混合动力汽车EVT构型的设计与参数优化分析

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【摘 要】随着我国经济的高速发展，我国对能源的需求量不断提高。作为最主要的能源，石油的消耗量是巨大的，由于石油是不可再生能源，全世界对节约石油都十分关注，而作为石油的主要消耗者汽车，其油耗的降低是节约重中之重。目前，对汽车的能耗方面有多种研究，论文就对其中具有显著节能特点的杠杆法的混联式混合动力汽车EVT构型设计做研究，以供参考。

【Abstract】With the rapid development of China"s economy， China"s demand for energy is increasing. As the main source of energy， the consumption of oil is huge. Because oil is not renewable energy， the world pays great attention to the conservation of oil， as the main consumer of oil， the reduction of automobile fuel consumption is the most important thing. At present， there are many researches on the energy consumption of automobiles. The paper studies the EVT configuration design of hybrid hybrid vehicle with lever method which has significant energy saving characteristics for reference.

【关键词】杠杆法；混联式混合动力；EVT构型

【Keywords】lever method； mixed type hybrid power； EVT configuration

【中图分类号】TH243 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0146-02

1混合动力汽车的研究现状

1.1 国内研究现状

国内的混合动力汽车的研发起步较晚，目前仍处于初级阶段，在2001年国家才开始在“十五”上启动了863计划，主要就是针对混合动力汽车的研究，我国的大型汽車厂如，一汽，上汽，东风等都研发出了一部分混合动力车型。

1.2 国外研究现状

外国的混合动力汽车研究一直领先于我国，日本丰田公司在1997年成功生产并出售了混联混合动力汽车，开启了混合动力汽车时代，目前日本丰田公司已经推出第三代混合动力系统THS，而日本本田公司在混合动力汽车领域也有建树，在2012年成功推出了i-DCD、i-MMD、SH-AWD这三套系统。

美国作为世界上科技最发达国家，在混合动力汽车上也大力投入，与混合动力汽车的发明者日本并驾齐驱成为世界上该领域最强的两个国家之一。早在1993年就推出了PNGV计划用来推动节能汽车的发展，在混合动力汽车问世后，迅速调整方向对该方面进行了全方位的研究，目前福特公司推出的FHS系统大受欢迎，被广泛使用。这也是美国最先进的EVT构型[1]。

2 基于杠杆法EVT传统方案的研究

2.1 杠杆法基本原理

杠杆法是一种对行星排的分析方法，其方法可以有效简化行星排的运动。杠杆法的原理是将行星机构的三个不同部件简化为一个杠杆模型中存在的三个不同点，在其模型上可以直观的表示出不同部件的受力和速度情况，从而实现对行星机构的快速分析。在分析中重点分析以下两个方面：①速度在杠杆上的表示。根据行星轮数量，行星机构划分为以下两个，即单行星轮机构与双行星轮机构，在杠杆模型中大同小异，推到的速度表达公式也相同，以单行星轮机构为例，在杠杆模型中，三个节点代表着齿圈、行星架、太阳轮。三者之间满足以下关系，齿圈的齿数与太阳轮到行星架的距离成正比关系；太阳轮的齿数与齿圈到行星架的距离成正比关系。通过以上关系再结合行星机构的运动公式推导出在杠杆机构的公式为 ωs S=-ωrR。②受力在杠杆上的表示。杠杆模型在受力情况的表达中尤为简洁和直观，在模型中以整合的三个力进行分析，用有向线段来表示，其方向为受力方向，其长短为受力大小。三者关系的标量受力公式为Fc=Fr+Fs

2.2 基于杠桿法的EVT方案运算

①基于杠杆法的EVT的构型。科学家在对EVT的研究中为了简化流程使用杠杆法进行EVT分类。以输出点作为原点，输入点到输出点距离定义为1，用α表示杠杆模型的1号电机，β表示2号电机。通过运算，得出结论，即α或β等于0时，将其称为输入分配型；α或β等于1时，为输出分配型；α或β不为0或1时，为复合分配型。这三种分配形式构成组合分配型的EVT构型[2-4]。②运算过程。在杠杆模型EVT运算时，先进行可能性讨论，一般是模型三要素两两组合，组合后判断是否能实现CVT功能，能不能产生ECVT的构型方案，因为这是EVT构型的基本要素。一般不全部组合，因为无法实现CVT也无法产生ECVT方案。在运算上使用矩阵，分别计算不同的行星排接入点数量，得出构型方案数。③运算数据筛选。因为EVT构型的方案数量过多，给实际的实验操作上带来很大的困扰，我们通常使用机械点作为筛选条件。因为EVT处于机械点时，由于发动机功率进行功率转换，也就不存在损耗这时候的系统效率最高。也就代表着在EVT的设计之中，有无机械点等同于有无系统最高效率。所以机械点可以作为评价EVT方案有效性的重要指标。

