混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系概念方案設(shè)計(jì)

1、“863”項(xiàng)目混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系 概念方案設(shè)計(jì)“863”項(xiàng)目組二零零九年四月20目錄一、設(shè)計(jì)分析11.1轉(zhuǎn)矩耦合11.2 轉(zhuǎn)速耦合41.3轉(zhuǎn)矩耦合與轉(zhuǎn)速耦合并存51.3.1 豐田prius（ths）系統(tǒng)方案61.3.2 福特escape hev系統(tǒng)61.3.3通用雙模系統(tǒng)7二、設(shè)計(jì)綜合82.1項(xiàng)目方案結(jié)構(gòu)分析82.2 耦合特性分析92.3雙行星輪動(dòng)力學(xué)分析102.4雙行星輪動(dòng)力學(xué)原理驗(yàn)證試驗(yàn)112.5動(dòng)力匹配14三、控制系統(tǒng)173.1耦合裝置與amt的集成控制173.2混合動(dòng)力系統(tǒng)控制流程193.3能源管理控制原則20四、開(kāi)發(fā)可行性21一、設(shè)計(jì)分析混合動(dòng)力汽車(chē)配置有不止一個(gè)動(dòng)力源，分析現(xiàn)有混合動(dòng)

2、力電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)案例，主要是用固定軸齒輪副和行星排機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率分流和匯流。分別稱(chēng)之為轉(zhuǎn)矩耦合、轉(zhuǎn)速耦合，還有綜合了轉(zhuǎn)矩耦合轉(zhuǎn)速耦合的傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析和理解，確認(rèn)項(xiàng)目概念方案的合理性。1.1轉(zhuǎn)矩耦合轉(zhuǎn)矩耦合是將發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一起相加，或?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分解成兩部分：分別用于驅(qū)動(dòng)和蓄電池充電。（a） (b)圖1.1轉(zhuǎn)矩耦合概念圖圖1（a） 概念性的表明了功率匯流。圖1（b）表示了功率分流。功率分流和功率匯流是相對(duì)的，利用圖（a）進(jìn)行分析，若忽略損耗（傳動(dòng)效率），輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可表述為：-（1）-（2）-（3）式中，和是取決于轉(zhuǎn)矩耦合裝置的常數(shù)。轉(zhuǎn)矩耦合的特點(diǎn)：l 轉(zhuǎn)速特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)一

3、定時(shí)，各轉(zhuǎn)速之間保持一定的比例關(guān)系；l 轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)一定，且當(dāng)為一定時(shí)，與的代數(shù)和保持不變，但其間的分配可任意變化，即轉(zhuǎn)矩解耦。包括其中之一為零或負(fù)值，使得輸入和輸出的關(guān)系變化，如圖1（b）所示。因此，轉(zhuǎn)矩回合，也可以看作是“分矩式”功率分流或“匯矩式”功率匯流，因此可稱(chēng)之為“差矩機(jī)構(gòu)”。典型的機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合裝置有變速箱、皮帶輪或鏈?zhǔn)浇M合件以及傳動(dòng)軸。（a）變速箱（b） 皮帶輪或鏈?zhǔn)浇M合件（c）傳動(dòng)軸圖1.2 常用的機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合裝置本田ima是發(fā)動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩耦合式，可用圖2中的c表示。轉(zhuǎn)矩耦合混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系設(shè)計(jì)方案圖1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)配置不同的傳動(dòng)裝置圖 1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)配置相同的傳動(dòng)裝

4、置該方案中傳動(dòng)裝置以相同比例提高發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可采用高速電機(jī)。圖1.5 前傳動(dòng)裝置前傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩兩者均有傳動(dòng)裝置調(diào)節(jié)，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)必須有相同的轉(zhuǎn)速范圍。這一結(jié)構(gòu)常用于小型電機(jī)的情況，被稱(chēng)為輕度混合動(dòng)力電動(dòng)系，其中，電機(jī)起著發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輔助和再生制動(dòng)的作用。圖 1.6 后傳動(dòng)裝置 后傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)裝置僅改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，這一結(jié)構(gòu)可用于有大范圍、恒功率區(qū)的大型電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)系。傳動(dòng)裝置僅用于改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)，以改進(jìn)車(chē)輛性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。1.2 轉(zhuǎn)速耦合轉(zhuǎn)速耦合裝置，如圖7所示圖 1.7 轉(zhuǎn)速耦合概念圖

