基于功率流的混合動力汽車雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)分析研究

吳飛

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基于功率流的混合動力汽車雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)分析研究

吳飛

（江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)問題日益突出，新能源汽車成為汽車行業(yè)新的發(fā)展趨勢，其中混合動力汽車的動力耦合機(jī)構(gòu)是新能源汽車研究重點(diǎn)之一。文章介紹了一種新的雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)和工作模式進(jìn)行了分析，并用杠桿法與功率流方塊簡圖相結(jié)合的方法對該雙行星排耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行功率流分析研究，確定該系統(tǒng)產(chǎn)生功率循環(huán)的主要因素，為雙行星排動力耦合裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供分析方法和依據(jù)。

混合動力汽車；雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)；功率流分析

前言

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)問題日益突出，國家近幾年出臺一系列關(guān)于新能源汽車的利好政策，新能源汽車呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的勢頭，2018年新能源汽車的產(chǎn)銷量分別達(dá)到127萬輛和125.6萬輛。混合動力汽車作為新能源汽車的主要發(fā)展方向之一，其動力耦合裝置是目前研究的重點(diǎn)。

功率分流混合動力系統(tǒng)是一種混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，采用功率分流裝置將汽車輸出功率輸送至驅(qū)動輪，一路為電氣由電動機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，另一路為機(jī)械由發(fā)動機(jī)直接輸出，兩路功率混合后驅(qū)動汽車行駛。功率混合所使用的動力耦合裝置多數(shù)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，而雙行星排齒輪機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)和控制策略相對簡單等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，通過離合器和制動器的相互配合，提供多種動力輸出模式，以滿足不同工況的需要。

在功率分流混合動力系統(tǒng)中，功率流分為功率分流傳輸和功率循環(huán)傳輸兩種類型，功率分流傳輸具有結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、多種轉(zhuǎn)速比、控制簡單、機(jī)械效率高等優(yōu)點(diǎn)，而功率循環(huán)傳輸不能產(chǎn)生有效的功率輸出，會顯著降低效率。因此，必須對動力耦合裝置功率流的流動情況進(jìn)行分析，研究功率循環(huán)產(chǎn)生的原因，調(diào)整動力耦合裝置的結(jié)構(gòu)，以避免或盡量減小出現(xiàn)功率循環(huán)情況。

1 雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

混合動力汽車的動力耦合傳動系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)，本文提出一種新的雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)有前行星排和后行星排2個行星排輪系、1個離合器、前制動器和后制動器2個制動器。其中，前行星排的行星架C1和后行星排的齒圈R2直接相連，前行星排的齒圈R1和后行星排的行星架C2直接相連。對于前行星排，發(fā)動機(jī)（1）通過離合器CR（2）、前制動器CB1（3）與前行星排行星架C1（7）相連，電機(jī)MG1（4）通過后制動器CB2（5）與前行星排太陽輪S1（6）相連；對于后行星排，前齒圈R1后行星架C2（10）作為輸出與輸出軸相連（11），后行星排太陽輪S2（8）與電機(jī)MG2（9）相連。通過控制離合器和前后制動器的工作實(shí)現(xiàn)雙行星排多種連接方式和工作模式。

圖1 雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)

1-發(fā)動機(jī) 2-離合器CR 3-前制動器CB1 4-電機(jī)MG1 5-后制動器CB2 6-前太陽輪S1 7-前行星架C1后齒圈R2 8-后太陽輪S2 9-電機(jī)MG2 10-前齒圈R1后行星架C2 11-驅(qū)動軸

2 動力耦合機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

圖2 雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

為了方便分析，將雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡化，如圖2所示。主要元件有發(fā)動機(jī)、電機(jī)MG1、電機(jī)MG2、離合器CR、制動器CB1、制動器CB2，前行星排太陽輪S1、行星架C1和齒圈R1，后行星排太陽輪S2、行星架C2和齒圈R2。

3 功率流分析

3.1 工作模式分析

如圖2所示，通過控制離合器CR、制動器CB1、制動器CB2的結(jié)合或分離，實(shí)現(xiàn)雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)的多種工作模式，上述三個元件的結(jié)合和分離能實(shí)現(xiàn)23=8種理論工作方案，結(jié)合發(fā)動機(jī)、電機(jī)MG1、電機(jī)MG2的工作狀態(tài)，在實(shí)際工作中能實(shí)現(xiàn)9中工作模式，如表1所示。除了停車模式，另外8種工作模式的功率流動情況如圖3所示。

