混联式混合动力电动汽车倒车混动模式能耗研究

郭海龙，张永栋

（1.广东交通职业技术学院汽车与工程机械学院，广东 广州 510650；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

混联式混合动力电动汽车倒车混动模式能耗研究

郭海龙1,2，张永栋1,2

（1.广东交通职业技术学院汽车与工程机械学院，广东 广州 510650；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

以某混联式混合动力电动汽车（HEV）为研究对象，发现了其在倒车工况混动模式时存在能耗偏高的问题。首先分析了该车辆动力系统的结构及参数，然后在对动力耦合机构进行运动学和动力学分析的基础上，从理论角度探究了引起能耗偏高问题的原因，发现由于发动机输出转速和转矩在倒车时无法换向，而导致发动机部分输出转矩与电动机输出转矩存在相互抵消的问题，故而能耗增加，并通过实车采集的实验数据，对理论分析结果进行了实验验证，最后针对该问题，提出了结构改进方案。

混联式混合动力电动汽车；倒车工况；能耗分析；结构改进

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

前言

混合动力电动汽车(HEV)融合了传统燃油车和纯电动车的优点[1-5]，能大幅度减少油耗并降低有害气体排放。一般来说，混合动力汽车根据其设计结构特点可以分为三类，即串联式、并联式和混联式混合动力汽车[6-8]，其中混联型 HEV综合了串联式和并联式 HEV的结构及性能优点，可以保证混合动力系统能在各种运行工况下在高效工作区运行，从而使整车的燃油经济性和排放性能达到最佳[9-10]。因此，混联型 HEV已经成为目前许多汽车制造商的选择[11]，其中丰田汽车公司的行星齿轮混联式混合动力车型 Prius最具有代表性[11-14]。众所知周，HEV的结构型式和能量管理策略对整车的燃油经济性和排放水平起着决定性的作用，如果结构设计不合理、能量管理策略制定不恰当，均会导致整车能量浪费。

论文针对某混联式 HEV在倒车工况混动模式时存在能耗偏高的问题，对其动力耦合机构进行了运动学和动力学分析，并研究了倒车混动模式能耗偏高的原因及改进方案。

1、HEV动力系统结构及参数

该款混联式HEV动力系统主要由发动机、发电机MG1、电动机MG2、动力电池、行星齿轮动力耦合机构、传动系等部分组成，图1为动力系统结构简图，表1为整车及动力学相关参数，其中电动机MG2与齿圈相连接，发电机MG1与太阳轮连接，发动机与行星架连接。该动力耦合机构的动力输出部件为齿圈，齿圈又进一步通过链传动将动力传递到中间轴，中间轴通过主、从动齿轮将动力传递到主减速器，主减速器的主、从动齿轮将动力降速增扭后，传递到差速器，差速器最终通过行星齿轮和半轴齿轮将动力传递到左右驱动车轮。图2为动力耦合机构图，该动力耦合机构为NWG型行星齿轮系统。

图1 行星齿轮式混联HEV动力总成结构简图Fig.1 Structural diagram of planetary gear Series-Parallel HEV

表1 行星齿轮混联式HEV整车及动力学相关主要参数Table 1 Major relevant parameters of planetary gear HEV

表中，CD为空气阻力系数；A为迎风面积；δ为质量换算系数；r为车轮自由半径；Cr为车轮滚动半径；mz为汽车整备质量；f为滚动阻力系数。

图2 动力耦合机构简图及实物解剖图Fig.2 Diagram and physical anatomical chart of dynamic coupling mechanism

表2为该动力总成机构的齿轮齿数和传动效率参数。

表2 混联式HEV动力传动机构主要参数Table2 Major relevant parameters of Series-Parallel HEV power transmission mechanism

表中，Zlz为主动链轮齿数；Zlc为从动链轮齿数；Zzz为中间轴主动齿轮齿数；Zzc为中间轴从动齿轮齿数；Zdz为主减速器主动齿轮齿数；Zdc为主减速器从动齿轮齿数；ηl为传动链传动效率；ηz为中间轴传动效率；ηd为主减速器传动效率；ηu为半轴万向节传动效率。

