CN113022544B - 一种功率分流式混合动力***及其参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率分流式混合动力***及其参数匹配方法，旨在解决功率分流式混合动力***的设计与匹配问题；所述功率分流式混合动力***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；所述参数匹配方法包括如下步骤：首先，计算整车在稳态工况下的需求功率，进行发动机选型，然后确定使***综合效率最优的行星排特征参数，并根据动力学关系依次进行变速箱、电机和电池的选型设计，最终确定关键控制参数，并通过前向仿真模型进行性能验证；本发明的动力***及其参数匹配方法能够充分发挥出各部件的性能，在保持成本的前提下显著提高整车动力性能和经济性能。

Description

一种功率分流式混合动力***及其参数匹配方法

技术领域

本发明涉及汽车动力***领域，具体涉及一种功率分流式混合动力***及其参数匹配方法。

背景技术

随着石油资源的日益枯竭和越来越严苛的国家排放标准，混合动力汽车正在受到汽车行业更多的关注。由于串联构型需经过二次能量转换，并联构型不能将发动机与路载完全解耦，能融合串联构型和并联构型优点的混联构型成为了汽车行业人员研究的热点，其中能将动力***发挥出最佳性能的功率分流式混合动力***是现在混合动力***市场的主体。

功率分流式混合动力***具有成本较高和高速工况下节能效果较差的特点，如何合理地进行***构型设计和参数匹配，在尽可能低成本的情况下最大限度地发挥动力***的性能是阻碍其快速发展的一大障碍。

现有的混合动力***参数匹配多针对多电机动力***、液压混合动力***或不含变速箱的功率分流式混合动力***，如中国专利公布号CN105667346A，公布日2016-06-15，该发明采用的三电机混合驱动***参数匹配方法，能在保证动力性的同时，合理降低成本；中国专利公布号CN103991373A，公布日2014-08-20，提出了一种针对液压混合动力***的参数匹配方法。中国专利公布号CN108466544B，公布日2019-07-23，该发明的双模功率分流式混合动力***的参数匹配方法能够提高整车的动力性能和经济性能。目前，没有一种简单有效的、针对包含换挡和发动机直驱模式的功率分流式混合动力***的参数匹配方法。

发明内容

本发明提供的功率分流式混合动力***及其参数匹配方法，基于增加换挡和发动机直驱模式的混合动力***构型，综合考虑***效率和控制策略，进行各部件参数匹配；所匹配的功率分流式混合动力***能够在保持成本的前提下，最大限度地发挥各部件性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种功率分流式混合动力***，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。

第二方面，本发明实施例还提供了一种功率分流式混合动力***参数匹配方法，包括下列步骤：

S100，计算整车在最高车速和持续爬坡工况下的需求功率，进行发动机选型；

S200，在行星排特征参数范围内进行遍历寻优，得到使***综合效率最优的特征参数；

S300，综合考虑发动机参数和第二电机目标参数，确定两档自动机械式变速箱参数；

S400，基于动力***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；

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；

S600，基于前向仿真模型，进行匹配结果验证。

进一步的是，步骤S100发动机选型过程包括步骤：

S100 a：发动机稳态需求功率计算；

为保证***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、最大持续爬坡；

最高车速巡航需求功率P_{e_max1}为：

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为需求最高车速，km/h；η_t为传动***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}为：

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

α₁为：

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}为：

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

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。

进一步的是，步骤S200确定行星排特征参数过程包括步骤：

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；

根据所述的功率分流式混合动力***可得发动机转速n_e与第一电机转速n_{mg_1}之间关系为：

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，第一电机目标最高转速为现有电机中转速最高型号所对应得最高转速；

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与发动机输出功率相等，为：

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N·m；

行星排输出功率P_out为行星排输出机械功率P_mac和星排输出电功率P_ele之和，计算式为：

P_out＝P_mac+P_ele

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为：

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，第一电机作为发电机工作，第二电机作为电动机工作，则行星排输出电功率P_ele为：

式中，T_{mg_1}为第一电机输出扭矩，单位为N·m；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，第一电机作为电动机工作，第二电机作为发电机工作，行星排输出电功率P_ele为：

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；

不同的控制策略会影响对效率的计算；所述功率分流式混合动力***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***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***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***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；

根据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，则可得发动机的效率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***综合效率最优；

