并联混合动力系统构型筛选及参数优化设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.03.010

摘要/Abstract

摘要：

针对采用拉维娜行星齿轮机构和传统多挡变速器的并联混合动力构型选择，采用基于杠杆法以挡位设计规则、动力特性规则、工作模式规则、可制造性规则相结合的一种综合评价方法，对混合动力系统构型进行分析和筛选，并确定了构型方案和该方法的筛选流程。其次针对整车的设计目标，对发动机、电机的参数进行了选择，并运用GT-SUITE软件搭建整车纵向动力学模型。在此基础上，采用Pareto前沿对变速器参数进行了优选，最终在确定混合动力构型的基础上，优选确定了混合动力系统的设计参数，并通过仿真验证了方案的可行性，为采用拉维娜行星齿轮机构和传统多挡变速器的并联混合动力系统研究提供了理论依据。

关键词: 混合动力构型, 筛选, 变速器参数优化, Pareto前沿, 仿真

Abstract:

This paper focuses on the screening of parallel hybrid power system configurations employing the Ravigneaux planetary gear mechanism and traditional multi-gear transmission. A comprehensive evaluation method， integrating gear design rules， dynamic characteristics rules， working mode rules， and manufacturability rules based on the lever method， is applied to analyze and screen the hybrid power system configurations. The configuration scheme and screening process of this method are determined. Subsequently， in line with the vehicle's design objectives， parameters of the engine and motor are selected. The vehicle's longitudinal dynamics model is established using GT-SUITE software. On this basis， transmission parameters are optimized using the Pareto frontier method. Finally， upon determining the hybrid configuration， the design parameters of the hybrid power system are optimized and determined. The feasibility of the scheme is validated through simulation， providing a theoretical basis for the research of parallel hybrid power systems using the Ravigneaux planetary gear mechanism and traditional multi-gear transmission.

Key words: hybrid power configuration, screening, parameter optimization of transmission, Pareto front, simulation

王泽兴,何洪文,彭剑坤,张炀,季双,张媛. 并联混合动力系统构型筛选及参数优化设计[J]. 汽车工程, 2024, 46(3): 464-475.

Zexing Wang,Hongwen He,Jiankun Peng,Yang Zhang,Shuang Ji,Yuan Zhang. Configuration Screening and Parameter Optimization Design for Parallel Hybrid Power Systems[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(3): 464-475.

图/表 26

图1

图2

表1

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

表2

图16

表3

混合动力汽车整车参数"

参数	符号	数值
车辆整备质量/kg	$m$	2 115
最大满载质量/kg	$m H$	2 540
车辆轴距/m	L	2.745
迎风面积/m²	A	2.87
风阻系数	$C D$	0.43
车轮滚动半径/m	$r$	0.377
滚动阻力系数	$f$	0.015
旋转质量换算系数	$δ$	1.2
主减速比	$i 0$	4.158
前行星齿轮机构特性参数	$α$	1.818
后行星齿轮机构特性参数	$β$	2
传动效率	$η t$	0.92
WLTC循环油耗/（L·100 km^-1）	$Q$	8.8

表3

图17

表4

图18

图19

表5

5组变速器速比Pareto最优解"

方案	1	2	3	4	5
$i 1$	3.150	3.168	3.113	3.068	3.053
$i 2$	2.230	2.249	2.236	2.210	2.080
$i 3$	1.579	1.596	1.605	1.592	1.543
$i 4$	1.118	1.133	1.153	1.147	1.132
$i 5$	0.791	0.804	0.828	0.826	1
$i 6$	0.560	0.571	0.594	0.595	0.608

表5

图20

表6

5组变速器速比Pareto最优解对比分析"

方案	5	1	2	3	4
$Q s m i n$ /（L·100 km^-1）	8.568	8.271	8.303	8.311	8.332
$Q s m i n$ 变化率/%		3.47	3.09	3.00	2.76
$T m i n$ /s	5.824	5.774	5.761	5.782	5.809
$T m i n$ 变化率/%		0.86	1.09	0.72	0.25
$v m a x$ /（km·h^-1）	212	204	206	210	211
$v m a x$ 变化率/%		3.63	-2.74	-0.72	-0.68
最大爬坡度/%	60	60	60	60	60

