采用键合图理论的HEV双行星排动力耦合机构功率流分析

张绚玮，陈 龙

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

采用键合图理论的HEV双行星排动力耦合机构功率流分析

张绚玮，陈 龙

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

针对双行星排式混合动力汽车由于动力耦合机构内部出现循环功率而导致的系统功率损失和传递效率下降现象，基于键合图理论，对双行星排式动力耦合机构进行优化设计。从双行星排式动力耦合机构功率传递路径和分配比重角度，分析系统循环功率流的产生机理，建立动力耦合机构不同驱动模式下的动力学模型。在此基础上，研究了各驱动模式下行星排特征参数对系统内部功率流的影响规律，确定了避免产生系统循环功率的一般条件，为双行星排式混合动力汽车动力耦合机构的优化设计提供了理论依据和参考。

混合动力汽车；双行星排；功率循环；键合图

随着石油资源的渐趋匮乏、环境污染日益严重，开发新能源汽车逐渐成为汽车产业发展的紧迫任务[1]。混合动力汽车因其兼有高效率、低排放、良好的动力性和续驶里程的优点成为当今研究热点[2]。混合动力汽车为多动力源的耦合输出，动力耦合装置的性能直接影响整车性能[3-5]。双行星排式动力耦合机构由于质量轻、结构紧凑、能汇集多种耦合方式，已成为汽车工程界的关注重点[6-7]。但由于其具有多个输入输出端口，传输功率存在多条路径，当系统中支路传动比或其他参数选择不合理时，可能会在耦合机构内部出现功率循环[8]，从而导致一系列缺陷，如噪音、磨损、寿命减少、传动效率降低等。

目前，国内外对双行星排结构已有一定的研究。国外通过对具体案例调查分析出避免功率循环的主要条件[9-10]。我国张木青、朱新军等[11-12]分析了2排行星齿轮系刚性连接时功率流方向与功率分配系数的关系，确定了功率循环对系统传动效率的影响。但这些研究仅确定了在单个功率输入情况下的功率传动情况，未对多功率输入情况进行分析。本文介绍了一种新型双行星排齿轮耦合机构，将对其不同功率输入情况下的耦合机构功率流进行分析，并分析合理选择的单元传动比对传动效率的影响。

1 双行星排式动力耦合机构

1.1 基本结构

双行星排耦合机构结构多样，但现已应用在Prius、Lexus车型上的结构有工作模式过少、增速效果不明显、对电机要求过高等缺点[13]。国内研究的GEF结构[14]工作模式过多、控制复杂。因此，本研究选择的动力耦合机构是一套双行星排式齿轮传动机构，由2排简单的行星轮系、1个离合器、2个制动器组成。系统结构图如图1所示。其中，在第1个行星排中，行星架C1通过离合器CR、制动器CB1与发动机相连，太阳轮S1通过制动器CB2与电机MG1相连；在第2个行星排中，齿圈R2与第1排的行星架相连，太阳轮S2与电机MG2相连，行星架C2与第1排的齿圈R1相连接并作为输出。

图1 系统结构

1.2 系统工作模式

系统通过控制1个离合器、2个制动器的分离与接合，实现多种工作模式的切换，从而完成不同行驶工况下发动机和电机的动力合成。根据混合动力汽车的实际运行工况，可以提炼出7种工作模式，如表1所示。

表1 整车工作模式

2 功率循环机理

若不考虑行星齿轮能量传递效率，行星齿轮的基本特性方程为：

ωS+k·ωR-(1+k)ωC=0

(1)

TS+TR+TC=0

(2)

TSωS+TRωR+TCωC=0

(3)

式中：ωS、ωR、ωC分别是太阳轮、齿圈和行星架的角速度；TS、TR、TC分别是作用于太阳轮、齿圈和行星架的扭矩；k为太阳轮对齿圈的传动比。

根据以上方程可以得到扭矩的关系式：

(4)

分析不同工作模式，可知该耦合系统工作时主要分为1个功率输入和2个功率输入2种情况。为了更加清楚地表示功率流的流动方向，把动力系统图简化为方块图，如图2、3所示。

图2 单输入工作状态

图3 双输入工作状态

图2中由构件1输入功率，由构件3、6输出功率。输入功率P1利用双路径传递，其中一部分功率P3通过第一排行星轮系由构件3直接传递给输出轴，另一部分功率P2绕过第2排行星轮传递给输出轴。图3中构件1端口输入的功率与图2中一致，另一端口的输入功率P4同理也分为P5、P6输出。

P1=P2+P3

(5)

P4=P5+P6

(6)

可以设：

P2=X1·P1

(7)

P5=X2·P4

(8)

P3=(1-X1)·P1

(9)

P6=(1-X2)·P4

(10)

其中X1、X2为输入功率在支路上的分配系数。根据分配系数的大小可以判断系统中是否存在功率循环。

由表2中3个循环图可以看出：当功率分配系数X<0时，功率P2、P3呈逆时针方向循环；当分配系数01时，功率P2、P3呈顺时针方向循环。

表2 行星齿轮单输入内部功率流循环方向

由表3中的循环图看出：虽然有两端都输入的功率流流向大致可以分为12种，但只有在4种情况下会产生功率循环，并且可以合并概括为：当2个输入分配系数中一个大于1另一个小于1的情况下会产生功率循环。

表3 行星齿轮双输入内部功率流循环方向

续表(表3)

3 键合图功率流分析

为对所研究的双行星排式动力耦合装置进行功率流分析，基于键合图理论[11]建立各个模式下系统的动力学模型，使功率的流向及扭矩清楚的表达出来，并仅针对HEV驱动模式进行分析，忽略制动工况。

