[发明专利]一种功率分流式混合动力系统及其参数匹配方法

权利要求书

1.一种功率分流式混合动力系统及其参数匹配方法，所述功率分流式混合动力系统包括：发动机、发动机离合器、第一电机、第二电机、电池、电机锁止离合器、行星排、两档自动机械式变速箱、主减速器和车轮；所述发动机与行星排行星架相连，所述第一电机与行星排太阳轮相连，所述行星排齿圈与第二电机及两档自动机械式变速箱相连；两档自动机械式变速箱通过主减速器与车轮相连；所述发动机离合器用于控制发动机与行星排行星架的连接；所述电机锁止离合器用于控制第一电机与车架的连接；其特征在于，所述功率分流式混合动力系统参数匹配方法，包括步骤：

S100，基于稳态工况，进行发动机选型，包括步骤：

S100(a)：发动机稳态需求功率计算；

为保证系统的电量维持能力，要求发动机能够提供稳态工况下的全部能量需求；稳态工况包括最高车速巡航、持续爬坡工况；

最高车速巡航需求功率P_{e_max1}计算如式(1)所示：

式中，P_{e_max1}为发动机最高车速巡航需求功率，单位为kw；v_max为最高车速，km/h；η_t为传动系统效率；m为整车性能计算用质量，单位为kg；g为重力加速度，单位为m/s²；f为滚动阻力系数；C_D为空气阻力系数；A为汽车迎风面积，单位为m²；

持续爬坡工况需求功率P_{e_max2}计算如式(2)所示：

式中，P_{e_max2}为发动机持续爬坡工况需求功率，单位为kw；v_{i_1}为持续爬坡目标车速，单位为km/h；α₁为持续爬坡角度，单位为“°”，可由式(3)计算得到：

式中，i₁为目标持续爬坡度，单位为“％”；

S100(b)：发动机总需求功率计算；

依据工程经验，需考虑附件的功率消耗，则发动机需求功率P_{e_max}可由式(4)计算得到：

P_{e_max}＝(1+τ)×max(P_{e_max1},P_{e_max2}) (4)

式中P_{e_max}为发动机需求功率，单位为kw；τ为附件所带来的发动机功率损失占比，单位为“％”，依据工程经验，取值范围为10％～15％；

S100(c)：选定合适发动机型号；

根据计算得到的发动机需求功率P_{e_max}，选定合适的发动机产品；

S200，基于系统综合效率最优，确定行星排特征参数，包括步骤：

S200(a)：确定行星排特征参数取值范围；

根据行星排的装配条件可确定行星排特征参数最小值k_min，依据工程经验，此值取1.5；

所述的功率分流式混合动力系统中，发动机转速n_e与第一电机转速n_{mg_1}之间关系如式(5)所示：

式中n_e为发动机转速，单位为r/min；n_{mg_1}为第一电机转速，单位为r/min；k为行星排特征参数；SR为行星排速比，即发动机转速与齿圈转速之比；

由式(5)、发动机转速参数和第一电机目标最高转速可得行星排特征参数最大值k_max；

则行星排特征参数取值范围为：[k_min,k_max]；

S200(b)：计算行星排传动效率；

行星排输入功率P_in可由式(6)计算得到：

式中，P_in为行星排输入功率，单位为kw；T_e为发动机输出扭矩，单位为Ngm；

行星排输出功率P_out可由式(7)计算得到：

P_out＝P_mac+P_ele (7)

式中，P_mac为行星排输出机械功率，单位为kw；P_ele为行星排输出电功率，单位为kw；

行星排输出机械功率P_mac可由式(8)计算得到：

式中n_r为行星排输出转速，即行星排齿圈转速，单位为r/min；

机械点之前，行星排输出电功率P_ele可由式(9)计算得到：

式中，T_{mg_1}为第一电机输出扭矩，单位为Ngm；η_{mg_1}、η_{mg_2}分别为第一电机和第二电机的效率；

可得机械点前的行星排传动效率η_p为：

机械点之后，行星排输出电功率P_ele可由式(11)计算得到：

机械点后的行星排传动效率η_p为：

S200(c)：根据控制策略，确定发动机效率；

所述功率分流式混合动力系统以发动机最优控制策略作为确定行星排特征参数的基础：根据发动机参数，提取发动机经济性最优曲线；当整车需求功率小于发动机最优曲线上功率最小值时，动力系统工作在纯电动模式；当整车需求功率大于发动机最优曲线上功率最小值，且小于最大值时，动力系统将发动机控制在最优曲线上；当整车需求功率大于发动机最优曲线上功率最大值时，动力系统将发动机控制在最优曲线功率最大值处；由于最优曲线上功率与转速呈单调映射关系，可唯一确定发动机的输出转速和转矩；

