CN108466544A - 一种双模功率分流式混合动力系统的参数匹配方法 - Google Patents

一种双模功率分流式混合动力系统的参数匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双模功率分流式混合动力系统的参数匹配方法，旨在解决双模功率分流式混合动力系统的参数设计问题。包括如下步骤：首先建立双模功率分流式混合动力系统的杠杆模型，得到系统不同模式下的效率特性与切换条件；然后综合考虑动力性指标、循环行驶工况、模式切换条件以及基本控制思想，依次进行发动机、电机和电池的选型设计；最后，利用前向仿真模型开展仿真计算，分别对整车动力性能与经济性能进行验证。本发明的匹配方法简单有效，可以节省前期匹配费用，缩短开发周期，显著提高整车动力性能与经济性能。

Description

一种双模功率分流式混合动力系统的参数匹配方法
技术领域
本发明属于汽车动力系统领域，具体的说涉及一种双模功率分流式混合动力系统参数匹配方法。
背景技术
为解决能源与环境危机，混合动力汽车已成为世界汽车工业研究的热点。在混合动力系统构型中，功率分流式混合动力系统能够结合串联与并联系统的优点，规避两者的缺点，是最为优化的构型方案。相比于单模功率分流式混合动力系统，双模混合动力系统可以匹配更小尺寸的电机，具有更宽的系统高效率工作区间，然而，双模构型不同的模式切换条件，必然会影响系统的传动效率以及电机参数的选择，从而提高匹配选型设计的难度。基于此，有效开发双模功率分流式混合动力系统的参数设计匹配方法，对于节省匹配费用，缩短开发周期至关重要。
现有的一些混合动力系统参数匹配专利多针对并联混合动力或液压混合动力系统开展参数设计，如中国专利公布号CN104827881A，公布日2015-08-12，该发明采用一种双电机参数匹配方法，可以保证匹配过程中同时满足整车动力性能与经济性能；中国专利公布号CN103991373A，公布日2014-08-20，该发明解决了含有液压变压器的液压混合动力系统的参数匹配问题。然而，对于双模功率分流式混合动力系统，目前并没有一个通用可行的设计方法；此外，当前的参数匹配设计多以基本动力性需求为目标，很少考虑系统效率特性、循环行驶工况以及整体控制思想对匹配结果的影响，难以获取设计参数的最优值。
发明内容
本发明针对双模功率分流式混合动力系统提出一种完备可行的参数匹配方法，该方法从车辆的基本参数以及性能需求出发，综合考虑双模构型的效率特性、模式切换条件、循环行驶工况以及基本控制思想，通过合适的参数选取，可以显著提高整车动力性与经济性。
为实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：建立双模功率分流式混合动力系统的杠杆模型，得到系统不同模式下的效率特性与切换条件；综合考虑动力性指标、循环行驶工况、模式切换条件以及基本控制思想，依次进行发动机、电机和电池的选型设计；此后，利用前向仿真模型开展仿真计算，分别对整车动力性能与经济性能进行验证。具体步骤如下：
1)混合动力系统效率计算与模式切换条件确定：
所述的双模功率分流式混合动力系统，包括发动机、扭转减振器、前行星排、后行星排、第一电机、第二电机、一号离合器、二号离合器、主减速器和车轮；其特征在于：所述发动机通过扭转减振器与前行星排的行星架相连，所述第一电机与前行星排的太阳轮相连，所述后行星排与前行星排共用齿圈，并与第二电机相连，最终动力由后行星排的行星架输出，通过主减速器最终输出到车轮；一号离合器用于控制前后行星排太阳轮的连接，二号离合器用于控制后行星排太阳轮与车架的连接；该双模功率分流式混合动力系统可通过离合器系统的控制，实现输入功率分流和复合功率分流两种工作模式的切换。
利用杠杆法建立双模功率分流式混合动力系统分析模型，计算得到输入功率分流模式下各部件的转速、转矩关系为：
