混合動力汽車傳動參數匹配與優化方法研究

紀文煜

（無錫南洋職業技術學院汽車工程與管理學院，江蘇無錫 214081）

0 引言

混合動力汽車作為我國目前主要的汽車形式，能夠在確保動力的前提下，充分考慮到環境保護對汽車行業發展提出的硬性要求[1]。混合動力汽車將傳統的純電動汽車向油電混合方式加以過渡，在節能環保的同時，盡可能地提升汽車的動力性能。我國針對混合動力汽車方面的研究起步較晚，且主要針對其節能方面加以研究，針對其動力性能方面的研究較少。結合現有文獻，對混合動力汽車動力性能方面的研究結果顯示，混合動力汽車的傳動參數是影響其動力性能的關鍵參數，相關混合動力汽車行業必須予以充分重視。在設定混合動力汽車傳動參數的過程中，不能只考慮發動機、發電機性能指標，還要力求將混合動力汽車傳動參數能夠與混合動力汽車整體傳動系統結構相匹配，進而優化傳動參數，提升其傳動性能[2]。結合以往針對混合動力汽車傳動參數匹配與優化方法的研究，主要通過正交試驗的設計方法，以混合動力汽車在行駛過程中的能耗最小為最優設計目標，匹配混合動力汽車傳動參數。但傳統方法在實際應用中存在混合動力汽車傳動參數匹配率低的問題，因此，針對混合動力汽車傳動參數匹配與優化方法的優化設計具有現實意義。本文提出混合動力汽車傳動參數匹配與優化方法研究，致力于增強混合動力汽車傳動性能。

1 混合動力汽車傳動系統結構

在混合動力汽車傳動參數匹配前，必須要明確動力汽車傳動參數匹配對象，即混合動力汽車傳動系統結構[3]。混合動力汽車傳動系統結構如圖1所示。

圖1 混合動力汽車傳動系統結構

圖中可以看出，混合動力汽車傳動系統結構主要由7個部分構成，7個部分均為混合動力汽車傳動參數匹配過程中需要考慮的對象。

2 混合動力汽車傳動參數

在明確混合動力汽車傳動系統結構的基礎上，本文選定發電機/發動機功率與傳動系速比作為混合動力汽車傳動參數，并加以分析，為混合動力汽車傳動參數匹配與優化提供基礎參數。針對上述混合動力汽車傳動參數，具體研究內容如下。

2.1 發電機/發動機功率

針對混合動力汽車傳動參數中的發電機/發動機功率與發電機/發動機排量有直接關系，發電機/發動機功率必須滿足在該排量下，混合動力汽車對于傳動性能的要求[4]。發電機功率Pm的計算公式為：

式中：η為發電機容量；t為發電機最高連續功率時長；m為發電機最高峰值；g為發電機最大加速度；f為發電機最大轉矩；C為混合動力汽車電動模式下最大車速；A為發電機額定峰值；v為發電機額定轉矩；e為混合動力汽車傳動發電機輔助消耗功率。

通過式（1）得出發電機功率。在此基礎上，發動機功率Pn的計算公式為：

式中：j為發動機容量；k為發動機最高峰值；p為發動機最大加速度；u為發動機最大轉矩；W為混合動力汽車電動模式下最大車速。

通過式（2）得出發動機功率，并作為混合動力汽車傳動基本參數。

2.2 傳動系速比

傳動系速比作為衡量混合動力汽車變速箱的關鍵參數，也是混合動力汽車傳動參數中的重要組成部分。對于傳動系速比的要求：必須能夠滿足混合動力汽車達到最高車速要求，還要能夠支持最大爬坡度對其的要求[5]。一般情況下，傳動系速比分為5擋，具體傳動系速比以及對混合動力汽車最大轉速的要求如表1所示。

表1 傳動系速比5檔參數信息

結合表1中傳動系速比基本信息。本文以上述2個參數為混合動力汽車傳動核心參數，為提高混合動力汽車傳動參數匹配率，進一步優化混合動力汽車傳動性能，本文設計了一種混合動力汽車傳動參數匹配與優化方法，具體研究內容如下。

3 混合動力汽車傳動參數匹配與優化方法

3.1 發電機/發動機功率選擇

在混合動力汽車傳動參數匹配過程中，必須選擇合適的混合動力汽車發電機/發動機功率[6]。通過上述發電機/發動機功率的計算可知，容量越大，其功率也會隨之增大。本文以混合動力汽車發電機/發動機功率最大值，作為混合動力汽車傳動參數匹配最優結果，得出發電機/發動機功率匹配結果。在選擇混合動力汽車發電機的過程中，必須滿足以下2點匹配條件：（1）滿足混合動力汽車純電動最高車速的要求；（2）滿足混合動力汽車對于最大爬坡度的要求。以此得出混合動力汽車發電機功率基本參數，如表2所示。

表2 混合動力汽車發電機功率基本參數

結合表2所示，得出混合動力汽車發電機功率基本參數的基本參數，匹配混合動力汽車發動機功率參數[7]。

在混合動力汽車發動機的選擇過程中，不但要滿足上述發電機需要滿足的基本條件，還需要與混合動力汽車發動機的附件相匹配，并考慮到空調在開啟狀態下需要消耗的功率，以此得出混合動力汽車發動機功率基本參數。表3所示為混合動力汽車發動機功率匹配后得出的基本參數。

