CN107491587A - 功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，该方法考虑了电源效率、传输效率、车辆架驶周期要求和主要控制策略。一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，包括如下步骤：（1）、选择合理的发动机控制策略；（2）、基于稳态运行的要求选择发动机；该步骤包括发动机输出功率的理论计算和验证发动机的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求；（3）、根据传动效率和车辆工作性能确定前PG组的特性比；步骤为：首先确定前PG组特征比的边界，然后基于功率分流系统的传动效率和车辆工作性能获得前PG组的最佳特征比；（4）、根据动态性能和运行要求确定功率分流系统的其他部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法。
背景技术
随着人们对环境污染和能源危机日益增长的关注，混合动力和纯电动汽车的发展愈加受到重视。混合动力系统常由一个或两个行星齿轮组和三个电源组成，也称为功率分流系统、功率分流式混合动力系统。
功率分流系统结合了串联和并联系统的优点，具有出色的动态性能和燃油经济性，如申请号为201520191476.8的中国专利所示。功率分流式混合动力系统的早期研究主要集中在一些混合动力汽车产品的分析和测试。而功率分流系统的设计也是一个研究热点，因为它是最优控制和最优尺寸的基础。
现有的研究在配置分析方法，设计理论和控制策略方面做出了重要的贡献。形成了基本的参数化设计方法(特别是在确保车辆动态性能的目标上)。但是，目前的研究还有一些问题尚未被明确。首先，目前对混合动力系统设计的研究主要集中在系统特性上，忽略了控制策略的影响。在混合动力系统设计中，发动机与道路负荷分离了，使发动机的设计自由度较高。控制策略决定了发动机工作的区间，因此与发动机的选择高度相关。其次，目前的研究未能详细分析驾驶的循坏周期。对于具有相对正常驾驶循环周期的城市公交，其频繁制动和长时间加速影响了电力储存的操作。因此，详细分析驾驶循环周期对于确保车辆动态性能和充分利用制动能量来说至关重要。此外，一些优化的参数化设计方法虽然优化了燃油经济性和动态性能，但还没有揭示功率分流系统参数化设计的一般指导原则，特别是针对功率分流式的城市公交系统。而且最优方法往往耗时或者被线性近似简化，难以在工程实践中应用。
因此对一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法提出了需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，该方法考虑了电源效率、传输效率、车辆架驶周期要求和主要控制策略。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、选择合理的发动机控制策略；
(2)、基于稳态运行的要求选择发动机；该步骤包括发动机输出功率的理论计算和验证发动机的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求；
(3)、根据传动效率和车辆工作性能确定前PG组的特性比；步骤为：首先确定前PG组特征比的边界，然后基于功率分流系统的传动效率和车辆工作性能获得前PG组的最佳特征比；
(4)、根据动态性能和运行要求确定功率分流系统的其他部件。
本发明步骤(2)中，发动机输出功率的理论计算步骤为：通过如下公式获得在稳态运行条件下所需的发动机输出功率：
其中，Pe是发动机输出功率，Va是车速，ηt是传动效率，M是车辆质量，g是重力加速度，fr是滚动阻力系数，ρa是空气密度，CD是空气阻力系数，A是汽车前沿面积，i是爬坡梯度。
本发明步骤(2)中，验证发动机的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求的步骤为：
发动机最佳工作线控制策略最大限度地利用了功率分流系统的优点，从而减少发动机的道路负载需求，因此，发动机能够在发动机最佳工作线上找到一个折中的最有效工作点，这样一来，在工作期间将永远不可能达到发动机的外部特性的最大功率；发动机最佳工作线的最大功率决定了发动1是否适合此种控制策略；发动机最佳工作线的最大功率应大于发动机输出功率。
发动机选择之后，根据发动机测绘得到发动机最佳工作线；然后确定发动机工作速度范围，在选择速度范围时可以考虑以下原则：
(1)发动机应在达到最大转速前达到其最大功率；因此，发动机的最大转速不宜太低；