定义***综合效率η为燃料传递到变速箱输入轴上能量的效率，计算式为：

η＝η_engine×η_p

通过上式可得指定工况下的全工况***综合效率；由于此时尚未得到第一电机和第二电机具体参数，η_{mg_1}和η_{mg_2}均暂取0.9进行计算；在范围[k_min,k_max]中遍历行星排特征参数k，求得使***综合效率最优的行星排特征参数k。

进一步的是，步骤S300确定两档自动机械式变速箱参数过程，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***设定有发动机直驱模式，在高速工况下，发动机直驱模式相较于混合驱动模式具有较高***效率；因此，为保证经济性，需使整个发动机直驱模式均工作在二档；则二档传动比i₂需满足：

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***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：

式中，n_{e_max}为发动机最高转速，单位为r/min；v_max为所述动力***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***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；v_a对应的是v_shift的最小值；第二电机目标最高转速为现有电机中转速最高型号所对应的最高转速；

S300 c：确定两档自动机械式变速箱参数；

两个挡位传动比比值过大会造成换挡困难，降低整车的平顺性；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；

依据计算结果，结合现有产品，选定两档自动机械式变速箱型号及参数。

进一步的是，步骤S400电机与电池选型过程，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N·m；F_x为车辆所受纵向阻力，单位为N，此值为滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力之和，在此不在赘述；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；

依据动力性指标匹配第一电机和第二电机，为保证发挥发动机的最佳性能，所述功率分流式混合动力***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***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***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***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n_engine和转矩T_engine；

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N·m；

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，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，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，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，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；

电池需求功率为：

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求得电池需求功率，取其绝对值最大值即为电池峰值功率；其中循环工况下需利用换挡车速，暂定60km/h；

电池的充、放电的能量需求为：

式中，W_bat为电池能量，单位为kw·h；

电池放电能量为正，充电为负，电池的能量需求为充放电需求能量绝对值的较大值；

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。

进一步的是，步骤S500确定换挡车速阈值及发动机直驱模式车速阈值过程，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***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：

Z＝[z₁,z₂]＝[v_shift,v_direct]

式中v_shift为换挡车速阈值，单位为km/h；

所述功率分流式混合动力***在持续爬坡、最大爬坡工况下变速箱处于一档，最高车速工况一定处于二档，极限加速工况挡位会随车速变化，因此换挡车速阈值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

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，权重系数需要根据整车动力性和经济性需求来确定；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的计算式为：

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

V的计算式为：

式中，P_engine为发动机输出功率，单位为kw；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；

当车速超过所设定的发动机直驱模式车速阈值时，所述功率分流式混合动力***会进入发动机直驱模式中，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为：

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：

v_direct≥v_shift

为保证第二电机需求转速不超过其最高转速需满足：

依据工程经验，换挡车速和发动机直驱模式车速阈值还需满足：

v_shift≥50km/h

60km/h≤v_direct≤110km/h

则优化设计目标函数为：

S500 b：利用粒子群算法确定参数；

编写PSO算法程序进行求解，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。

进一步的是，步骤S600匹配结果验证过程，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***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***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***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。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种功率分流式混合动力***在传统单模功率分流式混合动力***的基础上增加了两档自动机械式变速箱，在减小动力部件需求参数的同时，更加合理地优化了发动机、第一电机和第二电机的工作点分布，提高了整个***效率。

2.本发明所述的一种功率分流式混合动力***在传统单模功率分流式混合动力***的基础上增加了电机锁止离合器，通过将第一电机连接到车架上，使发动机直驱车辆，减少了车辆在高速情况下的二次能量转换，优化了整车经济性。

3.本发明所述的一种功率分流式混合动力***参数匹配方法在考虑发动机参数的基础上获得使***综合效率最优的行星排特征参数，综合考虑控制策略、模式切换和性能指标获得两档自动机械式变速箱、第一电机、第二电机和电池参数，相较于传统参数匹配方法，考虑更为全面，方法更为简单有效。

4.本发明所述的一种功率分流式混合动力***参数匹配方法以动力性和经济性作为目标函数，在通过粒子群算法获得允许范围内最优的主要控制参数，弥补了传统参数匹配过程中不涉及控制参数而导致动力***无法发挥最优性能的不足。

附图说明

本发明的上述的优点结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明所述的参数匹配方法的设计流程图；

图2为本发明所述的功率分流式混合动力***简化结构示意图；

图3为本发明所述的功率分流式混合动力***参数匹配的电机及电池选型流程图；

图中：01-发动机；02-发动机离合器；03-第一电机；04-电池；05-第二电机；06-两档自动机械式变速箱；07-车轮；08-主减速器；09-行星排；10-电机锁止离合器；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种功率分流式混合动力***，如图2所示，包括：