5、，其特點(diǎn)是：l 轉(zhuǎn)速特點(diǎn)當(dāng)任一元件轉(zhuǎn)速一定，其他兩元件轉(zhuǎn)速代數(shù)和為定值，但其間的分配關(guān)系可任意改變，即轉(zhuǎn)速解耦。l 轉(zhuǎn)矩特點(diǎn) 三元件所受轉(zhuǎn)矩之間保持一定的比例關(guān)系。多用行星排作為轉(zhuǎn)速耦合裝置，如下圖所示。圖1.8 內(nèi)外嚙合單行星排轉(zhuǎn)速耦合裝置所以，當(dāng)功率一定時(shí)，由于轉(zhuǎn)速分配的變化，兩路的功率可以發(fā)生變化，以至于一路為零，甚至于為負(fù)值，這便是的輸入和輸出的關(guān)系有所變化。行星排進(jìn)行功率分流或匯流，可看作是“分速式”或“匯速式”，因此可稱(chēng)之為“差速機(jī)構(gòu)”。華沙工業(yè)大學(xué)單行星排方案圖1.9 華沙工業(yè)大學(xué)行星排方案由于行星齒輪機(jī)構(gòu)和差速器之間沒(méi)有變速器，要求發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的合成轉(zhuǎn)速范圍要寬，電機(jī)需要提供較

6、寬范圍的最大轉(zhuǎn)矩以滿(mǎn)足行駛需求。同時(shí)該系統(tǒng)僅在行駛時(shí)可以實(shí)現(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)能量分流，給電池充電；無(wú)法實(shí)現(xiàn)駐車(chē)充電功能。1.3轉(zhuǎn)矩耦合與轉(zhuǎn)速耦合并存還有些混合動(dòng)力汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系采用了轉(zhuǎn)矩耦合與轉(zhuǎn)速耦合并存的方案。低車(chē)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩耦合運(yùn)行模式將適合于高加速性能和爬坡性能的需求；在高車(chē)速時(shí)，則采用轉(zhuǎn)速耦合模式，以保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于最佳運(yùn)行區(qū)。1.3.1 豐田prius（ths）系統(tǒng)方案 圖1.10 豐田prius hev（ths）系統(tǒng) 圖1.11豐田ths簡(jiǎn)化圖發(fā)動(dòng)機(jī)和小型電機(jī)（幾千瓦）通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)速耦合。齒圈輸出和大型的牽引電機(jī)（幾千瓦到十千瓦）通過(guò)固定軸的齒輪組件構(gòu)成轉(zhuǎn)矩耦合。在低車(chē)速時(shí)，小型電

7、機(jī)正向轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，吸收部分發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。當(dāng)車(chē)速較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)固定在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，同時(shí)為避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速太高，導(dǎo)致高油耗，小型電機(jī)將以負(fù)向轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，以便向驅(qū)動(dòng)系傳遞功率。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)能運(yùn)行在其最佳轉(zhuǎn)速范圍，當(dāng)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)和小型電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，可提高燃油經(jīng)濟(jì)性。1.3.2 福特escape hev系統(tǒng)定子轉(zhuǎn)子tenercstm1nm2nm1tns-太陽(yáng)輪 c-行星架 r-齒圈tm2變速箱圖1.12福特 escape he混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)/發(fā)電機(jī)構(gòu)成轉(zhuǎn)矩耦合，轉(zhuǎn)矩耦合輸出通過(guò)變速器，變速器的輸出與主驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)行星行星齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)速耦合。結(jié)構(gòu)上，與豐田ths系統(tǒng)的差異在于

8、轉(zhuǎn)矩耦合裝置和轉(zhuǎn)速耦合裝置的位置前后。轉(zhuǎn)矩耦合經(jīng)過(guò)amt，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)效率區(qū)間的機(jī)會(huì)。但由于行星齒輪機(jī)構(gòu)輸出扭矩直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，對(duì)行星齒輪機(jī)構(gòu)的扭矩容量提出較高要求，并且使得電機(jī)具有較寬范圍的最大扭矩。 1.3.3通用雙模系統(tǒng)圖1.13 gm 雙模式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系通用采用雙模電子無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力分流以及兩動(dòng)力源的匯流，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)沿其經(jīng)濟(jì)曲線(xiàn)工作，大幅度降低油耗，同時(shí)保證汽車(chē)的動(dòng)力性。在輸入分流模式下，離合器2分離，離合器3離合，電機(jī)1工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電機(jī)2工作在電機(jī)狀態(tài)。行星齒輪機(jī)構(gòu)1實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)1的轉(zhuǎn)速耦合，行星齒輪機(jī)構(gòu)2齒圈鎖止，實(shí)現(xiàn)行星齒輪機(jī)構(gòu)1行星架