(2)考虑到在发动机最佳工作线上发动机输出功率随发动机转速持续增加，发电机二在发动机起动前对车辆供电，因此高的最低发动机转速会导致高的电力牵引功率，因此，最低发动机转速不宜太高。
本发明步骤(3)的具体步骤为：
由于后PG组被用作减速器，对于功率分流系统的特性没有影响，所以后PG组最初被忽略，并且假定发电机二连接到前PG组的前齿轮圈；
首先，根据装配约束和边界约束应满足条件k1≥1.5，然后由公式
得到以下关系式：
其中，SR的定义为SR＝ωC1/ωR1，k1是前PG组的特征比，mg1和mg2分别表示发电机一和发电机二，T和ω分别表示转矩和转速，C1、S1和R1分别表示前PG组的前行星架、前太阳轮和前齿轮圈，e表示发动机，Tout和ωout分别为功率分流系统的输出转矩和转速，γ是后PG组的传动比，Te为发动机的输出转矩；
得到发电机一转速和发动机转速的比值相对于转速比SR的变化；
然后根据功率分流系统的传动效率ηt的分析，在1.5到3的范围获得最佳前PG组的特征比k1；功率分流系统的传动效率ηt定义为功率分流系统的输出功率Pout与输入功率Pin的比值，即ηt＝Pout/Pin；
当超级电容器不工作时，Pin＝Pe＝Teωe，Pe为发动机的输出功率；功率分流系统的输出功率包括电磁功率和机械功率，即Pout＝Pmac+Pele；机械功率Pmac＝Tek1/(1+k1)ωR1，由于机械传动效率远高于电气传输效率，故假设机械传动效率为1；电磁功率Pele的表达式在机械点的前后有变化；
在机械点之前，电磁功率为：Pele＝Tmg1ωS1ηmg1ηmg2，其中，ηmg1和ηmg2分别为发电机一和发电机二的传动效率；机械点之前发电机一和发电机二的传动效率与功率分流系统的传动效率相同，功率分流系统的传动效率ηt表达式为：
在机械点之后，电磁功率变为Pele＝Tmg1ωS1/(ηmg1ηmg2)，则功率分流系统的传动效率ηt表达式为：
根据公式和获得功率分流系统传动效率ηt对SR的变化；
在高速比区域，功率分流系统传动效率ηt随着k1的增加而增加，最大效率点随k1增加而移动到高速比。
本发明步骤(4)的具体步骤为：
动态性能主要指车辆的最大速度、加速性能和爬坡能力；
在选择发动机和前PG组之后，根据主要控制策略和功率分流系统的特性，可以在发动机和其他动力部件之间分配任何工作状态的需求功率；忽略纯电力牵引能力和充电状态对牵引能力的影响，在需求功率小于最大发动机功率时发动机提供全部需求功率；反之，发动机在最大功率点工作，超级电容器提供缺乏需求功率的部分；基于发动机最佳工作线控制策略，当发动机的需求功率确定时，发动机的转速和扭矩是唯一确定的；此外，根据车速获得系统输出轴的转速；因此，所有其他工作参数通过根据PG组的动力学方程和力学方程可以得到。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：在功率分流系统设计方法中考虑了控制策略和驾驶循环周期的影响，使得所选发动机和功率分流装置充分利用了制动能量，能效更高，及更好的车辆动态性能。同时揭示了功率分流系统参数化设计的一般指导原则，特别是针对功率分流式的城市公交系统，有利于实际工程的应用。
附图说明
图1为功率分流系统的结构示意图。
图2为功率分流系统的能量流动示意图。
图3为本发明实施例的总体流程图。
图4为发电机一转速和发动机转速的比值相对于转速比SR的变化图。
图5为功率分流系统的传动效率对转速比SR的变化图。
图6为前PG组的转速空间坐标系图。
图7为太阳轮计算流程图。
图8为其他组件的计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
一、首先，对功率分流系统作一详细说明。
功率分流系统的配置如图1所示。该系统由两个PG组组成，即前PG组和后PG组。
前PG组是功率分流传动装置(PSD)，前PG组中设置有前太阳轮2、前行星架3、前齿轮圈4。
后PG组是固定齿轮圈的减速器。后PG组中设置有后太阳轮8、后行星架9、后齿轮圈6。后齿轮圈6固定设置。
发动机输出轴连接到前行星架3。发电机一MG1连接到前太阳轮2，而发电机二MG2连接到后太阳轮8。前齿轮圈4连接到后行星架9，并连接到最终传动。超级电容器5用于电能存储。
功率分流系统的能量流动如图2所示。在一般运行条件下，发动机1输出的能量通过前PG组分成两部分，一部分通过发电机一MG1转换成电能，然后通过发电机二MG2转换回机械能，另一部分在机械路径中直接传递到系统输出轴7。
忽略惯性损耗和摩擦力，前PG组的扭矩和转速有两个基本方程，如式(1)：
其中，T和ω分别表示转矩和转速。下标C1、S1和R1分别表示前PG组的前行星架3、前太阳轮2和前齿轮圈4。k1是前PG组的特征比，即前齿轮圈4半径与前太阳轮2半径的比值。
