张 琼，胡 俊

（1.安徽三联学院，合肥230000；2.浩夫尔动力总成（上海）有限公司，上海201804）

0 引言

近年来，在我国排放法规对污染物控制的严格要求和新能源汽车双积分政策的双重推动下，各大主流汽车企业加大了对新能源汽车的研发。插电式混合动力车型既有纯电动汽车的零排放，亦有传统燃油车的长续航能力，因此插电混动也是燃油车向全面电动化汽车过渡时期的最佳选择。当今全球汽车市场中节能为导向的混合动力变速箱结构中，日本丰田汽车的THS系统、本田汽车的IMMD系统为汽车市场的领头羊。以丰田汽车THS系统为例，其行星轮系组成的双电机混动变速箱，具有结构紧凑、体积较小、重量轻等优点，不仅解决了发动机舱容积有限、布置困难的问题，而且可以实现发动机转速与轮端转速解耦的功率分流模式，实现了混合动力分配的高效性最大化的初衷。本文以某公司设计的双电机混合动力变速箱为研究对象，利用杠杆原理计算行星轮系在控制过程中的运动关系、动力传递的速比，并制定合适的控制策略，实现动力性及经济性兼顾的控制目标。

1 某行星轮系混合动力变速箱简介

该变速箱结构是单行星排双行星轮结构，由3组离合器、2个行星轮、2个太阳轮、1个行星架和1个齿圈组成（如图1所示）。其中B1为制动器，C1、C2为离合器。发动机ICE与行星架连接，电机EM2与主太阳轮连接，并通过两个离合器C1或C2闭合，两者皆经由外齿圈输出。主驱动电机EM1通过一级减速齿轮和主减速器连接。

该变速箱部分参数如表1所示。

表1 变速箱各齿轮参数

根据不同的离合器组合方式，该变速箱具有6种不同的工作模式，如表2所示。

表2 混动变速箱工作模式

2 利用杆杆法计算行星轮系运动方程

行星轮系机构杠杆分析法是将行星轮机构用垂直布置的杠杆系等效替代，利用等效的杠杆原理，计算行星轮系的运动特性。

该变速箱是单行星架双行星轮系统，可以拆解成单排单行星轮和单排双行星轮结构[1]。单排行星轮中的太阳轮s、齿圈r、行星架c，运动学的方程为[2]

单行星轮系的杠杆图如图2所示。

图2 单行星轮的等效杠杆图

单排双行星轮的运动方程为

其等效的杠杆图如图3所示。

1）根据杠杆原理计算并联及增程的传动比。我们可以根据该混动变速箱的工作模式，并利用上述的杠杠原理，通过不同的离合器结合和分离，来计算各个模式下到轮端的总速比如表3。

表3 各模式下的速比

2）根据杠杆原理计算eCVT模式的传动比关系。计算eCVT模式下的EM2与ICE的转速与扭矩关系为

将k的值代入式中得到

再根据功率平衡的原理，扭矩在太阳轮Mem2、扭矩在行星架Mice、扭矩在齿圈Mr满足以下等式

将k的值代入式中得到

3 功率分流控制策略方案的制定

在完成了各个模式下的速比及eCVT模式下的运动关系后，本文将重点在eCVT模式下制定合适的功率分流控制策略，实现该模式下燃油经济性最大化的目的。

在已知发动机的BSFC（有效燃油消耗率）以及两个电机的效率数据的前提下，在eCVT模式下，对三个动力源做相应的扭矩分配。本文由于篇幅有限，文中对高压电池相关的充放电能力做了简化处理，并认定该电池的充放电效率为1。

从该变速箱的结构能够看到，在eCVT模式下，混动箱的扭矩（ICE+EM2）通过外齿圈传递至主减速器，主电机EM1通过一级减速齿轮传递扭矩。

3.1 驾驶员扭矩需求的确定

根据加速踏板的踩踏行程、车速以及eCVT模式下的系统能力，从而可以简单确定不同踏板行程所对应的轮端扭矩需求，该关系如图4所示。

图4 踏板开度车速—扭矩关系图

3.2 扭矩分配策略制定

三动力源的扭矩之和必须满足轮端的扭矩需求值。由于发动机ICE和EM2电机在eCVT模式下有特定的扭矩、转速比例关系，最终扭矩都会转换至外齿圈输出，因此两者确定其中一个就能确定另一个。

根据发动机的效率数据以及EM2电机的效率数据，利用ECMS优化算法，离线计算最佳的发动机转速以及最佳发动机扭矩[3]，实现系统的效率最大化，油耗最低化。

利用MATLAB软件的数值计算能力，在不同的车速、不同的发动机转速下，对发动机（或电机）的扭矩进行分配，计算出各个分配点下的综合效率值，寻找该车速下最佳的发动机转速及扭矩分配值，实现系统的最优，如图5所示。

图5 系统效率寻优策略

4 建立仿真模型

将离线计算得到的扭矩分配和转速目标数据制作成表格，利用SIMULINK建立仿真模型。仿真模型的主要模块如图6所示。

图6 仿真结构示意图

在完成模型搭建后，利用仿真模型模拟运行NEDC工况及WLTC工况，并对比运行在串并联模式及eCVT模式下的油耗数据。

在NEDC及WLTC工况中，扭矩分布点如图7所示。

图7 NEDC及WLTC工况扭矩分布点图

根据仿真的结果，NEDC工况中串并联模式下油耗为6.7L/100km，而eCVT模式下只有5.8 L/100 km，油耗值降低了13.4%，如图8所示。

在WLTC循环中，串并联模式下油耗为8.5 L/100 km，而eCVT模式下只有7.6 L/100 km，油耗值降低了10.6%，如图9所示。

图9 WLTC工况仿真结果

可以看出eCVT模式下，选用合适的优化算法计算得到的扭矩分配原则，可以较大提高整车的经济性。

5 总结

本文以行星轮系双电机混合动力变速箱为研究对象，利用杠杆原理计算行星轮系的运动关系、动力传递的速比，并制定合适的eCVT模式下扭矩分配控制策略，利用自建模型仿真，对比了eCVT模式与串并联模式的油耗，证明了在合适的控制策略下，采用eCVT模式经济性要优于串并联模式。

本文由于篇幅有限，并未为电池性能修正以及全工况下的算法进行优化，但该研究为下一步做更加全面的三电系统效能优化，提供基础研究数据。