王偉達(dá)，項(xiàng)昌樂(lè)，韓立金，馬 越

(北京理工大學(xué)，車(chē)輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

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2015158

雙模式機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)功率流綜合效率的優(yōu)化*

王偉達(dá)，項(xiàng)昌樂(lè)，韓立金，馬 越

(北京理工大學(xué)，車(chē)輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

提出了綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、多個(gè)電機(jī)、功率耦合機(jī)構(gòu)和電池組等功率損失的綜合效率定義方法，分別建立了行星耦合機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和電池組的效率模型。再以提高能量傳遞效率為目標(biāo)為雙模式機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)建立了功率流綜合效率優(yōu)化模型，并進(jìn)行優(yōu)化。將優(yōu)化結(jié)果寫(xiě)入綜合控制器中進(jìn)行硬件在環(huán)仿真。結(jié)果表明，功率流綜合效率優(yōu)化方法可根據(jù)綜合效率最優(yōu)協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)和多電機(jī)的工作點(diǎn)，與基于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作區(qū)域的傳統(tǒng)的功率流優(yōu)化方法相比，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性和傳動(dòng)效率。本研究為開(kāi)發(fā)綜合控制策略和控制系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)；功率流優(yōu)化；綜合效率；雙模式

前言

雖然單行星排的混聯(lián)式機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)(electro-mechanical variable transmission, EVT)長(zhǎng)期處于熱點(diǎn)研究狀態(tài)，但其應(yīng)用對(duì)象多為城市道路小型車(chē)輛，很難滿足大噸位、高機(jī)動(dòng)性能混合動(dòng)力車(chē)輛對(duì)傳遞功率、變速范圍的要求[1-2]?；旌蟿?dòng)力車(chē)輛并非固定設(shè)備，必須要求其安裝的電機(jī)不能過(guò)大、過(guò)重，通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀可知，對(duì)于要求高度集成的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，整車(chē)質(zhì)量體積約束與電機(jī)性能間的矛盾尤為突出。

目前，同時(shí)適用于大噸位、高機(jī)動(dòng)性混合動(dòng)力車(chē)輛的混合驅(qū)動(dòng)解決方案是多模式機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)[3]。多模式包含雙模式、三模式，甚至更多模式機(jī)電混合傳動(dòng)形式，其中，雙模式的研究和應(yīng)用最為廣泛。很多學(xué)者對(duì)多模式機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的方案與工作特性進(jìn)行了研究，主要針對(duì)某一結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率等特性分析與驅(qū)動(dòng)性能計(jì)算，未與控制性能和控制策略要求相結(jié)合[3-6]。控制策略與功率流優(yōu)化也是EVT研究的熱點(diǎn)，但多針對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳為目標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)EVT發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池組等多部件的綜合效率最優(yōu)的研究較少[7-10]。

本文中基于某雙模式機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)功率分流特性建立行星耦合機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池組的效率計(jì)算模型與基于功率損失最小的EVT綜合效率模型，提出以綜合效率最高為目標(biāo)的EVT功率流綜合效率優(yōu)化方法，將優(yōu)化結(jié)果寫(xiě)入綜合控制器并進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試與驗(yàn)證。

1 多模式EVT系統(tǒng)工作原理

多模式機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。電機(jī)具備四象限工作能力，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩存在正反兩個(gè)方向，電機(jī)存在發(fā)電、電動(dòng)兩種工作狀態(tài)。在發(fā)動(dòng)機(jī)輸入到機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速不變的情況下，可以通過(guò)由電機(jī)和行星排及操縱元件狀態(tài)的組合使電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之間呈現(xiàn)出單調(diào)上升或單調(diào)下降的線性變化狀態(tài)，如圖1中第1階段和第2階段，每一種狀態(tài)就稱為一種“模式”。當(dāng)改變行星機(jī)構(gòu)操縱件狀態(tài)時(shí)，可改變EVT系統(tǒng)的工作模式。電機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為模式切換點(diǎn)。

配置了行星差速機(jī)構(gòu)的機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)，其機(jī)械功率流是定速的，電力功率流是變速的，兩路功率間以行星差速機(jī)構(gòu)相連，具有無(wú)級(jí)變速功能。