以上两个基本方程也适用于后置PG组，但后齿轮圈6的速度始终为零，如式(2)：
其中，下标C2和S2分别表示后PG组的后行星架9和后太阳轮8，k2是后PG组的特征比，即后齿轮圈6半径与后太阳轮8半径的比值。
根据PG组和能量的关系，功率分流系统的输出转矩Tout和转速ωout由公式(3)导出：
其中，下标e，mg1和mg2分别表示发动机、发电机一MG1和发电机二MG2。γ是后PG组的传动比。Te为发动机的输出转矩。
在式(1)中，k1由PSD确定。在特定操作要求下，可以根据机械关系分别通过需求扭矩和车轮转速来获得功率分流系统的输出转矩Tout和转速ωout。当选择发动机1时，通过主要控制策略确定Te和ωe。然后可以计算公式(1)和(2)中的所有其他参数(即Tmg2，ωmg1和ωmg2)。
该过程的物理意义描述如下：
(1)功率分流传动装置决定了功率分流系统的特性(即传动特性)。
(2)核心动力源发动机的输出由操作要求和控制策略决定。
(3)发电机一MG1和发电机二MG2分别调节发动机转速和转矩。
二、一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，包括如下步骤：
(1)、首先选择合理的发动机控制策略。
(2)、然后基于稳态运行的要求选择发动机；该步骤包括发动机输出功率的理论计算和验证发动机1的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求。
(21)、发动机输出功率的理论计算。
功率分流系统的二次能量存储是通过超高功率密度但能量密度低的超级电容器5实现的。因此，发动机1必须提供在稳态运行条件下所需的功率以维持电量的可持续性。考虑到驾驶性能，稳态运行要求主要包括最大巡航速度和最大爬坡梯度。通过公式(4)获得在稳态运行条件下所需的发动机输出功率：
其中，Pe是发动机输出功率(kW)，Va是车速(m/s)，ηt是功率分流系统的传动效率，M是车辆质量(kg)，g是重力加速度(m/s2)，fr是滚动阻力系数，ρa是空气密度(通常设定为1.2258Ns2m-4)，CD是空气阻力系数，A是汽车前沿面积(m2)，i是爬坡梯度。
(22)、验证发动机1的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求。
除了理论计算之外，还必须验证发动机1的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求。为了避免超级电容器5的严重过度放电，这个过程必须执行。
如上所述，控制策略影响参数化设计。发动机最佳工作线(OOL)控制策略最大限度地利用了功率分流系统的优点，从而减少发动机1的道路负载需求。因此，发动机1能够在发动机最佳工作线上找到一个折中的最有效工作点。这样一来，在工作期间将永远不可能达到发动机1的外部特性的最大功率。发动机最佳工作线的最大功率(而非额定功率)决定了发动机1是否适合此种控制策略。在这项研究中，发动机最佳工作线的最大功率应大于发动机输出功率。
发动机1选择之后，根据发动机测绘得到发动机最佳工作线。然后确定发动机工作速度范围，在选择速度范围时可以考虑以下原则：
(a)发动机1应在达到最大转速前达到其最大功率。因此，发动机1的最大转速不宜太低。
(b)考虑到在发动机最佳工作线上发动机输出功率随发动机转速持续增加，发电机二MG2在发动机1起动前对车辆供电，因此高的最低发动机转速会导致高的电力牵引功率。因此，最低发动机转速不宜太高。
(3)、根据传动效率和车辆工作性能确定前PG组(功率分流传动装置)的特性比，步骤为：首先确定前PG组特征比k1的边界，然后基于功率分流系统的传动效率和车辆工作性能获得前PG组的最佳特征比k1。
前PG组的特征比k1决定了混合系统的功率分流特性，因此决定了功率分流系统的传动效率。在本方法中，首先确定了前PG组的特征比k1的边界，然后基于功率分流系统的传动效率和车辆工作性能获得前PG组的最佳特征比k1。由于后PG组被用作减速器，对于功率分流系统的特性没有影响，所以后PG组最初被忽略，并且假定发电机二MG2连接到前齿轮圈4。
首先，根据装配约束和边界约束应满足条件k1≥1.5。然后由式(3)得到关系式(5)。
其中，SR的定义为SR＝ωC1/ωR1，为转速比。
得到发电机一MG1转速和发动机1转速的比值相对于转速比SR的变化(图4)。在高速比区域，发电机一MG1转速随k1增加明显增加。因此，必须满足条件k1≤3以避免过高的发电机一MG1转速。
然后根据传动效率ηt的分析，在1.5到3的范围获得最佳前PG组的特征比k1。传动效率ηt定义为功率分流系统的输出功率Pout与输入功率Pin的比值，即ηt＝Pout/Pin。
