CN109033630B - 一种多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，包括以下步骤：模式分析归集：根据各个模式的能量效率以及动力性能，将模式归集为若干模式集，每个模式集包含若干模式；互异模式筛选：保留每个模式集中的具有不同系统动力学关系的模式；模式组合：分别从不同的模式集中选择若干模式，利用离合器矩阵运算，组合得到新的构型；构型拓展：对步骤三组合得到的新的构型进行拓展得到构型方案系列；构型筛选：对构型方案系列按评估要求筛选得到符合要求的构型方案。与现有技术相比本发明方法能够花费更短的时间搜索到更多具有优异加速能力与经济性的构型方案。

Description

一种多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法
技术领域
本发明涉及一种混动汽车耦合装置的构型方法，特别是涉及一种多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法。
背景技术
混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicles)是搭载两个及以上动力源，在不同汽车状态下，使用不同模式驱动车辆的汽车类型，除了常见的内燃机与电池的组合形式以外(称为油电混合)，还包括内燃机与液压组合，内燃机与气压系统组合，或者内燃机与机械飞轮组合等多种组合方式，由于混合动力汽车仍然搭载内燃机装置，故不存在续航里程与能量补充问题；电机的加入，使得发动机能够长期工作在最佳工作效率区间，大大提高了普通内燃机汽车的能量转换效率。
多模混合动力汽车(Multi-modeHybrid Electric Vehicle，MHEV)是在混联式混合动力汽车的基础上延伸得到的混合动力汽车类型，其也可以看成是一种特殊类型的混联式混合动力汽车。多模混合动力汽车的特点在于，它不仅能够实现如混联式混合动力汽车的高能量效率，多个模式的相互配合能够适应各种不同的工作环境，使其比单一模式混合动力汽车更加节能；同时，并联模式的存在，使其具有比传统混联式混合动力汽车更加优异的加速性能。
目前混合动力系统构型方案的研究主要集中在具有e-CVT(ElectricContinuously Variable Transmission)功能的行星齿轮机构功率分流式混合动力系统。行星齿轮机构的连接组合方式灵活，造成备选行星齿轮机构方案数量庞大，从而导致基于行星齿轮机构的混合动力系统构型方案的统一描述困难。同时，由于拓扑结构与功能特性难以同时表达，造成构型方案可行性和适用性判断困难。现有技术中有以构件及运动副连接关系为系统构型图论模型的基本元素，建立行星齿轮机构功率分流式混合动力系统的拓扑结构模型，并利用穷举法完成构型方案的搜索。然而，该方法对行星机构内部连接方案和系统元件连接组合分别独立考虑，混合动力系统生成过程需经历穷举，过程繁琐且备选构型方案数量庞大。还有部分方案通过增加输入/输出构件层，建立了包含系统离合器的行星齿轮机构功率分流式混合动力系统的图论模型，减少了构型生成过程的穷举次数。但该方法未能回避图论模型重建式的构型生成，新构型方案无法继承已有优秀构型的特征。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，解决穷举法构型方案搜索的穷举过程繁琐、数量庞大，而图论模型方式无法继承已有优秀构型特征的问题。
本发明技术方案如下：一种多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，包括以下步骤：
步骤一，模式分析归集：根据各个模式的能量效率以及动力性能，将模式归集为若干模式集，每个模式集包含若干模式；
步骤二，互异模式筛选：保留每个模式集中的具有不同系统动力学关系的模式；
步骤三，模式组合：分别从不同的模式集中选择若干模式，利用离合器矩阵运算，组合得到新的构型；
步骤四，构型拓展：对步骤三组合得到的新的构型进行拓展得到构型方案系列；
步骤五，构型筛选：对构型方案系列按评估要求筛选得到符合要求的构型方案。
进一步的，所述模式集包括节油模式集和高加速能力模式集，所述节油模式集中的模式在城市与高速两种工况下工况相关效率因子均超过理想工况相关效率因子，所述高加速能力模式集中的模式的平均百公里加速加速度超过理想平均百公里加速加速度。
进一步的，所述工况相关效率因子由下式得到
Figure BDA0001742497850000021
其中，p(vm，Tn)是行驶工况中速度vm与需求转矩Tn组合出现的概率，ηmn(vm，Tn)是该速度与需求转矩组合对应的全局归一化效率因子，所述全局归一化效率因子通过遍及所有发动机转速ωe与发动机转矩Te组合获得的具有最高系统效率求得。
进一步的，所述平均百公里加速加速度由下式得到
Figure BDA0001742497850000022
式中
Figure BDA0001742497850000023
为模式mk的在某车速下的最大输出扭矩，Ff(v)与FCD(v)分别为车辆在各车速下的滚动阻力与空气阻力，Rtire为车轮半径，GFR为主减速器齿轮齿比，Mtotal为车辆总的质量。
进一步的，所述步骤二中的系统动力学关系由一下特征矩阵表示