圖1中部件轉(zhuǎn)速變化形式為：

第1階段，電機(jī)A轉(zhuǎn)速nA沿ad下降，使輸出轉(zhuǎn)速no沿ob升高；

當(dāng)nA降至0時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入第2階段，若nA沿ade方向繼續(xù)下降，電機(jī)A將反轉(zhuǎn)，可以使輸出轉(zhuǎn)速no沿obc方向繼續(xù)增長(zhǎng)；

若不希望電機(jī)A反轉(zhuǎn)，則可以通過(guò)改變電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械連接形式，使nA按adf曲線變化，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速no沿obc連續(xù)增長(zhǎng)。

多模式機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)類似于液壓機(jī)械連續(xù)無(wú)級(jí)傳動(dòng)，采用一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速往復(fù)變化而系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)增長(zhǎng)。系統(tǒng)由具備正、反行程的行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)與機(jī)械分路聯(lián)合在一起，在電機(jī)轉(zhuǎn)速往復(fù)連續(xù)無(wú)級(jí)變速的每一行程，與機(jī)械分路逐行程減小的適當(dāng)傳動(dòng)比配合，可得到逐段連續(xù)提高的擴(kuò)大范圍的無(wú)級(jí)變速。

研究的EVT系統(tǒng)功率耦合機(jī)構(gòu)方案如圖2所示。功率耦合機(jī)構(gòu)由3個(gè)行星排組成，A和B為兩個(gè)具備四象限工作能力的電機(jī)，C和Z分別為離合器和制動(dòng)器。

2 多功率流綜合效率優(yōu)化

如何實(shí)現(xiàn)機(jī)電功率分配，尤其是在滿足約束條件的前提下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的分配與控制，是功率流優(yōu)化需要解決的問(wèn)題。由于EVT是一種具有多輸入多輸出、多物理場(chǎng)變化過(guò)程的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率等優(yōu)化指標(biāo)無(wú)法描述EVT的特性，所以研究了一種EVT多功率流綜合效率的定義方法，綜合效率的定義又以基本傳遞單元的效率為基礎(chǔ)。所以首先給出功率耦合機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池組和電機(jī)效率的計(jì)算方法。在各傳動(dòng)部件效率和傳遞功率損失計(jì)算基礎(chǔ)上，定義和計(jì)算EVT系統(tǒng)綜合效率。

2.1 各傳動(dòng)環(huán)節(jié)效率定義

2.1.1 功率耦合機(jī)構(gòu)效率模型

功率耦合機(jī)構(gòu)可以看作是變輸入變輸出的多自由度系統(tǒng)，主要原因?yàn)閯?dòng)力電池組有時(shí)作為動(dòng)力源為系統(tǒng)提供動(dòng)力，有時(shí)作為負(fù)載接受發(fā)電機(jī)的電功率進(jìn)行充電。由于EVT系統(tǒng)中兩個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)與功率耦合機(jī)構(gòu)存在密切的關(guān)系，因此將電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換損失計(jì)算在功率耦合機(jī)構(gòu)中。

電機(jī)能量轉(zhuǎn)換時(shí)損失的功率與電機(jī)的工作點(diǎn)有關(guān)，而電機(jī)的工作狀態(tài)與耦合機(jī)構(gòu)的輸入輸出條件有關(guān)，耦合機(jī)構(gòu)齒輪嚙合的功率損失與行星排傳遞的相對(duì)功率有關(guān)，操縱元件的帶排功率損失與其主被動(dòng)摩擦片速差、間隙、油壓和油槽形狀等因素有關(guān)，旋轉(zhuǎn)密封元件的功率損失與相對(duì)轉(zhuǎn)速、油壓等因素有關(guān)。由此可見(jiàn)其效率計(jì)算與傳統(tǒng)行星變速機(jī)構(gòu)效率計(jì)算明顯不同。在行星變速機(jī)構(gòu)計(jì)算效率時(shí)，只要變速機(jī)構(gòu)擋位確定，行星傳動(dòng)系統(tǒng)中各構(gòu)件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系就可以確定。但在多模式耦合機(jī)構(gòu)中，各構(gòu)件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的調(diào)控狀態(tài)密切相關(guān)，因此本文中基于傳統(tǒng)的行星傳動(dòng)效率計(jì)算方法提出了EVT系統(tǒng)功率耦合機(jī)構(gòu)的功率定義方法。