9、輸出和電機(jī)2的轉(zhuǎn)矩耦合。主要適用于低速行駛或倒車(chē)行駛。在復(fù)合分流模式下，離合器2離合，離合器3分離，電機(jī)根據(jù)運(yùn)行需要工作在發(fā)電機(jī)和電機(jī)狀態(tài)。行星齒輪機(jī)構(gòu)1和行星齒輪機(jī)構(gòu)2均作為轉(zhuǎn)速耦合裝置，行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架同軸輸出構(gòu)成轉(zhuǎn)矩耦合。主要適用于高速行駛、爬坡或拖掛行駛。 二、設(shè)計(jì)綜合2.1項(xiàng)目方案結(jié)構(gòu)分析圖2.1 “863”項(xiàng)目混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系 概念設(shè)計(jì)方案項(xiàng)目概念方案如圖2.1所示，動(dòng)力耦合裝置采用內(nèi)外嚙合雙星排。發(fā)動(dòng)機(jī)/isg同軸耦合輸出與太陽(yáng)輪相連；牽引電機(jī)與行星架相連；amt變速器輸入軸與外齒圈相連。在發(fā)動(dòng)機(jī)/isg和太陽(yáng)輪之間布置離合器，用于結(jié)合或斷開(kāi)行星行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪與發(fā)動(dòng)機(jī)/

10、isg的連接；在行星架與太陽(yáng)輪之間設(shè)計(jì)一鎖止器，用于鎖止和分離行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪與行星架的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)離合器和鎖止器的控制，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置工作模式的切換。與上述混合系統(tǒng)方案相比，該機(jī)電耦合裝置的技術(shù)特征是：（1） 采用內(nèi)外嚙合雙星排實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速耦合；（2） 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端固連isg，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合；（3） 前傳動(dòng)裝置，即轉(zhuǎn)速耦合裝置位于amt之前；（4） 使用鎖止器和離合器進(jìn)行各種模式的切換；該機(jī)電耦合傳動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式（isg的狀態(tài)根據(jù)電池soc值及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷決定）、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式（isg的狀態(tài)根據(jù)電池soc值及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷決定）、制動(dòng)能量回收模式等。具體如表2-1所示。

11、表2-1 耦合裝置實(shí)現(xiàn)的耦合功能耦合裝置狀態(tài)耦合功能離合器鎖止器分離結(jié)合純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)isg發(fā)電發(fā)動(dòng)機(jī)停止制動(dòng)能量回收結(jié)合分離發(fā)動(dòng)機(jī)、牽引電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)isg調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)載荷結(jié)合結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，isg發(fā)電、驅(qū)動(dòng)或空轉(zhuǎn)分離分離駐車(chē)2.2 耦合特性分析項(xiàng)目方案存在轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合兩種耦合方式。根據(jù)離合器和鎖止器的狀態(tài)，耦合方式有所變化，并實(shí)現(xiàn)不同的工作模式。項(xiàng)目方案采用的動(dòng)力耦合裝置簡(jiǎn)化圖如圖2.2所示：圖2.3 動(dòng)力耦合裝置簡(jiǎn)化圖聯(lián)合驅(qū)動(dòng)時(shí)，離合器結(jié)合、制動(dòng)器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)和isg是轉(zhuǎn)矩耦合，行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)矩耦合輸出的轉(zhuǎn)速耦合。耦合裝置輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系為： （2-11） （2-12

12、）發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，離合器結(jié)合、制動(dòng)器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)和isg轉(zhuǎn)矩耦合輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系為：，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收時(shí)，離合器分離、制動(dòng)器結(jié)合，輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系為： ，式中、為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，、為isg的扭矩和轉(zhuǎn)速，、為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，為齒圈內(nèi)齒圈齒數(shù)與太陽(yáng)輪齒數(shù)的比值。由上述轉(zhuǎn)矩關(guān)系式可知，汽車(chē)行駛過(guò)程中，隨著車(chē)輛需求轉(zhuǎn)矩t的變化，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩使其在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，由轉(zhuǎn)速式可知，其輸出轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的線(xiàn)性和，可以通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)。2.3雙行星輪動(dòng)力學(xué)分析利用經(jīng)典力學(xué)理論，對(duì)內(nèi)外嚙合雙星排各個(gè)元件（包括作周轉(zhuǎn)