由式(3)和式(5)得到关系式(6)和(7)。
当超级电容器5不工作时，系统的输入功率Pin是发动机功率传递到前行星架3，即Pin＝Pe＝Teωe。系统的输出功率Pout包括电磁功率和机械功率，即Pout＝Pmac+Pele。机械功率Pmac＝Tek1/(1+k1)ωR1，由于机械传动效率远高于电气传输效率，故假设机械传动效率为1。电磁功率Pele的表达式在机械点的前后有变化，机械点的太阳轮速度和电磁功率均为零。
在机械点之前，电磁功率为
Pele＝Tmg1ωS1ηmg1ηmg2 (8)
其中，ηmg1和ηmg2分别为发电机一MG1和发电机二MG2的传动效率。机械点之前的传动效率与式(9)中的传动效率相同：
根据式(6)至(9)，ηt可改写为公式(10)：
在机械点之后，电磁功率变为Pele＝Tmg1ωS1/(ηmg1ηmg2)，则ηt表达如公式(11)：
假设发电机一MG1和发电机二MG2的传动效率分别为ηmg1＝0.9和ηmg2＝0.9，因为发电机一MG1和发电机二MG2都是永磁电动机。因此，根据公式(10)和(11)获得系统传动效率对SR的变化(图5)。
在高速比区域，系统传动效率ηt随着k1的增加而增加，最大效率点随k1增加而移动到高速比(图5)。由于城市公交车大部分时间在高速比区域(即低速区域)中工作，所以需要大的k1值。
在笛卡尔坐标系(图6)中，公式(1)中的速度关系可以被认为是空间平面，称为特征速度平面(CSP)，表示了前PG组的工作范围。当前PG组件的每个组件以其最大转速工作时，形成了图6中的MSP。为了达到更好的车辆性能，发动机和电动机应具有较宽的运行转速范围，说明CSP和MSP之间的小角度有望确保更好的车辆性能。
(4)、根据动态性能和运行要求确定功率分流系统的其他部件。
确定核心部件的参数后，根据动态和运行要求确定功率分流系统的其他部件。动态性能主要指车辆的最大速度(可由MG1最大速度换算出)、加速性能和爬坡能力。
在选择发动机和前PG组之后，根据主要控制策略和功率分流系统的特性，可以在发动机1和其他动力部件之间分配任何工作状态的需求功率。忽略纯电力牵引能力和充电状态(SOC)对牵引能力的影响，在需求功率小于最大发动机功率时发动机1提供全部需求功率；反之，发动机1在最大功率点工作，超级电容器5提供缺乏需求功率的部分。基于发动机最佳工作线控制策略，当发动机1的需求功率确定时，发动机的转速和扭矩(即前行星架3的转速和扭矩)是唯一确定的。此外，根据车速获得系统输出轴7转速(即前齿轮圈4转速)。因此，所有其他工作参数通过根据PG组的动力学方程和力学方程可以得到。用于计算太阳轮速度和扭矩的流程图如图7所示。
电磁功率可以用前文所述的太阳轮的速度和扭矩计算获得。机械功率以类似的方式计算。发电机二MG2的需求功率是需求功率与机械功率之差。根据需求功率与发动机输出功率的关系，发电机二MG2的输出功率来自发动机或来自发动机与超级电容器5。超级电容器5所使用的能量也通过随时间整合其功率而获得。计算过程如图8所示。此时，发电机一MG1、发电机二MG2和超级电容器5的所有工作参数在一定的驱动条件下得到。
由于在上述分析中后PG组被忽略，所以上述的发电机二MG2是应该进一步调整的转矩和速度的“假设的发电机二MG2”。在确定“假设的发电机二MG2”之后，可以根据公式(2)和(3)来识别后PG组的特征比。然后根据工作要求确定功率分流系统的所有其他组件的最终尺寸。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明；而且，本发明各部分所取的名称也可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。
Claims (5)
1.一种功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、选择合理的发动机控制策略；
(2)、基于稳态运行的要求选择发动机；该步骤包括发动机输出功率的理论计算和验证发动机的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求；
(3)、根据传动效率和车辆工作性能确定前PG组的特性比；步骤为：首先确定前PG组特征比的边界，然后基于功率分流系统的传动效率和车辆工作性能获得前PG组的最佳特征比；
(4)、根据动态性能和运行要求确定功率分流系统的其他部件。
2.根据权利要求1所述的功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，其特征在于：步骤(2)中，发动机输出功率的理论计算步骤为：通过如下公式获得在稳态运行条件下所需的发动机输出功率：
