[發(fā)明專利]一種功率分流式混合動力系統(tǒng)及其參數(shù)匹配方法

有效

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• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113022544B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設計）人: 曾小華;李亞朋;宋大鳳;武慶濤;黃鈺峰;岳一霖;段朝勝;李敦邁;向遠貴;鄭琦
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60W20/11
• 分類號: B60W20/11;B60W40/00
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

1.一種功率分流式混合動力系統(tǒng)及其參數(shù)匹配方法，所述功率分流式混合動力系統(tǒng)包括：發(fā)動機、發(fā)動機離合器、第一電機、第二電機、電池、電機鎖止離合器、行星排、兩檔自動機械式變速箱、主減速器和車輪；所述發(fā)動機與行星排行星架相連，所述第一電機與行星排太陽輪相連，所述行星排齒圈與第二電機及兩檔自動機械式變速箱相連；兩檔自動機械式變速箱通過主減速器與車輪相連；所述發(fā)動機離合器用于控制發(fā)動機與行星排行星架的連接；所述電機鎖止離合器用于控制第一電機與車架的連接；其特征在于，所述功率分流式混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，包括步驟：

S100，基于穩(wěn)態(tài)工況，進行發(fā)動機選型，包括步驟：

S100(a)：發(fā)動機穩(wěn)態(tài)需求功率計算；

為保證系統(tǒng)的電量維持能力，要求發(fā)動機能夠提供穩(wěn)態(tài)工況下的全部能量需求；穩(wěn)態(tài)工況包括最高車速巡航、持續(xù)爬坡工況；

最高車速巡航需求功率P_{e_max1}計算如式(1)所示：

式中，P_{e_max1}為發(fā)動機最高車速巡航需求功率，單位為kw；v_max為最高車速，km/h；η_t為傳動系統(tǒng)效率；m為整車性能計算用質(zhì)量，單位為kg；g為重力加速度，單位為m/s²；f為滾動阻力系數(shù)；C_D為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風面積，單位為m²；

持續(xù)爬坡工況需求功率P_{e_max2}計算如式(2)所示：

式中，P_{e_max2}為發(fā)動機持續(xù)爬坡工況需求功率，單位為kw；v_{i_1}為持續(xù)爬坡目標車速，單位為km/h；α₁為持續(xù)爬坡角度，單位為“°”，可由式(3)計算得到：

式中，i₁為目標持續(xù)爬坡度，單位為“％”；

S100(b)：發(fā)動機總需求功率計算；

依據(jù)工程經(jīng)驗，需考慮附件的功率消耗，則發(fā)動機需求功率P_{e_max}可由式(4)計算得到：

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

式中P_{e_max}為發(fā)動機需求功率，單位為kw；τ為附件所帶來的發(fā)動機功率損失占比，單位為“％”，依據(jù)工程經(jīng)驗，取值范圍為10％～15％；

S100(c)：選定合適發(fā)動機型號；

根據(jù)計算得到的發(fā)動機需求功率P_{e_max}，選定合適的發(fā)動機產(chǎn)品；

S200，基于系統(tǒng)綜合效率最優(yōu)，確定行星排特征參數(shù)，包括步驟：

S200(a)：確定行星排特征參數(shù)取值范圍；

根據(jù)行星排的裝配條件可確定行星排特征參數(shù)最小值k_min，依據(jù)工程經(jīng)驗，此值取1.5；

所述的功率分流式混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機轉速n_e與第一電機轉速n_{mg_1}之間關系如式(5)所示：

式中n_e為發(fā)動機轉速，單位為r/min；n_{mg_1}為第一電機轉速，單位為r/min；k為行星排特征參數(shù)；SR為行星排速比，即發(fā)動機轉速與齒圈轉速之比；

由式(5)、發(fā)動機轉速參數(shù)和第一電機目標最高轉速可得行星排特征參數(shù)最大值k_max；

則行星排特征參數(shù)取值范圍為：[k_min,k_max]；

S200(b)：計算行星排傳動效率；

行星排輸入功率P_in可由式(6)計算得到：

式中，P_in為行星排輸入功率，單位為kw；T_e為發(fā)動機輸出扭矩，單位為Ngm；

行星排輸出功率P_out可由式(7)計算得到：

P_out＝P_mac+P_ele (7)