13、運(yùn)動(dòng)的行星輪）進(jìn)行分離體受力分析，建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程。在上式基礎(chǔ)上，建立matlab/simulink模型驗(yàn)證合理性。圖2.4 matlab/simulink模型求解微分方程從上到下依次為太陽(yáng)輪、齒圈、行星架的外部施加扭矩：圖2.5太陽(yáng)輪、齒圈、行星架、內(nèi)行星輪、外行星輪的角速度依次為：圖2.6可見(jiàn)，當(dāng)外部施加扭矩符合比例時(shí)，各元件轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)。慣量影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。2.4雙行星輪動(dòng)力學(xué)原理驗(yàn)證試驗(yàn)為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型的正確性，設(shè)計(jì)了以電機(jī)作為動(dòng)力源的行星排試驗(yàn)臺(tái)架。原理樣機(jī)如右圖所示 圖2.7 原理樣機(jī)基于該原理樣機(jī)，搭建了如下圖所示的簡(jiǎn)易臺(tái)架。圖2.8 原理樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

14、通過(guò)該簡(jiǎn)易試驗(yàn)臺(tái)架，得到如下結(jié)論：1、 驗(yàn)證了行星輪機(jī)構(gòu)可以作為功率分流或功率匯流，即行星輪機(jī)構(gòu)的三個(gè)基本構(gòu)件（太陽(yáng)輪、齒圈、行星架）任意兩個(gè)可以驅(qū)動(dòng)第三個(gè)，任意一個(gè)也可以驅(qū)動(dòng)另外兩個(gè)。2、 驗(yàn)證了行星輪機(jī)構(gòu)三個(gè)基本構(gòu)件（太陽(yáng)輪s，行星架h，齒圈r）間的轉(zhuǎn)速關(guān)系，即 （1）或 這里，為行星齒輪特性參數(shù)。 圖2.9 轉(zhuǎn)速關(guān)系驗(yàn)證圖把測(cè)得的太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速、行星架轉(zhuǎn)速、齒圈轉(zhuǎn)速代入（1）式的左邊，得到其左邊的值在0值上下微動(dòng)，考慮測(cè)量誤差的影響，其轉(zhuǎn)速關(guān)系式（1）是正確的。3、驗(yàn)證行星輪機(jī)構(gòu)各構(gòu)件（太陽(yáng)輪s，行星架h，齒圈r）間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系即 上式是不考慮摩擦、穩(wěn)態(tài)時(shí)推導(dǎo)出來(lái)的。由于摩擦的存在，且負(fù)載較低

15、時(shí)電機(jī)效率較低，所以低負(fù)荷時(shí)三者扭矩得不到一定的比例關(guān)系，但在中等負(fù)荷以上時(shí)三者扭矩呈現(xiàn)與上述比例關(guān)系一致的趨勢(shì)，在誤差測(cè)試范圍內(nèi)，可以驗(yàn)證上述扭矩關(guān)系的成立。 圖2.10 轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖4、 驗(yàn)證了功率關(guān)系不考慮功率損失，系統(tǒng)的輸入功率等于輸出功率，即即太陽(yáng)輪端輸入功率與行星架端輸入功率之和等于齒圈端的輸出功率，即?？紤]摩擦等效率損失，輸入功率比輸出功率要大一些，如下圖2.10，這是符合理論的。 圖2.11 輸入功率與輸出功率關(guān)系圖5、驗(yàn)證了行星排耦合裝置的可控性通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)端和行星架端的輸入功率，從齒圈端可以得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，即說(shuō)明可以通過(guò)控制輸入端使輸出端達(dá)到目標(biāo)值。（1） 保持目標(biāo)值速度不變?nèi)?/p>

