析，随后介绍了系统的工作模式及特点.基于Matlab/
Key words: hybrid electric vehicle； power-split； architecture
Simulink与LMS AMESim软件建立联合仿真平台，进行整
车性能仿真•结果表明，整车能量消耗和动力性能均得到改
optimization； co-simulation善.纯电动模式下，城市工况(UDC)整车电能消耗降低8%； 混动模式下，新欧洲行驶工况(NEDC)整车油耗降低6%.纯 电动模式最高车速从110 km • hT增加到160 km • hT.混 动模式0〜100 km • hr加速时间从14. 5 s减少到10. 0 s.关键词：混合动力汽车；功率分流；结构优化；联合仿真
功率分流式混合动力系统利用行星齿轮机构将 发动机与车轮解耦，可在较大车速范围内实现发动
机转速和转矩的持续优化丰田汽车公司和通用
汽车公司先后推出了多款成熟的功率分流式混合动
力系统［旳.丰田汽车公司的混合动力系统以单模输
中图分类号：U463. 2
文献标志码：A
入功率分流构型为主，结构简单，控制算法容易实
Architecture Optimization and Performance
现，但驱动电机直接与输出轴耦合，高速时整车动力 性能较差.同时，该系统对驱动电机的转矩要求较 高，增加了电机成本冏.通用汽车公司的混合动力系
统以双模组合式功率分流构型为主，具有多个行星
Validation for Power-split Hybrid SystemGENG Wmmn1, LOU Diming1, WANG Chen2, ZHANG Tung2(1. School of Automotive Studies, Tongji Univers让y, Shanghai 201804, China； 2. Corun Hybrid Technology Co. , Ltd.・ Shanghai 201501, China)排，通过控制离合器和制动器实现输入分流和复合
分流,降低了对电机最高转速和转矩的设计要求，多
个固定传动比的设计也提高了系统传动效率刀，但
该系统结构和控制均比较复杂，机械损耗和成本均
较高.Abstract： An architecture optimization method was proposed
for a compound power-spl让 hybrid system. Kinematic, dynamic, and efficiency analyses were conducted for the
为了进一步提高整车性能，研究人员对功率分
流式混合动力系统进行了结构优化.文献［8-12］的
研究结果表明，在功率分流机构中增加离合器，通过
optimized system. Then its various operation modes were introduced. A co-simulation platform was developed using Matlab/Simulink and LMS AMESim. Simulation results show
对离合器的状态进行控制，可增加系统工作模式，进
一步提升整车燃油经济性和动力性.that, fuel economy and power performance of the system are
国内科力远混合动力技术有限公司研发的
both improved. Energy consumption of an urban driving cycle (UDC) in pure electric modes decreases by 8%. Fuel consumption of new European driving cycle (NEDC) in hybrid
CHS（Corun hybrid system）,属于单模复合功率分 流系统，驱动电机与输出轴分离，使得控制更加灵 活［6何韩兵等丽、王晨等［⑷通过增加两个制动器 进行结构优化，在高速比时采用两挡纯电动替代功 率分流纯电动模式，在低速比时采用发动机直驱替
modes decreases by 6%. Maximum vehicle speed in pure electric modes increases from 110 km • h-1 to 160 km • h_1.