表3 混合動力汽車發動機功率基本參數

3.2 傳動系速比計算

在選擇混合動力汽車發電機/發動機功率的基礎上，本文通過計算混合動力汽車傳動系速比的方式，匹配混合動力汽車傳動系速比[8]。本文采用Matlab中的最小二乘法，計算求出混合動力汽車傳動系速比匹配優化循環生成的關鍵參數。利用二次函數來擬合解空間，然后再函數方面求最小值，優化混合動力汽車傳動系速比。在Matlab軟件中，目標函數與約束方程均采用復雜的二次方程式擬合的關鍵參數[9]。設此過程的目標函數為α，可得：

式中：c1為混合動力汽車電動機狀態變量；n為混合動力汽車傳動系速比檔位；i為混合動力汽車中動力電池組數量，是實數；bil為混合動力汽車傳動系速比中變量相對應的參數。

通過式（3）得出混合動力汽車傳動系速比匹配循環生成的目標函數，對于目標函數，采用誤差的平方和公式來確定Y2系數，可得：

式中：g為混合動力汽車傳動系速比匹配可靠性指數，通常情況下取值為1；U為混合動力汽車傳動系速比設計權重；O為混合動力汽車變速器最高功率；P為混合動力汽車變速器載荷系數。

根據二次函數，對式（4）求導，可得：

式中：?為混合動力汽車傳動系速比匹配重合度系數。

通過上述3個公式建立數學模型，確定混合動力汽車傳動系速比關鍵參數中自變量和因變量之間的函數關系F(X)，即可得到目標函數和約束函數的回歸方程，如式（6）所示。

式中：x為圓周力。

通過式（6），可計算得出最佳匹配混合動力汽車傳動系速比。

3.3 傳動參數匹配

以3.2節計算得出的混合動力汽車傳動系速比為依據，結合選擇的混合動力汽車發電機/發動機功率，綜合匹配混合動力汽車傳動參數[10－11]。為進一步提高匹配精度，本文基于有限元，分析混合動力汽車傳動參數特性。

有限元模型的大小以實際混合動力汽車為基礎，在1∶1比例下，建立本文采用有限元模型，通過對混合動力汽車建模的方式，匹配混合動力汽車傳動參數。在建模過程中，將復雜的混合動力汽車，減配某個閥門和管道系統，只在表面考慮了發電機/發動機殼體結構。然后對模型進行模態分析。

通過仿真得到的匹配結果與實際相比較，如果差異較大，則對模型進行修正。修改的內容主要包括網格密度、單元類型、邊界條件和模型的聯系類型。初始校正模型是通過諧波響應分析來完成的，直到匹配結果與實際相似。在混合動力汽車傳動參數匹配中，應用于有限元模型的邊界條件是由給定的距離速度激發，一般為一個經驗值。但在這個模型中，將實驗數據導入模型，以振動為邊界條件進行混合動力汽車傳動參數匹配[12]。

本文基于有限元分析，將復雜的混合動力汽車傳動參數匹配問題轉換為計算問題。針對混合動力汽車傳動參數的匹配參數為p，則

式中：n為有限元模型中的網格數量；V為混合動力汽車發動機振動頻率。

結合上述計算公式，可得出混合動力汽車傳動參數匹配結果。

3.4 傳動參數匹配結果優化

在匹配混合動力汽車傳動參數后，為進一步優化混合動力汽車傳動參數，本文采用電力輔助控制的方式，優化混合動力汽車傳動參數匹配結果[13－14]。在電力輔助控制過程中，針對混合動力汽車傳動參數匹配中的變量加以控制。電力輔助控制優化混合動力汽車傳動參數匹配變量如表4所示。結合表4，通過電力輔助控制變量優化后，混合動力汽車傳動參數匹配結果能夠滿足混合動力汽車傳動性能優化需求，能夠實現對混合動力汽車傳動參數的優化設計。

表4 電力輔助控制優化混合動力汽車傳動參數匹配變量

4 實例分析

4.1 實驗準備

為構建實例分析，實驗對象選取某混合動力汽車。混合動力汽車發動機基本參數如表5所示。混合動力汽車發電機基本參數的設置如表6所示。

表5 混合動力汽車發動機基本參數設置

結合表6所示，本次實例分析內容為分析混合動力汽車傳動參數匹配結果，首先，使用本文設計方法匹配混合動力汽車傳動參數，通過黑盒工具－QAcenter測得匹配率，記為實驗組；再使用傳統方法匹配混合動力汽車傳動參數，同樣測得匹配率，記為對照組。實驗對比指標為對比兩種方法的匹配率，匹配率越高證明對混合動力汽車傳動參數優化效果越好。

表6 混合動力汽車發電機基本參數設置

4.2 實驗結果

整理實驗結果，混合動力汽車傳動參數匹配率對比結果如圖2和表7所示。實驗證明本文設計方法的混合動力汽車傳動參數匹配率明顯高于對照組。

圖2 混合動力汽車傳動參數匹配率對比結果

表7 實驗結果

5 結束語

本文通過實例分析的方式，證明了設計方法在實際應用中的適用性和此次優化設計的必要性。實驗結果表明，所設計的方法針對混合動力汽車傳動參數匹配優化效果更好，本設計具有現實應用價值，值得被大力推廣。

通過本文設計方法，能夠解決傳統混合動力汽車傳動參數匹配中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現為未對本次實例分析測定結果的精密度與準確度進行檢驗，進一步提高測定結果的可信度。在未來針對此方面的研究中可以加以補足。與此同時，還需要對混合動力汽車傳動系統的優化設計提出深入研究，以此為提高混合動力汽車傳動性能提供建議。