功率分流式HEV電機(jī)參數(shù)動(dòng)力性最優(yōu)匹配

劉 輝， 王 騰， 劉志偉， 韓立金

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.車輛傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工大學(xué))， 北京 100081 )

功率分流式HEV電機(jī)參數(shù)動(dòng)力性最優(yōu)匹配

劉 輝1,2， 王 騰1,2， 劉志偉1,2， 韓立金1,2

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.車輛傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工大學(xué))， 北京 100081 )

為解決功率分流式混合動(dòng)力汽車在動(dòng)力工況中受電機(jī)工作點(diǎn)制約系統(tǒng)無法同時(shí)發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的問題，提出以動(dòng)力性最優(yōu)為目標(biāo)的雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)匹配方法. 基于雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，提出電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)矩的匹配方法. 研究系統(tǒng)電功率分流特性與電機(jī)工作點(diǎn)的關(guān)系以及電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，并提出電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的匹配方法. 結(jié)合匹配實(shí)例分析兩種模式下發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作狀態(tài). 結(jié)果表明：提出的電機(jī)參數(shù)匹配方法可使系統(tǒng)同時(shí)發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間最優(yōu)工作點(diǎn)的匹配，使系統(tǒng)獲得最佳的動(dòng)力特性.

雙模式；功率分流；動(dòng)力性最優(yōu)；電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；工作點(diǎn)匹配

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種布置形式. 功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是混聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)分支，其顯著特點(diǎn)是利用行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行功率的分流與匯流[1]，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性互相耦合，對動(dòng)力性的發(fā)揮和燃油經(jīng)濟(jì)性的提高提供了更大的優(yōu)化空間；但系統(tǒng)連接方式復(fù)雜并需要多個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)工作，對系統(tǒng)參數(shù)匹配和控制提出了更多挑戰(zhàn)[2-5]. 電機(jī)參數(shù)的匹配直接影響到整個(gè)功率分流式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能否正常工作，是保證混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能發(fā)揮的前提. 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的設(shè)計(jì)和使用非常重要，影響電機(jī)的功率密度及工作性能發(fā)揮，對系統(tǒng)的動(dòng)力性能也有重要影響.

文獻(xiàn)[6-9]研究了串聯(lián)方案中電機(jī)的功率匹配與汽車加速爬坡等性能要求的關(guān)系，沒有對電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩匹配進(jìn)行深入研究. 文獻(xiàn)[10-11]研究了并聯(lián)方案中發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)功率的匹配原則，即由發(fā)動(dòng)機(jī)提供汽車平均行駛功率，由電動(dòng)機(jī)提供峰值功率. 關(guān)于功率分流式混合驅(qū)動(dòng)方案參數(shù)匹配的研究，文獻(xiàn)[12]提出了發(fā)電機(jī)的匹配應(yīng)基于循環(huán)工況，電動(dòng)機(jī)的匹配應(yīng)基于加速需求的匹配原則. 文獻(xiàn)[13]提出了基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速匹配原則. 文獻(xiàn)[14]考慮了速比對電機(jī)功率匹配的影響，但未提出具體的匹配公式. 文獻(xiàn)[15]提出了基于優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)匹配流程，對系統(tǒng)的動(dòng)力輸出特性進(jìn)行了優(yōu)化，但未考慮各動(dòng)力元件工作點(diǎn)協(xié)調(diào)問題. 目前,針對功率分流式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)匹配的研究,基本上是從滿足驅(qū)動(dòng)功率的角度對電機(jī)進(jìn)行功率匹配，根據(jù)車速要求對電機(jī)進(jìn)行最高轉(zhuǎn)速匹配，沒有考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)工作點(diǎn)的關(guān)系，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的工作點(diǎn)相互制約，系統(tǒng)無法輸出最大的動(dòng)力特性.