3 改进后的EVT构型性能对比仿真

混合动力汽车的燃油虽然不多，但是也要考虑其经济性，这也是评价混合动力汽车的一项重要指标。本文选取了目前最普遍的单行星排输入分配型EVT构型，以此方法作为基础进行全方位改进方案进行评价。选取并联和串联两种结构做对比，对混合动力汽车的两种结构和其混搭的第三种结构进行数学建模，为了提高精确度能够得到最低的燃油消耗值。在算法上选取了动态规划算法进行数学建模，就其仿真结果进行客观分析，验证混联式混合动力汽车的优越性和燃油经济性[5]。

3.1 构型及其参数改进后EVT性能仿真

在仿真选取上，选择混联式混合动力汽车的动态规划进行仿真，使用以下四种循环工况：NEDC、UDDS、HWFET、US06。参数展示上选取燃油消耗率、发动机转矩、发动机转速、电池SOC、电机转矩、电機转速这六个方面。此外还展示发动机的运行点代入万有经济特性图之后得出的结果，结合图像查看其在高效区的比例大小。下面就四种工况进行仿真分析。

①NEDC仿真分析。在NEDC型工况下，汽车的百公里为3.9895，而电池SOC上升了2.31%，而在ECE工况下，动力为电力，在EUDC下，则以EVT模式为主，经计算仿真结果为可行区域数值。在NEDC中低功率工作主要以电力驱动，在高功率工作中，发动机启动并且其运行数据处于燃油高效区，同时电池SOC提高。通过EUDC的仿真结果来看，电池SOC在数值上变化较小，可以看出EUDC的整体控制能力还是比较理想的。②UDDS仿真分析。在UDDC型工况下，百公里为3.4563，同时电池SOC上涨0.77%，发动机运行数据中有90.67%处于燃油高效区。在UDDS模式下，汽车启停较为频繁，在低转速时，运行模式为电动运行，动力源为电力，比如在600-800S或者0-200S的时候，发动机不启动，而且电池SOC也会随之降低。在高转速时，则以EVT模式运行为主，动力为混合动力功率上主要由发动机提供，同时可以为电池充电，使电池SOC升高。③US06型仿真分析。在US06工况下，百公里为5.3991，同时电池SOC上涨0.031%，其燃油高效区运行数值占比93.55%，在整个US06工况下都以EVT模式為主，因为US06的整体功率较高，车速较大，纯电动模式已经不足以满足功率需求，因此在设计中只有EVT一种模式。功率输出上以发动机为主，电机为辅。因此在持续的高速运行中，电池SOC下降较快。④HWFET型仿真分析。在HWFET工况下，百公里为4.2566，其燃油高效区运算数据占90.33%。因为HWEFT是基于高速公路的工况，车辆要保持较高的车速，普遍超过100公里/小时，导致了转速和输出功率较高，所以从实际出发，只能选择EVT模式。在HWFET工况中由于其工作环境的原因，导致其风阻最大，燃油经济性最低。

3.2 EVT优化性能对比仿真

①串联式性能仿真。首先对串联式混合动力汽车在UDDS、NEDC、HWFET、US06四种工况下进行仿真。对于该汽车中串联发动机的控制策略为，在确保发动机处于最优转速的基础上，根据车辆功率需求改变发动机转矩。仿真过程中对于模型构建的两个电机而言一个为发电机，一个为电动机在转速上保持一致，在转矩上数值相反。从电动机和车轮的关系来看，电动机车轮的转速成比例，其转矩也成比例。②并联式性能仿真。同上面方法一样，先对并联式混合动力汽车在NEDC、HWFET、US06、UDDS四种工况下进行仿真。就仿真结果而言，电池SOC的变化处于合理范围，在低转速时，采用电机驱动模式和行车充电模式，在高转速时，采用电机助力并联模式。因为并联机构的电机无法进行发动机速度调节，导致了发动机助力不足，发动机在燃油高效区占比较低，为此进行EVT优化时采取了双电机辅助方案，可以有效缓解问题。

4 总结

本文对杠杆法的混联式混合动力汽车EVT构型进行了全面分析，不仅分析了传统的EVT构型，还在其基础之上参考现行的技术，进行了全方位优化，并对其进行数学建模，仿真后的结果作为直接依据，进行分析，得出结论。其成果对整个EVT构型设计上具有参考作用，也对杠杆法的使用方式上进行扩展补充，有效丰富了混合动力汽车领域的构型数量。

【参考文献】

【1】陈杰.基于杠杆法的混联式混合动力汽车EVT构型的设计与参数优化[D].重庆：重庆大学，2016.

【2】张俊.混合动力汽车双模EVT构型分析[D].长春：吉林大学，2016.

【3】利剑一.混联式混合动力汽车EVT构型分析[D].长春：吉林大学，2014.

【4】巴特.混联混合动力客车的参数匹配与控制策略研究[D].长春：吉林大学，2012.

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