2、HEV倒车混动模式能耗研究

2.1 动力耦合机构的运动学和动力学分析

2.1.1 行星齿轮动力耦合机构的运动学分析

据机械原理[15-16]，可知行星齿轮传动转速有如下关系：

式中ei12为取行星架为转化构件，转化轮系中太阳轮和齿圈之间的传动比，其它类似；w1为太阳轮转速，RPM；w2为齿圈转速，RPM；we为行星架转速，RPM。

由p =2.6，可得：

另由机械原理，可知行星齿轮传动的运动学方程为：

可得：

2.1.2 行星齿轮动力耦合机构的转矩关系分析

由机械传动原理[15]，可得如下的功率平衡关系式：

式中，PA为主动件输入功率，W；PB为被动件输出功率，W；η为机械传动效率。

由行星齿轮的工作原理知，不同的构件均可能成为行星齿轮组的主动件或被动件，而行星齿轮组不同的主被动关系和不同的转速关系，其功率平衡方程形式均有所不同，因此本节以常见八种情况为例，分析行星齿轮构件的转矩关系。

2.2 行星齿轮动力耦合机构效率模型研究

为求解3.1.2节行星齿轮组动力学关系式，需求解行星齿轮不同情况下的效率，同理，当行星齿轮组的主、被动件及转速不同时，其传动效率均不同，故也分八种情况来分析。

2.2.1 行星齿轮动力耦合机构的效率分析

①若w1＞we＞w2＞0，且输入构件为1、2，输出构件为e时。

式中，fm为啮合摩擦因数(本文取0.05)；εα1εα2εαc为按太阳轮1，齿圈2，行星齿轮c的齿顶啮合线长度计算的部分端面重合度。

式中，ααt1ααt2ααtc为太阳轮、齿圈、行星齿轮的齿顶圆压力角，°； 'α为啮合角，°。

根据齿轮齿顶圆压力角计算公式，有：

式中，da1db1da2db2dacdbc分别为太阳轮、齿圈和行星齿轮的齿顶圆直径和基圆直径，mm。

2.3 倒车混动模式能量浪费理论分析

为便于分析，现将汽车前进方向时齿圈旋转方向约定为行星齿轮系统的运动正方向，反之为负；若动力部件输出转矩方向与运动正方向一致，则规定为正转矩，反之为负。在混动模式倒车工况时，由行星齿轮混联式 HEV动力总成结构可知，电动机MG2反转驱动，则MG2输出转矩T2和转速w2存在如下关系：

由于发动机转向无法改变，则发动机输出转矩Te和转速we存在如下关系：

此时发动机转矩 Te的一部分 T1通过行星架传递给太阳轮带动发电机发电，另一部分T2通过行星架作用于齿圈，用

于驱动车辆，T1和T2可由3.1.2计算。则此时齿圈实际输出转矩Tr为：

由上式可知，此时发动机作用于齿圈的转矩T2与电动机作用于齿圈的转矩Tm方向相反，形成阻力，故只有电动机驱动转矩抵消该阻力转矩后，才能真正驱动汽车倒车。因此，该模式存在能量浪费问题。

3、HEV倒车混动模式能量浪费实验

3.1 HEV实车实验数据采集

为对实验车能量控制策略进行分析，特进行了实车实验和数据采集，如图3所示。实验设备包括混联式HEV一部、专用数据流测试仪器Intelligent Tester-Ⅱ一台、笔记本计算机一台、专用数据处理软件Intelligent Viewer一套。Intelligent Tester-Ⅱ可以通过车辆诊断专用接口从整车 CAN网络获取车辆数据，并将其记录保存在存储设备中，数据采样周期约为51ms，可采集全车各个电控系统部件数据。