Figure BDA0001742497850000024
式中MG为Motor/Generator电动机/发电机，
Figure BDA0001742497850000025
为动力耦合装置输出轴处的角加速度，
Figure BDA0001742497850000031
为发动机的角加速度，
Figure BDA0001742497850000032
为MG1的角加速度，
Figure BDA0001742497850000033
为MG2的角加速度，Tload为动力耦合装置输出轴的阻力矩，Teng为发动机扭矩，TMG1为MG1扭矩，TMG2为MG2扭矩。
进一步的，所述步骤三中利用离合器矩阵运算，组合得到新的构型是通过以下方式进行：
Figure BDA0001742497850000034
式中，
Figure BDA0001742497850000035
表示离合器位置，
Figure BDA0001742497850000036
与
Figure BDA0001742497850000037
表示模式k-1与k中的第i个与第j个连接方法；包含离合器信息与固定连接杆位置的向量
Figure BDA0001742497850000038
使用下式进行计算
Figure BDA0001742497850000039
固定连接杆向量
Figure BDA00017424978500000310
由向量
Figure BDA00017424978500000311
与
Figure BDA00017424978500000312
的异或求得
Figure BDA00017424978500000313
进一步的，所述步骤四中构型拓展方法是对步骤三组合得到的新的构型中若干固定连接杆更改为离合器和/或任意添加其它可行的离合器。
进一步的，所述步骤五中按评估要求筛选是对加速性能进行筛选。
优选的，所述对加速性能进行筛选是对于家用车辆根据0到100公里每小时加速时间筛选，对于商用车辆根据0到60公里每小时加速时间筛选。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：该方法能够覆盖带约束的穷举搜索法的优化结果，并且搜索到性能更突出的构型方案，相比于带约束的穷举搜索法，本发明方法能够花费更短的时间搜索到更多具有优异加速能力与经济性的构型方案。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
图2是实施例中由不同模式集中选取的三个模式。
图3是实施例中由三个模式组合产生的新构型方案。
图4是对新的构型方案进行固定连接杆更改为离合器拓展得到的构型方案。
图5是对新的构型方案进行任意添加其它可行的离合器拓展得到的构型方案。
图6是对新的构型方案进行固定连接杆更改为离合器结合任意添加其它可行的离合器拓展得到的构型方案。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1所示，本发明多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法的基本流程是对所有存在的模式的性能进行分析，后将具有突出性能的模式组合起来以满足目标设计车型的功能需要，再通过构型拓展与构型筛选，得到最终满足需求的多模混合动力汽车构型方案。具体的步骤如下：
步骤一，模式分析归集：根据各个模式的能量效率以及动力性能，将模式归集为若干模式集，每个模式集包含若干模式。本实施例中提出了节油模式集、高加速能力模式集等模式集合。
1)节油模式集(Fuel Saving Mode，FS Mode)
使用工况相关效率因子DCWE以量化评估模式的能量效率，将在城市工况具有高能量效率的模式与在高速工况具有高能量效率的模式组合起来，它们组成的构型具有极高的全局能量效率。将模式在城市与高速两种工况下的能量效率分开进行对比，在两种工况下工况相关效率因子均超过理想工况相关效率因子的模式被定义为节油模式，即FS模式，如下式。
Figure BDA0001742497850000041
式中，MFS为包含FS模式的集合，
Figure BDA0001742497850000042
与
Figure BDA0001742497850000043
为模式在城市与高速工况下的期望的DCWE。
工况相关效率因子DCWE是通过求取加权平均某标准循环工况下某模式的效率从而进行模式的效率评价，具体如下式所示
Figure BDA0001742497850000044
其中，p(vm，Tn)是行驶工况中速度vm与需求转矩Tn组合出现的概率，而ηmn(vm，Tn)是该速度与需求转矩组合对应的全局归一化效率因子。针对某速度与需求转矩组合，该全局归一化效率因子是通过遍及所有发动机转速ωe与发动机转矩Te组合获得的具有最高系统效率求得的，如下式所示
Figure BDA0001742497850000045
2)高加速能力模式集(High Launching Performance Mode，HLP Mode)
使用平均百公里加速加速度
Figure BDA0001742497850000051
以评估模式的加速能力，其计算方法如下
Figure BDA0001742497850000052
式中
Figure BDA0001742497850000053
