輸出型功率分流耦合機(jī)構(gòu)的特性分析

樊杰　左言言　陳銘　曹一川

摘 要 首先推導(dǎo)了單排行星輪系各主要部件之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系，接著在此基礎(chǔ)上求解了輸出型功率耦合機(jī)構(gòu)三個(gè)主要部件（即發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)MG1、電機(jī)MG2）之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系，最后推導(dǎo)出功率分流比例和傳動(dòng)比與行星排特征參數(shù)之間的關(guān)系，研究了不同功率電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的傳動(dòng)比的變化范圍以及耦合機(jī)構(gòu)的效率隨傳動(dòng)比的變化關(guān)系。

關(guān)鍵詞 輸出型 功率分流 分流特性 效率特性

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

HEV動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)功率分流方式的不同可分為輸入分流型、輸出分流型和復(fù)合分流型。其中最典型的輸入分流型功率耦合機(jī)構(gòu)是豐田Prius中所應(yīng)用的THS動(dòng)力系統(tǒng)，因?yàn)槠浒l(fā)動(dòng)機(jī)輸入到行星排機(jī)構(gòu)的功率分成了兩條功率路徑（即電路徑和機(jī)械路徑），因此這種系統(tǒng)被稱為輸入型；輸出型功率耦合機(jī)構(gòu)與輸入型最大的不同是行星輪系的部件與發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)MG1和電機(jī)MG2的連接方式。這種差異使得輸入型與輸出型在效率特性等許多方面呈現(xiàn)出截然相反的特點(diǎn)；復(fù)合分流型是輸入型和輸出型的綜合，相較于輸入型和輸出型在更大的傳動(dòng)比范圍內(nèi)擁有更高的效率，但占用體積大、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。北京理工大學(xué)項(xiàng)昌樂等學(xué)者已對輸入型的THS動(dòng)力系統(tǒng)的特性進(jìn)行了詳盡的分析，而復(fù)合分流型是輸入型和輸出型的復(fù)合，故本文主要研究輸出型功率耦合分流機(jī)構(gòu)的特性。

1轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性分析

1.1單排行星輪系各部件之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系

如圖1所示是單排行星輪系的結(jié)構(gòu)簡圖，其主要部件是太陽輪、行星輪、行星架和齒圈。

為了方便分析功率分流耦合機(jī)構(gòu)的分流特性和效率特性，定義為功率分流耦合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比；定義i=為功率分流耦合機(jī)構(gòu)的臨界傳動(dòng)比。當(dāng)i= 時(shí)太陽輪轉(zhuǎn)速為零，為純機(jī)械工況，亦即發(fā)動(dòng)機(jī)的功率全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率從輸出軸輸出，而沒有功率流向電機(jī)。此時(shí)由于不存在發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)再到電動(dòng)機(jī)的二次能量轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)的效率最高，有些文獻(xiàn)將這種工況定義為機(jī)械點(diǎn)。

從圖3中可以看出：當(dāng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在輸入軸上通過電機(jī)MG1實(shí)現(xiàn)分流，后通過電機(jī)MG2又在輸入軸上實(shí)現(xiàn)匯流，出現(xiàn)功率循環(huán)現(xiàn)象；當(dāng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在輸入軸上通過電機(jī)MG2實(shí)現(xiàn)分流，后通過電機(jī)MG1又在輸入軸上實(shí)現(xiàn)匯流；當(dāng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率直接傳到輸出軸。由于當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)中出現(xiàn)功率循環(huán)現(xiàn)象時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出輸出軸的需求功率，并且分配到電路徑的功率流沒有動(dòng)力輸出，因此功率循環(huán)現(xiàn)象對動(dòng)力系統(tǒng)是非常不利的，這種現(xiàn)象應(yīng)該盡量避免，從而可知輸出分流型在高傳動(dòng)比（即車輛低速行駛）時(shí)的性能較差。

