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行星齿轮混合动力总成的发动机运行

摘要：行星齿轮混合动力总成（PGHP）被看作是未来的混合动力电动汽车

（HEV）的配置。然而，该系统的最优控制仍然存在争议，因为这一系统的特点

是比那些传统的系统要复杂得多。本文介绍的案例研究揭示了传统定义的优化运

行线的模棱两可。进而建议使用系统优化运行点来代替优化运行线。考虑到发动

机的效率和传输效率的同时进行，故这一点是确定的。藉于系统优化运行点，燃

油经济性估算就可以模拟。首先，模拟汽车在全等速的长距离行驶。然后，使车

辆在各种标准排放测试时间表下运行并估算车辆的里程。分析每一种情况下发动

机的运行，以便理解PGHP系统的最佳运作。同时，提出通过优化运行来改善燃

油经济性。

关键字：混合动力汽车行星齿轮混联式发动机优化运行系统效率

1引言

该行星齿轮混合动力（PGHP），也称为动力分配或混联式混合动力系统，

是一种很有发展前景的混合动力电动汽车（HEV）配置。2004Prius在结合美国

环保局高速公路/城市循环工况下的燃油经济性高达55m/g.并被鉴定为超级低排

放车辆（SULEV）。最近，一些混合动力汽车模型，例如Alphard，RX440h，

和Escape可归类为采用这样一种混合动力汽车配置的车型。它们在领先的汽车

制造商的开发下越来越多的受到消费者的关注。

因此，关于这种动力系统的运行，已经有大量的工作和研究在进行。一些研

究人员分析了PGHP的传输效率，接着其他的人又研究了引擎的优化问题，以

便确定采用PGHP的引擎最有效率的运行条件。然而，使用PGHP下发动机的

最优运行还没有明确的界定。

而PGHP的职能类似于电控无级变速器，其特点就是和那些传统的无级变速

器完全不同。相应的，该系统的最优运行策略也应该不同于那些常规策略。在作

者以往的研究中，主要依赖于速比和电动机或发电机的效率等参数，来分析

PGHP的传输效率。因此，得出的结论是，系统的控制逻辑应侧重于根据需求的

输出转速来控制发动机的输入转速。

发动机的燃料消耗因运行速度和转矩的不同而不同。因此，基于发动机输入

转速的混合控制逻辑，可以最大限度地提高传输效率但不能保证系统整体效率的

最大化。控制逻辑应解释清楚传输效率和发动机效率已找到关于该系统整体效率

的发动机最优运行。

在这里，介绍各种各样基于准状态情况下的分析。虽然它可能不会考虑到瞬

态事件，但这种近似的方法被认为是很有力的分析方法。使用这种方法，PGHP

的传输效率将主要集中于假设没有电池电力。这种只有发动机运行的情况对应于

车辆以正常的速度长距离平稳行驶。一旦概念化地用电控无级变速器来代替

PGHP并分析，混合效果如电力协助，主动充电等等都得额外地进行研究。

2PGHP系统的特点

PGHP的构造如图1所示，它有三根轴，分别和行星架、中心齿轮和齿圈

连接。从行星架出来的轴是和发动机相连接，故被视为是输入轴。从齿圈出来的

轴是输出轴，它通过最后的减速带连接到车辆的传动轴。图中的MG1和MG2

分别代表发电机和电动机。广泛地说，电动机消耗电力来驱动车辆，而发电机则

吸收来自发动机的机械动力以便给电池或起动机供电。然而，当车辆减速时，电

动机会担当发电机的作用；当车辆速度多变时，发电机就消耗电力。

图1PGHP的构造图3四个备选运行点

PGHP的速比可定义如下：

然后，忽略瞬时运动的惯性条件，建立起稳态运动方程

方程（3）中的齿圈转矩是发动机扭矩的一小部分。这种扭矩传输被称为

机械路径或并联路径。如果假定电池不起电力协助作用，流通的电力从MG1到

MG2或从MG2到MG1可以由方程（6）来定义。当相应的功率（P）是正

的或机器消耗电力时，效率（η）是小于1的。当机器起发电机作用时，效率经

发电效率的叠加作用成为一个大于1的值。然后，MG2的功率和扭矩由方程

（7）及方程（9）确定

方程（