双行星混联式混合动力系统瞬时最优能量管理策略研究

戴宇童，马玮廷

双行星混联式混合动力系统瞬时最优能量管理策略研究

戴宇童，马玮廷

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

传统的基于发动机最优的控制策略目前只能使得发动机的效率达到最佳，它没有优化双行星混合能源系统的整体的效率。因此来说能源节约的效果一般。为了使车辆在不同车速下都能保持较高的效率，此文将探讨瞬时最优的能量控制的方式，通过探寻全车速下都能保持较高效率的点，以此减少燃油消耗，提高其燃油经济性。

混合动力客车；能量管理；瞬时最优

1 系统效率分析

系统最优控制策略的最重要部分是在最佳速度、扭矩曲线使发动机工作点能够维持其上，通过mg1调整发动机转速和扭矩，MG2弥补发动机输出扭矩较低的情况。通过最佳的发动机效率改善车辆的燃油经济型。但是，此处所提及的发动机的最佳目标，其只是发动机的各个部件的效率到达了最佳，而对传动系统的效率对整体效率的改变效果并不明显。

针对双行星式混合动力系统的前行星排，应用杠杆法进行分析，见图1。图中，虚线表示每个动力源的转速，实线表示箭头表示电源转矩，箭头方向表示转矩方向。有图1可得，按照电动机MG1的转速，混合模式被分为机械点，机械点之前的低速模式和机械点之后的高速模式。在这三种模式中，不同的模式会产生不同的情况。例如，当电动机MG1以正速工作时，系统位于机械点的前面的低速模式；当电动机MG1以负速工作时，系统在机械点后处于高速模式；当电动机MG1速度为0时，此时的系统则会与机械点重合。在低速模式情况下，此时的电动机MG1会处于正速，输出的转矩是负值，处于发电状态[1]。在高速模式中，电动机MG1处于负速工作的状态，其所输出转矩为负值，MG2进入发电模式来保持系统平衡。

图1 机械点前后行星混动系统杠杆图

无论是低速模式还是高速模式，发动机的动力都会通过电气路径或者机械路径输送至输出轴，如图所示，在图2和3中，行星齿轮机构的效率会对机械路径的功率产生直接影响，与此同时，电气路径又会影响到行星混动系统的综合效率损失，这时由于行星混动系统在传递功率时需要由机械效率至电功率，然后再有电功率至机械效率，在此过程中进行能量的转换，这种方式不仅转换效率不高，而且在转换过程中还会受到电路径的影响非常大。

图2 系统低速模式功率的分流图

图3 系统高速模式的功率分流图

因此，本文列出了一种瞬时状态下最优的控制策略，由于整体的系统会受到传动效率以及发动机效率的影响，因此，应找到整体效率的最佳的系统工作点，降低油耗策略的主要因素就是找到最优的分离因子。

2 分离因子简介

进一步可推导得到电机MG1功率g、发动机功率P之间关系，如式（1）所示。

上式中的即被定义为分离因子，也即式（3）：

同理，可以得出分离因子δ和机械路径发动机输出功率P的关系，即式（4）所示。

通过上述公式可以看出，分离因子的作用主要表现在将发动机机械路径上的功率输出比例进行分离。其中，机械功率的所占输出比例就是分离因子，余下的部分（1-）是电功率，两种功率的动力分配状态图4所示。分离因子的值会改变发动机的功率输出的情况，<1时，电功率点功率以及机械功率都会占一定的输出功率；而在=1时，则点功率会消失，此时机械功率占比变为100%；>1时，电机的工作情况较前面会发生转变，会伴随着产生寄生功率。

图4 行星混动系统功率分流图

应用双行星混联式客车，当客车处于形式状态时，需要将电池的电功率控制为0，这样能够提升电池的电量平衡性。此时，由发动机供给客车行驶所需的全部功率，在此过程中，系统传动效率就可以定义成系统的输出功率P和发动机输出功率P比值，即式（5）。

由于P=P+P，电路输出功率以及机械路径的输出功率，共同构成了系统的输出功率。因此机械点前后，系统的输出功率可以改写成，式（6）所示。

由上式（6）可得，分离因子和系统传动效率间关系，式（7）所示。

此处假设两电机效率η=η=0.9，两行星齿轮机构的效率η1=η2=0.95，可以得到行星混联系统传动效率和分离因子之间的关系曲线，如图5所示。

根据图5，分离因子会直接受到传动效率的影响，传递效率要想保持在最大位置，只有在系统维持在机械点附近时才能实现，所以应注重选择恰当的工作点，工作点的选择需要结合动力源的工作状态以及车辆的行驶状况进行选择，以达到系统效率的提升。

图5 传动效率随分离因子的变化图

3 系统瞬时效率寻优

4 总结

为改善发动机的最优控制策略的参数匹配目前只能使发动机的效率最优的情况，再考虑到整体传动效率对于系统效率的影响，本文提出一套双行星混联式混合动力系统瞬时最优能量管理策略，为了提高双行星混合动力系统的燃油效率，改善其燃油经济性，对于当前工程应用与学术研究都具有参考价值。

[1] 杨南南.基于历史数据的行星混联式客车在线优化控制策略[D].吉林大学,2018.

[2] 杨南南.双行星混联式客车的优化设计与动态控制[D].吉林大学, 2015.

Study on Instantaneous Optimal Energy Management Strategy for Dual Planetary Hybrid System

Dai Yutong, Ma Weiting

( China automobile research automobile inspection center (Tianjin) Co., LTD., Tianjin 300300 )

The traditional control strategy based on the optimal engine can only achieve the best efficiency of the engine, but it does not optimize the overall efficiency of the two-planet hybrid energy system. So the energy savings are modest. In order to maintain high efficiency of vehicles at different speeds, this paper will explore the instantaneous optimal energy control mode and explore the point where high efficiency can be maintained at full speeds, so as to reduce fuel consumption and improve fuel economy.

Hybrid bus; Energy management; The instantaneous optimal

U464

A

1671-7988(2019)18-64-03

U464

A

1671-7988(2019)18-64-03

戴宇童，就职于中汽研汽车检验中心（天津）有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.022