发动机01、发动机离合器02、第一电机03、电池04、第二电机05、两档自动机械式变速箱06、车轮07、主减速器08、行星排09、电机锁止离合器10；特征在于：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；动力由发动机经过行星排、第一电机、电池和第二电机***传递到变速箱，最终经过主减速器传递到车轮，驱动车辆行驶；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。当车辆需要进入发动机直驱模式时，电机锁止离合器将第一电机与车架相连，发动机经过行星排、变速箱和主减速器将能量传递到车轮上。

本发明提供的一种针对上述功率分流式混合动力***的参数匹配流程如图1所示，包括以下步骤：

S100，计算整车在最高车速和持续爬坡工况下的需求功率，进行发动机选型；

S200，在行星排特征参数范围内进行遍历寻优，得到使***综合效率最优的特征参数；

S300，综合考虑发动机参数和第二电机目标参数，确定两档自动机械式变速箱参数；

S400，基于动力***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；

S500，基于极限加速时间和经济性指标最优，确定换挡车速阈值及发动机直驱模式车速阈值；

S600，基于前向仿真模型，进行匹配结果验证。

具体内容为：

步骤S100发动机选型过程包括步骤：

S100 a：发动机稳态需求功率计算；

根据整车基本参数和性能指标参数计算发动机稳态需求功率，其中基本参数包括整车性能计算用质量、滚动阻力系数、空气阻力系数、迎风面积、主减速器传动比、车轮滚动半径；性能指标参数包括最高车速、持续爬坡工况的持续爬坡度和持续爬坡车速；

为保证***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}为：

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为需求最高车速，km/h；η_t为传动***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}为：

式中，P_{e_max2}为发动机最大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

α₁为：

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}为：

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

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。

进一步的是，步骤S200确定行星排特征参数过程包括步骤：

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；

根据所述的功率分流式混合动力***可得发动机转速n_e与第一电机转速n_{mg_1}之间关系为：

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；

此时，可根据以往设计经验和现有电机产品确定第一电机最高转速的上限，即第一电机目标最高转速；进行第一电机选型时只要最高转速小于第一电机目标最高转速即可；在步骤S100中选定好发动机后即可获得发动机具体转速参数；由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与发动机输出功率相等，为：

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N·m；

行星排输出功率P_out为行星排输出机械功率P_mac和星排输出电功率P_ele之和，计算式为：

P_out＝P_mac+P_ele

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为：

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，第一电机作为发电机工作，第二电机作为电动机工作，则行星排输出电功率P_ele为：

式中，T_{mg_1}为第一电机输出扭矩，单位为N·m；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，第一电机作为电动机工作，第二电机作为发电机工作，行星排输出电功率P_ele为：

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；

不同的控制策略会影响效率的计算；所述功率分流式混合动力***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，将发动机转速、扭矩和功率进行离散并形成对应关系，并将同一功率下所匹配得到得多个转速，扭矩点，将这些点的油耗值进行比较，取最小值，绘制成曲线，即为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***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***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***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；

根据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，则可得发动机的效率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***综合效率最优；

定义***综合效率η为燃料传递到变速箱输入轴上能量的效率，计算式为：

η＝η_engine×η_p

确定好此动力***的目标循环工况，通过上式可得指定工况下的全工况***综合效率；由于此时尚未得到第一电机和第二电机具体参数，η_{mg_1}和η_{mg_2}均暂取0.9进行计算；

在范围[k_min,k_max]内绘制***综合效率η随行星排特征参数k变化的曲线，寻得曲线上纵坐标最大的点所对应的横坐标即为最优的行星排特征参数k。

进一步的是，步骤S300确定两档自动机械式变速箱参数过程，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***设定有发动机直驱模式，且在高速工况下，发动机直驱模式相较于混合驱动模式具有较高***效率；因此，为保证经济性，使整个发动机直驱模式均工作在二档；则二档传动比i₂需满足：

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***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；

为提高整车经济性，需控制动力***在车速大于发动机直驱模式车速阈值时进入发动机直驱模式；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：

式中，n_{e_max}为发动机最高转速，单位为r/min；v_max为所述动力***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***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；v_a对应的是v_shift的最小值；可根据以往设计经验和现有电机产品确定第二电机最高转速的上限，即第二电机目标最高转速；进行第二电机选型时只要最高转速小于第二电机目标最高转速即可

