混合动力汽车传动参数匹配与优化方法研究

纪文煜

（无锡南洋职业技术学院汽车工程与管理学院，江苏无锡 214081）

0 引言

混合动力汽车作为我国目前主要的汽车形式，能够在确保动力的前提下，充分考虑到环境保护对汽车行业发展提出的硬性要求[1]。混合动力汽车将传统的纯电动汽车向油电混合方式加以过渡，在节能环保的同时，尽可能地提升汽车的动力性能。我国针对混合动力汽车方面的研究起步较晚，且主要针对其节能方面加以研究，针对其动力性能方面的研究较少。结合现有文献，对混合动力汽车动力性能方面的研究结果显示，混合动力汽车的传动参数是影响其动力性能的关键参数，相关混合动力汽车行业必须予以充分重视。在设定混合动力汽车传动参数的过程中，不能只考虑发动机、发电机性能指标，还要力求将混合动力汽车传动参数能够与混合动力汽车整体传动系统结构相匹配，进而优化传动参数，提升其传动性能[2]。结合以往针对混合动力汽车传动参数匹配与优化方法的研究，主要通过正交试验的设计方法，以混合动力汽车在行驶过程中的能耗最小为最优设计目标，匹配混合动力汽车传动参数。但传统方法在实际应用中存在混合动力汽车传动参数匹配率低的问题，因此，针对混合动力汽车传动参数匹配与优化方法的优化设计具有现实意义。本文提出混合动力汽车传动参数匹配与优化方法研究，致力于增强混合动力汽车传动性能。

1 混合动力汽车传动系统结构

在混合动力汽车传动参数匹配前，必须要明确动力汽车传动参数匹配对象，即混合动力汽车传动系统结构[3]。混合动力汽车传动系统结构如图1所示。

图1 混合动力汽车传动系统结构

图中可以看出，混合动力汽车传动系统结构主要由7个部分构成，7个部分均为混合动力汽车传动参数匹配过程中需要考虑的对象。

2 混合动力汽车传动参数

在明确混合动力汽车传动系统结构的基础上，本文选定发电机/发动机功率与传动系速比作为混合动力汽车传动参数，并加以分析，为混合动力汽车传动参数匹配与优化提供基础参数。针对上述混合动力汽车传动参数，具体研究内容如下。

2.1 发电机/发动机功率

针对混合动力汽车传动参数中的发电机/发动机功率与发电机/发动机排量有直接关系，发电机/发动机功率必须满足在该排量下，混合动力汽车对于传动性能的要求[4]。发电机功率Pm的计算公式为：

式中：η为发电机容量；t为发电机最高连续功率时长；m为发电机最高峰值；g为发电机最大加速度；f为发电机最大转矩；C为混合动力汽车电动模式下最大车速；A为发电机额定峰值；v为发电机额定转矩；e为混合动力汽车传动发电机辅助消耗功率。

通过式（1）得出发电机功率。在此基础上，发动机功率Pn的计算公式为：

式中：j为发动机容量；k为发动机最高峰值；p为发动机最大加速度；u为发动机最大转矩；W为混合动力汽车电动模式下最大车速。

通过式（2）得出发动机功率，并作为混合动力汽车传动基本参数。

2.2 传动系速比

传动系速比作为衡量混合动力汽车变速箱的关键参数，也是混合动力汽车传动参数中的重要组成部分。对于传动系速比的要求：必须能够满足混合动力汽车达到最高车速要求，还要能够支持最大爬坡度对其的要求[5]。一般情况下，传动系速比分为5挡，具体传动系速比以及对混合动力汽车最大转速的要求如表1所示。

表1 传动系速比5档参数信息

结合表1中传动系速比基本信息。本文以上述2个参数为混合动力汽车传动核心参数，为提高混合动力汽车传动参数匹配率，进一步优化混合动力汽车传动性能，本文设计了一种混合动力汽车传动参数匹配与优化方法，具体研究内容如下。

3 混合动力汽车传动参数匹配与优化方法

3.1 发电机/发动机功率选择

在混合动力汽车传动参数匹配过程中，必须选择合适的混合动力汽车发电机/发动机功率[6]。通过上述发电机/发动机功率的计算可知，容量越大，其功率也会随之增大。本文以混合动力汽车发电机/发动机功率最大值，作为混合动力汽车传动参数匹配最优结果，得出发电机/发动机功率匹配结果。在选择混合动力汽车发电机的过程中，必须满足以下2点匹配条件：（1）满足混合动力汽车纯电动最高车速的要求；（2）满足混合动力汽车对于最大爬坡度的要求。以此得出混合动力汽车发电机功率基本参数，如表2所示。

表2 混合动力汽车发电机功率基本参数

结合表2所示，得出混合动力汽车发电机功率基本参数的基本参数，匹配混合动力汽车发动机功率参数[7]。

在混合动力汽车发动机的选择过程中，不但要满足上述发电机需要满足的基本条件，还需要与混合动力汽车发动机的附件相匹配，并考虑到空调在开启状态下需要消耗的功率，以此得出混合动力汽车发动机功率基本参数。表3所示为混合动力汽车发动机功率匹配后得出的基本参数。