對于圖 1所示的行星輪系，其特性參數(shù)p的取值范圍一般是1.5≤p≤4，所以臨界傳動(dòng)比的取值范圍為0.6≤ ≤0.8，由（公式7）可知：若不考慮電機(jī)MG1和MG2的效率，即令 m= g=1，電功率分流比例隨傳動(dòng)比變化的極限值為、，由于 e不能為無窮大，因此功率分流耦合機(jī)構(gòu)的最大傳動(dòng)比也不能為無窮大，它受兩個(gè)電機(jī)額定功率的限制。由于分流型耦合機(jī)構(gòu)中電機(jī)的功率由發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分流所得，故一般情況下電功率所占發(fā)動(dòng)機(jī)功率的比例要小于或等于1，令 e=1，由此可以計(jì)算出輸出型功率分流耦合機(jī)構(gòu)理論上所能實(shí)現(xiàn)的最大傳動(dòng)比為imax-theory= （1+）。

若取p=2.5、 m= g=0.9，則電功率流比例如圖4所示。由圖4可知傳動(dòng)比過大或過小都會(huì)造成電功率分流變大，使得系統(tǒng)匹配時(shí)所需電機(jī)的額定功率也越大，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求對功率分流耦合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比范圍提出要求，以有利于電動(dòng)機(jī)的選取。

由圖5可見：功率分流耦合機(jī)構(gòu)中電機(jī)額定功率不宜選擇過小，否則功率分流耦合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)變速范圍也會(huì)過小而無法滿足車輛驅(qū)動(dòng)的需求；但是電機(jī)選擇過大又會(huì)增加成本，造成資源浪費(fèi)，因此電機(jī)額定功率的選擇應(yīng)根據(jù)傳動(dòng)比范圍的需求而定。

2.2 效率特性

電功率流在改變傳動(dòng)比的同時(shí)，會(huì)對傳動(dòng)系統(tǒng)的效率產(chǎn)生一定的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)分流的機(jī)械能經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能再經(jīng)過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在此過程中存在兩次能量轉(zhuǎn)化，降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。由此可見當(dāng)電功率分流比例變大，拓寬傳動(dòng)比范圍的同時(shí)，必然會(huì)降低傳動(dòng)效率。

若同樣取 m= g=0.9，p=2.5，則 =，依據(jù)（公式9）可得效率 隨傳動(dòng)比i的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)處于低傳動(dòng)比時(shí)，雖然隨著傳動(dòng)比的減小，效率降低，但即使傳動(dòng)比取到0，效率仍高于0.8，但在高傳動(dòng)比區(qū)，隨著傳動(dòng)比的增大，效率急劇下降，這也可以說明輸出分流型在高傳動(dòng)比時(shí)的性能較差。為了提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性，在進(jìn)行整車參數(shù)匹配時(shí)，應(yīng)盡可能將車輛的平均行駛速度設(shè)計(jì)在臨界傳動(dòng)比所對應(yīng)的車速之下。

3結(jié)論

本文對輸出型的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)的分流特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出了輸出型的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)主要部件之間的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系、最大傳動(dòng)比范圍隨電機(jī)額定功率與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率之比的變化關(guān)系，并求解了電功率分流比例、傳動(dòng)效率隨傳動(dòng)比的變化關(guān)系，分析結(jié)果表明輸出型功率分流耦合機(jī)構(gòu)在低傳動(dòng)比區(qū)域具有較好的效率特性，適用于車輛高速行駛的工況。本文與項(xiàng)昌樂等學(xué)者的文章形成互補(bǔ)，為進(jìn)一步深入研究混聯(lián)混合動(dòng)力車輛功率分流耦合機(jī)構(gòu)的特性提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 項(xiàng)昌樂，韓立金，劉輝，李宏才.混聯(lián)混合動(dòng)力車輛功率分流耦合機(jī)構(gòu)特性分析[J].汽車工程，2010.

[2] 馬屢中.機(jī)械原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3] Ahn Kukhyun，Cho Sungtaeetal.Performance Analysis and Parametric Design of the Dual-mode Planetary Gear Hybrid Power train[J].Automobile Engineering，2006，220（7）：1604-1614.

[4] 趙博聞.一種雙排行星輪系動(dòng)力耦合方案研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[5] 宋瑞芳.功率分流式雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.