以分為12種，但只有在4種情況下會產生功率循環，并且可以合并概括為：當2個輸入分配系數中一個大于1另一個小于1的情況下會產生功率循環。

表3 行星齒輪雙輸入內部功率流循環方向

續表(表3)

3 鍵合圖功率流分析

為對所研究的雙行星排式動力耦合裝置進行功率流分析，基于鍵合圖理論[11]建立各個模式下系統的動力學模型，使功率的流向及扭矩清楚的表達出來，并僅針對HEV驅動模式進行分析，忽略制動工況。

1) 當CR結合時，發動機與MG2共同向耦合器輸入功率，處于復合驅動模式，所建立的功率鍵合圖如圖4所示，其中：k1、k2分別為第1排、第2排行星輪傳動比；α為兩個電機的轉速比。

圖4 復合驅動模式鍵合圖

得到狀態方程：

ωS2=α·ωS1

(11)

ωC1·(k1+1)-ωS1-ωR1·k1=0

(12)

(13)

(14)

(15)

由狀態方程得到分配系數：

(16)

(17)

根據鍵合圖列出的狀態方程計算，分別得到X1、X2的關系式。由表3可知：在X1<1的情況下，只有當X2>1時系統才會產生功率循環。

2) 當CB2結合、CB1與CR都分離時，第1排行星輪中的太陽輪被鎖住，處于純電動驅動模式，功率鍵合圖如圖5所示。

圖5 純電動驅動模式鍵合圖

得到功率分配系數：

(18)

由表2可得：當X2<0或X2>1時會產生功率循環。

3) 當CR結合時,第1行星輪中行星架與發動機相連，MG1、MG2分別與兩排行星輪中的太陽輪相連，帶動發動機啟動。此時處于發動機啟動模式，所建立的功率鍵合圖如圖6所示。

圖6 發動機啟動模式鍵合圖

得到功率分配系數：

(19)

(20)

當功率分配系數X=0或者X=1時，可以看出：功率流只流經支路中其中一條，不會產生功率循環。

4 仿真分析

由于其他模式不會產生功率循環，所以只分析純電動驅動與聯合驅動2種模式。一般簡單行星排的傳動比為(1.13，13.7)[12]。

圖7為純電動模式下功率分配系數關系。圖中，不論k2為何值，X2都隨k1值增大而增大。若要滿足X2<1的條件，需要：k2=1.5，k1∈(1.13,5)；k2=5，k1∈(1.13,1.5)；k2=9，k1∈(1.13,1.25)；k2=13.5，k1∈(1.13,1.16)。k2越大，滿足X2<1的k1值域越小，越易產生功率循環。所以，在設計參數時，單個行星排參數與兩行星排參數關系都需考慮，選定的傳動比越小越能避免或減小循環功率。

圖7 X2、k1、k2關系分布曲線

圖8中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別表示α=0.1、α=0.5、α=1、α=5、α=10時X2與k1、k2的關系分布。在5個圖中α=10時的X2最大值約為126，α=0.1時的X2最大值約為7.2。可以看出：X2隨α的增大而增大，且只有在α<1時能滿足X2<1的條件，不存在功率循環。當α<1時X2的值隨k1、k2的值增大而增大；當α=1時，X2不隨k1的值變化而變化，只隨k2的值增大而增大；當α>1時X2的值隨k1的值增大而減小，但隨k2的值增大而增大。

根據分析可以得出：功率分配系數X2不僅取決于2個行星排的特征參數，還取決于2個電動機轉速之比。當α=1時，k2的值越大越容易產生循環功率；當α<1時，k1、k2的值越大越容易產生循環功率；當α>1時，k1的值越大、k2的值越小越容易產生循環功率。在參數設計時，α的取值盡量小于1。

圖8 X2、k1、k2、α關系分布曲線

5 結束語

根據汽車驅動時的功率輸入情況，闡述了動力耦合裝置由于功率分配不當而導致功率流循環的產生機理。

基于鍵合圖理論，建立了動力耦合裝置在不同驅動工作模式下的功率分配模型，分析了系統各元件間的能量轉換關系，建立了基于雙行星排機構的功率分流機構數學模型，進行了系統內部功率流分析。以單元傳動比k為橫坐標，功率分配系數X為縱坐標，繪出傳動比及功率分配系數關系圖，通過圖像可直觀地看出傳動比對功率流是否產生循環的影響。

研究了各驅動模式下行星排特征參數對系統內部功率流的影響規律，并確定了避免系統產生循環功率的一般條件。確定功率流比主要取決于3個參數：2個電機的轉速比α、行星排傳動比k1、k2。傳動比與電機轉速比大小越小越易避免功率循環,提高機構傳動效率。該研究為雙行星排式動力耦合裝置的優化設計提供依據。

[1] LI D Q，XU H.Analysis on the development of new energy vehicles in china[J].Advanced Materials Research，2013，805:1636-1640.

