1、3摘要：以豐田第二代油電混合系統(tǒng)為基礎(chǔ)，剖析了其混合動(dòng)力核心部件動(dòng)力分離裝置，建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。通過引入無量綱的動(dòng)力分離因子，描述了THS-II系統(tǒng)的在不同工況下的功率流動(dòng)。關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；動(dòng)力分離；行星齒輪；分離因子引言如今，燃油汽車的尾氣已成為城市空氣質(zhì)量日益惡化的主要因素之一。并且，伴隨著石油資源的逐漸枯竭，迫切需要開發(fā)一種低排放、低能耗的新型汽車。電動(dòng)汽車正是其熱門的發(fā)展方向和研究領(lǐng)域之一。電動(dòng)汽車可分為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。三種電動(dòng)汽車均已投入實(shí)際使用。但是純電動(dòng)汽車制約于其核心部件一電池的能量密度、壽命、成本等方面的因素而難以短期內(nèi)商品化推廣，而燃料電

2、池汽車亦被類似因素困擾?；旌蟿?dòng)力汽車融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車的某些優(yōu)點(diǎn)。例如，借助蓄電池可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車小得多的尾氣排放，而借助小排量發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力分離裝置、蓄電池、動(dòng)力控制單元等組成7。如圖1所示，其符號(hào)說明如下：ICE：高壓縮比阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力系統(tǒng)的主動(dòng)力源。MG1：電動(dòng)/發(fā)電機(jī)1,既可作為電動(dòng)機(jī)，亦可作為發(fā)電機(jī)，用以控制車速。MG2：電動(dòng)/發(fā)電機(jī)2，主要作為電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛，同時(shí)也可作為發(fā)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)過程中的能量回收。PGT：行星齒輪裝置，動(dòng)力分離裝置的核心組件。Battery：電池組，作為動(dòng)力系統(tǒng)的第二動(dòng)力源。Inverter：逆變器，用以轉(zhuǎn)換和管理M

3、G1、MG2和Battery之間的電能。式混合動(dòng)力系統(tǒng),兼宥并燈尸和ethevehicle,pnaasvenerator,系統(tǒng)的一部分優(yōu)點(diǎn)比純電動(dòng)車遠(yuǎn)得多的續(xù)航里程。這對(duì)于解圖*決當(dāng)下的城市大氣污染和能源問題最具現(xiàn)”.屮門”w豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)(THSID屬于.混聯(lián)d實(shí)意義。混合動(dòng)力汽車是指配備兩個(gè)或兩個(gè)以門上動(dòng)力源的汽車，目前主要是指油電混合，u分離裝置將并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式結(jié)合起來，即將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、電驅(qū)動(dòng)裝置和蓄電池結(jié)合在一起形成動(dòng)力源。1997年，THS(Toyotahybridsystem)系統(tǒng)隨著豐田公司的第一代混合動(dòng)力汽車Prius的發(fā)布而面世oPrius優(yōu)良的性能、很高的燃油經(jīng)濟(jì)性

4、(日本10-15工況下耗油約為0.04L/km)和低排放使之風(fēng)靡全球。隨后，搭載改進(jìn)版的THS-II系統(tǒng)的第二代、第三代Prius也陸續(xù)上市暢銷。至今，Prius系列車型銷量在世界混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域始終保持第一。隨著Prius的成功,國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)紛紛對(duì)Prius進(jìn)行了多層次和多角度的分析和研究4-6。1豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)(THS-II)簡(jiǎn)介THS-II系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、2個(gè)發(fā)電/發(fā)在一定條件下既可運(yùn)行于并聯(lián)模式下，亦可運(yùn)行于串聯(lián)模式下，當(dāng)然主要是運(yùn)行在兼有串/并聯(lián)特點(diǎn)的混聯(lián)模式下。已有研究表明，之于單一的并聯(lián)式或串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，混聯(lián)式動(dòng)力傳動(dòng)具有最高的綜合效率8。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要得益于其動(dòng)力