表1 系統(tǒng)工作模式

3.2 功率循環(huán)判斷

通過對雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)的8種工作模式及不同工作模式的功率流動情況進(jìn)行分析，可以判斷各個工作模式是否存在功率循環(huán)，目前常用的功率流分析方法是杠桿法，下面以純電動1工作模式為例，用杠桿法進(jìn)行功率流分析。

車輛處于純電動1工作模式時，發(fā)動機(jī)和電機(jī)MG1不工作，只有電機(jī)MG2工作，離合器CR和制動器CB2斷開，電機(jī)MG2與后行星排行星架S2相連，制動器CB1結(jié)合，前行星排行星架被鎖止，其工作模式如圖3(a)所示。利用杠桿法建立杠桿圖如圖4所示，功率流分析方塊圖如圖5所示（PG1為前行星排功率，PG2為后行星排功率）。

由此可得到的函數(shù)關(guān)系式：

式中TS2、TC2 分別為后行星排太陽輪轉(zhuǎn)矩、行星架轉(zhuǎn)矩；ωS2、ωC2分別為后行星排太陽輪轉(zhuǎn)速、行星架轉(zhuǎn)速；PS2、PR2、PC2分別為后行星排太陽輪功率、齒圈功率、行星架功率；k2為后行星排外齒圈齒數(shù)ZR2和太陽輪的齒數(shù)ZS2之比；X2為后行星排功率分配系數(shù)。

圖5 純電動1功率流分析方塊圖

由功率流分析方塊圖5可知，在純電動1工作模式下，只有后行星排太陽輪S2一個端口輸入功率，而且后行星排功率分配系數(shù)X2=0，因此可得出電機(jī)MG2輸入的功率流全部流向后行星排行星架C2端口，因此純電動1工作模式?jīng)]有功率分流更不會產(chǎn)生功率循環(huán)。

通過使用杠桿法與功率流方塊簡圖相結(jié)合的方法對該雙行星排耦合機(jī)構(gòu)的9種工作模式進(jìn)行功率流分析研究，得出結(jié)論：只有在純電動2和聯(lián)合驅(qū)動兩種工作模式下有可能會產(chǎn)生功率循環(huán)，用MATLAB軟件對這兩種工作模式進(jìn)行建模分析，兩個行星排的傳動比會直接影響到功率流循環(huán)的產(chǎn)生，因此在雙行星排耦合機(jī)構(gòu)齒輪傳動比確定時要確保在純電動2和聯(lián)合驅(qū)動兩種工作模式下不產(chǎn)生功率循環(huán)。

4 總結(jié)

本文主要介紹了一種新的雙行星排動力耦合機(jī)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定其在實(shí)際工作中的9種工作模式，并用杠桿法與功率流方塊簡圖相結(jié)合的方法對該雙行星排耦合機(jī)構(gòu)的9種工作模式進(jìn)行功率流分析研究，確定該系統(tǒng)避免產(chǎn)生功率循環(huán)的主要因素在于兩個行星排的傳動比，為雙行星排動力耦合裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了分析方法和依據(jù)。

[1] 陳艷,李濱城,姜峰,陸響明.混合動力汽車齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)分析[J].機(jī)械制造,2018(8).

[2] 馬建,劉曉東,陳軼嵩,汪貴平,趙軒.中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J].中國公路學(xué)報(bào),2018(8).

[3] 施德華.功率分流式混合動力汽車能量管理系統(tǒng)混雜動態(tài)建模與優(yōu)化控制研究[D].江蘇大學(xué),2017(4).

[4] 張絢瑋.雙行星排式混合動力汽車功率流分析與建模仿真研究[D].江蘇大學(xué),2016(7).

Analysis and Research on Power Flow-based of Hybrid Electric Vehicle Dual-planetary Row Coupling Mechanism

Wu Fei

( Jiangsu Jiaotong College, Jiangsu Zhenjiang 212028 )

With the aggravation of environmental pollution and energy crisis, new energy vehicles have become a new development trend in the automotive industry, and the power coupling mechanism of hybrid electric vehicles is one of the key research areas of new energy vehicles. In this paper, a new type of dual-planetary row coupling mechanism is introduced, and its structure and working mode are analyzed. The power flow analysis of the dual-planetary row coupling mechanism is carried out by combining the lever method with the block diagram of power flow. The main factors of generating power cycle in the system are determined. The analysis method and basis are provided for the optimal design of the dual-planetary row coupling device.

Hybrid Electric Vehicle; Dual-planetary Pair Power Coupling Mechanism; Power Flow Analysis

U469.7

A

1671-7988(2019)08-25-03

U469.7

A

1671-7988(2019)08-25-03

吳飛（1985-），男，就職于江蘇省交通技師學(xué)院。研究方向：汽車電控技術(shù)、汽車檢測技術(shù)、新能源汽車。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.007