行星傳動(dòng)效率計(jì)算方法為：先不考慮效率損失，計(jì)算出各構(gòu)件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系，然后根據(jù)相對(duì)功率法按照齒輪嚙合損失來(lái)計(jì)算傳動(dòng)效率。相對(duì)功率法的基本原理為：對(duì)行星排進(jìn)行性能分析時(shí)，可以看出行星輪的運(yùn)動(dòng)是由牽連運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩部分組成的，由這兩種運(yùn)動(dòng)傳遞的功率，分別稱作牽連功率和相對(duì)功率。計(jì)算效率時(shí)只計(jì)算與相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的齒輪嚙合損失，與牽連運(yùn)動(dòng)有關(guān)的損失忽略不計(jì)，且假定相對(duì)運(yùn)動(dòng)齒輪的嚙合損失與定軸齒輪的一樣。

每個(gè)行星排的相對(duì)功率可以按照外嚙合點(diǎn)(行星輪與太陽(yáng)輪的嚙合點(diǎn))或內(nèi)嚙合點(diǎn)(行星輪與齒圈的嚙合點(diǎn))計(jì)算。因?yàn)橄鄬?duì)功率先后經(jīng)兩點(diǎn)傳遞，其計(jì)算結(jié)果是相同的。因此，不妨以太陽(yáng)輪的外嚙合點(diǎn)計(jì)算，其相對(duì)功率Px取絕對(duì)值為

Px=|Ts(ns-nc)|

(1)

式中：Ts為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)矩；ns為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速；nc為行星架轉(zhuǎn)速。

則行星排的功率損失Ps為

Ps=Px(1-ηp)

(2)

式中：ηp為行星排齒輪嚙合的效率，本文中研究的機(jī)構(gòu)行星排都為簡(jiǎn)單排，傳遞過(guò)程包括一次內(nèi)嚙合和一次外嚙合，取總效率為0.95。

定義功率耦合機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為

ic=ni/no

(3)

式中：ni為功率耦合機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)速；no為功率耦合機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速。

考慮到功率耦合機(jī)構(gòu)與外界存在電功率交換，且系統(tǒng)的輸入功率與輸出功率平衡，所以有

(4)

式中：Pele為電功率值；Ti為功率耦合機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)矩；To為功率耦合機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩。

定義轉(zhuǎn)矩傳遞比為

ρT=To/Ti

(5)

則有

(6)

在上述方法與定義基礎(chǔ)上，利用相對(duì)功率法推導(dǎo)得到系統(tǒng)效率的表達(dá)式為

η=1-ηp1-ηp2-ηa-ηb

(7)

式中：ηp1為EVT裝置左側(cè)k1行星排功率損失系數(shù)；ηp2為EVT裝置右側(cè)k2行星排功率損失系數(shù)；ηa為電機(jī)A功率損失系數(shù)；ηb為電機(jī)B功率損失系數(shù)。根據(jù)功率流通道和功率分流數(shù)值，利用相對(duì)功率法計(jì)算的各功率損失系數(shù)為

(8)

(9)

(10)

(11)

電機(jī)A和B的效率包括發(fā)電效率和電動(dòng)效率，假設(shè)電機(jī)的工作效率值在4個(gè)工作象限完全對(duì)稱，則包含了通過(guò)符號(hào)函數(shù)來(lái)區(qū)分發(fā)電和電動(dòng)狀態(tài)的A和B電機(jī)效率，用ηelea和ηeleb表示，表達(dá)式為

(12)

(13)

式中：nA和TA為電機(jī)A的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；nB和TB為電機(jī)B的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；ηA和ηB分別為電機(jī)A和B在相應(yīng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)的實(shí)際效率。

當(dāng)取Pele=-120kW時(shí)，即耦合機(jī)構(gòu)對(duì)外輸出電能工況下，系統(tǒng)效率如圖3所示。從圖3中可以看出，耦合機(jī)構(gòu)在其兩個(gè)機(jī)械點(diǎn)之間的效率較高，在機(jī)械點(diǎn)之外隨著傳動(dòng)比向兩側(cè)的延伸，其效率降低較快。機(jī)械點(diǎn)附近效率較高，因此在進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)匹配時(shí)，應(yīng)盡量將常用車(chē)速與機(jī)械點(diǎn)對(duì)應(yīng)。在多數(shù)情況下電功率損失所占比例較大，在機(jī)械點(diǎn)附近機(jī)械功率損失比電功率損失大。

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)效率模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的效率ηe定義為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能We與所消耗燃油熱量Q的比值，即