5、分離裝置的無級(jí)變速特性，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的分離，以便對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行最優(yōu)控制，使其盡可能工作在最佳工況點(diǎn)9。再生制動(dòng)功能可回收減速過程中車輛的部分動(dòng)能，并轉(zhuǎn)化為電能3。怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持運(yùn)行給電池充電，亦可關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電動(dòng)模式可有效避免低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低效狀態(tài)下，能減少能耗、實(shí)現(xiàn)零排放。這個(gè)工作模式對(duì)于地下車庫等較為封閉的空間很有實(shí)用價(jià)值。這個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)普遍方程揭示了Engine、MG1和Ring之間相互依賴的關(guān)系。它共有三個(gè)變量,其中兩個(gè)為獨(dú)立變量，一個(gè)為應(yīng)變量，只有已知其中任意兩個(gè)變量的轉(zhuǎn)速，才可求得第傳動(dòng)系統(tǒng)建模與分析豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)THS-II傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示

6、。動(dòng)力分配裝置PGT采用行星齒輪結(jié)構(gòu)（圖2中虛線框），在沒有約束的條件下具有2個(gè)自由度，3個(gè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，一般作為輸入節(jié)點(diǎn)；MG1與太陽輪相連，既可作為輸入節(jié)點(diǎn)也可作為輸出節(jié)點(diǎn)，作為對(duì)車輛速度進(jìn)行控制的“調(diào)速器”齒圈內(nèi)環(huán)通過定軸輪與MG2相連，外環(huán)通過定軸減速輪系與車輛后橋相連，一般作為輸出節(jié)點(diǎn)。為方便起見，下文直接稱齒圈與MG2相連，稱齒圈與后橋相連。IRINGMG1|ENGINEMG2圖2系統(tǒng)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖三個(gè)變量的值。若3pc=3EH0,方程（2）可表示為：MG1以3R/3為X軸、3mgi/3為Y軸，可EE得如圖3所示的動(dòng)力分離裝置的傳動(dòng)比特性。由此，可直觀地得到：要獲得

7、發(fā)動(dòng)機(jī)到齒圈之間傳動(dòng)比的連續(xù)變化，只要控制發(fā)動(dòng)機(jī)和MG1之間的傳動(dòng)比的變化即可實(shí)現(xiàn)。這也就是THS-II系統(tǒng)無級(jí)變速的實(shí)現(xiàn)原理。圖3動(dòng)力分離裝置傳動(dòng)比特性VvehicleRwheel3wheel3)2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)模型對(duì)于兩自由度2Z-X（A）型行星齒輪傳動(dòng),其運(yùn)動(dòng)學(xué)基本方程如下10：込+P3r（1+P）c=0（1）3S、3r、3C分別為太陽輪、齒圈和行星架的轉(zhuǎn)速；P為行星齒輪特性參數(shù)1rMG2Rwheel3MG23wheel4)5)iSCRZS3u3小SC3R3CZr、zs分別為齒圈和太陽輪的齒數(shù)。由圖2易知，在THS-II系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和行星架相連、MG1和太陽輪相連。因此，方程（1）可改寫為

8、：由方程(4)(5)可得3MG2=“Wheel(6)3wheel1RMG2由方程(3)(6)可得Vvemcie=Rwheel3MIG2RMIG2(7)】Rwheel聯(lián)立(2)(3)(5)得方程(8)3PC=3E1+P3MG11+PPC3E11+p3MG12）V、i_、vehicleRwheelRwheel從式（7）可知，MG2的轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速由圖2可得，齒圈內(nèi)環(huán)通過定軸輪與MG2相連，外環(huán)通過定軸輪系與后橋相連。因此，車速、齒圈轉(zhuǎn)速、MG2轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如方程（3）（8）所示。JhTMG1+Te+亠TmG21rMG2+Tra=1RbMG2+TRra=015）16）TRraF氓wheeliRra