计算得到复合功率分流模式下各部件的转速、转矩关系为：
式中，w为转速，T为转矩；下标S1、R1分别为前行星排的太阳轮和齿圈；下标R2为后行星排的齿圈；下标e、out分别为发动机和输出轴；下标MG1、MG2分别为第一电机和第二电机；k1、k2分别为前后行星排的特征参数；
定义系统传动比为发动机转速与输出轴转速的比值，SR＝ωe/ωout；当电路径功率为零时，此时系统的传动比称为机械点；
本双模混合动力系统系统输入功率分流模式下只有一个机械点，定义为γinput。复合功率分流模式下系统共有两个机械点，定义第一个机械点为γ1，第二个机械点的系统传动比为γ2；
根据输入功率分流模式和复合功率分流模式下各部件的转速转矩关系，计算得到输入功率分流模式下系统传递效率为：
复合功率分流模式下系统传递效率为：
式中，ηtr1、ηtr2分别为输入功率分流和复合功率分流模式的系统传递效率；SR为发动机转速与输出轴转速的比值；γinput为输入功率分流模式的机械点；γ1、γ2分别为复合功率分流模式的第一个、第二个机械点；η1、η2分别为输入功率分流模式和复合功率分流模式的电路径效率；ηchg、ηdis分别为电机的充、放电效率。
以效率最优为目标，将输入功率分流模式和复合功率分流模式的效率进行对比，确定控制策略的模式切换条件。
2)主要参数列表：
包括整车参数、发动机参数、电机参数、电池参数以及动力性能指标，其中，整车参数包括最大设计总质量、整备质量、空气阻力系数、迎风面积、传动系总效率、滚动阻力系数、旋转质量换算系数、轮胎半径、主减速比、前行星排特征参数以及后行星排特征参数；发动机参数包括发动机类型；电机参数包括电机类型、额定工作电压；电池参数包括电池类型、电池最大工作电压、最小工作电压；动力性能指标包括最高车速、最大爬坡度、最大爬坡车速、0～50km/h加速时间。
3)发动机选型：
发动机主要用于满足车辆的稳态功率需求，包括满足最高车速时的功率Pe1、最大爬坡度时的功率Pe2；同时发动机需要保证空调、水泵、转向助力的正常工作，即需要提供一定的附件功率Pe3，因此，发动机峰值功率需要满足如下公式：
Pe_max≥max(Pe1,Pe2)+Pe3
其中，
附件功率Pe3根据工程经验确定；
式中，vmax为最高车速，单位为km/h；ηt为传动系总效率；m为整车性能计算用质量，单位kg；g为重力加速度，单位m/s2；f为滚动阻力系数；A为迎风面积，单位m2；CD为空气阻力系数；vi为最大爬坡车速，单位km/h；αmax为最大爬坡度，单位％。
最终，根据计算得到的Pe_max，结合现有发动机资源，选出最能满足整车性能需求的发动机产品及参数。
4)电机选型：
发动机产品及参数确定之后，根据双模功率分流式混合动力系统的动力性指标、工况要求、模式切换条件以及基本控制策略选定第一电机、第二电机参数，其基本流程为：
首先，针对输入工况的任何一工况点，计算出该工况点对应的需求功率和需求转矩；
其次，本系统采用发动机最优控制策略作为参数匹配的基础。其基本思想为：需求功率低于纯电动模式向功率分流模式切换的功率门限值时，系统工作在纯电动模式，需求功率高于纯电动模式向功率分流模式切换的功率门限值时，系统工作在功率分流模式。由于发动机最优曲线上的功率随转速的升高而单调增大，这种映射关系有利于在不同工况条件下快速获取发动机工作点，即发动机的转速、转矩唯一确定；
最后，需求车速确定后，计算得到行星排的输出轴转速：
wout＝v/3.6/r*pi/30*i0
式中，v为车速，单位km/h；v为车轮半径，单位m；i0为主减速比。
参照步骤1)，输出轴转速与发动机的转速确定之后，根据控制策略的模式切换条件确定整车的工作模式。将以上确定的参数代入到输入功率分流模式和复合功率分流模式下各部件的转速转矩关系式，得到满足工况需求的第一电机和第二电机参数，其中，第一电机、第二电机参数包括电机峰值功率、电机额定功率、电机峰值转矩、电机额定转矩、电机最高转速。