为模式mk的在某车速下的最大输出扭矩，Ff(v)与FCD(v)分别为车辆在各车速下的滚动阻力与空气阻力，Rtire为车轮半径，GFR为主减速器齿轮齿比，Mtotal为车辆总的质量。理想平均百公里加速加速度
Figure BDA0001742497850000054
可以使用百公里加速时间ttar进行计算，如下
Figure BDA0001742497850000055
平均百公里加速加速度超过理想平均百公里加速加速度的模式为高加速能力模式可以使用下式进行表示，其中MHLP为包含HLP模式的集合
Figure BDA0001742497850000056
第二步，互异模式筛选，提取每个模式集中的具有不同系统动力学关系的模式，即为互异模式。系统动力学关系即系统的输入与输出关系，是一个4×4特征矩阵，具有如下基本形式
Figure BDA0001742497850000057
式中MG为Motor/Generator电动机/发电机，
Figure BDA0001742497850000058
为动力耦合装置输出轴处的角加速度，
Figure BDA0001742497850000059
为发动机的角加速度，
Figure BDA00017424978500000510
为MG1的角加速度，
Figure BDA00017424978500000511
为MG2的角加速度，Tload为动力耦合装置输出轴的阻力矩，Teng为发动机扭矩，TMG1为MG1扭矩，TMG2为MG2扭矩。
将每个互异模式的连接方式使用二进制向量表示，即使用一个长度与离合器数量相同的向量
Figure BDA00017424978500000512
来表示每一个模式的结构，若某模式包含离合器n，则向量相应位置为“1”，否则为“0”。其次，使用集合
Figure BDA00017424978500000513
表示某一互异模式的所有连接方式，该互异模式n总共有m个不同的连接方式
Figure BDA00017424978500000514
第三步，模式组合
分别从不同的模式集中选择若干模式进行组合。在实际模式组合过程中，可以选取一个FS模式与一个HLP模式相结合构成一个构型方案，也可以选择两个FS模式与一个HLP模式进行结合以获得具有高加速能力与经济性的构型方案；同时，还可以根据需要选取其它具有特殊功能的模式进行结合。假设需要组合k个不同的模式，具体组合方法如下：k个不同的模式，
Figure BDA0001742497850000061
到
Figure BDA0001742497850000062
则组成的构型方案的离合器位置
Figure BDA0001742497850000063
可以通过下式进行计算，
Figure BDA0001742497850000064
式中，
Figure BDA0001742497850000065
与
Figure BDA0001742497850000066
代表模式k-1与k中的第i个与第j个连接方法；而包含离合器信息与固定连接杆位置的向量
Figure BDA0001742497850000067
使用下式进行计算，
Figure BDA0001742497850000068
固定连接杆向量
Figure BDA0001742497850000069
则由向量
Figure BDA00017424978500000610
与
Figure BDA00017424978500000611
的异或求得
Figure BDA00017424978500000612
通常，使用
Figure BDA00017424978500000613
与
Figure BDA00017424978500000614
就可以表示一个特定的构型方案，那么离合器数量NC与固定连接杆数量NP由下式计算
Figure BDA00017424978500000615
下面给出一个实际的计算实例，如图2所示，通过组合(a)、(b)、(c)三种模式组成一个新的构型方案如图3所示，图中C4、C5、C7与C18代表离合器与固定连接杆的编号。模式(a)是一个输入型功率分流型，是一个FS模式，它的一种连接方法用
Figure BDA00017424978500000616
表示；模式(b)是一个双电机并联模式，是一个HLP模式，它的一种连接方法用式
Figure BDA00017424978500000617
表示；模式(c)是一个串联模式，是一个发动机启动倒挡模式，它的一种连接方法用
Figure BDA00017424978500000618
表示，
Figure BDA00017424978500000619
Figure BDA00017424978500000620
Figure BDA00017424978500000621
这几个模式组成的构型方案的离合器向量与固定连接杆向量如下
Figure BDA0001742497850000071
Figure BDA0001742497850000072
通过这里提出的模式组合法，能够快速求得所有符合条件的构型方案，并得到每个构型的离合器数量。同时，经过构型的离合器数量的筛选，最后筛选出符合条件的构型方案。
第四步，构型拓展
