In spite of outstanding performance of power-split hybrid electric vehicles (PS-HEV), designing and controlling them are non-trivial. For example, twenty four configurations can be generated from one planetary gear-set (PG) and four components (an engine, two electric machines, and a vehicle wheel), and there exist more than thousand ways of connecting two PG and four components. Furthermore, in order to find an optimal configuration and its PG ratio and final drive (FD) ratio, which satisfies both high fuel economy and fast acceleration time, is a challenge. In this paper, a systematic configuration searching methodology is proposed to find an optimal single PG PS-HEV configuration for multiple requirements; the fuel economy and the acceleration performance. First, twenty four configuration are incorporated into a compound lever design space and thus the configuration design spaces can be modelled in a virtual lever dynamic equation with feasible PG and FD ratios. That is, the discrete design spaces are put into continuous virtual lever design space. Multi-objective optimization problem, which is formed with the two performance metrics, is solved by mapping performance data of each single PG PS-HEV design onto “fuel economy - acceleration time plane”. From the results, many alternative single PG PS-HEV designs which outperform PRIUS design in both performance perspectives are depicted. Among the design candidate pool, the new single PG PS-HEV design, which can potentially be developed into a novel PS-HEV powertrain, is easily sought. (e.g. design which performs higher acceleration performance at the expense of fuel economy: 6.22 sec faster acceleration and 0.14 km/liter decreased fuel economy)
동력분기형 전기 하이브리드차(PS-HEV)는 성능은 우수하지만, 설계와 제어가 어렵다는 문제를 가지고 있다. 예를 들어, 네 개의 단품(두 개의 전기 장치, 엔진 그리고 차량 구동 축)을 한 개의 유성기어에 연결 하는 방법은 스물 네 가지가 존재하며 두 개의 유성기어에 연결하는 방법은 천 가지 이상의 방법이 있을 수 있다. 게다가, 유성기어 비(PG ratio)와 종 감속 기어 비(FD ratio)가 설계 변수로 고려된다면, 연비와 가속성능이 동시에 우수한 설계를 찾는 것은 더욱 어려워 지게 된다. 본 논문에서는, 연비와 가속 성능이 모두 우수한 단일 유성기어 동력분기형 하이브리드차의 최적 배열을 찾는 체계적인 설계 방법론을 제시되었다. 먼저, 스물 네 개의 배열을 한 개의 가상 지렛대(lever)로 나타냄으로써, 가능한 모든 배열이 단일 식으로 모델링 될 수 있도록 하였다. 즉, 스물 네 개의 단일 유성기어 동력분기형 하이브리드차의 연비와 가속 성능의 최적제어 문제를 가상의 지렛대 모델을 이용하여 해결한다. 연비와 가속성능의 성능 지표에 의한 다중목적 최적화 문제(multi-objective optimization problem)을 풀기 위해, 가능한 모든 단일 유성기어 동력분기형 하이브리드차의 설계의 연비와 가속 성능을 에 대해 연속적인 지렛대 평면 상에서 평가하고, 연비와 가속성능의 이차원(2D) 평면 상에 모든 설계를 위치시킨다. 그 결과 프리우스(Prius)의 설계에 비해 우수한 동력분기형 하이브리드차 설계 후보군을 찾을 수 있었다. 만약 새로운 동력 분기형 하이브리드차 파워트레인을 개발 하고자 한다면, 위의 설계 후보군들 중 목적에 부합하는 설계를 하나를 선택하면 될 것이다. 그리고 만약 가속성능이 우수한 하이브리드차를 개발하고 자 한다면 o6 배열을 선택함으로써 기존 프리우스 대비 단지 0.14 km/liter의 복합 연비 감소를 통해 6.22 sec의 복합 가속 성능의 향상을 이룰 수 있을 것이다.