5)电池选型：
电池功率需要满足极限加速工况和循环行驶工况需求。即电池功率满足如下关系：
式中，Pbat为电池功率，单位为kW；PMG1、PMG2分别为第一电机和第二电机功率，单位为kW；ηMG1、ηMG2分别为第一电机和第二电机效率；ηbat为电池效率。
电池功率确定后，根据国家标准GB/T 31466-2015《电动汽车高压系统电压等级》确定电池电压，根据市面上常用电池产品类型确定电池最大放电倍率。
电池容量与电池最大放电倍率、电池功率、电池电压满足如下关系：
式中，Cb为电池容量，单位为Ah；Cbat为电池最大放电倍率；Ubat为电池电压，单位为V。
6)整车前向仿真模型验证：
利用前向仿真模型对整车开展仿真计算，分别对动力性能与经济性能进行匹配结果验证。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
(1)该匹配方法解决了双模功率分流式混合动力系统的参数设计问题，匹配方法简单有效，适用性强；
(2)该匹配方法在对双模混合动力系统的第一电机、第二电机参数进行设计时，充分考虑了双模构型的效率特性、模式切换条件、行驶工况特性、基本控制策略，相比于传统的混合动力系统匹配方法，考虑因素更加全面、合理，保证获取设计参数的优化值；
(3)该匹配方法以车辆需求为出发点，通过各部件的内在联系，逐步完成各关键部件的选型，且利用前向仿真模型对动力性能与经济性能进行验证，保证了匹配设计的合理性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的参数匹配方法的设计流程图；
图2为本发明所述的双模功率分流式混合动力系统简化结构示意图。
图3为本发明所述的混合动力系统两种分流模式的效率特性对比结果；
图4为本发明所述的发动机万有特性图；
图5为本发明所述的电机参数的基本匹配流程；
图6为本发明所述的发动机最优转速与功率关系曲线；
图7为本发明所述的最高车速工况下的系统传动比曲线；
图8为本发明所述的最大爬坡度工况下的系统传动比曲线；
图9为本发明所述的极限加速工况下的系统传动比曲线。
图10为本发明所述的中国典型城市循环工况下的系统传动比曲线；
图11为本发明所述的中国典型城市循环工况下的第一电机功率曲线；
图12为本发明所述的中国典型城市循环工况下的第二电机功率曲线；
图13为本发明所述的极限加速性能仿真曲线；
图14为本发明所述的爬坡性能仿真曲线；
图15为本发明所述的中国典型城市循环工况下的SOC变化曲线；
图16为本发明所述的中国典型城市循环工况下的发动机工作点分布曲线。
图中：1-发动机；2-扭转减振器；3-前行星排；4-后行星排；5-第一电机；6-第二电机；7-一号离合器；8-二号离合器；9-主减速器；10-车轮。
具体实施方式：
申请人根据某具体的城市公交客车开发过程给出本发明的一个实施例，以期对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，适用于双模功率分流式混合动力系统的参数匹配方法包括以下步骤：
1)混合动力系统效率计算与模式切换条件确定：
如图2所示，该双模功率分流式混合动力系统包括发动机1、扭转减振器2、前行星排3、后行星排4、第一电机5、第二电机6、一号离合器7、二号离合器8、主减速器9和车轮10；其特征在于：所述发动机1通过扭转减振器2与前行星排3的行星架相连，所述第一电机5与前行星排3的太阳轮相连，所述后行星排4与前行星排3共用齿圈，并与第二电机6相连，最终动力由后行星排4的行星架输出，通过主减速器9最终输出到车轮10，一号离合器7用于控制前后行星排太阳轮的连接，二号离合器用于控制后行星排太阳轮与车架的连接；该双模功率分流式混合动力系统通过离合器7、8的控制，实现输入功率分流式和复合功率分流两种工作模式的切换。