16、圖2.12所示，通過(guò)控制行星架端和太陽(yáng)輪端電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以使輸出端轉(zhuǎn)速保持在期望值。圖2.12目標(biāo)值速度保持不變（2） 目標(biāo)值速度變化如圖2.13所示，太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速基本保持不變，調(diào)節(jié)行星架端電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而得到目標(biāo)值齒圈的轉(zhuǎn)速。圖2.13 目標(biāo)值速度變化2.5動(dòng)力匹配應(yīng)用該混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力功能樣車(chē)的性能指標(biāo) 見(jiàn)表2.1aer（純電動(dòng)行駛里程）10km混合模式下最高車(chē)速120km/h最大爬坡度30%0100km/h全加速時(shí)間40s原型車(chē)參數(shù)，見(jiàn)表2.2m滿(mǎn)載質(zhì)量3550 kgi04.88a迎風(fēng)面積4.325 m2i1524f滾動(dòng)阻力系數(shù)0.018i23296cd風(fēng)阻系數(shù)0.5i31.9

17、13r滾動(dòng)半徑0.339 mi41.266動(dòng)力傳動(dòng)效率0.9i51.000匹配所依據(jù)的道路循環(huán)工況見(jiàn)圖2.14圖2.14 udds循環(huán)工況圖 圖2.15 時(shí)間-功率分布圖功能樣車(chē)在該道路循環(huán)工況下，負(fù)載功率需求見(jiàn)圖2.15?；旌蟿?dòng)力電驅(qū)動(dòng)系需要提供出滿(mǎn)足在社會(huì)丁工礦下的扭矩和功率需求，供求關(guān)系如2.16所示 。圖2.16從功能要求到概念設(shè)計(jì)參數(shù)的映射過(guò)程如圖2.17 圖2.17 映射過(guò)程動(dòng)力匹配算法流程如下圖2.18圖2.18 動(dòng)力匹配計(jì)算流程匹配計(jì)算結(jié)果見(jiàn)2.3動(dòng)力系統(tǒng)組件特征描述性能參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)1.4升直列四缸汽油機(jī)最大功率75kw/6000rpm最大扭矩123nm/4500rpm驅(qū)動(dòng)電機(jī)永

18、磁同步交流電機(jī)額定功率15kw，額定扭矩60nm峰值功率35kw，峰值扭矩130nm基速2500rpm， 最高轉(zhuǎn)速10000rpmisg永磁同步交流電機(jī) 額定功率10kw，額定扭矩60nm峰值功率25kw，峰值扭矩140nm基速1700rpm， 最高轉(zhuǎn)速6000rpm變速箱5排檔amt5.24 3.296 1.913 1.266 1 5.024(r)動(dòng)力電池磷酸鐵鋰電池45kw， 336v， 40ah動(dòng)力耦合器雙行星輪單排行星齒輪機(jī)構(gòu)特性參數(shù)k=2.258表2.3 動(dòng)力組件參數(shù)列表三、控制系統(tǒng)為方便耦合裝置與amt的選配并提高其協(xié)同工作能力，擬采用耦合裝置與amt的機(jī)構(gòu)和控制功能的集成設(shè)計(jì)，同

19、時(shí)為了簡(jiǎn)化混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)集成難度，該綜合控制系統(tǒng)還具有多能源管理和控制功能。3.1耦合裝置與amt的集成控制耦合器需要對(duì)其中的離合器和鎖止器進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行在不同的工作模式下。該機(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的控制與傳統(tǒng)控制有著很大的不同。由于amt與機(jī)電耦合裝置的集成設(shè)計(jì)，離合器安裝在耦合裝置中，故對(duì)amt進(jìn)行換擋控制時(shí)需要對(duì)耦合裝置中的離合器進(jìn)行控制。同時(shí)，由于在耦合裝置不同的工作狀況下，混合動(dòng)力汽車(chē)的工作模式發(fā)生了變化，amt需要根據(jù)耦合裝置的工作狀況選擇不同的換擋規(guī)律。針對(duì)機(jī)電耦合裝置的amt系統(tǒng)變速箱前端與行星輪沒(méi)有離合器脫開(kāi)，且集成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致amt的輸入端的慣量變大