Acceleration time of 0 〜100 km • h-1 in hybrid modes is
收稿日期:2018-12-25基金项目：国家重点研发计划（2018YFB0105800）第一作者：耿文冉（1986-）,女，博士生,主要研究方向为功率分流式混合动力系统结构优化及能量管理策略.E-mail: gengwenran@ 126. com通信作者：楼狄明（1963—）,男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为混合动力技术、车辆排放控制技术、发动机先进燃烧技术
等.E-mail: loudiming@tongji. edu. cn1486同济大学学报(自然科学版)第47卷代功率分流混合动力模式，实现了系统效率和动力
性的提升.当前.CHS仍存在以下三个方面的问题: 纯电动最高车速较低，无法完成一个纯电动新欧州
行驶工况(NEDC)测试;混动模式系统最大输出转 矩不足600 N • m,整车加速、爬坡等动力性能较差;
发动机减速制动时，能量回收比例较低•这些问题阻碍了整
车性能的进一步提升，使CHS在实车(尤其是插电
式混合动力车)的应用中受到了限制.为了解决以上问题，针对CHS进行结构优化,
Fig. 2 Architecture of optimized CHS在发动机与第一行星架之间设置离合器C0,在发动 机与第二太阳轮之间设置离合器C1,并对优化后的 系统进行运动学、动力学和效率分析，然后通过联合
仿真验证结构优化对整车性能的影响.各运动部件的转速和角加速度关系.设:第一行星架
与第二齿圈(简称C1R2轴)的转速为ere，角加速度
为Qpc，第一齿圈与第二行星架(简称C2R1轴)的转1功率分流式混合动力系统结构及
优化1. 1系统结构优化方案速为3R,角加速度为认.行星轮系转速和角加速度的关系如下所示：«JS1 = a>S2 = COS1 =
oirJoi + toped — ：01)
3PC：02 +®R(1 — Zo2)
(1)(2)(3)WRloi + 括:前后两个行星排共用行星架和齿圈，发动机与行 星架相连，电机E1与小太阳轮S1相连，电机E2与 轮SI的角加速度，rad - s-2;WS2为太阳轮S2的转大太阳轮S2相连，三者动力经行星排复合后由齿圈 传递至输出端.为提升系统效率，设置B1、B2两个制 动器.B1闭合时，可锁止行星架;B2闭合时，可锁止 速，rad • s_1 ； wsz为太阳轮S2的角加速度，rad • sF°i为行星排1的传动比；氓为行星排2的传 动比.小太阳轮，电机E1不工作.双行星轮系对行星轮系进行动力学分析，可得电机E2 电机E1Tsi + Ts2 + Tr + Tpc = 0 (5)忽略行星轮系内部功率损耗，由双行星轮系功率平 衡条件可得TrCOR + TsiWSl + Ts2O)S2 + Tpcajpc = 0 (6)式(5)和(6)中：Tsi为太阳轮S1转矩,N • m；%为 太阳轮S2转矩,N- m；Trc为C1R2轴转矩,N • m； 为C2R1轴转矩，N・m.对S1轴进行动力学分析，可得图1优化前CHS结构Tei — cosi( Jsi Jei) ~ TS1 = 0 (7)Fig. 1 Architecture of CHS before optimization对S2轴进行动力学分析,Cl离合器打开时可得Te2 — WS2(Js2 + Je2 ) — Ts2 = 0 Cl离合器结合时可得(8)所提出的结构优化方案为：在发动机与第一行 星架之间设置离合器co,在发动机与第二太阳轮之 间设置离合器C1.优化后的结构如图2所示.电机 E1与行星排1的太阳轮相连，电机E2与行星排2 的太阳轮相连，发动机通过离合器C0或C1接入系 统,动力由行星排1的齿圈输出.Teng + Tq — ojs2(Js2+丿£2+Jeng)— Ta = 0 (9) 对C1R2轴进行动力学分析,CO离合器打开时 可得—copcJpc — Tpc = 0co离合器结合时可得Teng —wpc (Jpc 4- J eng) — Tpc = 0 (10)1.2运动学及动力学分析对优化后的行星轮系进行运动学分析，可得到(11)对C2R1轴进行动力学分析，可得第10期耿文冉，等:功率分流式混合动力系统结构优化与性能验证1487兀—必（Jr+丿 l）— Tr = 0 （12）式⑺〜（⑵中Jsi为太阳轮S1转动惯量,kg • m2； 儿为太阳轮S2转动惯*,kg- m2；Jrc为C1R2轴转 动惯量,kg • m2 ； Jr为C2R1轴转动惯量,kg • m2 ； d为电机El输出转矩,N - m；TE为电机E2输岀 转矩,N •皿:抵为发动机输出转矩，N • m；TL为负载转矩,N • m汀ei为电机E1转动惯量,kg • m2 ； 丿E2为电机E2转动惯量,kg • m2汀两为发动机转动 惯量,kg • m2JL为整车等效转动惯量,kg • m2.1.3系统效率分析当系统输出功率全部由发动机提供时，可避免 由于动力电池频繁充放电而造成的能量损失，保证 较高的系统效率.此时，系统内部电功率之和为零, 电池的净输出功率也为零.忽略各运动部件的角加速度，则式（5）.