ηe=We/Q

(14)

發(fā)動(dòng)機(jī)效率模型采用發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)辦法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了不同輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速下的油耗測(cè)試。對(duì)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，根據(jù)下式計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)效率的數(shù)值模型。

(15)

式中：Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，W；B為每秒發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量，g/s；Hn為柴油質(zhì)量熱值常數(shù)，取43 000J/g。

2.1.3 電池組效率模型

采用圖4所示的內(nèi)阻模型描述電池組的基本特性。由此可知，其輸出或輸入的實(shí)際功率為

Pb=IbatUbat

(16)

電池端電壓可由下式計(jì)算

Ubat=E-RIbat

(17)

式中：Pb為電池組的有效功率；E為電池電動(dòng)勢(shì)，即由電池SOC決定的穩(wěn)態(tài)電壓；R為電池內(nèi)阻；Ibat為電池電流，放電為正，充電為負(fù)；Ubat為電池工作時(shí)的瞬時(shí)電壓。

由式(17)可推得回路電流為

(18)

由此，可以得到電池充電時(shí)吸收或者放電時(shí)釋放的電池總功率為

Pb0=IbatE

(19)

因此，動(dòng)力電池的充放電效率分別為

(1) 放電工況(Pb>0)

(20)

(2) 充電工況(Pb<0)

(21)

可以看出電池的效率主要受電池工作溫度、電池SOC、電池充/放電電流等因素的影響。近似看來(lái)，電池充電效率有與SOC成正比的變化趨勢(shì)，而放電效率則隨SOC的增大而減小。

2.1.4 電機(jī)效率模型

EVT系統(tǒng)選用永磁同步電機(jī)，它具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，在國(guó)內(nèi)外多種電動(dòng)車(chē)輛中獲得應(yīng)用。

電機(jī)效率為其輸出功率與輸入功率的比值，然而由于電機(jī)的四象限工作特性，當(dāng)作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，輸入功率為電機(jī)電壓與電流的乘積，輸出功率為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積；反之，當(dāng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，輸入功率為電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之積的機(jī)械功率，輸出功率為定子電壓與電流之積。

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以測(cè)得電機(jī)效率的等高線圖，如圖5所示。

電機(jī)能量轉(zhuǎn)換時(shí)損失的功率與電機(jī)的工作點(diǎn)有關(guān)，其效率可根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)在效率數(shù)據(jù)中查表、插值獲得。根據(jù)電機(jī)工作狀態(tài)的不同，電機(jī)總的功率損失可統(tǒng)一表示為

(22)

2.2 綜合效率優(yōu)化模型與算法

如同功率耦合機(jī)構(gòu)效率定義一樣，從功率損失的角度定義機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率，當(dāng)Pb>0時(shí)，動(dòng)力電池組放電作為動(dòng)力使用，系統(tǒng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池組兩個(gè)動(dòng)力源；當(dāng)Pb<0時(shí)，動(dòng)力電池組充電作為負(fù)載使用，系統(tǒng)只有發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)動(dòng)力源。

EVT系統(tǒng)綜合效率計(jì)算公式為

(23)

式中：ηdis為動(dòng)力電池組的充放電效率；ηe為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率；Ploss為混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有功率損失，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和動(dòng)力電池組的能量轉(zhuǎn)換損失，以及前傳動(dòng)功率損失和耦合系統(tǒng)的機(jī)械功率損失。因此欲準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率，必須明確各功率流傳遞的大小和方向。

建立以機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)效率為目標(biāo)的控制策略。系統(tǒng)綜合效率優(yōu)化如圖6所示。

系統(tǒng)效率優(yōu)化問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為在不同優(yōu)化變量取值下尋求效率最高值的問(wèn)題。

優(yōu)化模型的輸入條件：車(chē)速v、電池SOC、驅(qū)動(dòng)需求功率P0。優(yōu)化變量為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne、電池組功率Pb。