对发动机输出转速与转矩进行二维查表可得发动机在每一时刻的燃油消耗量b_e，可通过式(13)计算发动机的效率η_engine：

式中b_e为发动机燃油消耗率，单位为g/kwh；q为燃料的热值，单位为kJ/kg；

S200(d)：确定行星排特征参数，使系统综合效率最优；

定义系统综合效率η为燃料传递到变速箱输入轴上能量的效率，计算式如式(14)所示：

η＝η_engine×η_p (14)

通过式(14)可计算得到指定工况下的全工况系统综合效率；在范围[k_min,k_max]中遍历行星排特征参数k，求得使系统综合效率最优的行星排特征参数k；

S300，基于发动机参数，确定两档自动机械式变速箱参数，包括步骤：

S300(a)：确定二档传动比取值范围；

由于所述功率分流式混合动力系统设定有发动机直驱模式，为保证经济性，使整个发动机直驱模式均工作在二档，二档传动比i₂需满足式(15)：

式中，r为车轮半径，单位为m；n_{e_min}为发动机最低转速，单位为r/min；i₀为主减传动比；v_direct为所述动力系统发动机直驱模式切换车速，单位为km/h，依据实际经验，v_direct暂取60km/h；

为保证发动机直驱模式能满足最高车速需求，二档传动比i₂需满足式(16)：

式中，n_{e_max}为发动机最高转速，单位为r/min；v_max为所述动力系统最高车速，单位为km/h；

S300(b)：确定一档传动比取值范围；

考虑所述功率分流式混合动力系统的动力性，需保证一档可达到某特定车速v_a，为避免部件参数超出其转速范围，一档传动比i₁需满足式(17)：

式中，n_{mg2_max}为第二电机目标最高转速，单位为r/min；v_a为一档最高车速最小值，单位为km/h，此值暂取50km/h；

S300(c)：确定两档自动机械式变速箱参数；

为保证换挡前后动力的连续性，变速箱两个挡位传动比之间还应满足式(18)：

式中，λ为连续两个挡位传动比的最大比值，取值范围为1.7～2.5；

依据式(15)～(18)，并结合现有产品，选定两档自动机械式变速箱型号及参数；

S400，基于动力系统动力学关系，得到第一电机、第二电机、电池需求参数，进行第一电机、第二电机和电池选型，包括步骤：

S400(a):确定第一电机、第二电机需求参数；

根据整车纵向动力学及两档自动机械式变速箱参数，可由式(19)得到各工况下的变速箱需求输入功率P_{tra_in}、输入扭矩T_{tra_in}及输入转速n_{tra_in}：

式中，T_{tra_in}为变速箱需求输入扭矩，单位为Ngm；F_x为车辆所受纵向阻力，单位为N；i为变速箱挡位传动比，在动力性测试工况下，i＝i₁，在循环工况下，i根据车速在i₁和i₂之间切换；n_{tra_in}为变速箱需求输入转速，单位为r/min；v为车速，单位为km/h；P_{tra_in}为变速箱需求输入功率，单位为kw；

所述功率分流式混合动力系统以发动机外特性控制策略作为确定第一电机参数、第二电机参数的基础：根据发动机参数，提取发动机外特性曲线；当整车需求功率小于发动机外特性曲线上功率最小值时，动力系统工作在外特性曲线上功率最小值处；当整车需求功率大于发动机最优曲线上功率最小值，且小于最大值时，动力系统将发动机控制在外特性曲线上；当整车需求功率大于发动机外特性曲线上功率最大值时，动力系统将发动机控制在外特性曲线功率最大值处；由于外特性曲线上功率与转速呈单调映射关系，可唯一确定发动机的输出转速和转矩；

通过式(20)可得第一电机和第二电机需求参数：

式中，P_engine、P_{mg_1}、P_{mg_2}分别为发动机输出功率、第一电机输出功率和第二电机输出功率，单位为kw；n_{mg_2}为第二电机输出转速，单位为r/min；T_{mg_2}为第二电机输出扭矩，单位为Ngm；