本文介紹了雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性關(guān)系，以發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和滿足系統(tǒng)動(dòng)力性需求為匹配原則，對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了匹配，研究了電機(jī)額定轉(zhuǎn)速對發(fā)動(dòng)機(jī)和兩電機(jī)工作點(diǎn)的影響，得到了電機(jī)參數(shù)匹配公式. 結(jié)合匹配實(shí)例，驗(yàn)證了匹配公式的正確性，為混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的性能匹配提供參考依據(jù).

1 雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖1所示為雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)簡圖，它由4個(gè)行星排(K1、K2、K3、K4)、兩個(gè)電機(jī)(A、B)以及3個(gè)操縱元件(C1、Z1、Z2)組成. 其中K1和K2排起功率耦合作用，K3和K4排起變速變矩作用. 采用功率分流耦合機(jī)構(gòu)最突出的優(yōu)點(diǎn)是通過兩自由度行星機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無級變速，所以又稱為電力機(jī)械無級變速器(EVT).

圖1 雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)簡圖

這里的模式主要是針對電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，假定發(fā)動(dòng)機(jī)輸入到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不變，要使輸出轉(zhuǎn)速不斷升高，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相應(yīng)發(fā)生線性變化，如圖2所示. 傳動(dòng)系統(tǒng)方案中共有兩種驅(qū)動(dòng)模式：EVT1模式和EVT2模式. EVT1模式為分速匯矩模式，電機(jī)A起到分流的作用，它抵抗發(fā)動(dòng)機(jī)傳到K1排太陽輪的轉(zhuǎn)矩；電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩通過K3排減速增扭傳遞到輸出軸，電機(jī)B的輸出轉(zhuǎn)矩越大，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩也越大，整車動(dòng)力性也越好. 其中EVT1模式分為兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工況，即EVT1L和EVT1H.

EVT1模式工作時(shí)，制動(dòng)器結(jié)合，離合器分離；EVT2模式工作時(shí)，離合器接合，制動(dòng)器分離. 表1為雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操縱邏輯表.

圖2 雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速關(guān)系

表1 操縱邏輯表

Tab.1 Maneuver logic of the system

工況離合器C1制動(dòng)器Z1制動(dòng)器Z2EVT1L×√×EVT1H××√EVT2√××

注：√為結(jié)合；×為分離.

EVT1L一般用于爬坡工況和困難路面，能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩；EVT1H用于正常行駛工況中起步與加速，適用于中低速工況. EVT2模式用于中高速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)功率由K2排分流成3股：其中1股經(jīng)電機(jī)B以電功率形式流向電機(jī)A，由電機(jī)A輸出的機(jī)械功率與另外兩股機(jī)械功率在K1排行星架匯流，經(jīng)離合器C1傳遞到輸出軸，為系統(tǒng)EVT2模式輸出功率.

混合驅(qū)動(dòng)模式下的無級調(diào)速特性通過電機(jī)A、B配合來改變系統(tǒng)機(jī)電功率流的功率分流比例來實(shí)現(xiàn). 首先對兩種模式下電機(jī)A和電機(jī)B與行星排間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩關(guān)系進(jìn)行分析，得到電機(jī)A、B的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與輸入輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，進(jìn)一步分析電功率分流特性，得到分流電功率與輸入功率的關(guān)系.

1.1 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系

EVT1L工況：

EVT1H工況：

EVT2工況：

式中：na、nb分別為電機(jī)A、B轉(zhuǎn)速，ni、no分別為系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速；Ta、Tb分別為電機(jī)A、B轉(zhuǎn)矩，Ti、To分別為系統(tǒng)輸入與輸出轉(zhuǎn)矩；k1、k2、k3、k4為行星排參數(shù).

1.2 功率分流特性

根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的大小和方向，對系統(tǒng)功率耦合機(jī)構(gòu)的功率流進(jìn)行了分析，如圖3所示. 在EVT1模式下，電機(jī)A工作在發(fā)電工況，電機(jī)B處于電動(dòng)工況，電機(jī)B的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以直接作用到輸出軸，提高混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩. 在EVT2模式下，電機(jī)B工作在發(fā)電工況，電機(jī)A處于電動(dòng)工況.

