CN110155034B - 一种输入分配式混合动力系统行星排特征参数的匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种输入分配式混合动力汽车行星排特征参数的匹配方法，旨在解决行星式混合动力系统的行星排系数匹配问题。包括如下步骤：对行星排系数的可选范围进行离散；计算循环工况下三个动力源包括发动机、发电机MG1、驱动电机MG2工作点；根据发动机的万有特性数据、MG1、MG2的效率特性数据、以循环工况下三个动力源的工作点作为输入，计算三个动力源的效率，进而计算各时刻系统的总效率；计算循环工况下各时刻系统总效率的总和，总和最大项所对应的行星排系数值即为匹配的目标值。本发明的匹配方法简单有效，可以在产品开发前期快速地确定决定系统效率特性的行星排特征参数，保证各动力源的性能充分发挥，保证混动系统节油潜力的充分发挥。

Description

一种输入分配式混合动力系统行星排特征参数的匹配方法
技术领域
本发明属于汽车动力系统领域，具体的说涉及行星式混合动力系统行星排系数匹配方法。
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，使用行星齿轮机构作为功率分流装置的混联式混合动力系统可以分为输入分配式、输出分配式、复合分配式等，其中输入分配式系统由于优异的节油效果、相对简单的结构、相对简单的控制算法等优点，最为广泛应用，其代表车型丰田普锐斯全球销量已经超过400万。由于输入分配式混合动力系统优异的性能，在汽车逐渐电动化的潮流下，输入分配式行星混动系统成为了最受青睐的开发目标，然而，如果不能选择合理的部件参数，尤其是决定系统功率分流特性的行星排特征参数，将难以充分发挥输入分配式行星混动系统的节油优势，达不到较好的节油效果，可以说，行星排特征系数是决定系统性能尤其是节油能力的一个最重要的参数之一。合理地选择行星排机构的特征参数对于开发输入分配式行星混动系统至关重要，基于此，本专利针对输入分配式行星混合动力系统提出一种行星排特征参数的匹配方法。
现有的一些混合动力系统参数匹配专利多是针对混动系统的动力源参数包括发动机、电机、电池等参数进行匹配，如中国专利公布号CN104827881A，公布日2015-08-12，该发明提出一种双模混合动力汽车双电机参数的匹配方法，可以保证在参数匹配过程中，既确保整车动力性能，又能确保整车燃油经济性；中国专利公布号CN108466544A，公布日2018-08-31，该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，对发动机、电机、电池进行选型设计。然而，对于目前应用最为广泛的输入分配式混合动力系统的关键参数---行星排特征参数，还没有一个充分考虑动力性与经济性要求的快速、有效的设计方法；此外，当前的参数匹配设计多以动力源需求为目标，鲜有对行星排特征参数仔细考虑，这将导致部件的性能不能充分发挥，系统节油能力不足等缺点。
发明内容
本发明针对输入分配行星式混合动力系统的行星排特征参数提出一种完备可行的参数匹配方法，该方法综合考虑不同行星排特征参数对各个动力源工作点及效率的影响，快速选择出最佳的行星排特征参数，在产品开发前期快速地确定决定系统效率特性的行星排特征参数，保证各动力源的性能充分发挥，保证整车经济性的大幅提升。
为实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：离散行星排特征参数，计算不同行星排特征参数对应的循环工况下三个动力源的工作点、计算不同行星排特征参数对应的循环工况下发动机热效率、MG1效率、MG2效率，计算不同行星排特征参数对应的循环工况下系统效率之和，选取最大系统效率之和对应的行星排特征参数作为匹配结果，具体步骤如下：
步骤一：离散行星排特征参数
根据行星齿轮机构的同心条件、安装条件、临界条件确定行星排特征参数的可选范围，并离散相应个数；
步骤二：针对不同行星排系数计算循环工况下三个动力源的工作点与效率
在确定发动机与电机的基本型号之后，对于发动机可获得其万有特性数据，对于电机可获得其效率特性数据。则基于发动机最优曲线策略确定循环工况下三个动力源的转矩与转速。在循环工况下，整车驱动功率如公式(1)：
Figure GDA0002681494160000021
根据发动机最优曲线策略，发动机转矩Te(n)、转速Spde(n)按公式(2)、(3)、(4)计算：
Figure GDA0002681494160000022