S400(b):依据动力性指标，进行第一电机与第二电机选型；

在极限加速时间指标需求下，通过式(19)与式(20)可得到第一电机与第二电机需求参数；在最大爬坡指标需求下，通过式(19)与式(20)可得到第一电机与第二电机需求参数；将两种瞬态工况下的电机需求参数进行对比，取其较大值，得到第一电机与第二电机的峰值功率、峰值扭矩和最高转速；

在最高车速指标需求下，通过式(19)与式(20)可得到第一电机与第二电机需求参数；在持续爬坡指标需求下，通过式(19)与式(20)可得到第一电机与第二电机需求参数；将两种稳态工况下的电机需求参数进行对比，取其较大值，得到第一电机与第二电机的额定功率、额定扭矩和最高转速；

将瞬态工况和稳态工况下第一电机与第二电机的最高转速进行对比，取其较大值，为第一电机与第二电机的最高转速；

根据计算得到的第一电机与第二电机的峰值功率、峰值扭矩、额定功率、额定扭矩和最高转速，结合现有电机资源，选定符合需求的第一电机与第二电机的产品；

S400(c):进行电池选型；

电池需求功率可由式(21)求得：

分别在极限加速、最大爬坡、最高车速、持续爬坡和循环工况下通过式(19)、式(20)和式(21)可求得电池需求功率，取其绝对值最大值即为电池峰值功率；

电池的充、放电的能量需求可由式(22)求得：

式中，W_bat为电池能量，单位为kwgh；

根据电池的功率需求和能量需求，结合单体电池参数，便可确定电池的串联组数和并联组数；

S500，基于极限加速时间和经济性最优，确定换挡车速阈值及发动机直驱模式车速阈值，包括步骤：

S500(a)：建立优化设计数学模型；

所述功率分流式混合动力系统控制参数主要是换挡车速阈值v_shift和发动机直驱模式车速阈值v_direct，故取设计变量如式(22)所示：

Z＝[z₁,z₂]＝[v_shift,v_direct] (22)

式中v_shift为换挡车速阈值，单位为km/h；

考虑到换挡车速阈值v_shift和发动机直驱模式车速阈值v_direct会对极限加速时间和循环工况经济性产生影响，确定优化设计目标函数为：

F(z)＝μ₁t+μ₂V (23)

式中，μ₁、μ₁分别为极限加速时间和循环工况油耗的权重系数；t为极限加速时间，单位为s；V为设定的循环工况油耗，单位为L；

t的计算式如式(24)所示：

控制发动机和电机均在外特性上，根据式(20)可得此时的变速箱输入转矩T_{tra_in}；

V的计算如式(25)所示：

式中，P_engine为发动机输出功率，单位为kw，值可由式(19)与式(20)计算得到；b_e为发动机燃油消耗率，单位为g/kwh；ρ为燃料密度，单位为g/cm³；

所述功率分流式混合动力系统的发动机直驱模式中，电机锁止离合器将第一电机与车架相连，发动机输出扭矩、输出转速和输出功率可由式(19)和式(26)求得：

发动机燃油消耗率b_e可根据发动机输出扭矩和输出转速进行二维查表得到；

为保证发动机直驱模式工作在二档，需满足式(27)：

v_direct≥v_shift (27)

为保证第二电机需求转速不超过其最高转速需满足式(28)：

依据工程经验还需满足式(29)和式(30)：

v_shift≥50km/h (29)

60km/h≤v_direct≤110km/h (30)

则优化设计目标函数如式(31)：

S500(b)：利用粒子群算法确定参数；

编写PSO算法程序对式(31)进行求解，其中各初始参数可在合理范围内进行设置；

运行程序后得到最优的换挡车速阈值v_shift和发动机直驱模式车速阈值v_direct；

S600，基于前向仿真模型，进行匹配结果验证，包括步骤：

S600(a)：建立前向仿真模型；

根据所述功率分流式混合动力系统的结构及其动力学公式，建立由工况输入模块、驾驶员模块、控制策略模块、动力系统模块和整车模块所组成的前向仿真模型；

S600(b)：进行匹配结果验证；

将所述功率分流式混合动力系统参数匹配结果输入到所建立的前向仿真模型中，验证动力性指标和经济性指标是否符合需求。