图3 实车实验及数据采集Fig.3 Actual vehicle testing and data collecting

图4(a)～(c)为实验过程采集的车速、发动机转速、发电机转速、电动机转速、发电机转矩、电动机转矩，由发动机输出转矩测算原理[11]，可得如图4(d)所示的发动机转矩。

图4 HEV 倒车过程动力部件参数Figure 4 The power units parameters during HEV reversing process

3.2 能量浪费实验验证

根据2.1和2.2节动力耦合机构的动力学和效率模型，可得如图 5(a)所示的齿圈上的倒车驱动转矩（发动机和电动机的合成转矩）。

将上述齿圈倒车驱动转矩代入汽车行驶动力学方程：

然后，结合整车参数，可计算得出如图5(b)所示的车速曲线，由计算得出的车速曲线和实验车采集车速曲线的对比结果，可知两者基本一致，说明原车倒车混动模式存在转矩抵消、能量浪费的问题。

图5 齿圈上的倒车转矩(a)及车速结果对比(b)Figure 5 The reversing torque on ring gear(a) and vehicle speed comparison results

3.3 改进方案建议

由上述分析可知，在该工况下，发动机必须进行动力输出，而发动机不像电动机可以四象限工作，且此时行星齿轮齿圈处于反转状态，因此解决该问题的最佳方案是在发动机之后加装一个换挡装置，当 HEV处于前进状态时，该档位为前进档，直接传递动力，当 HEV处于倒车状态时，该档位为倒档，前进档和倒档的传动比可选为 1，或进行优化，当然具体选型和结构参数需要结合总成空间结构和成本控制来综合考量。

图4-3所示为换向装置，当汽车正向行驶时，结合套7滑向最右边，使发动机输出轴直接与行星齿轮连接轴相连；当汽车处于混动模式倒车工况时，结合套滑向最左边，使发动机输出轴不能直接与行星齿轮连接轴相连，而是通过一组齿轮换向结构，使行星齿轮连接轴的旋转方向与发动机输出轴的旋转方向相反，达到换向的目的。从而使得发动机经行星齿轮传递到齿圈上的转矩 T2与电动机作用于齿圈的转矩Tm方向一致，不再存在转矩抵消而引起的能量浪费的问题。

图6 改进方案Figure 6 The structure improvement scheme

4、结论

论文针对某混联式 HEV在倒车工况混动模式时存在能耗偏高的问题，分析了其动力耦合机构各部件的运动学关系，得到了倒车工况混动模式能耗偏高的原因。最后通过采集实车实验数据，进行了实验验证，并提出了改进方案。

[1] 张承慧,李珂,崔纳新,等.混合动力电动汽车能量及驱动系统的关键控制问题研究进展[J].山东大学学报工学版, 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] 吴少雄.行星排混联式混合动力客车的联合仿真分析[J].客车技术与研究, 2016, 03(03):1-3.

[3] 白羽鹤,范健文,谭光兴.基于 Matlab/Simulink的混联式混合动力电动汽车建模与仿真[J].计算机与现代化, 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, 李涛, 邹敢, 等.基于随机动态规划的混联式混合动力汽车能量管理策略[J].汽车工程, 2013, 04(04):317-321.

[8] 舒红, 刘文杰, 袁景敏, 等.混联型混合动力汽车能量管理策略优化[J].农业机械学报, 2009, 40(3):31-35.

[9] ÇağatayBayindir K, Gözüküçük 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] 饶振纲.行星齿轮传动设计[M], 北京: 化学工业出版社, 2003.

[15] 郭海龙, 李礼夫.混联式HEV发动机输出转矩实时测算方法[J].农业机械学报, 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

郭海龙，男，副教授，（1981-），博士，就职于广东交通职业技术学院，华南理工大学访问学者，研究方向：新能源汽车技术研究。基金项目：（1）广东省优秀青年教师培养项目（YQ2013197）；（2）广东省高等学校高层次人才项目（2013-203）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.013