式中，P_mac為行星排輸出機械功率，單位為kw；P_ele為行星排輸出電功率，單位為kw；

行星排輸出機械功率P_mac可由式(8)計算得到：

式中n_r為行星排輸出轉速，即行星排齒圈轉速，單位為r/min；

機械點之前，行星排輸出電功率P_ele可由式(9)計算得到：

式中，T_{mg_1}為第一電機輸出扭矩，單位為Ngm；η_{mg_1}、η_{mg_2}分別為第一電機和第二電機的效率；

可得機械點前的行星排傳動效率η_p為：

機械點之后，行星排輸出電功率P_ele可由式(11)計算得到：

機械點后的行星排傳動效率η_p為：

S200(c)：根據(jù)控制策略，確定發(fā)動機效率；

所述功率分流式混合動力系統(tǒng)以發(fā)動機最優(yōu)控制策略作為確定行星排特征參數(shù)的基礎：根據(jù)發(fā)動機參數(shù)，提取發(fā)動機經(jīng)濟性最優(yōu)曲線；當整車需求功率小于發(fā)動機最優(yōu)曲線上功率最小值時，動力系統(tǒng)工作在純電動模式；當整車需求功率大于發(fā)動機最優(yōu)曲線上功率最小值，且小于最大值時，動力系統(tǒng)將發(fā)動機控制在最優(yōu)曲線上；當整車需求功率大于發(fā)動機最優(yōu)曲線上功率最大值時，動力系統(tǒng)將發(fā)動機控制在最優(yōu)曲線功率最大值處；由于最優(yōu)曲線上功率與轉速呈單調(diào)映射關系，可唯一確定發(fā)動機的輸出轉速和轉矩；

對發(fā)動機輸出轉速與轉矩進行二維查表可得發(fā)動機在每一時刻的燃油消耗量b_e，可通過式(13)計算發(fā)動機的效率η_engine：

式中b_e為發(fā)動機燃油消耗率，單位為g/kwh；q為燃料的熱值，單位為kJ/kg；

S200(d)：確定行星排特征參數(shù)，使系統(tǒng)綜合效率最優(yōu)；

定義系統(tǒng)綜合效率η為燃料傳遞到變速箱輸入軸上能量的效率，計算式如式(14)所示：

η＝η_engine×η_p (14)

通過式(14)可計算得到指定工況下的全工況系統(tǒng)綜合效率；在范圍[k_min,k_max]中遍歷行星排特征參數(shù)k，求得使系統(tǒng)綜合效率最優(yōu)的行星排特征參數(shù)k；

S300，基于發(fā)動機參數(shù)，確定兩檔自動機械式變速箱參數(shù)，包括步驟：

S300(a)：確定二檔傳動比取值范圍；

由于所述功率分流式混合動力系統(tǒng)設定有發(fā)動機直驅(qū)模式，為保證經(jīng)濟性，使整個發(fā)動機直驅(qū)模式均工作在二檔，二檔傳動比i₂需滿足式(15)：

式中，r為車輪半徑，單位為m；n_{e_min}為發(fā)動機最低轉速，單位為r/min；i₀為主減傳動比；v_direct為所述動力系統(tǒng)發(fā)動機直驅(qū)模式切換車速，單位為km/h，依據(jù)實際經(jīng)驗，v_direct暫取60km/h；