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其中，Pe是发动机输出功率，Va是车速，ηt是传动效率，M是车辆质量，g是重力加速度，fr是滚动阻力系数，ρa是空气密度，CD是空气阻力系数，A是汽车前沿面积，i是爬坡梯度。
3.根据权利要求1所述的功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，其特征在于：步骤(2)中，验证发动机的功率是否能够满足大多数驾驶周期条件下的动力需求的步骤为：
发动机最佳工作线控制策略最大限度地利用了功率分流系统的优点，从而减少发动机的道路负载需求，因此，发动机能够在发动机最佳工作线上找到一个折中的最有效工作点，这样一来，在工作期间将永远不可能达到发动机的外部特性的最大功率；发动机最佳工作线的最大功率决定了发动1是否适合此种控制策略；发动机最佳工作线的最大功率应大于发动机输出功率。
发动机选择之后，根据发动机测绘得到发动机最佳工作线；然后确定发动机工作速度范围，在选择速度范围时可以考虑以下原则：
(1)发动机应在达到最大转速前达到其最大功率；因此，发动机的最大转速不宜太低；
(2)考虑到在发动机最佳工作线上发动机输出功率随发动机转速持续增加，发电机二在发动机起动前对车辆供电，因此高的最低发动机转速会导致高的电力牵引功率，因此，最低发动机转速不宜太高。
4.根据权利要求1所述的功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，其特征在于：步骤(3)的具体步骤为：
由于后PG组被用作减速器，对于功率分流系统的特性没有影响，所以后PG组最初被忽略，并且假定发电机二连接到前PG组的前齿轮圈；
首先，根据装配约束和边界约束应满足条件k1≥1.5，然后由公式
得到以下关系式：
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其中，SR的定义为SR＝ωC1/ωR1，k1是前PG组的特征比，mg1和mg2分别表示发电机一和发电机二，T和ω分别表示转矩和转速，C1、S1和R1分别表示前PG组的前行星架、前太阳轮和前齿轮圈，e表示发动机，Tout和ωout分别为功率分流系统的输出转矩和转速，γ是后PG组的传动比，Te为发动机的输出转矩；
得到发电机一转速和发动机转速的比值相对于转速比SR的变化；
然后根据功率分流系统的传动效率ηt的分析，在1.5到3的范围获得最佳前PG组的特征比k1；功率分流系统的传动效率ηt定义为功率分流系统的输出功率Pout与输入功率Pin的比值，即ηt＝Pout/Pin；
当超级电容器不工作时，Pin＝Pe＝Teωe，Pe为发动机的输出功率；功率分流系统的输出功率包括电磁功率和机械功率，即Pout＝Pmac+Pele；机械功率Pmac＝Tek1/(1+k1)ωR1，由于机械传动效率远高于电气传输效率，故假设机械传动效率为1；电磁功率Pele的表达式在机械点的前后有变化；
在机械点之前，电磁功率为：Pele＝Tmg1ωS1ηmg1ηmg2，其中，ηmg1和ηmg2分别为发电机一和发电机二的传动效率；机械点之前发电机一和发电机二的传动效率与功率分流系统的传动效率相同，功率分流系统的传动效率ηt表达式为：
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在机械点之后，电磁功率变为Pele＝Tmg1ωS1/(ηmg1ηmg2)，则功率分流系统的传动效率ηt表达式为：
根据公式和获得功率分流系统传动效率ηt对SR的变化；
在高速比区域，功率分流系统传动效率ηt随着k1的增加而增加，最大效率点随k1增加而移动到高速比。
5.根据权利要求1所述的功率分流式混合动力客车的多因素综合参数化设计方法，其特征在于：步骤(4)的具体步骤为：
动态性能主要指车辆的最大速度、加速性能和爬坡能力；
在选择发动机和前PG组之后，根据主要控制策略和功率分流系统的特性，可以在发动机和其他动力部件之间分配任何工作状态的需求功率；忽略纯电力牵引能力和充电状态对牵引能力的影响，在需求功率小于最大发动机功率时发动机提供全部需求功率；反之，发动机在最大功率点工作，超级电容器提供缺乏需求功率的部分；基于发动机最佳工作线控制策略，当发动机的需求功率确定时，发动机的转速和扭矩是唯一确定的；此外，根据车速获得系统输出轴的转速；因此，所有其他工作参数通过根据PG组的动力学方程和力学方程可以得到。
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