車(chē)速與耦合系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，再根據(jù)車(chē)輛行駛需求功率可以得到耦合系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩。欲求得系統(tǒng)效率值，還需確定發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)A和B的工作點(diǎn)。在車(chē)速已知和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可優(yōu)化求解的情況下，電機(jī)A和B的轉(zhuǎn)速可通過(guò)EVT功率耦合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合關(guān)系得到；在驅(qū)動(dòng)需求功率已知、電池功率可優(yōu)化求解獲得的情況下，根據(jù)系統(tǒng)功率平衡方程Pe=Pb+P0，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也可確定，從而可確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)轉(zhuǎn)矩耦合關(guān)系，由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速求得的EVT輸入轉(zhuǎn)矩及驅(qū)動(dòng)需求功率求得的EVT輸出轉(zhuǎn)矩可確定電機(jī)A和B的轉(zhuǎn)矩。因此，選定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力電池組功率作為優(yōu)化變量，即優(yōu)化結(jié)果的輸出值，根據(jù)上述分析其它變量可根據(jù)此兩個(gè)變量計(jì)算得到。

2.3 綜合效率優(yōu)化結(jié)果與實(shí)現(xiàn)

綜合效率優(yōu)化的基本思想是：在某一特定工況下，求出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力電池組功率組合下的系統(tǒng)綜合效率值，并對(duì)它們進(jìn)行比較，綜合效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電池組功率即為最終的優(yōu)化結(jié)果。

采用MATLAB優(yōu)化工具箱來(lái)進(jìn)行方程的求解。具體步驟為：

(1) 根據(jù)一定的優(yōu)化規(guī)則選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與動(dòng)力電池組功率組合(ne,Pb)；

(2) 根據(jù)已知輸入、耦合約束關(guān)系與機(jī)電功率平衡方程計(jì)算滿足調(diào)節(jié)的各電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)；

(3) 根據(jù)各部件工作點(diǎn)與功率計(jì)算各傳動(dòng)環(huán)節(jié)功率損失與系統(tǒng)綜合效率；

(4) 利用優(yōu)化算法對(duì)滿足綜合效率最高的優(yōu)化變量數(shù)值組合進(jìn)行尋優(yōu)，確定最優(yōu)變量取值，進(jìn)而計(jì)算各部件控制量。

通過(guò)適當(dāng)?shù)钠ヅ淇刂?，?dāng)耦合機(jī)構(gòu)中電機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，進(jìn)而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油轉(zhuǎn)化效率，從而使此雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率達(dá)到最優(yōu)。在不同工況(車(chē)速、需求功率、SOC)下，建立效率優(yōu)化模型，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算得到覆蓋不同工況的最優(yōu)控制量參考值。某SOC下的發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與電池功率優(yōu)化變量求解結(jié)果隨車(chē)速與總需求功率的變化規(guī)律如圖7所示。優(yōu)化結(jié)果以數(shù)據(jù)表形式存儲(chǔ)在EVT綜合控制器中，以查表算法在線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)功率流的在線優(yōu)化控制。

3 多功率流優(yōu)化驗(yàn)證

3.1 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)硬件在環(huán)仿真(HILS)可方便、全面地將控制策略和對(duì)象系統(tǒng)模型聯(lián)調(diào)測(cè)試。在dSPACE中運(yùn)行車(chē)輛系統(tǒng)模型和試驗(yàn)條件模型，在試驗(yàn)室內(nèi)即可快速、方便地設(shè)定不同工況甚至是實(shí)際中很難獲得或十分危險(xiǎn)的工況，對(duì)設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。一些極端駕駛工況或危險(xiǎn)工況也可通過(guò)設(shè)定試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行在線測(cè)試，而無(wú)需擔(dān)心部件損壞或危險(xiǎn)發(fā)生，體現(xiàn)了硬件在環(huán)仿真的優(yōu)勢(shì)。

研究的功率分流混合動(dòng)力HILS平臺(tái)由實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)dSPACE、系統(tǒng)數(shù)字模型、信號(hào)調(diào)理電路、監(jiān)控界面和駕駛員操作裝置(加速踏板、制動(dòng)踏板、換擋裝置)等組成。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.2 HILS測(cè)試結(jié)果分析

利用HILS平臺(tái)進(jìn)行了功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略的硬件在環(huán)仿真測(cè)試，包括加速性、反復(fù)加減速和變加速踏板行程行駛等多種測(cè)試工況。某典型駕駛循環(huán)工況的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。其中，踏板行程取值范圍為[-100%,100%]，正數(shù)表示加速踏板行程，負(fù)數(shù)表示制動(dòng)踏板行程?；旌蟿?dòng)力工況編號(hào)含義為：0—停車(chē)；3—發(fā)動(dòng)機(jī)反拖起動(dòng)；4—機(jī)電混合驅(qū)動(dòng)；7—機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)；9—滑行(踏板行程為零)。