為保證發(fā)動機直驅(qū)模式能滿足最高車速需求，二檔傳動比i₂需滿足式(16)：

式中，n_{e_max}為發(fā)動機最高轉速，單位為r/min；v_max為所述動力系統(tǒng)最高車速，單位為km/h；

S300(b)：確定一檔傳動比取值范圍；

考慮所述功率分流式混合動力系統(tǒng)的動力性，需保證一檔可達到某特定車速v_a，為避免部件參數(shù)超出其轉速范圍，一檔傳動比i₁需滿足式(17)：

式中，n_{mg2_max}為第二電機目標最高轉速，單位為r/min；v_a為一檔最高車速最小值，單位為km/h，此值暫取50km/h；

S300(c)：確定兩檔自動機械式變速箱參數(shù)；

為保證換擋前后動力的連續(xù)性，變速箱兩個擋位傳動比之間還應滿足式(18)：

式中，λ為連續(xù)兩個擋位傳動比的最大比值，取值范圍為1.7～2.5；

依據(jù)式(15)～(18)，并結合現(xiàn)有產(chǎn)品，選定兩檔自動機械式變速箱型號及參數(shù)；

S400，基于動力系統(tǒng)動力學關系，得到第一電機、第二電機、電池需求參數(shù)，進行第一電機、第二電機和電池選型，包括步驟：

S400(a):確定第一電機、第二電機需求參數(shù)；

根據(jù)整車縱向動力學及兩檔自動機械式變速箱參數(shù)，可由式(19)得到各工況下的變速箱需求輸入功率P_{tra_in}、輸入扭矩T_{tra_in}及輸入轉速n_{tra_in}：

式中，T_{tra_in}為變速箱需求輸入扭矩，單位為Ngm；F_x為車輛所受縱向阻力，單位為N；i為變速箱擋位傳動比，在動力性測試工況下，i＝i₁，在循環(huán)工況下，i根據(jù)車速在i₁和i₂之間切換；n_{tra_in}為變速箱需求輸入轉速，單位為r/min；v為車速，單位為km/h；P_{tra_in}為變速箱需求輸入功率，單位為kw；

所述功率分流式混合動力系統(tǒng)以發(fā)動機外特性控制策略作為確定第一電機參數(shù)、第二電機參數(shù)的基礎：根據(jù)發(fā)動機參數(shù)，提取發(fā)動機外特性曲線；當整車需求功率小于發(fā)動機外特性曲線上功率最小值時，動力系統(tǒng)工作在外特性曲線上功率最小值處；當整車需求功率大于發(fā)動機最優(yōu)曲線上功率最小值，且小于最大值時，動力系統(tǒng)將發(fā)動機控制在外特性曲線上；當整車需求功率大于發(fā)動機外特性曲線上功率最大值時，動力系統(tǒng)將發(fā)動機控制在外特性曲線功率最大值處；由于外特性曲線上功率與轉速呈單調(diào)映射關系，可唯一確定發(fā)動機的輸出轉速和轉矩；

通過式(20)可得第一電機和第二電機需求參數(shù)：

式中，P_engine、P_{mg_1}、P_{mg_2}分別為發(fā)動機輸出功率、第一電機輸出功率和第二電機輸出功率，單位為kw；n_{mg_2}為第二電機輸出轉速，單位為r/min；T_{mg_2}為第二電機輸出扭矩，單位為Ngm；

S400(b):依據(jù)動力性指標，進行第一電機與第二電機選型；

在極限加速時間指標需求下，通過式(19)與式(20)可得到第一電機與第二電機需求參數(shù)；在最大爬坡指標需求下，通過式(19)與式(20)可得到第一電機與第二電機需求參數(shù)；將兩種瞬態(tài)工況下的電機需求參數(shù)進行對比，取其較大值，得到第一電機與第二電機的峰值功率、峰值扭矩和最高轉速；

在最高車速指標需求下，通過式(19)與式(20)可得到第一電機與第二電機需求參數(shù)；在持續(xù)爬坡指標需求下，通過式(19)與式(20)可得到第一電機與第二電機需求參數(shù)；將兩種穩(wěn)態(tài)工況下的電機需求參數(shù)進行對比，取其較大值，得到第一電機與第二電機的額定功率、額定扭矩和最高轉速；

將瞬態(tài)工況和穩(wěn)態(tài)工況下第一電機與第二電機的最高轉速進行對比，取其較大值，為第一電機與第二電機的最高轉速；

根據(jù)計算得到的第一電機與第二電機的峰值功率、峰值扭矩、額定功率、額定扭矩和最高轉速，結合現(xiàn)有電機資源，選定符合需求的第一電機與第二電機的產(chǎn)品；