9、17）bra成固定比，因此若測(cè)得MG2的轉(zhuǎn)速即知車速。在方程（8）中，若以MG1和車速為變量，結(jié)果如圖4所示，易知可以在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況下，通過控制MG1的轉(zhuǎn)速來控制車輛的行駛速度，即前文所謂的“速度分離”11。若在車速較低時(shí)，MG1正轉(zhuǎn)；若車速較高，MG1需反向轉(zhuǎn)動(dòng)以保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。因此，動(dòng)力分離裝置使得發(fā)動(dòng)機(jī)能長時(shí)間運(yùn)行在高效的中等轉(zhuǎn)速，而不管車輛速度大小。sdH)paadsL0W圖42.2動(dòng)力學(xué)模型在給出動(dòng)力學(xué)模型之前，有必要對(duì)數(shù)學(xué)模型的參考系作簡(jiǎn)要說明。本文定義汽車前進(jìn)方向?yàn)檎较?，則汽車的驅(qū)動(dòng)力方向也為正方向，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩方向亦為正方向。數(shù)學(xué)模型中的轉(zhuǎn)矩、角速度、角加速度等均以此

10、為參考，且符號(hào)皆帶正負(fù)號(hào)。整車動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)用牛頓第二定律，在考慮剎車制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，可得如下所示的整車動(dòng)力學(xué)方程71213：FR一,（mv+fmgcos0+xwheelwheelr0.5pC,AV2+mgsin0）FdwheelbrakeR=0（9）brake動(dòng)力分離裝置動(dòng)力學(xué)模型行星齒輪中各個(gè)元件間的轉(zhuǎn)矩作用如圖（5）所示。應(yīng)用牛頓第二定律，忽略摩擦和行星齒輪的質(zhì)量的情況下，可得到以下（10）-（13）一系列動(dòng)力學(xué)方程10。12MG1:Tmgi+TMGi=Jmgimgi（10）MG2:TMG2+TMg2=JMG2WMG211）PC行星架:Te+TPc+TMg1=JpcGpc（12）Ring

11、齒圈:TMG2+Tpc+TRa=JRWR（13）Ta:構(gòu)件A對(duì)構(gòu)件B作用的轉(zhuǎn)矩JMG1:MG1的轉(zhuǎn)子、太陽輪及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和JMG2:MG2的轉(zhuǎn)子、軸及軸上齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和；叫：i構(gòu)件角加速度Tmg1/TmG2:MG1/MG2轉(zhuǎn)子所受外轉(zhuǎn)矩TRa:后橋?qū)?dòng)力分離裝置的齒圈的轉(zhuǎn)矩；te：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在以上方程中，Tpc=TMG1、TR=MG1pcpcTpc、tR=i-TMG2，詳細(xì)分析過RTMG2RMG2R程見文獻(xiàn)1012。再聯(lián)立方程（10）（11）（12）（13）可得：JMG2MG2+JMG1MG1+JPCPC+JR3r（14）方程（14）描述了豐田混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。若車輛

12、處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則所有構(gòu)件加速度為零，方程14簡(jiǎn)化為：TMG1+TE+iTMG21RMG2在方程14中TRa和卑成娛=二1比例關(guān)RraTRabra系，因此欲知TRa必須先求得丁豊,其推導(dǎo)如下:TOC o 1-5 h zTR=FR=J+raxwheelrawheelR.,（fmgcos0+0.5pC,AV2+wheelrdwheel口啊詢+卩匕品入品（15）令F.=fmgcos0+0.5pC,AV2+resistiverdwheelmgsin0則方程（15）簡(jiǎn)化為TR=FR=J心+raxwheelrawheelRwheelFresistive+FbrakeRbrake聯(lián)立（16）和TRa和丁昌

13、的比例關(guān)系式，可得:RraJrawwheel+RwheelFresislive+FbrakeRbrake但是方程(14)中，變量之間的關(guān)系過于復(fù)雜，不便于分析。因此，需對(duì)其作適當(dāng)變形簡(jiǎn)化。由前文分析，THS-II傳動(dòng)系統(tǒng)有兩個(gè)自由度，三個(gè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)。三個(gè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)分別為：發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、齒圈(也可看成是后橋或者M(jìn)G2,因?yàn)辇X圈、后橋、MG2三者之間的轉(zhuǎn)速成固定比例關(guān)系，知其一即知其他二者)。選定發(fā)動(dòng)機(jī)和MG2(齒圈/后橋)為兩個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，把動(dòng)力學(xué)方程簡(jiǎn)化為以這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)為自變量的方程。借助參考文獻(xiàn)71617中的思想，其簡(jiǎn)化推導(dǎo)過程簡(jiǎn)述如下。在圖5所示的轉(zhuǎn)矩作用關(guān)系中，參考文獻(xiàn)10，得