通过若干种模式组合产生的新构型方案，仅含有一个离合器时，则包含这两个模式的两个、三个离合器构型方案会被忽略，而往往这些两个或者三个离合器的构型会具有更优异的性能。基于这个背景，本发明提出一种构型拓展方法，即将少离合器构型拓展为多离合器构型。
一般而言，可以通过两种方式实现构型拓展，产生一个新的构型，下面将使用如图3所示的新的构型方案说明这两个构型拓展方式。一种方法是在将原有构型的固定连接杆更改为离合器，如图4所示，更改其中一个固定连接杆甚至两个；另外一种是在原有结构基础上，任意添加其它可行的离合器，如图5所示，甚至可以将上述两种方式结合一起，如图6所示。
第五步，构型筛选
通过动力性能评估以及经济性筛选，最终得到一系列具有卓越动力性能与经济性的混合动力汽车构型方案。由于加速性能评估的计算效率较高，所以在构型性能筛选时，首先进行动力性能的筛选，将符合设计要求的构型方案保留至下一步再优化。建立加速性能的优化问题如下式，
Figure BDA0001742497850000073
其中Jacc对于家用车辆通常指的是0到100公里每小时加速时间，对于商用车辆则常用0到60公里每小时加速时间。其中，车辆的加速能力可以使用下式求解，
Figure BDA0001742497850000074
即通过每单位速度变化的时间累积来确定百公里加速时间。式中，
Figure BDA0001742497850000081
指的是在车速v下，构型方案中各模式的最大输出扭矩。

Claims (6)

1.一种多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，模式分析归集：根据各个模式的能量效率以及动力性能，将模式归集为若干模式集，每个模式集包含若干模式；
步骤二，互异模式筛选：保留每个模式集中的具有不同系统动力学关系的模式；
步骤三，模式组合：分别从不同的模式集中选择若干模式，利用离合器矩阵运算，组合得到新的构型；所述利用离合器矩阵运算，组合得到新的构型是通过以下方式进行：
Figure FDA0004152613720000011
式中，
Figure FDA0004152613720000012
表示离合器位置，
Figure FDA0004152613720000013
与
Figure FDA0004152613720000014
表示模式k-1与k中的第i个与第j个连接方法；包含离合器信息与固定连接杆位置的向量
Figure FDA0004152613720000015
使用下式进行计算
Figure FDA0004152613720000016
固定连接杆向量
Figure FDA0004152613720000017
由向量
Figure FDA0004152613720000018
与
Figure FDA0004152613720000019
的异或求得
Figure FDA00041526137200000110
步骤四，构型拓展：对步骤三组合得到的新的构型进行拓展得到构型方案系列；所述构型拓展方法是对步骤三组合得到的新的构型中若干固定连接杆更改为离合器和/或任意添加其它可行的离合器；
步骤五，构型筛选：对构型方案系列按评估要求筛选得到符合要求的构型方案。
2.根据权利要求1所述的多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，其特征在于，所述模式集包括节油模式集和高加速能力模式集，所述节油模式集中的模式在城市与高速两种工况下工况相关效率因子均超过理想工况相关效率因子，所述高加速能力模式集中的模式的平均百公里加速加速度超过理想平均百公里加速加速度。
3.根据权利要求2所述的多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，其特征在于，所述工况相关效率因子由下式得到
Figure FDA00041526137200000111
其中，p(vm,Tn)是行驶工况中速度vm与需求转矩Tn组合出现的概率，ηmn(vm,Tn)是该速度与需求转矩组合对应的全局归一化效率因子，所述全局归一化效率因子通过遍及所有发动机转速ωe与发动机转矩Te组合获得的具有最高系统效率求得。
4.根据权利要求2所述的多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，其特征在于，所述平均百公里加速加速度由下式得到
Figure FDA0004152613720000021
式中
Figure FDA0004152613720000022
为模式mk的在某车速下的最大输出扭矩，Ff(v)与FCD(v)分别为车辆在各车速下的滚动阻力与空气阻力，Rtire为车轮半径，GFR为主减速器齿轮齿比，Mtotal为车辆总的质量。
5.根据权利要求1所述的多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，其特征在于，所述步骤五中按评估要求筛选是对加速性能进行筛选。
6.根据权利要求5所述的多模混合动力汽车动力耦合装置的构型快速搜索方法，其特征在于，所述对加速性能进行筛选是对于家用车辆根据0到100公里每小时加速时间筛选，对于商用车辆根据0到60公里每小时加速时间筛选。
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