1) 当CR结合时，发动机与MG2共同向耦合器输入功率，处于复合驱动模式，所建立的功率键合图如图4所示，其中：k1、k2分别为第1排、第2排行星轮传动比；α为两个电机的转速比。

图4 复合驱动模式键合图

得到状态方程：

ωS2=α·ωS1

(11)

ωC1·(k1+1)-ωS1-ωR1·k1=0

(12)

(13)

(14)

(15)

由状态方程得到分配系数：

(16)

(17)

根据键合图列出的状态方程计算，分别得到X1、X2的关系式。由表3可知：在X1<1的情况下，只有当X2>1时系统才会产生功率循环。

2) 当CB2结合、CB1与CR都分离时，第1排行星轮中的太阳轮被锁住，处于纯电动驱动模式，功率键合图如图5所示。

图5 纯电动驱动模式键合图

得到功率分配系数：

(18)

由表2可得：当X2<0或X2>1时会产生功率循环。

3) 当CR结合时,第1行星轮中行星架与发动机相连，MG1、MG2分别与两排行星轮中的太阳轮相连，带动发动机启动。此时处于发动机启动模式，所建立的功率键合图如图6所示。

图6 发动机启动模式键合图

得到功率分配系数：

(19)

(20)

当功率分配系数X=0或者X=1时，可以看出：功率流只流经支路中其中一条，不会产生功率循环。

4 仿真分析

由于其他模式不会产生功率循环，所以只分析纯电动驱动与联合驱动2种模式。一般简单行星排的传动比为(1.13，13.7)[12]。

图7为纯电动模式下功率分配系数关系。图中，不论k2为何值，X2都随k1值增大而增大。若要满足X2<1的条件，需要：k2=1.5，k1∈(1.13,5)；k2=5，k1∈(1.13,1.5)；k2=9，k1∈(1.13,1.25)；k2=13.5，k1∈(1.13,1.16)。k2越大，满足X2<1的k1值域越小，越易产生功率循环。所以，在设计参数时，单个行星排参数与两行星排参数关系都需考虑，选定的传动比越小越能避免或减小循环功率。

图7 X2、k1、k2关系分布曲线

图8中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别表示α=0.1、α=0.5、α=1、α=5、α=10时X2与k1、k2的关系分布。在5个图中α=10时的X2最大值约为126，α=0.1时的X2最大值约为7.2。可以看出：X2随α的增大而增大，且只有在α<1时能满足X2<1的条件，不存在功率循环。当α<1时X2的值随k1、k2的值增大而增大；当α=1时，X2不随k1的值变化而变化，只随k2的值增大而增大；当α>1时X2的值随k1的值增大而减小，但随k2的值增大而增大。

根据分析可以得出：功率分配系数X2不仅取决于2个行星排的特征参数，还取决于2个电动机转速之比。当α=1时，k2的值越大越容易产生循环功率；当α<1时，k1、k2的值越大越容易产生循环功率；当α>1时，k1的值越大、k2的值越小越容易产生循环功率。在参数设计时，α的取值尽量小于1。

图8 X2、k1、k2、α关系分布曲线

5 结束语

根据汽车驱动时的功率输入情况，阐述了动力耦合装置由于功率分配不当而导致功率流循环的产生机理。

基于键合图理论，建立了动力耦合装置在不同驱动工作模式下的功率分配模型，分析了系统各元件间的能量转换关系，建立了基于双行星排机构的功率分流机构数学模型，进行了系统内部功率流分析。以单元传动比k为横坐标，功率分配系数X为纵坐标，绘出传动比及功率分配系数关系图，通过图像可直观地看出传动比对功率流是否产生循环的影响。

研究了各驱动模式下行星排特征参数对系统内部功率流的影响规律，并确定了避免系统产生循环功率的一般条件。确定功率流比主要取决于3个参数：2个电机的转速比α、行星排传动比k1、k2。传动比与电机转速比大小越小越易避免功率循环,提高机构传动效率。该研究为双行星排式动力耦合装置的优化设计提供依据。

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AnalysisofCirculatingPowerofDual-PlanetaryGearHybridElectricVehicleBasedonBondGraph

ZHANG Xuanwei, CHEN Long

(School of Automobile and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China)

Since internal circulating power of the power coupling device leads to power loss and transmission efficiency decline, an optimized design based on bond graph theory was carried out in the designing of the power coupling device. From the standpoint of power transmission paths and the power partition density, the generation mechanism of system circulating power flow was analyzed. And the dynamic model of the power coupling device in different driving modes was further established on the basis bond graph theory. In addition, the impacts of the planetary characteristic parameters on the system internal power flow were investigated, and the conditions to avoid circulating power were decided. The study provided the theoretical basis and guide for the optimization design of dual-planetary gear sets in hybrid electric vehicle.

hybrid electric vehicle; dual-planetary gear; power cycle; bond graph

2017-02-20

张绚玮(1991—)，女，硕士研究生，主要从事汽车传动系统研究，E-mail:476682964@qq.com。

张绚玮，陈龙.采用键合图理论的HEV双行星排动力耦合机构功率流分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(12):22-27,46.

formatZHANG Xuanwei, CHEN Long.Analysis of Circulating Power of Dual-Planetary Gear Hybrid Electric Vehicle Based on Bond Graph[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):22-27,46.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.004

U469.72

A

1674-8425(2017)12-0022-06

(责任编辑刘 舸)