利用杠杆法建立双模功率分流式混合动力系统分析模型，计算得到输入功率分流模式下各部件的转速、转矩关系为：
计算得到复合功率分流模式下各部件的转速、转矩关系为：
式中，w为转速，T为转矩；下标S1、R1分别为前行星排的太阳轮和齿圈；下标R2为后行星排的齿圈；下标e、out分别为发动机和输出轴；下标MG1、MG2分别为第一电机和第二电机；k1、k2分别为前后行星排的特征参数；
定义系统传动比为发动机转速与输出轴转速的比值，SR＝ωe/ωout；当电路径功率为零时，此时系统的传动比称为机械点；
本双模混合动力系统系统输入功率分流模式下只有一个机械点，定义为γinput。复合功率分流模式下系统共有两个机械点，定义第一个机械点为γ1，第二个机械点的系统传动比为γ2；
计算得到，输入功率分流模式机械点γinput＝1.25，复合功率分流模式第一个机械点γ1＝1.25，第二个机械点γ2＝0.625；
根据输入功率分流模式和复合功率分流模式下各部件的转速转矩关系，计算得到输入功率分流模式下系统传递效率为：
复合功率分流模式下系统传递效率为：
式中，ηtr1、ηtr2分别为输入功率分流和复合功率分流模式的系统传递效率；SR为发动机转速与输出轴转速的比值；γinput为输入功率分流模式的机械点；γ1、γ2分别为复合功率分流模式的第一个、第二个机械点；η1、η2分别为输入功率分流模式和复合功率分流模式的电路经效率；ηchg、ηdis分别为电机的充、放电效率。
如图3所示，当传动比大于第一个机械点时，输入分流模式的传动效率大于复合分流式；当传动比小于第一个机械点时，输入分流模式的系统传动效率小于复合分流式；因此，确定双模混合动力系统的模式切换点在系统传动比达到第一个机械点时进行。
2)主要参数列表：
各主要参数列表如表1所示，包括整车参数、发动机参数、电机参数、电池参数以及动力性能指标，其中，整车参数包括最大设计总质量、整备质量、空气阻力系数、迎风面积、传动系总效率、滚动阻力系数、旋转质量换算系数、轮胎半径、主减速比、前行星排特征参数以及后行星排特征参数；发动机参数包括发动机类型；电机参数包括电机类型、额定工作电压；电池参数包括电池类型、电池最大工作电压、最小工作电压；动力性能指标包括最高车速、最大爬坡度、最大爬坡车速、0～50km/h加速时间。
表1主要参数列表
3)发动机选型：
发动机主要用于满足车辆的稳态功率需求，包括满足最高车速时的功率Pe1、最大爬坡度时的功率Pe2；同时发动机需要保证空调、水泵、转向助力的正常工作，即需要提供一定的附件功率Pe3，这里取15～20kW，因此，发动机峰值功率需要满足如下公式：
Pe_max≥max(Pe1,Pe2)+Pe3
其中，
计算得到，Pe1＝41.7kW，Pe1＝90kW，最终确定发动机峰值功率Pe_max＝(105～110)kW；
结合现有发动机资源，选出最能满足性能需求的发动机产品及参数，其万有特性如图4所示，黑色实线为发动机外特性曲线；黑色虚线为发动机最优工作曲线，其确定依据为：整个发动机输出功率范围内各输出功率下的发动机最优工作点的连线。
4)电机选型：
在发动机产品及参数确定之后，根据双模功率分流式混合动力系统的动力性指标、工况要求以及基本控制策略选定第一电机、第二电机参数，其基本流程如图5所示：
首先，针对输入工况的任何一工况点，计算出该工况点对应的需求功率和需求转矩；
其次，确定系统的基本控制策略，本系统采用发动机最优控制策略作为参数匹配的基础。其基本思想为：需求功率低于纯电动模式向功率分流模式切换的功率门限值时，系统工作在纯电动模式，需求功率高于纯电动模式向功率分流模式切换的功率门限值时，系统工作在功率分流模式。如图6所示，由于发动机最优曲线上的功率随转速的升高而单调增大，这种映射关系有利于在不同工况条件下快速获取发动机工作点，即发动机的转速、转矩唯一确定；