S400(c):進行電池選型；

電池需求功率可由式(21)求得：

分別在極限加速、最大爬坡、最高車速、持續(xù)爬坡和循環(huán)工況下通過式(19)、式(20)和式(21)可求得電池需求功率，取其絕對值最大值即為電池峰值功率；

電池的充、放電的能量需求可由式(22)求得：

式中，W_bat為電池能量，單位為kwgh；

根據(jù)電池的功率需求和能量需求，結合單體電池參數(shù)，便可確定電池的串聯(lián)組數(shù)和并聯(lián)組數(shù)；

S500，基于極限加速時間和經(jīng)濟性最優(yōu)，確定換擋車速閾值及發(fā)動機直驅(qū)模式車速閾值，包括步驟：

S500(a)：建立優(yōu)化設計數(shù)學模型；

所述功率分流式混合動力系統(tǒng)控制參數(shù)主要是換擋車速閾值v_shift和發(fā)動機直驅(qū)模式車速閾值v_direct，故取設計變量如式(22)所示：

Z＝[z₁,z₂]＝[v_shift,v_direct] (22)

式中v_shift為換擋車速閾值，單位為km/h；

考慮到換擋車速閾值v_shift和發(fā)動機直驅(qū)模式車速閾值v_direct會對極限加速時間和循環(huán)工況經(jīng)濟性產(chǎn)生影響，確定優(yōu)化設計目標函數(shù)為：

F(z)＝μ₁t+μ₂V (23)

式中，μ₁、μ₁分別為極限加速時間和循環(huán)工況油耗的權重系數(shù)；t為極限加速時間，單位為s；V為設定的循環(huán)工況油耗，單位為L；

t的計算式如式(24)所示：

控制發(fā)動機和電機均在外特性上，根據(jù)式(20)可得此時的變速箱輸入轉矩T_{tra_in}；

V的計算如式(25)所示：

式中，P_engine為發(fā)動機輸出功率，單位為kw，值可由式(19)與式(20)計算得到；b_e為發(fā)動機燃油消耗率，單位為g/kwh；ρ為燃料密度，單位為g/cm³；

所述功率分流式混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機直驅(qū)模式中，電機鎖止離合器將第一電機與車架相連，發(fā)動機輸出扭矩、輸出轉速和輸出功率可由式(19)和式(26)求得：

發(fā)動機燃油消耗率b_e可根據(jù)發(fā)動機輸出扭矩和輸出轉速進行二維查表得到；

為保證發(fā)動機直驅(qū)模式工作在二檔，需滿足式(27)：

v_direct≥v_shift (27)

為保證第二電機需求轉速不超過其最高轉速需滿足式(28)：

依據(jù)工程經(jīng)驗還需滿足式(29)和式(30)：

v_shift≥50km/h (29)

60km/h≤v_direct≤110km/h (30)

則優(yōu)化設計目標函數(shù)如式(31)：

S500(b)：利用粒子群算法確定參數(shù)；

編寫PSO算法程序?qū)κ?31)進行求解，其中各初始參數(shù)可在合理范圍內(nèi)進行設置；

運行程序后得到最優(yōu)的換擋車速閾值v_shift和發(fā)動機直驅(qū)模式車速閾值v_direct；

S600，基于前向仿真模型，進行匹配結果驗證，包括步驟：

S600(a)：建立前向仿真模型；

根據(jù)所述功率分流式混合動力系統(tǒng)的結構及其動力學公式，建立由工況輸入模塊、駕駛員模塊、控制策略模塊、動力系統(tǒng)模塊和整車模塊所組成的前向仿真模型；

S600(b)：進行匹配結果驗證；

將所述功率分流式混合動力系統(tǒng)參數(shù)匹配結果輸入到所建立的前向仿真模型中，驗證動力性指標和經(jīng)濟性指標是否符合需求。