設(shè)系統(tǒng)功率耦合部分轉(zhuǎn)速與輸入輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系矩陣為M，且有

可推得EVT1模式下M1和電動(dòng)率分流比例系數(shù)β1的表達(dá)式為

(a) EVT1模式

(b) EVT2模式

EVT2模式下，M2和電動(dòng)率分流比例系數(shù)β2的表達(dá)式為

式中：I為系統(tǒng)功率耦合部分速比, I= nb/ni.

2 電機(jī)參數(shù)匹配流程

系統(tǒng)參數(shù)匹配的目的是如何匹配各部件參數(shù)，使系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作，并發(fā)揮出最好的驅(qū)動(dòng)性能，滿足汽車性能的設(shè)計(jì)要求. 由于雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，兩電機(jī)與功率耦合機(jī)構(gòu)的特性關(guān)系相對復(fù)雜，本文的研究重點(diǎn)是對電機(jī)A和電機(jī)B的參數(shù)匹配. 電機(jī)參數(shù)匹配的原則是使系統(tǒng)在動(dòng)力工況中能夠完全發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間最佳工作點(diǎn)的匹配. 雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)匹配流程如圖4所示.

圖4 雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)匹配流程Fig.4 Flow chart for the motors matching of the dual-mode hybrid transmission

3 電機(jī)參數(shù)匹配方法研究

3.1 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速匹配

由圖2可知,混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在EVT2模式下達(dá)到最大輸出轉(zhuǎn)速，電機(jī)A達(dá)到最高轉(zhuǎn)速. 此時(shí)輸入轉(zhuǎn)速也達(dá)到最高，整車處于最高車速工況，可求得電機(jī)A的最高轉(zhuǎn)速需求為

式中：ne為發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，iq為系統(tǒng)前傳動(dòng)比.

從EVT1模式向EVT2模式切換時(shí)，電機(jī)B達(dá)到最高轉(zhuǎn)速. 根據(jù)模式切換前后電機(jī)B轉(zhuǎn)速相等可得電機(jī)B的最高轉(zhuǎn)速需求為

3.2 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩匹配

整車起步加速以及爬坡等動(dòng)力工況中，均允許電機(jī)短時(shí)間內(nèi)使用峰值轉(zhuǎn)矩. 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí)，可求得所需電機(jī)A峰值轉(zhuǎn)矩為

(1)

式中：Te_max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，ηq為系統(tǒng)前傳動(dòng)效率，ηe為發(fā)動(dòng)機(jī)效率.

(2)

系統(tǒng)在EVT1H工況下的輸出轉(zhuǎn)矩為

To=(1+k3)[Tb+(1+k1+k2)/ (1+k1)(1+k2))Teiqηqηe].

(3)

根據(jù)式(3)可知，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩來源于兩部分：第一部分是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，第二部分是電機(jī)B轉(zhuǎn)矩. 將式(1)和(2)代入到式(3)中，整理得到系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩為

To_max=(1+k1+k2)(1+k3)/(k1k2)Ta_max+ (1+k3)Tb_max.

(4)

根據(jù)式(4)，即可將系統(tǒng)能否輸出最大轉(zhuǎn)矩的問題轉(zhuǎn)化為能否使電機(jī)A與電機(jī)B同時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)矩的問題.

圖5為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩外特性曲線. 在EVT1模式下,隨著車速的升高，電機(jī)A降速，電機(jī)B升速. 若當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速至最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，兩電機(jī)均工作在圖5中的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)(如N1點(diǎn))，則系統(tǒng)能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩特性. 若此時(shí)電機(jī)A或電機(jī)B工作在N3點(diǎn)附近，那么受電機(jī)A的轉(zhuǎn)矩限制，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩受限；受電機(jī)B的轉(zhuǎn)矩限制，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩受限. 所以，除了匹配電機(jī)轉(zhuǎn)矩，還要匹配電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nm，以確保當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速至最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)A和電機(jī)B至少可工作在N2點(diǎn)，能夠發(fā)揮出最大匹配轉(zhuǎn)矩.