14、18)Ipc1=1TTR=pTPCTRpPCHMG1TPCp聯(lián)立方程(2)(10)(12)(18)，消去TMGj和TPC,可得到T(1+p)T=(1+p)2JEMG1MG1J3p(1+P)J3i丿PCPCMG1MG2RMG2聯(lián)立(6)(11)(12)(13)(17)(18)去TPC可得+19)消T(1+P)T=J(1+P)EpMG2PCPCp(JMG2+JRiRMG2+Jvehi2leiRMG2)3iRrearMG2(1+P)RwheelFresistive+FbrakeRbrake(20)piRrear把方程(19)和(20)寫成矩陣形式7子。如圖6所示，分離因子實(shí)質(zhì)上描述了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率

15、流向MGl和齒圈比例。因而分離因子既可由流向齒圈的功率比上發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率得到，也可由流向MG1的功率比上發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率再經(jīng)變化后得到。本文采用第二種方法推導(dǎo)，與參考文獻(xiàn)911中所用的方法不同。圖6動(dòng)力分離因子：PMG1=(1P)P.(22)注意：方程(22)右邊有一個(gè)負(fù)號(hào)是因?yàn)椋汗ぷ髟诎l(fā)電狀態(tài)時(shí)Pmg1=TMG13MG1，相當(dāng)于MG1反向輸出功率給發(fā)動(dòng)機(jī)。由方程(22)變形可得P=1+PMG1=1+TMG13MG1(23)PETE3E聯(lián)立方程(6)(22)可得P=p】RraVvehicle(24)1+p3ERwheel1(1+p)1TmG2TeH)TmgJp(1+P)2JMG1+Jpc=Jpc

16、-P(1+P)JMG1；r.mG2(1+P)(i+i:+vehicle，RMGUMG2+JrSMG2+i2RrearRO丿MG2iRrear由圖6可知，動(dòng)力分離裝置共有四個(gè)功0+(1+p)RF+FR+丿wheeresistivebrake飛rakelP21)方程組(21)即為與方程(14)等效的動(dòng)力學(xué)模型。THS-II系統(tǒng)功率流分析9111415欲對(duì)THS-II系統(tǒng)的功率流動(dòng)進(jìn)行定量分析，需引進(jìn)無量綱參數(shù)P，稱之為分離因率輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)(嶺)、MG1(PMG1).MG2(PMG2).齒圈外圈到后橋(耳a)因而由功率平衡可得：PE+PMG1+PMG2+Pra=0(25)若定義PR=

17、PMG2+Ik則方程(25)化簡(jiǎn)為PE+PMG1+PR=0(26)其中PE=TEE，PMG1=TMG1WMG1?則方程（26）可表示為1+TmG】3mgi+R=0進(jìn)而可簡(jiǎn)化為teepe1mgip=0(27)1+p3e其中PR=p,因此PEPMG1=TmIGIMIGI=UMG1(28)PeTeE1+pe以嚀為橫坐標(biāo)，壓和4牡為縱坐標(biāo),EPEPE方程E圖7由圖7可知，PGT的工作狀態(tài)可分為三類:動(dòng)力合成、動(dòng)力分離和反向動(dòng)力合成。PGT裝置有三個(gè)動(dòng)力輸入輸出構(gòu)件（太陽輪、行星架和齒圈），動(dòng)力合成表示PGT中有兩個(gè)輸入構(gòu)件一個(gè)輸出構(gòu)件，動(dòng)力分離表示其中有兩個(gè)輸出構(gòu)件一個(gè)輸入構(gòu)件。三類工作狀態(tài)具體說明如