表3 混合动力汽车发动机功率基本参数

3.2 传动系速比计算

在选择混合动力汽车发电机/发动机功率的基础上，本文通过计算混合动力汽车传动系速比的方式，匹配混合动力汽车传动系速比[8]。本文采用Matlab中的最小二乘法，计算求出混合动力汽车传动系速比匹配优化循环生成的关键参数。利用二次函数来拟合解空间，然后再函数方面求最小值，优化混合动力汽车传动系速比。在Matlab软件中，目标函数与约束方程均采用复杂的二次方程式拟合的关键参数[9]。设此过程的目标函数为α，可得：

式中：c1为混合动力汽车电动机状态变量；n为混合动力汽车传动系速比档位；i为混合动力汽车中动力电池组数量，是实数；bil为混合动力汽车传动系速比中变量相对应的参数。

通过式（3）得出混合动力汽车传动系速比匹配循环生成的目标函数，对于目标函数，采用误差的平方和公式来确定Y2系数，可得：

式中：g为混合动力汽车传动系速比匹配可靠性指数，通常情况下取值为1；U为混合动力汽车传动系速比设计权重；O为混合动力汽车变速器最高功率；P为混合动力汽车变速器载荷系数。

根据二次函数，对式（4）求导，可得：

式中：∂为混合动力汽车传动系速比匹配重合度系数。

通过上述3个公式建立数学模型，确定混合动力汽车传动系速比关键参数中自变量和因变量之间的函数关系F(X)，即可得到目标函数和约束函数的回归方程，如式（6）所示。

式中：x为圆周力。

通过式（6），可计算得出最佳匹配混合动力汽车传动系速比。

3.3 传动参数匹配

以3.2节计算得出的混合动力汽车传动系速比为依据，结合选择的混合动力汽车发电机/发动机功率，综合匹配混合动力汽车传动参数[10－11]。为进一步提高匹配精度，本文基于有限元，分析混合动力汽车传动参数特性。

有限元模型的大小以实际混合动力汽车为基础，在1∶1比例下，建立本文采用有限元模型，通过对混合动力汽车建模的方式，匹配混合动力汽车传动参数。在建模过程中，将复杂的混合动力汽车，减配某个阀门和管道系统，只在表面考虑了发电机/发动机壳体结构。然后对模型进行模态分析。

通过仿真得到的匹配结果与实际相比较，如果差异较大，则对模型进行修正。修改的内容主要包括网格密度、单元类型、边界条件和模型的联系类型。初始校正模型是通过谐波响应分析来完成的，直到匹配结果与实际相似。在混合动力汽车传动参数匹配中，应用于有限元模型的边界条件是由给定的距离速度激发，一般为一个经验值。但在这个模型中，将实验数据导入模型，以振动为边界条件进行混合动力汽车传动参数匹配[12]。

本文基于有限元分析，将复杂的混合动力汽车传动参数匹配问题转换为计算问题。针对混合动力汽车传动参数的匹配参数为p，则

式中：n为有限元模型中的网格数量；V为混合动力汽车发动机振动频率。

结合上述计算公式，可得出混合动力汽车传动参数匹配结果。

3.4 传动参数匹配结果优化

在匹配混合动力汽车传动参数后，为进一步优化混合动力汽车传动参数，本文采用电力辅助控制的方式，优化混合动力汽车传动参数匹配结果[13－14]。在电力辅助控制过程中，针对混合动力汽车传动参数匹配中的变量加以控制。电力辅助控制优化混合动力汽车传动参数匹配变量如表4所示。结合表4，通过电力辅助控制变量优化后，混合动力汽车传动参数匹配结果能够满足混合动力汽车传动性能优化需求，能够实现对混合动力汽车传动参数的优化设计。

表4 电力辅助控制优化混合动力汽车传动参数匹配变量

4 实例分析

4.1 实验准备

为构建实例分析，实验对象选取某混合动力汽车。混合动力汽车发动机基本参数如表5所示。混合动力汽车发电机基本参数的设置如表6所示。

表5 混合动力汽车发动机基本参数设置

结合表6所示，本次实例分析内容为分析混合动力汽车传动参数匹配结果，首先，使用本文设计方法匹配混合动力汽车传动参数，通过黑盒工具－QAcenter测得匹配率，记为实验组；再使用传统方法匹配混合动力汽车传动参数，同样测得匹配率，记为对照组。实验对比指标为对比两种方法的匹配率，匹配率越高证明对混合动力汽车传动参数优化效果越好。

表6 混合动力汽车发电机基本参数设置

4.2 实验结果

整理实验结果，混合动力汽车传动参数匹配率对比结果如图2和表7所示。实验证明本文设计方法的混合动力汽车传动参数匹配率明显高于对照组。

图2 混合动力汽车传动参数匹配率对比结果

表7 实验结果

5 结束语

本文通过实例分析的方式，证明了设计方法在实际应用中的适用性和此次优化设计的必要性。实验结果表明，所设计的方法针对混合动力汽车传动参数匹配优化效果更好，本设计具有现实应用价值，值得被大力推广。

通过本文设计方法，能够解决传统混合动力汽车传动参数匹配中存在的缺陷。但本文同样存在不足之处，主要表现为未对本次实例分析测定结果的精密度与准确度进行检验，进一步提高测定结果的可信度。在未来针对此方面的研究中可以加以补足。与此同时，还需要对混合动力汽车传动系统的优化设计提出深入研究，以此为提高混合动力汽车传动性能提供建议。