圖5 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩外特性曲線Fig.5 The external characteristic curve of the motor peak torque

3.3 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速匹配

設(shè)電機(jī)A額定轉(zhuǎn)速為nam，電機(jī)B的額定轉(zhuǎn)速為nbm. 已經(jīng)求得EVT1模式下，電機(jī)A的電功率分流比例系數(shù)為β1. 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸入到電機(jī)A的功率為

PA_i=β1PT_maxηqηe.

式中PT_max為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率.

EVT1模式下電機(jī)A處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)B處于電動(dòng)狀態(tài). 當(dāng)不考慮動(dòng)力電池組的功率時(shí)，系統(tǒng)通過電機(jī)A可向電機(jī)B提供的電功率為

PB_o=PA_iηgηm=β1PT_maxηqηeηg.

式中：ηg為電機(jī)發(fā)電效率，ηm為電機(jī)電動(dòng)效率.

若電機(jī)A能夠?yàn)殡姍C(jī)B提供足夠電功率，則在車速較低時(shí)電機(jī)B會(huì)始終輸出最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電機(jī)B功率需求為

PB_c=nbTb_max/9 549.

所以若要電機(jī)A與電機(jī)B同時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)矩，需要滿足

PB_oηm≥PB_c.

式中ηm為電機(jī)電動(dòng)效率.

可求得電機(jī)B額定轉(zhuǎn)速nbx應(yīng)滿足

(5)

從而得到電機(jī)A額定轉(zhuǎn)速nax應(yīng)滿足

nax≥A1nT_max/iq+B1nbx.

(6)

式中nT_max為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.

根據(jù)式(5)和式(6)可知，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速選擇的約束是充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩匹配的最優(yōu)值，要根據(jù)工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行最終確定； 另外，根據(jù)這一組臨界電機(jī)參數(shù)計(jì)算所得的系統(tǒng)加速時(shí)間未必能夠滿足系統(tǒng)對加速特性的要求，所以需要根據(jù)滿足加速時(shí)間的要求對電機(jī)額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.

以電機(jī)A為例對額定轉(zhuǎn)速匹配結(jié)果進(jìn)行說明. 圖6為峰值轉(zhuǎn)矩與最高轉(zhuǎn)速相同，額定轉(zhuǎn)速不同的三組電機(jī)A峰值轉(zhuǎn)矩外特性曲線. 圖中Ta_max是根據(jù)式(1)匹配的電機(jī)A峰值轉(zhuǎn)矩；nax是為保證發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)B輸出最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)A額定轉(zhuǎn)速的臨界最小值.

若匹配電機(jī)A額定轉(zhuǎn)速為nam1，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速到最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速nT_max時(shí)，電機(jī)A受轉(zhuǎn)速約束只能工作在M4點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩受電機(jī)A轉(zhuǎn)矩限制，系統(tǒng)無法發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩. 若匹配電機(jī)A額定轉(zhuǎn)速

為nam2，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速到nT_max時(shí)，電機(jī)A如果工作在M3點(diǎn)，系統(tǒng)可發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；隨著車速的增加，電機(jī)A工作點(diǎn)沿外特性從M3到M2遷移的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)一直工作在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)直到電機(jī)A降速至臨界額定轉(zhuǎn)速nax.

圖6 不同額定轉(zhuǎn)速下電機(jī)A轉(zhuǎn)矩外特性曲線

Fig.6 External characteristic curves of motor A for different rated speed

4 電機(jī)參數(shù)匹配實(shí)例

某雙模式混合動(dòng)力重型車輛設(shè)計(jì)指標(biāo)為最高車速不低于100 km/h，最大爬坡度大于31°，0～60 km/h加速時(shí)間<20 s；車體參數(shù)取整備質(zhì)量21 t，滾動(dòng)阻力系數(shù)0.013，風(fēng)阻系數(shù)0.6，迎風(fēng)面積5.5 m2，車輪半徑0.59 m；發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)為額定功率300 kW，額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min，最大轉(zhuǎn)矩1 732 N·m，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速1 400 r/min；電池充放電功率為100 kW. 另外，混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示.