從圖9中看出，EVT系統(tǒng)反復(fù)在機(jī)電混合驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)或滑行工況之間切換，實(shí)現(xiàn)了正確的工況控制功能。發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)A和B協(xié)調(diào)配合，根據(jù)加速踏板行程決定的駕駛員意圖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)工況輸出或制動(dòng)能量回收。電池組SOC根據(jù)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)輸出或輸入電功率，在行駛工況前后，電池電量基本平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)點(diǎn)分布見(jiàn)圖9(d)。除在一些大功率驅(qū)動(dòng)工況須提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至1 800～2 000r/min左右，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更多的機(jī)械功率外，大部分情況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)集中在燃油消耗率較優(yōu)的區(qū)域，體現(xiàn)了功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)多電機(jī)和電池組的協(xié)調(diào)配合，盡可能將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性區(qū)域的優(yōu)勢(shì)。兩個(gè)電機(jī)的工作點(diǎn)如圖9(e)和圖9(f)所示。在個(gè)別工況，如急加速工況，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求很大，電機(jī)A和B工作在靠近電機(jī)外特性區(qū)域。此時(shí)一般電機(jī)A為負(fù)極值，進(jìn)行大功率發(fā)電并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)B工作在正極值進(jìn)行大轉(zhuǎn)矩助力驅(qū)動(dòng)。在其它大部分工況下，電機(jī)工作在效率90%以上的區(qū)域內(nèi)，這是綜合效率優(yōu)化全局考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)等工作效率的結(jié)果。

4 結(jié)論

(1) 建立了EVT系統(tǒng)各傳動(dòng)環(huán)節(jié)的效率模型與基于功率損失的系統(tǒng)綜合效率模型，提出了以綜合效率最高為主要目標(biāo)的EVT功率流綜合效率優(yōu)化方法。測(cè)試結(jié)果表明，與一般的規(guī)則型控制策略相比，綜合效率優(yōu)化控制方法可進(jìn)一步提高雙模式機(jī)電復(fù)合無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性和傳動(dòng)效率，為設(shè)計(jì)綜合控制策略和控制系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

(2) 以綜合效率最高為目標(biāo)進(jìn)行了EVT系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配計(jì)算，并通過(guò)HILS平臺(tái)對(duì)最優(yōu)化控制策略進(jìn)行在線測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，綜合效率優(yōu)化考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和多電機(jī)的高效工作區(qū)域，較之傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性區(qū)域策略對(duì)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率和經(jīng)濟(jì)性有進(jìn)一步地提升。

(3) 采用真實(shí)的綜合控制器，通過(guò)數(shù)學(xué)模型在dSPACE中實(shí)時(shí)運(yùn)行模擬實(shí)際被控對(duì)象與試驗(yàn)環(huán)境，構(gòu)建了基于CAN總線通信的功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。通過(guò)硬件在環(huán)仿真可快速、有效地對(duì)能量管理策略進(jìn)行在線測(cè)試和結(jié)果數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的快速測(cè)試與策略調(diào)整，提高了開(kāi)發(fā)效率。

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Overall Efficiency Optimization for Power Flow in Dual-modeElectro-mechanical Variable Transmission System

Wang Weida, Xiang Changle, Han Lijin & Ma Yue

BeijingInstituteofTechnology,NationalKeyLaboratoryofVehicleTransmission,Beijing100081

An overall efficiency definition is proposed with considerations of the power losses in engine, several electric motors, power coupling mechanism and battery pack. The efficiency models for planetary coupling mechanism, engine, motors and battery pack are built respectively, based on which an overall power flow efficiency model for a dual-mode electro-mechanical variable transmission system is established with enhancing energy transfer efficiency as objective, and an optimization is conducted. Then the optimized results are input to a comprehensive controller for hardware-in-the-loop simulation. The results of simulation show that the method of overall power flow efficiency optimization can optimally coordinate the working points of engine and several motors according to overall efficiency, and compared with traditional power-flow optimization method based solely on engine optimal working region, it further enhances the fuel economy and transmission efficiency of system. The research provides a theoretical basis for the development of overall control strategy and control system.

electro-mechanical variable transmission; power flow optimization; overall efficiency; dual mode

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51005017)資助。

原稿收到日期為2013年12月2日，修改稿收到日期為2014年2月28日。