S300 c：确定两档自动机械式变速箱参数；

两个挡位传动比比值过大会造成换挡困难，降低整车的平顺性；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；

依据计算结果，结合现有产品，选定两档自动机械式变速箱型号及参数。

进一步的是，步骤S400电机与电池选型过程，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N·m；F_x为车辆所受纵向阻力，单位为N，此值为滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力之和，在此不在赘述；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；

依据动力性指标匹配第一电机和第二电机，为保证发挥发动机的最佳性能，所述功率分流式混合动力***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***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***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***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n_engine和转矩T_engine；

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N·m；

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，构造极限加速曲线，利用动力学方程可得整个动力***的需求功率、需求扭矩和需求转速；通过动力***的功率、转矩和转速分配策略得到第一电机、第二电机的需求功率、需求扭矩和需求转速；在最大爬坡指标需求下，利用动力学方程可得整个动力***的需求功率、需求扭矩和需求转速；通过动力***的功率、转矩和转速分配策略得到第一电机、第二电机的需求功率、需求扭矩和需求转速；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，利用动力学方程可得整个动力***的需求功率、需求扭矩和需求转速；通过动力***的功率、转矩和转速分配策略得到第一电机、第二电机的需求功率、需求扭矩和需求转速；在持续爬坡指标需求下，利用动力学方程可得整个动力***的需求功率、需求扭矩和需求转速；通过动力***的功率、转矩和转速分配策略得到第一电机、第二电机的需求功率、需求扭矩和需求转速；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；

电池分别与第一电机、第二电机相连，机械点之前，第一电机作为发电机工作，第二电机作为电动机工作；机械点之后，第一电机作为电动机工作，第二电机作为发电机工作；

电池需求功率为：

如图3所示，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求得电池需求功率，取其最大值即为电池峰值功率；

其中循环工况下需利用换挡车速，暂定60km/h；循环工况下还需设定制动控制策略，当整车需求扭矩小于零时，令发动机关闭，即输出为零；第一电机和第二电机输出仍按动力学公式进行计算；

电池的充、放电的能量需求为：

式中，W_bat为电池能量，单位为kw·h；

电池放电能量为正，充电为负，电池的能量需求为充放电需求能量绝对值的较大值；

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。

进一步的是，步骤S500确定换挡车速阈值及发动机直驱模式车速阈值过程，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***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：

Z＝[z₁,z₂]＝[v_shift,v_direct]

所述功率分流式混合动力***在持续爬坡、最大爬坡工况下变速箱处于一档，最高车速工况一定处于二档，极限加速工况挡位会随车速变化，因此换挡车速阈值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

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，权重系数需要根据整车动力性和经济性需求来确定；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的计算式为：

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

V的计算式为：

式中，P_engine为发动机输出功率，单位为kw；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；

当车速超过所设定的发动机直驱模式车速阈值时，所述功率分流式混合动力***会进入发动机直驱模式中，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为：

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：

v_direct≥v_shift

为保证第二电机需求转速不超过其最高转速需满足：

依据工程经验，换挡车速和发动机直驱模式车速阈值还需满足：

v_shift≥50km/h

60km/h≤v_direct≤110km/h

则优化设计目标函数为：

S500 b：利用粒子群算法确定参数；

编写PSO算法程序进行求解，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。

进一步的是，步骤S600匹配结果验证过程，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***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***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***参数匹配结果输入到所建立的前向仿真模型中，验证以下内容：

在发动机工作在外特性上，第一电机和第二电机均以峰值参数输出时整车极限加速时间是否小于目标值；

在发动机工作在外特性上，第一电机和第二电机均以额定参数输出时整车最高车速是否大于目标值；

在发动机工作在外特性上，第一电机和第二电机均以额定参数输出时，在持续爬坡速度下爬坡度是否大于目标值；

在发动机工作在外特性上，第一电机和第二电机均以峰值参数输出时，在最大爬坡速度下爬坡度是否大于目标值；

在发动机工作在最优曲线上，第一电机和第二电机均以满足工况为需求输出时，在目标循环工况内整车的经济性和节油率能否达到目标值。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”的描述意指结合该实施例的具体特征或特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体方法或者特点可以在任何实施例中适当的结合。

本发明的实施方式只是示例，但不限于此，本领域技术人员依据本发明的思路与原理，未脱离本发明所做的修改、替代、简化等，都应该在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种功率分流式混合动力***及其参数匹配方法，所述功率分流式混合动力***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***综合效率最优；

定义***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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。

Images