Figure GDA0002681494160000023
Figure GDA0002681494160000024
当发动机需求功率Pe(n)小于等于发动机最优曲线上最小功率时，发动机不启动，转矩Te(n)＝0Nm，转速Spde(n)＝0r/min；当发动机需求功率Pe(n)大于发动机最优曲线上最小功率且小于等于发动机最优曲线上最大功率时，按照发动机功率需求在最优曲线上确定发动机工作点；当发动机需求功率Pe(n)大于发动机最优曲线上最大功率时，按照发动机功率需求在外特性上确定发动机工作点，其中f(Pemax，Temax)表示发动机外特性功率Pemax与外特性扭矩Temax的关系，f(Pemax，Spdemax)表示发动机外特性功率Pemax和外特性转速Spdemax的关系，f(Peopt，Teopt)表示发动机最优曲线功率Peopt与最优曲线扭矩Teopt的关系，f(Peopt,Spdeopt)表示发动机最优曲线功率Peopt与最优曲线转速Spdeopt的关系。以上关系式可更根据选定的发动机外特性进行拟合。
在确定发动机工作点之后便可根据扭矩平衡与功率平衡确定循环工况中MG1、MG2的工作点，如公式(5)、(6)、(7)、(8)所示：
Figure GDA0002681494160000031
Figure GDA0002681494160000032
Figure GDA0002681494160000033
SpdMG1(n)＝(1+k)Spde(n)-kSpdring(n) (8)
式中Pdrive(n)为整车需求功率，单位KW，n代表离散工况点序号，m为整车总质量，单位kg，g为重力加速度，单位m/s2，f为滚动阻力系数，a(n)为车辆加速度，单位m/s2，可根据循环工况的的速度时间曲线计算，ρ为空气密度，单位kg/m3，Cd为空气阻力系数，A为迎风面积，单位m2，ua(n)为循环工况下各个时刻车速，单位km/h,Te(n)为发动机扭矩，单位Nm,Spde(n)为发动机转速，单位r/min，TMG2(n)为MG2扭矩，单位Nm,TMG1(n)为MG1扭矩，单位Nm，k为行星排特征参数，kfd为主减速器速比，kMG2为驱动电机MG2的增扭速比，Rwheel为车轮半径，单位m，ηPG为行星排效率，ηfd为主减速器效率，ηdiff为差速器效率，Spdring(n)为齿圈转速，单位r/min，SpdMG2(n)为驱动电机MG2转速，单位r/min，SpdMG1(n)为发电机MG1转速，单位r/min。
步骤三：计算不同行星排特征参数下循环工况中发动机热效率、MG1效率、MG2效率
在确定循环工况下三个动力源的工作点即Te(n)、Spde(n)、TMG1(n)、SpdMG1(n)、TMG2(n)、SpdMG2(n)，则由发动机工作点(Te(n)、Spde(n))和发动机的万有特性可计算发动机的热效率，如公式(9)、(10)所示：
Figure GDA0002681494160000034
Figure GDA0002681494160000035
其中，ηe(n)为发动机热效率，C为燃油低热值，单位kj/kg，be(n)为循环工况下的燃油消耗率，单位g/kwh，可通过燃油消耗率与发动机转矩、转速的关系f(Te，Spde，be)通过查表或啮合曲线计算得到。
由两个电机效率特性和两个电机在循环工况下的工作点(TMG1(n)、SpdMG1(n))、(TMG2(n)、SpdMG2(n))可计算MG1效率EffMG1(n)、MG2效率EffMG2(n)如公式(11)、(12)所示：
Figure GDA0002681494160000041
Figure GDA0002681494160000042
步骤四：计算不同行星排特征参数对应的循环工况系统效率和
在计算三个动力源效率后可计算系统总效率，系统总效率定义为发动机热效率与传动系统效率的乘积如公式(13)：
ηsys(n)＝ηe(n)ηtrain(n) (13)
ηtrain为传动系统效率，在机械点前后传动系统的效率如计算公式(14)、(15)所述：
机械点前
Figure GDA0002681494160000043
机械点后
Figure GDA0002681494160000044
其中SR是发动机转速与行星架转速的比值。
则循环工况下系统效率和如公式(16)：
Total_ηsys＝∑ηsys(n) (16)
步骤五：找出系统效率和最大值对应的行星排特征参数
系统效率和最高值对应的行星排特征参数为匹配的最终结果。
Figure GDA0002681494160000045