（6）可转 化为Tei + Te2 + Tr + Teng = 0(13)TrOJR + TeiCKEI + Te2O)E2 + TeNG^ENG=0 (14)当 TeiCOEiVO 时,Te1I OJEl f/ElTe23E2=0(15)当 Te1 之比，即加=奔厂(18)ENG电功率分流比表示系统输入功率中通过电途径 传递的比例,定义为PeiPeng(19)式（⑷〜（19）中：如为电机E1转速，rad • ；花】 为电机El效率;3凹为电机E2转速,rad・ s'存为 电机E2效率;3eng为发动机转速，rad • ；Pei为电 机El输出功率‘W/eng为发动机输岀功率,W；Pr 为系统输出功率,W.结构优化后系统传动效率与传动比的关系、电 功率分流比与传动比的关系如图3所示.当车速较 低时，系统传动比较大，电功率分流比为正值•发动 机功率被分流后，其中一部分由电机E2发电供电机 E1使用,系统效率较低.随着传动比减小，发动机功 率中用来发电的部分也减少，当电功率分流比降为 零时,发动机功率全部通过机械路径传递到车轮，系 统效率达到最高.此时系统内部电功率为零，因此该 工作点称为系统的机械点.CHS具有两个机械点. 当系统传动比介于两个机械点之间时，电功率分流 比为负值，电机E1发电供电机E2使用,系统效率较 高.在高车速时，系统传动比继续减小，电功率分流 比为正值,电机E2发电供电机E1使用，电功率循环 随着车速增加而急剧增加,系统效率急剧下降.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0系统传动比图3系统传动效率与电功率分流比Fig. 3 Efficiency and power split ratio of the system2工作模式分析CHS在优化前有五种工作模式：驻车模式、纯 电动模式、发动机起动模式、混合动力模式和制动能 量回收模式［⑷•结构优化前,CHS具有一种纯电动 模式（见图4中EV）和两种混合动力模式（见图4中 HEV1和HEV2）.结构优化后，纯电动模式增加为 三种,混合动力模式增加为六种.图4中“■”表示离 合器或制动器处于结合或闭锁状态，杠杆与各纵轴 交点处“ •”到横轴的距离表示此轴转速的大小.2.1纯电动模式结构优化前，纯电动模式需闭合B1,锁止行星 架•优化后，可通过打开C0使发动机与行星架断开 连接.控制B1和B2可获得三种纯电动模式，如图5 中EV1.EV2和EV3所示.EV1模式的B1闭合，两 台电机同时工作，可保证较大的输出转矩.EV2模式 的B2闭合，电机E2工作，可提高输出转速;进一步 调整电机E2工作点，可提升系统效率.EV3模式 B1、B2均打开，两台电机同时工作，在电机的转速限 1488同济大学学报（自然科学版）第47卷值内，齿圈输出转速进一步提高，从而获得更高的纯 电动车速;EV3为电子无极变速模式，可通过优化电 机工作点来提高系统效率.图5中“□”表示离合器或 制动器处于打开状态.Fig. 4 Pure electric and hybrid modes before optimizationFig. 5 Three pure electric modes after optimization2.2混合动力模式根据离合器的状态，混合动力模式又包括三种 情况:co结合、C1打开;CO打开、C1结合;CO、C1均 结合.当CO结合、C1打开时，系统工作在e-CVT模 式，两个电机共同调节发动机工作点，使系统效率达 到最优，即图6中HEV1模式.若电机E1转速较 低，为了避免电功率损耗过大，则将制动器B2闭合, 即图6中HEV2模式.当C1结合、CO打开时，发动机与电机E2并联, 可实现如图7所示的三种工作模式.HEV3模式B1 闭合，发动机和两台电机均工作，具有较大的输出转 矩，但该模式受电机转速限制，适用于车辆起步或中 低车速.HEV4模式B2闭合,发动机与电机E2工 作,转速限制降低，最大输岀转矩较HEV3模式降 低,可改善中高车速的动力性.HEV5模式B1、B2均 打开，最大输出转矩进一步降低，可作为C1结合各 模式的过渡工况.Fig. 7 Hybrid modes with CO opened and Cl engaged当CO、C1均结合时,系统工作在直驱状态，发动 机、两个电机与输出轴转速均相等，此时车辆可获得 较高车速，并且不会导致两个电机转速过高，如图8 所示的HEV6模式.第10期太阳轮S1耿文冉,等:功率分流式混合动力系统结构优化与性能验证1489行星架PC太阳轮S2C1C0H齿圈R表1所示.为了保证仿真结果的准确性，采用与实车 相同的控制策略.表1整车及动力部件参数HEV6部件整车Tab. 1 Parameters of the vehicle参数名称整备质量/kg参数值B2-Q-B1轮胎型号2 030225/55R18主减速比最大功率/kW发动机最大转矩/(N・m)最大转速/(r • min-1)额定功率/kW电机E1最大转矩/(N • m)最大转速/(r • min-1)图8 CO、C1均结合混合动力模式额定功率/kWFig. 