输出型功率分流耦合机构的特性分析

摘 要 首先推导了单排行星轮系各主要部件之间的转矩、转速关系，接着在此基础上求解了输出型功率耦合机构三个主要部件（即发动机、电机MG1、电机MG2）之间的转矩、转速关系，最后推导出功率分流比例和传动比与行星排特征参数之间的关系，研究了不同功率电机能够实现的传动比的变化范围以及耦合机构的效率随传动比的变化关系。

关键词 输出型 功率分流 分流特性 效率特性

中图分类号：TH132 文献标识码：A

0引言

HEV动力系统根据功率分流方式的不同可分为输入分流型、输出分流型和复合分流型。其中最典型的输入分流型功率耦合机构是丰田Prius中所应用的THS动力系统，因为其发动机输入到行星排机构的功率分成了两条功率路径（即电路径和机械路径），因此这种系统被称为输入型；输出型功率耦合机构与输入型最大的不同是行星轮系的部件与发动机、电机MG1和电机MG2的连接方式。这种差异使得输入型与输出型在效率特性等许多方面呈现出截然相反的特点；复合分流型是输入型和输出型的综合，相较于输入型和输出型在更大的传动比范围内拥有更高的效率，但占用体积大、结构相对复杂。北京理工大学项昌乐等学者已对输入型的THS动力系统的特性进行了详尽的分析，而复合分流型是输入型和输出型的复合，故本文主要研究输出型功率耦合分流机构的特性。

1转速、转矩特性分析

1.1单排行星轮系各部件之间的转矩、转速关系

如图1所示是单排行星轮系的结构简图，其主要部件是太阳轮、行星轮、行星架和齿圈。

为了方便分析功率分流耦合机构的分流特性和效率特性，定义为功率分流耦合机构的传动比；定义i=为功率分流耦合机构的临界传动比。当i= 时太阳轮转速为零，为纯机械工况，亦即发动机的功率全部转化为机械功率从输出轴输出，而没有功率流向电机。此时由于不存在发动机到发电机再到电动机的二次能量转换，整个系统的效率最高，有些文献将这种工况定义为机械点。

从图3中可以看出：当时，发动机的功率在输入轴上通过电机MG1实现分流，后通过电机MG2又在输入轴上实现汇流，出现功率循环现象；当时，发动机的功率在输入轴上通过电机MG2实现分流，后通过电机MG1又在输入轴上实现汇流；当时，发动机的功率直接传到输出轴。由于当动力系统中出现功率循环现象时，发动机的输出功率可能远远超出输出轴的需求功率，并且分配到电路径的功率流没有动力输出，因此功率循环现象对动力系统是非常不利的，这种现象应该尽量避免，从而可知输出分流型在高传动比（即车辆低速行驶）时的性能较差。

对于图 1所示的行星轮系，其特性参数p的取值范围一般是1.5≤p≤4，所以临界传动比的取值范围为0.6≤ ≤0.8，由（公式7）可知：若不考虑电机MG1和MG2的效率，即令 m= g=1，电功率分流比例随传动比变化的极限值为、，由于 e不能为无穷大，因此功率分流耦合机构的最大传动比也不能为无穷大，它受两个电机额定功率的限制。由于分流型耦合机构中电机的功率由发动机的功率分流所得，故一般情况下电功率所占发动机功率的比例要小于或等于1，令 e=1，由此可以计算出输出型功率分流耦合机构理论上所能实现的最大传动比为imax-theory= （1+）。

若取p=2.5、 m= g=0.9，则电功率流比例如图4所示。由图4可知传动比过大或过小都会造成电功率分流变大，使得系统匹配时所需电机的额定功率也越大，所以应根据实际需求对功率分流耦合机构的传动比范围提出要求，以有利于电动机的选取。

由图5可见：功率分流耦合机构中电机额定功率不宜选择过小，否则功率分流耦合机构的传动变速范围也会过小而无法满足车辆驱动的需求；但是电机选择过大又会增加成本，造成资源浪费，因此电机额定功率的选择应根据传动比范围的需求而定。

2.2 效率特性

电功率流在改变传动比的同时，会对传动系统的效率产生一定的影响。发动机分流的机械能经过发电机转化成电能再经过电动机转换为机械能，在此过程中存在两次能量转化，降低了传动系统的效率。由此可见当电功率分流比例变大，拓宽传动比范围的同时，必然会降低传动效率。

若同样取 m= g=0.9，p=2.5，则 =，依据（公式9）可得效率 随传动比i的变化曲线如图6所示。从图6可以看出，当处于低传动比时，虽然随着传动比的减小，效率降低，但即使传动比取到0，效率仍高于0.8，但在高传动比区，随着传动比的增大，效率急剧下降，这也可以说明输出分流型在高传动比时的性能较差。为了提高整车燃油经济性，在进行整车参数匹配时，应尽可能将车辆的平均行驶速度设计在临界传动比所对应的车速之下。

3结论

本文对输出型的机电耦合机构的分流特性进行了详细分析，得出了输出型的机电耦合机构主要部件之间的转矩转速关系、最大传动比范围随电机额定功率与发动机额定功率之比的变化关系，并求解了电功率分流比例、传动效率随传动比的变化关系，分析结果表明输出型功率分流耦合机构在低传动比区域具有较好的效率特性，适用于车辆高速行驶的工况。本文与项昌乐等学者的文章形成互补，为进一步深入研究混联混合动力车辆功率分流耦合机构的特性提供了参考。

参考文献

[1] 项昌乐，韩立金，刘辉，李宏才.混联混合动力车辆功率分流耦合机构特性分析[J].汽车工程，2010.

[2] 马屡中.机械原理与设计[M].北京：机械工业出版社，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] 赵博闻.一种双排行星轮系动力耦合方案研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[5] 宋瑞芳.功率分流式双模混合动力系统构型设计方法研究[D].长春：吉林大学，2014.