20、，換檔時(shí)還必須靠電機(jī)精確調(diào)速實(shí)現(xiàn)同步。為了降低混合動(dòng)力汽車(chē)的控制系統(tǒng)集成難度，在自主開(kāi)發(fā)amt控制策略、耦合器控制策略的基礎(chǔ)上，集成混合動(dòng)力汽車(chē)的多能源管理控制策略，將其設(shè)計(jì)成綜合控制系統(tǒng)，對(duì)混合動(dòng)力整車(chē)的能源管理和機(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)裝置進(jìn)行控制。這樣，設(shè)計(jì)的綜合控制系統(tǒng)只要能夠滿(mǎn)足整車(chē)的通訊協(xié)議，采用集成的機(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)裝置和綜合控制系統(tǒng)，并對(duì)綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可以很容易地實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)集成。圖3.1 綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖根據(jù)以上分析，機(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的綜合控制系統(tǒng)的控制原理如圖3.1所示。多能源管理控制模塊根據(jù)汽車(chē)及其他能源器件工作的狀態(tài)，選擇合適的工作模式和amt的換擋

21、規(guī)律，并對(duì)amt換擋模塊和耦合器執(zhí)行模塊提出控制要求。amt執(zhí)行模塊、耦合裝置執(zhí)行模塊、電機(jī)控制系統(tǒng)再相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)耦合裝置的工作。以發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式為例對(duì)綜合控制系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行介紹，其控制結(jié)構(gòu)原理如圖3.2所示。多能源管理控制模塊根據(jù)汽車(chē)及各電池的工作狀態(tài)決定混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)該工作在純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，多能源管理和協(xié)調(diào)控制模塊選取對(duì)應(yīng)的amt換擋規(guī)律提供給amt換擋執(zhí)行模塊，同時(shí)對(duì)耦合裝置執(zhí)行模塊提出控制要求。amt根據(jù)多能源管理和協(xié)調(diào)控制模塊的要求，在進(jìn)行換擋時(shí)向耦合裝置執(zhí)行模塊提出離合器控制的要求，向主驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)提出齒圈及一軸的轉(zhuǎn)速控制要求。當(dāng)離合器的控制和一軸轉(zhuǎn)速的控制滿(mǎn)足換擋要

22、求，則amt換擋執(zhí)行模塊進(jìn)行換擋操作。當(dāng)完成換擋后，耦合裝置執(zhí)行模塊和電機(jī)控制系統(tǒng)再各自按自己的需要進(jìn)行工作。圖3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)工況控制原理3.2混合動(dòng)力系統(tǒng)控制流程混合動(dòng)力系統(tǒng)控制流程如圖3.3：圖3.21hcu通過(guò)接收駕駛員信息（包括：油門(mén)開(kāi)度大小、剎車(chē)位置、離合器狀態(tài)、擋位信息）確定整車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，并估算駕駛需求功率；2hcu接收電機(jī)、電池和發(fā)動(dòng)機(jī)模塊的信息，獲得當(dāng)前各模塊的運(yùn)行點(diǎn)，據(jù)此估算在當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速下電機(jī)的最大輸出功率（根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池soc確定）和內(nèi)燃機(jī)的最大輸出功率；3合理分配駕駛需求功率：hcu通過(guò)控制策略的決策與運(yùn)算，確定發(fā)動(dòng)機(jī)分配功率和電機(jī)的分配功率以及isg的功

23、率；4hcu輸出控制命令：節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器根據(jù)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度命令控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度大小，電機(jī)ecu根據(jù)電機(jī)分配功率控制電機(jī)運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)行星齒輪耦合后，再通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，從而控制整車(chē)的正常運(yùn)行。圖3.43.3能源管理控制原則圖 3.5 混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系的設(shè)計(jì)理念如圖3.5所示，車(chē)輛頻繁加速、減速、上坡和下坡，其負(fù)載功率在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中是隨機(jī)變化的。事實(shí)上，負(fù)載功率由兩部分組成：一是穩(wěn)定的（平均的）功率，它是一恒定值；另一為具有零平均值的動(dòng)態(tài)功率。在混合動(dòng)力汽車(chē)中，穩(wěn)定功率由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。因?yàn)閯?dòng)態(tài)功率取自于動(dòng)態(tài)功率源，故采用的發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)要小得多，于是便能令其穩(wěn)定地運(yùn)行在最佳效率區(qū)。動(dòng)態(tài)功率由配置蓄電池組的電動(dòng)機(jī)提供。在整個(gè)行駛循環(huán)過(guò)程中，來(lái)自于動(dòng)態(tài)動(dòng)力系的總能量輸出將為零。這意味著動(dòng)態(tài)動(dòng)力系的能源在整個(gè)行駛循環(huán)終結(jié)時(shí)，不失去能量的容