樊杰　左言言　陳銘　曹一川

摘 要 首先推導了單排行星輪系各主要部件之間的轉矩、轉速關系，接著在此基礎上求解了輸出型功率耦合機構三個主要部件（即發(fā)動機、電機MG1、電機MG2）之間的轉矩、轉速關系，最后推導出功率分流比例和傳動比與行星排特征參數之間的關系，研究了不同功率電機能夠實現的傳動比的變化范圍以及耦合機構的效率隨傳動比的變化關系。

關鍵詞 輸出型 功率分流 分流特性 效率特性

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A

0引言

HEV動力系統根據功率分流方式的不同可分為輸入分流型、輸出分流型和復合分流型。其中最典型的輸入分流型功率耦合機構是豐田Prius中所應用的THS動力系統，因為其發(fā)動機輸入到行星排機構的功率分成了兩條功率路徑（即電路徑和機械路徑），因此這種系統被稱為輸入型；輸出型功率耦合機構與輸入型最大的不同是行星輪系的部件與發(fā)動機、電機MG1和電機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出截然相反的特點；復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比范圍內擁有更高的效率，但占用體積大、結構相對復雜。北京理工大學項昌樂等學者已對輸入型的THS動力系統的特性進行了詳盡的分析，而復合分流型是輸入型和輸出型的復合，故本文主要研究輸出型功率耦合分流機構的特性。

1轉速、轉矩特性分析

1.1單排行星輪系各部件之間的轉矩、轉速關系

如圖1所示是單排行星輪系的結構簡圖，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構的分流特性和效率特性，定義為功率分流耦合機構的傳動比；定義i=為功率分流耦合機構的臨界傳動比。當i= 時太陽輪轉速為零，為純機械工況，亦即發(fā)動機的功率全部轉化為機械功率從輸出軸輸出，而沒有功率流向電機。此時由于不存在發(fā)動機到發(fā)電機再到電動機的二次能量轉換，整個系統的效率最高，有些文獻將這種工況定義為機械點。

從圖3中可以看出：當時，發(fā)動機的功率在輸入軸上通過電機MG1實現分流，后通過電機MG2又在輸入軸上實現匯流，出現功率循環(huán)現象；當時，發(fā)動機的功率在輸入軸上通過電機MG2實現分流，后通過電機MG1又在輸入軸上實現匯流；當時，發(fā)動機的功率直接傳到輸出軸。由于當動力系統中出現功率循環(huán)現象時，發(fā)動機的輸出功率可能遠遠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力輸出，因此功率循環(huán)現象對動力系統是非常不利的，這種現象應該盡量避免，從而可知輸出分流型在高傳動比（即車輛低速行駛）時的性能較差。

對于圖 1所示的行星輪系，其特性參數p的取值范圍一般是1.5≤p≤4，所以臨界傳動比的取值范圍為0.6≤ ≤0.8，由（公式7）可知：若不考慮電機MG1和MG2的效率，即令 m= g=1，電功率分流比例隨傳動比變化的極限值為、，由于 e不能為無窮大，因此功率分流耦合機構的最大傳動比也不能為無窮大，它受兩個電機額定功率的限制。由于分流型耦合機構中電機的功率由發(fā)動機的功率分流所得，故一般情況下電功率所占發(fā)動機功率的比例要小于或等于1，令 e=1，由此可以計算出輸出型功率分流耦合機構理論上所能實現的最大傳動比為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可知傳動比過大或過小都會造成電功率分流變大，使得系統匹配時所需電機的額定功率也越大，所以應根據實際需求對功率分流耦合機構的傳動比范圍提出要求，以有利于電動機的選取。

由圖5可見：功率分流耦合機構中電機額定功率不宜選擇過小，否則功率分流耦合機構的傳動變速范圍也會過小而無法滿足車輛驅動的需求；但是電機選擇過大又會增加成本，造成資源浪費，因此電機額定功率的選擇應根據傳動比范圍的需求而定。

2.2 效率特性

電功率流在改變傳動比的同時，會對傳動系統的效率產生一定的影響。發(fā)動機分流的機械能經過發(fā)電機轉化成電能再經過電動機轉換為機械能，在此過程中存在兩次能量轉化，降低了傳動系統的效率。由此可見當電功率分流比例變大，拓寬傳動比范圍的同時，必然會降低傳動效率。

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

3結論

本文對輸出型的機電耦合機構的分流特性進行了詳細分析，得出了輸出型的機電耦合機構主要部件之間的轉矩轉速關系、最大傳動比范圍隨電機額定功率與發(fā)動機額定功率之比的變化關系，并求解了電功率分流比例、傳動效率隨傳動比的變化關系，分析結果表明輸出型功率分流耦合機構在低傳動比區(qū)域具有較好的效率特性，適用于車輛高速行駛的工況。本文與項昌樂等學者的文章形成互補，為進一步深入研究混聯混合動力車輛功率分流耦合機構的特性提供了參考。

參考文獻

[1] 項昌樂，韓立金，劉輝，李宏才.混聯混合動力車輛功率分流耦合機構特性分析[J].汽車工程，2010.

[2] 馬屢中.機械原理與設計[M].北京：機械工業(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力耦合方案研究[D].上海：上海交通大學，2013.

[5] 宋瑞芳.功率分流式雙模混合動力系統構型設計方法研究[D].長春：吉林大學，2014.