表6

参考文献 9

1	中国汽车工程学会. 节能与新能源汽车技术路线图2.0［M］. 2版. 北京：机械工业出版社， 2021： 84-85.
	China-SAE. Technology roadmap for energy saving and new energy vehicles［M］. 2nd ed. Beijing： China Machine Press， 2021： 84-85.
2	杨亚联，秦大同. 汽车无级变速器的类型及基本原理［J］. 汽车技术， 1997（3）： 57-59.
	YANG Y， QIN D. Types and basic principles of automotive continuously variable transmission［J］. Automobile Technology， 1997（3）： 57-59.
3	KIM S J， KIM K S， KUM D. Feasibility assessment and design optimization of a clutchless multimode parallel hybrid electric powertrain［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2015， 21（2）： 774-786.
4	朱福堂. 单电机多模式混合动力系统的架构设计分析与模式切换研究［D］. 上海：上海交通大学， 2014.
	ZHU F. Analysis and mode transition research of a multi-mode hybrid powertrain using a single electric machine［D］. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2014.
5	HONG X， WU J， ZHANG N， et al. Energy efficiency optimization of Simpson planetary gearset based dual-motor powertrains for electric vehicles［J］. Energy， 2022， 259： 124908.
6	张国芬，刘召杰，刘晋霞，等. 基于杠杆法并联双排行星齿轮机构的设计［J］. 机械传动， 2018， 42（7）： 71-76.
	ZHANG G， LIU Z， LIU J， et al. Design of two-row parallel planetary gear mechanism based on lever method［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2018， 42（7）： 71-76.
7	张绚玮，陈龙. 采用键合图理论的HEV双行星排动力耦合机构功率流分析［J］. 重庆理工大学学报（自然科学）， 2017， 31（12）： 22-27，46.
	ZHANG X， CHEN L. Analysis of circulating power of dual-planetary gear hybrid electric vehiclebased on bond graph［J］. Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science）， 2017， 31（12）： 22-27，46.
8	郑智伟.双行星EVT混合动力传动系统的图论建模与方案综合设计研究［D］. 重庆：重庆大学， 2017.
	ZHENG Z. Graph modeling and scheme design of dual planetary gear EVT hybrid system［D］. Chongqing： Chongqing University， 2017.
9	程方晓. 基于自适应保持多样性遗传算法的汽车动力传动系多目标优化［D］. 长春：吉林大学， 2011.
	CHENG F. Multi-objective optimization of automotive powertrain based on adaptive maintain diversity genetic algorithm［D］. Changchun： Jilin University， 2011.

序号	评价项目	规则及指标
1	挡位设计	（1）系统中行星齿轮机构与变速器配合产生较多的挡位数量；（2）系统中产生的挡位级差应该均匀且不能过大。
2	传动特性	根据动力系统设计的要求，行星齿轮机构应实现减速增转矩效果。
3	工作模式	（1）应能实现纯电驱动、发动机直驱、混合动力驱动、行车充电、怠速充电、纯电（混动）制动能量回收等混合动力工作模式；（2）具备发动机独立完成车辆起步的工作模式和能力。
4	可制造性	混合动力系统的动力输入和输出连接方案，应该满足结构上的可设计、可制造性。

模式	挡位	制动器 B1	离合器 C1	双输入轴变速器
模式	挡位	制动器 B1	离合器 C1	1挡	2挡	3挡	4挡	5挡	6挡
纯电动模式	1	●		●
	2	●				●
	3	●						●
混合动力模式	0/1			●
	1		●	●
	1/2			●	●
	2		●		●
	2/3				●	●
	3		●			●
	3/4					●	●
	4		●				●
	4/5						●	●
	5		●					●
	5/6							●	●
	6		●						●

[1]	张培兴,秦孔建,朱冰,赵健,范天昕,赵文博. 自动驾驶仿真多逻辑场景综合评价方法[J]. 汽车工程, 2024, 46(3): 375-382.
[2]	王庞伟,刘程,汪云峰,张名芳. 面向城市道路的智能网联汽车多车道轨迹优化方法[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 241-252.
[3]	谷先广, 陈红林, 俞陆新, 张代胜. 精密铸铝件一体化设计及在车身轻量化中的应用[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 179-186.
[4]	陈飞,孔祥栋,孙跃东,韩雪冰,卢兰光,郑岳久,欧阳明高. 锂离子电池制造工艺仿真技术进展[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1516-1529.
[5]	马天飞,李波,朱冰,赵健. 考虑大气条件影响的自动泊车系统超声波雷达建模[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1646-1654.
[6]	许有伟,陈桂银,吕平,赵振瑞,赵洋洋,孙茂喜,邢丹敏. 燃料电池系统仿真分析及测试验证[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1710-1719.
[7]	陈小勇,姚璐,郭正鑫,刘浩,罗挺,王永亮. B柱扰流器对风振噪声的影响及其机理[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1772-1778.
[8]	刘卫国,项志宇,刘锐,李国栋,王子旭. 基于深度学习的端到端车辆运动规划方法研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1343-1352.
[9]	朱向雷,吴志新,张宇飞,赵帅,李克秋,孙博华. 基于场景降维及采样方法的场景库优化方法研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1408-1416.
[10]	孙晓强, 王玉麟, 胡伟伟, 蔡英凤, 陈龙, Wong Pak Kin. 基于轮胎分段仿射辨识模型的车辆行驶状态估计策略研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1212-1221.
[11]	袁侠义, 肖露. 四驱SUV车辆的高温瞬态热害仿真与优化研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1254-1262.
[12]	曾维和, 苟黎刚, 罗宇, 张俊, 廖慧红. 超大尺寸一体式压铸铝合金后段车身疲劳仿真与试验研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1263-1275.
[13]	傅耀宇, 周二振, 丁瑞阳, 周云波, 付条奇, 张明. 某车辆滚翻过程中乘员颈部动态响应[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1276-1285.
[14]	王博文,罗峰,王子通. 基于OMNeT++的车载TSN通信仿真系统设计[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 954-964.
[15]	秦玲,杜小锦,冯锦阳,黄顺巧,段孟华,王庆洋. 某SUV镂空尾翼气动噪声特性的研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 880-887.