8 Hybrid modes with CO and Cl engaged电机E2最大转矩/(N・m)最大转速/(r • min-1)动力电池容量/Ah 额定电压/V3仿真验证为了验证结构优化对整车性能提升的影响，进 行了离线仿真•搭建联合仿真平台，其中整车控制模 3.81202545 50060949 500752409 50037345. 6整车控制系统如图9所示.该系统包含三个层 次:第一层为能量管理策略，第二层为满足运动学和 动力学约束的电机需求转速与转矩计算模块，第三 型在Matlab/Simulink软件中搭建，物理模型在 LMS AMESim软件中搭建，整车及动力部件参数如层为部件控制器.图9整车控制系统框图Fig. 9 Block diagram of vehicle control strategy第一层能量管理策略包括工作模式选择和发动 机工作点选择两个模块•工作模式选择模块根据当 的需求转速和转矩•此外，电机工作点还需满足以下 约束条件:①电机的转速和转矩均在可行范围内； ②电池功率不超过其峰值功率;③电池SOC在允 许的工作范围•第一层和第二层组成了混合动力控 制单元，对应的控制程序位于整车控制器中.第三层部件控制器包括主要动力部件的控制 前车速、驾驶员需求转矩、电池SOC ( state of charge)等信息选择整车工作模式.发动机工作点选 择模块结合当前工作模式选择发动机工作点•当关 注于能量消耗时，按照等效燃油消耗最小策略选择 发动机最优工作点；当关注于整车动力性能时，选择 发动机输出转矩较大的工作点.第二层电机需求转速与转矩计算模块,在满足 器，如发动机控制器、电机控制器、电池控制器、油泵 电机控制器等，主要功能是接收来自于整车控制器 的控制信号，使各动力部件工作在期望的状态•车辆 实际运行的状态信息反馈给整车控制器，用于决定 下一时刻的控制策略.第1. 2节中运动学和动力学约束的前提下，根据第 一层输岀的工作模式和发动机工作点计算得到电机 1490同济大学学报(自然科学版)第47卷3. 1结构优化对能量消耗的影响循环工况的能量消耗仿真结果如表2所示.其 中城市工况(UDC)为纯电动模式,NEDC工况包含 纯电动和混动多种模式.表2能量消耗仿真结果Tab. 2 Simulation results of energy consumptionUDCNEDC项目-工况工况asoc/%油耗/(L・(100 km)-1)asoc/%优化前—1. 005. 38+0. 09优化后—0. 925. 05+0. 133. 1. 1纯电动能量消耗分析从表2可以看出，结构优化前一个UDC工况整 车SOC降低1. 00%,优化后SOC降低0. 92%,能量 消耗比优化前降低了 8%.图10和图11分别给出了电机E1和E2的转速 与转矩•从图10,11可以看出：优化前，系统工作在 EV1模式，电机E1转速不为零而转矩为零,处于空 转状态，电机E2受杠杆运动学约束而转速较高；优 化后，系统工作在EV2模式，电机E1被锁止，转速 „ 2 000r=£ 0.• -2 000瑕-4 000 •----优化后…••…优化前-6 000 0L 50-100 150 200 时间/s100E( • 50----优化后0••……优化前赛 -50_10°0 50 100 150 200 时间/s图10电机E1的转速与转矩Fig. 10 Rotary speed and torque of motor El0 50 100 150 200E • 衆躱 0 50 100 150 200 时间/s图11电机E2的转速与转矩Fig. 11 Rotary speed and torque of motor E2和转矩均为零，电机E2转速降低,转矩增大.电机空转时需要消耗功率来克服机械阻力，因 此优化前功率损耗总体高于优化后，如图12所示. 其中,140-165 s时优化前功率损耗低于优化后，原 因为优化后电机E2在此段的效率较差.(8 o L •6o----优化后 号4…••…优化前 o 、)瞰2出 O0 50 100 150 200图12车速与功率损耗Fig. 12 Vehicle speed and power loss图13为优化前后工况能量分析.优化后，驱动 消耗的能量低于优化前，而制动回收的能量高于优 化前•两方面综合作用，使得优化后整车纯电动 UDC工况的综合能耗较优化前降低了 8%.(hoi)*、黠试架菸禺 h()2 、 *瑶宝回菸B 图13工况能量分析Fig. 13 Energy analysis of driving cycle3. 1.2混动能量消耗分析从表2的结果可以看出，结构优化前NEDC工 况整车的综合油耗为5. 38 L • (100 km)\"1，优化后 为5. 05 L • (100 km)\"1,降低了 6%.仿真过程均采 用等效燃油消耗最小能量管理策略.图14为发动机工作点分布情况.图15为各工 作点的比油耗统计.优化后发动机工作点主要分布第10期耿文冉，等:功率分流式混合动力系统结构优化与性能验证1491在比油耗 240 — 250 g • kWh-1 和 250 — 260 g • kWh-】区域，比油耗小于260 g • kWh\"1的比例为 97.5%,优化前发动机比油耗小于260 g・kWh\"的 比例为66. 9%.