基于功率流的混合动力汽车双行星排动力耦合机构分析研究

吴飞



基于功率流的混合动力汽车双行星排动力耦合机构分析研究

吴飞

（江苏省交通技师学院，江苏 镇江 212028）

随着环境污染和能源危机问题日益突出，新能源汽车成为汽车行业新的发展趋势，其中混合动力汽车的动力耦合机构是新能源汽车研究重点之一。文章介绍了一种新的双行星排动力耦合机构，并对其结构和工作模式进行了分析，并用杠杆法与功率流方块简图相结合的方法对该双行星排耦合机构进行功率流分析研究，确定该系统产生功率循环的主要因素，为双行星排动力耦合装置的优化设计提供分析方法和依据。

混合动力汽车；双行星排动力耦合机构；功率流分析

前言

随着环境污染和能源危机问题日益突出，国家近几年出台一系列关于新能源汽车的利好政策，新能源汽车呈现出迅猛发展的势头，2018年新能源汽车的产销量分别达到127万辆和125.6万辆。混合动力汽车作为新能源汽车的主要发展方向之一，其动力耦合装置是目前研究的重点。

功率分流混合动力系统是一种混联式混合动力系统，采用功率分流装置将汽车输出功率输送至驱动轮，一路为电气由电动机转化为机械功率，另一路为机械由发动机直接输出，两路功率混合后驱动汽车行驶。功率混合所使用的动力耦合装置多数采用行星齿轮机构，而双行星排齿轮机构由于结构和控制策略相对简单等优点而得到广泛应用，通过离合器和制动器的相互配合，提供多种动力输出模式，以满足不同工况的需要。

在功率分流混合动力系统中，功率流分为功率分流传输和功率循环传输两种类型，功率分流传输具有结构尺寸紧凑、多种转速比、控制简单、机械效率高等优点，而功率循环传输不能产生有效的功率输出，会显著降低效率。因此，必须对动力耦合装置功率流的流动情况进行分析，研究功率循环产生的原因，调整动力耦合装置的结构，以避免或尽量减小出现功率循环情况。

1 双行星排动力耦合机构的结构

混合动力汽车的动力耦合传动系统有多种结构，本文提出一种新的双行星排动力耦合机构，结构如图1所示。该双行星排动力耦合机构有前行星排和后行星排2个行星排轮系、1个离合器、前制动器和后制动器2个制动器。其中，前行星排的行星架C1和后行星排的齿圈R2直接相连，前行星排的齿圈R1和后行星排的行星架C2直接相连。对于前行星排，发动机（1）通过离合器CR（2）、前制动器CB1（3）与前行星排行星架C1（7）相连，电机MG1（4）通过后制动器CB2（5）与前行星排太阳轮S1（6）相连；对于后行星排，前齿圈R1后行星架C2（10）作为输出与输出轴相连（11），后行星排太阳轮S2（8）与电机MG2（9）相连。通过控制离合器和前后制动器的工作实现双行星排多种连接方式和工作模式。

图1 双行星排动力耦合机构

1-发动机 2-离合器CR 3-前制动器CB1 4-电机MG1 5-后制动器CB2 6-前太阳轮S1 7-前行星架C1后齿圈R2 8-后太阳轮S2 9-电机MG2 10-前齿圈R1后行星架C2 11-驱动轴

2 动力耦合机构动力学分析

图2 双行星排动力耦合机构结构简图

为了方便分析，将双行星排动力耦合机构结构简化，如图2所示。主要元件有发动机、电机MG1、电机MG2、离合器CR、制动器CB1、制动器CB2，前行星排太阳轮S1、行星架C1和齿圈R1，后行星排太阳轮S2、行星架C2和齿圈R2。

3 功率流分析

3.1 工作模式分析

如图2所示，通过控制离合器CR、制动器CB1、制动器CB2的结合或分离，实现双行星排动力耦合机构的多种工作模式，上述三个元件的结合和分离能实现23=8种理论工作方案，结合发动机、电机MG1、电机MG2的工作状态，在实际工作中能实现9中工作模式，如表1所示。除了停车模式，另外8种工作模式的功率流动情况如图3所示。