最后，需求车速确定后，计算得到行星排的输出轴转速：
wout＝v/3.6/r*pi/30*i0
式中，v为车速，单位km/h；v为车轮半径，单位m；i0为主减速比。
参照步骤1)，输出轴转速与发动机的转速确定之后，根据控制策略的模式切换条件确定整车的工作模式。将以上确定的参数代入到输入功率分流模式和复合功率分流模式下各部件的转速转矩关系式，得到满足工况需求的第一电机和第二电机参数，其中，第一电机、第二电机参数包括电机峰值功率、电机额定功率、电机峰值转矩、电机额定转矩、电机最高转速。
不同输入工况的第一电机、第二电机参数匹配过程及结果为：
①最高车速工况
如图7所示，最高车速时系统的传动比小于第一个机械点，系统处于复合功率分流模式；计算得到最高车速工况下第一电机、第二电机参数值如表2所示。
表2第一电机、第二电机参数值
②最大爬坡度工况
如图8所示，最大爬坡时系统的传动比大于第一个机械点，系统处于输入功率分流模式；计算得到最大爬坡度工况下第一电机、第二电机参数值如表3所示。
表3第一电机、第二电机参数值
③极限加速工况
如图9所示，0～3.3s内系统处于纯电动模式，发动机工作后，系统的传动比大于第一个机械点，系统处于输入功率分流模式；计算得到极限加速工况下第一电机、第二电机参数值如表4所示。
表4第一电机、第二电机参数值
④中国典型城市循环工况
循环工况的动力性要求同样是参数匹配需要考虑的重要因素，根据国家标准GB/T19754-2015《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》的规定，对于城市客车，采用中国典型城市循环工况作为仿真工况；如图10所示，中国典型城市循环工况下，停车、制动以及纯电动工况中传动比设为0，在车辆整个运行过程中，同时包括输入功率分流和复合功率分流两种工作模式。
如图11和图12所示，计算得到，中国典型城市循环工况下第一电机、第二电机的峰值功率分别为45kW和46kW。
5)电池选型：
按照步骤4)确定两电机参数之后，便可对电池功率进行匹配，之后进一步确定电池其他参数，包括电池额定电压、电池容量以及最大放电倍率系数。
电池功率需要满足极限加速工况和循环行驶工况需求。即电池功率满足如下关系：
式中，Pbat为电池功率，单位为kW；PMG1、PMG2分别为第一电机和第二电机功率，单位为kW；ηMG1、ηMG2分别为第一电机和第二电机效率；ηbat为电池效率。
计算得到，极限加速工况下电池最大功率为49kW，循环行驶工况下电池最大功率为50kW，为进一步回收制动能量，确定电池功率为60kW。
电池功率确定后，根据国家标准GB/T 31466-2015《电动汽车高压系统电压等级》确定电池电压，取576V。根据常用电池产品类型确定电池最大放电倍率，对于锂离子电池，最大放电倍率取5；
电池容量与电池最大放电倍率、电池功率、电池电压满足如下关系：
式中，Cb为电池容量，单位为Ah；Cbat为电池最大放电倍率；Ubat为电池电压，单位为V。
计算得到电池容量为20.8Ah，取整为21Ah。
6)整车前向仿真模型验证：
利用前向仿真模型对整车开展仿真计算，分别对动力性能与经济性能进行匹配结果验证。图13为极限加速仿真曲线，0～50km/h加速时间为15.6s，且30s后车速达到71km/h，满足整车最高车速指标；图14为坡度为16％的爬坡性能仿真曲线，该车型可以在16％的坡度上以10.8km/h的速度行驶，满足设计要求。图15为中国典型城市循环工况下SOC的变化曲线，在车辆整个行驶过程中电量基本维持平衡；图16为中国典型城市循环工况下发动机工作点分布情况，可以看出，发动机的工作点基本分布在最优工作曲线上，符合发动机最优控制策略思想；仿真得到，中国典型城市循环工况下，该混合动力客车油耗为17.1L/100km，而该传动车的油耗为30.8L/100km，节油率达到44.5％。

Claims (1)