(E • 思尼矗炭 500 1 500 2 500 3 500 4 500 5)0发动机转速/(r • min-1)图14发动机工作点分布Fig. 14 Distribution of engine working points0o 8o也优化前 □优化后6&16o 4o 2o O 发动机比油耗/(g.kWh-1)图15发动机比油耗分布Fig.15Distribution of engine specific fuel consumption图16为电机El工作点分布.优化前电机El主 要工作在第四象限，即发电工况;优化后电机E1部 分工作在第一象限，即放电工况.此外，优化前部分 工作点电机空转，优化后取消了这些工作点.△优化后 •优化前-150'-8 000--------------- -4 -000 --------------01- --------------4 000 1---------------8 0001转速/(r・min\")图16电机El工作点分布Fig. 16 Distribution of El working points图17为电机E2工作点分布•优化前电机E2转 矩分布在100 N・m以内，转速则达到7 000 r・ min-1;优化后电机E2转矩达到180 N • m,转速分 布在6 000 r • min\"以内，避免了大功率充电时较高 的损耗.转速/(-min\")图17电机E2工作点分布Fig. 17 Distribution of E2 working points3.2结构优化对整车动力性的影响3. 2. 1纯电动动力性分析图18为优化后纯电动模式的最大输出转矩和 最高车速•从图18可以看出，EV1模式在中低速(系 统输岀转速W3 000 r・min'1)时输出较大转矩，适 用于车辆起步、加速和爬坡工况.EV2模式较EV1 模式最大输岀转矩降低，最大输出转速提高，适用于 中高车速匀速行驶.EV3模式在中高速的最大输出 转矩和最大输出转速均高于EV2模式，可提高纯电 动最高车速•优化后纯电动模式最高车速从110 km・hT提高到了 160 km・h_1.(E・NV 按擦田瞩塢能 )()2 00(->=•50 £)、»----优化后出 …••…优化前0 20 40 60 80 100时间/s图18优化后纯电动模式最大输出转矩和最高车速Fig. 18 Maximum output torque and maximum speedof pure electric modes after optimization1492同济大学学报（自然科学版）第47卷3. 2.2混动动力性分析结构优化前,发动机与行星架相连，系统可输岀 machine: dynamic programming approachLJJ. Applied Energy. 2016, 168： 683.[2] KIMURA A, ANDO I, ITAGAKI K. Development of hybrid 的最大转矩为如图19所示的HEV1模式.结构优化 后,C1离合器结合时，发动机与电机E2并联，大幅 system for SUV[R]. Detroit： SAE, 2005.[3 ] UEHARA T, TAKAHASHI Y, OKI R, et al. Development of 提高了系统输出转矩，如图19所示的HEV3和 HEV4模式.从图19的车速曲线可以看出，优化后 the new THS-II powertrain for compact vehicles[R]. Detroit： SAE, 2012. [4 ] MILLER M A, HOLMES A G, CONLON B M, etal. The GM 0〜100 km • hr加速时间由14. 5 s减少到10. 0 s.( IP $ ) 、瞰出 图19优化后混动模式最大输出转矩和加速性能Fig. 19 Maximum output torque and acceleration abilityof hybrid modes after optimization4结论（1） 对CHS进行了结构优化.在发动机与第一 行星架之间设置离合器C0,在发动机与第二太阳轮 之间设置离合器C1.通过控制离合器和制动器的状 态,可实现三种纯电动模式和六种混动模式.（2） 结构优化后，整车能量消耗得到了改善.纯 电动UDC工况电耗降低了 8%,混动NEDC工况整 车油耗降低了 6%.（3） 结构优化后，整车动力性得到了提升.纯电 动模式最高车速由110 km • 提高到了 160 km •混动模式0〜100 km - h'1加速时间由14. 5 s 减少到10. 0 s.参考文献：[1 ] YANG Y, HU X, PEI H, et al. Comparison of power-split and parallel hybrid powertrain architectures w让h a single electric \"Voltec\" 4ET50 multi-mode electric transaxle E J ]. 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