与现有技术相比本发明的有益效果是：
(1)该匹配方法解决了输入分配式行星混动系统行星排参数设计问题，匹配方法简单有效，适用性强；
(2)该匹配方法综合考虑了不同行星排特征参数下动力源工作点与效率分布，并与动力源动力分配控制策略相结合，针对不同的控制策略均可按此方法匹配行星排特征参数，具有良好的普适性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的输入分配式混合动力系统构型图；
图2为本发明所述的行星排特征参数匹配方法流程图；
图3为本发明所述的不同行星排特征参数与对应的系统效率总和关系曲线。
具体实施方式：
申请人根据某款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。
整车基本参数如表1所示
表1整车基本参数
整备质量(kg) 2560
整车总质量(kg) 4495
空气阻力系数 0.5375
迎风面积(m^2) 6
旋转质量惯性系数 1.1
主减速比 4.785
空气密度(kg/m^3) 1.2258
车轮半径(m) 0.376
驱动电机减速增扭速比k<sub>MG2</sub> 1
如图1所示，该车辆的输入分配式混合动力系统包括发动机1、扭转减振器2、前行星排3、驱动电机减速齿轮副4、发电机5、驱动电机6、主减速器7、差速器8、车轮9、发电机逆变器10、驱动电机逆变器11、电池12；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，所述发电机5与前行星排3的太阳轮相连，所述行星架轴与主减速器7相连，驱动电机6通过一个减速齿轮副4将动力传递给行星架轴，行星架轴的扭矩通过主减速器7减速增扭后，通过差速器8分配到两个车轮上驱动车辆行驶。
如图2所示，适用于输入分配式混合动力系统的行星排特征参数的匹配方法包括以下步骤：
步骤一：离散行星排特征系数
根据行星齿轮机构同心条件、安装条件、临界条件确定行星排特征参数的可选范围,本例中确定行星排特征系数为1.5～3。在前期确定的可选发动机，发电机MG1的效率特性，驱动电机MG2的效率特性的情况下进行行星排特征参数的优选。
步骤二：针对不同行星排特征参数计算循环工况下三个动力源的工作点
所选循环工况为C-WTVC工况。针对不同行星排特征参数利用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)可计算对应循环工况发动机转速、转矩，MG1转速、转矩，MG2转速、转矩。
步骤三：针对不同行星排特征参数计算循环工况下发动机热效率、MG1效率、MG2效率
在确定循环工况下三个动力源的工作点即Te(n)、Spde(n)、TMG1(n)、SpdMG1(n)、TMG2(n)、SpdMG2(n)后，针对不同行星排特征参数利用公式(9)、(10)、(11)、(12)可计算对应的循环工况发动机热效率、MG1效率、MG2效率。
步骤四：计算不同行星排特征参数对应的循环工况系统效率和
针对不同行星排特征参数利用公式(13)、(14)、(15)、(16)可对应计算系统效率和。
步骤五：找出系统效率和最大值对应的行星排特征参数
不同行星排特征参数下循环工况系统效率和变化如图3所示。可知当行星排特征参数取1.81时，循环工况系统效率和最大，则1.81为最终的行星排特征参数匹配值。

Claims (1)

1.一种输入分配式混合动力汽车行星排特征参数的匹配方法，包括区别不同行星排特征参数下计算三个动力源在循环工况下的工作点与效率、选择系统效率之和最大的行星排特征参数，其特征与计算步骤在于：
步骤一：离散行星排特征参数
根据行星齿轮机构的同心条件、安装条件、临界条件确定行星排特征参数的可选范围，并离散相应个数；
步骤二：计算不同行星排特征参数对应三个动力源在循环工况下工作点与效率
在确定发动机与电机的基本型号之后，对于发动机可获得其万有特性数据，对于电机可获得其效率特性数据，则基于发动机最优曲线策略确定循环工况下三个动力源的转矩与转速，在循环工况下，整车驱动功率如公式(1)：
Figure FDA0002681494150000011
根据发动机最优曲线策略，发动机转矩Te(n)、转速Spde(n)按公式(2)、(3)、(4)计算：
Figure FDA0002681494150000012
Figure FDA0002681494150000013
Figure FDA0002681494150000014