18、下。動(dòng)力合成：如圖7中綠線和黃線所示，PR=PEp0,即p1。表示輸出到PE齒圈上的合成功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，這是由于MG1功率流向齒圈造成。圖8清楚地表明了在p1時(shí)，各個(gè)元件間的功率流向。結(jié)合圖4，此工作模式可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)工作在中低轉(zhuǎn)速而車速較高，MG2可能的工作狀態(tài)為自由轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)或者是發(fā)動(dòng)機(jī)。若MG2為發(fā)電機(jī)，則MG1輸出的功率有可能會(huì)再經(jīng)過MG2轉(zhuǎn)換為電能后再輸出給電池或MG1,這樣能量經(jīng)過幾次的機(jī)電轉(zhuǎn)換后效率必定下降。若MG2為電動(dòng)機(jī)，則THS-II系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1和MG2的功率全部都輸出到后橋上，系統(tǒng)處于最大功率輸出狀態(tài)。其工作時(shí)具體運(yùn)行參數(shù)如表1所示。圖8動(dòng)力分離：如圖

19、7中藍(lán)線和褐線和圖9所示，1PR=p0,PMG10,即0p0,0，即p0。齒PEPE圈和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率合成到MG1,MG1工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。因此，若車輛要運(yùn)動(dòng)則只能依靠MG2來驅(qū)動(dòng)，而MG2的能量則來自發(fā)電機(jī)MG1。此時(shí)，工作狀態(tài)類似于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。THS-II沒有采用此種工作模式。除此之外，在p=0時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率全部通過太陽輪流向MG1發(fā)電，然后供給給MG2來驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)THS-II工作在串聯(lián)式混合動(dòng)力模式下，如圖11所示。在p=1，發(fā)動(dòng)機(jī)功率全部流向齒圈而沒有流向MG1，發(fā)動(dòng)機(jī)功率既可一部分流向MG2用以發(fā)電，亦可全部用來驅(qū)動(dòng)車輛。當(dāng)然MG2也有可能工作在電動(dòng)模式下以增補(bǔ)齒圈上的轉(zhuǎn)矩

20、。此時(shí)稱THS-II系統(tǒng)為并聯(lián)混合動(dòng)力模式，如圖12所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成之前車輛是靜止的,因此MG2轉(zhuǎn)速為零,但是為了保持車輛靜止?fàn)顟B(tài)需要對(duì)齒圈施加一個(gè)反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然這制動(dòng)即可由MG2提供也可是由剎車的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩提供。THS-II中功率流由電池經(jīng)MG1流向發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖13所示。第二種啟動(dòng)方案：這種啟動(dòng)方案比較簡(jiǎn)單，發(fā)動(dòng)機(jī)和MG1都不工作，能量由電池經(jīng)MG2流向后橋，如圖14所示。以上PGT的第一和第二種工作狀態(tài)是THS-II系統(tǒng)最基本的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)質(zhì)上動(dòng)力分離因子是假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)為功率輸出節(jié)點(diǎn)前提下，對(duì)系統(tǒng)能量流動(dòng)的狀態(tài)的描述。實(shí)際工作過程更加復(fù)雜，例如MG1啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的工作狀態(tài)不屬于以上

21、任何一種，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)為耗能節(jié)點(diǎn)。以下僅對(duì)THS-II工作狀態(tài)中不屬于動(dòng)力分離和動(dòng)力合成的幾種工作模式作簡(jiǎn)要分析。更多的運(yùn)行模式可文獻(xiàn)18。啟動(dòng)狀態(tài)THS-II的可能啟動(dòng)方式可分為三種情況：1、MG1啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),再由發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；2、由MG2直接啟動(dòng)車輛；3、由MG2啟動(dòng)車輛的同時(shí)由MG1啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。第一種啟動(dòng)方式：第三種啟動(dòng)方案：這種啟動(dòng)方案比較復(fù)雜，電池中的能量即通過MG1流向發(fā)動(dòng)機(jī),亦通過MG2流向后橋,如圖15所示。當(dāng)然MG2的功率也有可能通過齒圈流向發(fā)動(dòng)機(jī)。這取決于MG2和MG1之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。制動(dòng)狀態(tài)：在制動(dòng)狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油減速關(guān)閉,MG2變?yōu)榘l(fā)電機(jī)由后橋驅(qū)動(dòng)發(fā)電。其能量流向如圖16所示。圖16toyotahybridsystemseries/