[2] CHAU K T,CHAN C C.Emerging energy-efficient technologies for hybrid electric vehicles[J].Proceedings of the IEEE，2007，95(4):821-835.

[3] 謝海明，黃勇，王靜，等.插電式混合動力汽車能量管理策略綜述[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2015(7):1-9.

[4] 楊陽，趙新富，秦大同，等.新型混合動力汽車傳動系統設計與工作模式耦合特性分析[J].汽車工程，2013 (11)：968-975.

[5] 葉明，彭江，任洪，等.搭載機電控制CVT的混合動力汽車驅動工況調速策略[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2015(9):13-19.

[6] 高建平，何洪文，孫逢春.混合動力電動汽車機電耦合系統歸類分析[J].北京理工大學學報，2008,28(3)：197-201.

[7] MUCINO V H，LU Z，SMITH J E，et al.Design of conti-nuously variable power split transmission systems for automotive applications[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering，2001，215(4):469-478.

[8] GUPTA A K，RAMANARAYANAN C P.Analysis of circulating power within hybrid electric vehicle transmissions[J].Mechanism & Machine Theory，2013，64(64):131-143.

[9] MSCHULZ D F，POBOX S.Circulating Mechanical power In A power-split Hybrid Electric Vehicle Transmission[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering，2004，218(12):1419-1425.

[10] VILLENEUVE A.Dual mode electric infinitely variable transmission，SAE 04CVT-19，2004.

[11] 朱新軍，段福海，胡青春.封閉行星齒輪內部功率流與系統參數的關系研究[J].機械，2007，34(4):14-16.

[12] 張木青，胡青春，朱新軍,等.封閉行星齒輪傳動系統的功率流分析及效率計算[J].機械傳動，2007，31(5):94-96.

[11] 王哲.雙行星排式混合動力汽車構型分析與控制研究[D].長春：吉林大學，2014.

[12] 趙博聞，馬東兵.一種雙排行星輪系動力耦合方案設計與仿真[J].傳動技術，2014，28(1):20-25.

[13] 潘亞東.鍵合圖概論： 一種系統動力學方法[M].重慶：重慶大學出版社，1990.

[14] 黃茂林.機械原理[M].北京：機械工業出版社，2010.

AnalysisofCirculatingPowerofDual-PlanetaryGearHybridElectricVehicleBasedonBondGraph

ZHANG Xuanwei, CHEN Long

(School of Automobile and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China)

Since internal circulating power of the power coupling device leads to power loss and transmission efficiency decline, an optimized design based on bond graph theory was carried out in the designing of the power coupling device. From the standpoint of power transmission paths and the power partition density, the generation mechanism of system circulating power flow was analyzed. And the dynamic model of the power coupling device in different driving modes was further established on the basis bond graph theory. In addition, the impacts of the planetary characteristic parameters on the system internal power flow were investigated, and the conditions to avoid circulating power were decided. The study provided the theoretical basis and guide for the optimization design of dual-planetary gear sets in hybrid electric vehicle.

hybrid electric vehicle; dual-planetary gear; power cycle; bond graph

2017-02-20

張絢瑋(1991—)，女，碩士研究生，主要從事汽車傳動系統研究，E-mail:476682964@qq.com。

張絢瑋，陳龍.采用鍵合圖理論的HEV雙行星排動力耦合機構功率流分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(12):22-27,46.

formatZHANG Xuanwei, CHEN Long.Analysis of Circulating Power of Dual-Planetary Gear Hybrid Electric Vehicle Based on Bond Graph[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):22-27,46.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.004

U469.72

A

1674-8425(2017)12-0022-06

(責任編輯劉 舸)