当发动机需求功率Pe(n)小于等于发动机最优曲线上最小功率时，发动机不启动，转矩Te(n)＝0Nm，转速Spde(n)＝0r/min；当发动机需求功率Pe(n)大于发动机最优曲线上最小功率且小于等于发动机最优曲线上最大功率时，按照发动机功率需求在最优曲线上确定发动机工作点；当发动机需求功率Pe(n)大于发动机最优曲线上最大功率时，按照发动机功率需求在外特性上确定发动机工作点，其中f(Pemax，Temax)表示发动机外特性功率Pemax与外特性扭矩Temax的关系，f(Pemax，Spdemax)表示发动机外特性功率Pemax和外特性转速Spdemax的关系，f(Peopt，Teopt)表示发动机最优曲线功率Peopt与最优曲线扭矩Teopt的关系，f(Peopt,Spdeopt)表示发动机最优曲线功率Peopt与最优曲线转速Spdeopt的关系，以上关系式可根据选定的发动机外特性进行拟合；
在确定发动机工作点之后便可根据扭矩平衡与功率平衡确定循环工况中MG1、MG2的工作点，如公式(5)、(6)、(7)、(8)所示：
Figure FDA0002681494150000021
Figure FDA0002681494150000022
Figure FDA0002681494150000023
SpdMG1(n)＝(1+k)Spde(n)-kSpdring(n) (8)
式中Pdrive(n)为整车需求功率，单位KW，n代表离散工况点序号，m为整车总质量，单位kg，g为重力加速度，单位m/s2，f为滚动阻力系数，a(n)为车辆加速度，单位m/s2，可根据循环工况的的速度时间曲线计算，ρ为空气密度，单位kg/m3，Cd为空气阻力系数，A为迎风面积，单位m2，ua(n)为循环工况下各个时刻车速，单位km/h,Te(n)为发动机扭矩，单位Nm,Spde(n)为发动机转速，单位r/min，TMG2(n)为MG2扭矩，单位Nm，k为行星排特征参数，kfd为主减速器速比，kMG2为驱动电机MG2的增扭速比，Rwheel为车轮半径，单位m，ηPG为行星排效率，ηfd为主减速器效率，ηdiff为差速器效率，Spdring(n)为齿圈转速，单位r/min，SpdMG2(n)为驱动电机MG2转速，单位r/min，SpdMG1(n)为发电机MG1转速，单位r/min；
步骤三：计算不同行星排特征参数下循环工况中发动机热效率、MG1效率、MG2效率
在确定循环工况下三个动力源的工作点即发动机扭矩Te(n)、发动机转速Spde(n)、MG1扭矩TMG1(n)、MG1转速SpdMG1(n)、MG2扭矩TMG2(n)、MG2转速SpdMG2(n)，则由发动机工作点(Te(n)、Spde(n))和发动机的万有特性可计算发动机的热效率，如公式(9)、(10)所示：
Figure FDA0002681494150000024
Figure FDA0002681494150000031
其中，ηe(n)为发动机热效率，C为燃油低热值，单位kj/kg，be(n)为循环工况下的燃油消耗率，单位g/kwh，可通过燃油消耗率与发动机转矩、转速的关系f(Te，Spde，be)通过查表或啮合曲线计算得到；
由两个电机效率特性和两个电机在循环工况下的工作点(TMG1(n)、SpdMG1(n))、(TMG2(n)、SpdMG2(n))可计算MG1效率EffMG1(n)、MG2效率EffMG2(n)如公式(11)、(12)所示：
Figure FDA0002681494150000032
Figure FDA0002681494150000033
步骤四：计算不同行星排特征参数对应的循环工况系统效率和
在计算三个动力源效率后可计算系统总效率，系统总效率定义为发动机热效率与传动系统效率的乘积如公式(13)：
ηsys(n)＝ηe(n)ηtrain(n) (13)
ηtrain(n)为传动系统效率，在机械点前后传动系统的效率计算公式：
机械点前
Figure FDA0002681494150000034
机械点后
Figure FDA0002681494150000035
其中SR是发动机转速与行星架转速的比值；
则循环工况下系统效率和如公式(16)：
Total_ηsys＝∑ηsys(n) (16)
步骤五：找出系统效率和最大值对应的行星排特征参数
系统效率和最高值对应的行星排特征参数为匹配的最终结果；
Figure FDA0002681494150000036
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