1.一种双模功率分流式混合动力系统的参数匹配方法，包括效率计算与模式切换条件确定、发动机选型、电机选型、电池选型和匹配结果验证，其特征在于：
(1)效率计算与模式切换条件确定：首先利用杠杆法计算输入功率分流模式下各部件的转速、转矩关系为：
计算复合功率分流模式下各部件的转速、转矩关系为：
式中，w为转速，T为转矩；下标S1、R1分别为前行星排的太阳轮和齿圈；下标R2为后行星排的齿圈；下标e、out分别为发动机和输出轴；下标MG1、MG2分别为第一电机和第二电机；k1、k2分别为前后行星排的特征参数；
然后，根据输入功率分流模式和复合功率分流模式下各部件的转速转矩关系，计算输入功率分流模式下系统传递效率为：
复合功率分流模式下系统传递效率为：
式中，ηtr1、ηtr2分别为输入功率分流和复合功率分流模式的系统传递效率；SR为发动机转速与输出轴转速的比值；γinput为输入功率分流模式的机械点；γ1、γ2分别为复合功率分流模式的第一个、第二个机械点；η1、η2分别为输入功率分流模式和复合功率分流模式的电路径效率；ηchg、ηdis分别为电机的充、放电效率；
最后，以效率最优为目标，将输入功率分流模式和复合功率分流模式的效率进行对比，确定控制策略的模式切换条件；
(2)发动机选型：发动机主要满足最高车速时的功率Pe1、最大爬坡度时的功率Pe2和附件功率Pe3，如式(5)所示：
Pe_max≥max(Pe1,Pe2)+Pe3 (5)
其中，
考虑工程经验，Pe3取(15～20)kW；
式中，vmax为最高车速，单位为km/h；ηt为传动系总效率；m为整车性能计算用质量，单位kg；g为重力加速度，单位m/s2；f为滚动阻力系数；A为迎风面积，单位m2；CD为空气阻力系数；vi为最大爬坡车速，单位km/h；αmax为最大爬坡度，单位％；
最终，根据计算得到的Pe_max，选择合适的发动机产品及参数；
(3)电机选型：发动机产品及参数确定之后，根据动力性指标、工况要求、模式切换条件以及控制策略选定第一电机参数和第二电机参数，其基本流程为：
首先，针对输入工况的任何一工况点，计算出该工况点对应的需求功率和需求转矩；
其次，确定发动机最优控制策略作为参数匹配的基础：需求功率低于纯电动模式向功率分流模式切换的功率门限值时，系统工作在纯电动模式；需求功率高于纯电动模式向功率分流模式切换的功率门限值时，系统工作在功率分流模式；由于发动机最优曲线上的功率与转速呈单调映射关系，任一时刻的发动机的转速、转矩唯一确定；
最后，需求车速确定后，计算得到输出轴转速，如式(8)所示：
wout＝v/3.6/r*pi/30*i0 (8)
式中，v为车速，单位km/h；v为车轮半径，单位m；i0为主减速比；
输出轴转速与发动机的转速确定后，根据步骤(1)的模式切换条件确定整车工作模式；将以上参数代入到式(1)和式(2)，得到第一电机和第二电机参数，包括电机峰值功率、电机额定功率、电机峰值转矩、电机额定转矩、电机最高转速；
(4)电池选型：
首先，电池功率需要满足驱动工况需求，如式(9)所示：
式中，Pbat为电池功率，单位为kW；PMG1、PMG2分别为第一电机功率和第二电机功率，单位为kW；ηbat为电池效率；ηMG1、ηMG2分别为第一电机效率和第二电机效率；
其次，根据国家标准GB/T 31466-2015《电动汽车高压系统电压等级》确定电池电压，根据常用电池产品类型确定电池最大放电倍率；
最后，根据电池容量与电池最大放电倍率、电池功率、电池电压关系确定电池容量，如式(10)所示：
式中，Cb为电池容量，单位为Ah；Cbat为电池最大放电倍率；Ubat为电池电压，单位为V；
(5)匹配结果验证：利用前向仿真模型分别对整车动力性能与经济性能进行匹配结果验证。
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