表1 系统工作模式

3.2 功率循环判断

通过对双行星排动力耦合机构的8种工作模式及不同工作模式的功率流动情况进行分析，可以判断各个工作模式是否存在功率循环，目前常用的功率流分析方法是杠杆法，下面以纯电动1工作模式为例，用杠杆法进行功率流分析。

车辆处于纯电动1工作模式时，发动机和电机MG1不工作，只有电机MG2工作，离合器CR和制动器CB2断开，电机MG2与后行星排行星架S2相连，制动器CB1结合，前行星排行星架被锁止，其工作模式如图3(a)所示。利用杠杆法建立杠杆图如图4所示，功率流分析方块图如图5所示（PG1为前行星排功率，PG2为后行星排功率）。

由此可得到的函数关系式：

式中TS2、TC2 分别为后行星排太阳轮转矩、行星架转矩；ωS2、ωC2分别为后行星排太阳轮转速、行星架转速；PS2、PR2、PC2分别为后行星排太阳轮功率、齿圈功率、行星架功率；k2为后行星排外齿圈齿数ZR2和太阳轮的齿数ZS2之比；X2为后行星排功率分配系数。

图5 纯电动1功率流分析方块图

由功率流分析方块图5可知，在纯电动1工作模式下，只有后行星排太阳轮S2一个端口输入功率，而且后行星排功率分配系数X2=0，因此可得出电机MG2输入的功率流全部流向后行星排行星架C2端口，因此纯电动1工作模式没有功率分流更不会产生功率循环。

通过使用杠杆法与功率流方块简图相结合的方法对该双行星排耦合机构的9种工作模式进行功率流分析研究，得出结论：只有在纯电动2和联合驱动两种工作模式下有可能会产生功率循环，用MATLAB软件对这两种工作模式进行建模分析，两个行星排的传动比会直接影响到功率流循环的产生，因此在双行星排耦合机构齿轮传动比确定时要确保在纯电动2和联合驱动两种工作模式下不产生功率循环。

4 总结

本文主要介绍了一种新的双行星排动力耦合机构，并对其结构进行了分析，确定其在实际工作中的9种工作模式，并用杠杆法与功率流方块简图相结合的方法对该双行星排耦合机构的9种工作模式进行功率流分析研究，确定该系统避免产生功率循环的主要因素在于两个行星排的传动比，为双行星排动力耦合装置的优化设计提供了分析方法和依据。

[1] 陈艳,李滨城,姜峰,陆响明.混合动力汽车齿轮传动系统的动力学分析[J].机械制造,2018(8).

[2] 马建,刘晓东,陈轶嵩,汪贵平,赵轩.中国新能源汽车产业与技术发展现状及对策[J].中国公路学报,2018(8).

[3] 施德华.功率分流式混合动力汽车能量管理系统混杂动态建模与优化控制研究[D].江苏大学,2017(4).

[4] 张绚玮.双行星排式混合动力汽车功率流分析与建模仿真研究[D].江苏大学,2016(7).

Analysis and Research on Power Flow-based of Hybrid Electric Vehicle Dual-planetary Row Coupling Mechanism

Wu Fei

( Jiangsu Jiaotong College, Jiangsu Zhenjiang 212028 )

With the aggravation of environmental pollution and energy crisis, new energy vehicles have become a new development trend in the automotive industry, and the power coupling mechanism of hybrid electric vehicles is one of the key research areas of new energy vehicles. In this paper, a new type of dual-planetary row coupling mechanism is introduced, and its structure and working mode are analyzed. The power flow analysis of the dual-planetary row coupling mechanism is carried out by combining the lever method with the block diagram of power flow. The main factors of generating power cycle in the system are determined. The analysis method and basis are provided for the optimal design of the dual-planetary row coupling device.

Hybrid Electric Vehicle; Dual-planetary Pair Power Coupling Mechanism; Power Flow Analysis

U469.7

A

1671-7988(2019)08-25-03

U469.7

A

1671-7988(2019)08-25-03

吴飞（1985-），男，就职于江苏省交通技师学院。研究方向：汽车电控技术、汽车检测技术、新能源汽车。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.007