表2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

按照所述流程進(jìn)行電機(jī)參數(shù)匹配,計(jì)算結(jié)果如表3 中的計(jì)算值所示. 本文利用MATLAB中的優(yōu)化程序，以系統(tǒng)輸出最大轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算整車牽引特性；在整車加速時(shí)間的校核過程中考慮了電池放電影響，最終得到電機(jī)參數(shù)如表3中匹配值所示.

表3 電機(jī)參數(shù)匹配結(jié)果

圖7為整車牽引特性曲線，滿足最高車速100 km/ h和31°爬坡度(需求動(dòng)力因數(shù)為0. 54)的要求.

為了驗(yàn)證本文提出的電機(jī)參數(shù)匹配方法，采用額定轉(zhuǎn)速分別為1 000和1 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)矩均相同的兩組電機(jī)參數(shù)進(jìn)行加速特性對比,結(jié)果如圖8所示. 采用1 500 r/min計(jì)算得到整車0～60 km/h加速時(shí)間為16.2 s(不考慮換擋時(shí)間)，比采用1 000 r/min計(jì)算得到整車0～60 km/h加速時(shí)間減少了2.9 s.

圖7 整車牽引特性曲線

圖8 整車加速特性曲線對比

Fig.8 The vehicle accelerating characteristics comparison

在EVT1模式下，對1 000、1 500 r/min兩組電機(jī)參數(shù)得到的整車動(dòng)力工況中發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩隨系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行分析對比，結(jié)果如圖9所示.

通過對比表明，采用1 500 r/min計(jì)算得到的系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速在270～330 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可與兩電機(jī)一起為系統(tǒng)提供最大的轉(zhuǎn)矩輸出. 而1 000 r/min則不能在同一系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速下，使發(fā)動(dòng)機(jī)和兩電機(jī)共同輸出最大轉(zhuǎn)矩.

根據(jù)采用1 500 r/min分析得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，將系統(tǒng)在EVT1模式下的工作狀態(tài)分為4個(gè)階段:

1)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)升速，電機(jī)A降速，電機(jī)B升速. 由于電機(jī)A轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)A的工作點(diǎn)位于恒功率區(qū)的外特性曲線上；電機(jī)B轉(zhuǎn)速較低，電機(jī)B的工作點(diǎn)位于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的外特性曲線上.

2)發(fā)動(dòng)機(jī)升速到最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速1 400 r/min，電機(jī)A轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min附近. 此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，電機(jī)A和電機(jī)B均工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的外特性曲線上，即發(fā)動(dòng)機(jī)與兩電機(jī)在此階段共同輸出最大轉(zhuǎn)矩，因而系統(tǒng)開始輸出最大轉(zhuǎn)矩.

3)電機(jī)A轉(zhuǎn)速降至1 230 r/min附近時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)從最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)向最大功率點(diǎn)遷移，發(fā)動(dòng)機(jī)開始升速. 電機(jī)A的工作點(diǎn)從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的外特性曲線向輸出大功率的工作點(diǎn)遷移，電機(jī)B的工作點(diǎn)受電機(jī)A的輸出功率影響.

(a) 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化對比

(b)電機(jī)A的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化對比

(c)電機(jī)B的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化對比

Fig.9 Speed & torque comparison of power components in EVT1

4)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在額定功率點(diǎn)，電機(jī)A繼續(xù)降速，電機(jī)B繼續(xù)升速. 電機(jī)A的輸出轉(zhuǎn)矩保持恒定，電機(jī)B的輸出轉(zhuǎn)矩降低.

綜合以上分析可知，采用本文提出的基于系統(tǒng)最大動(dòng)力特性的電機(jī)參數(shù)匹配方法，可使發(fā)動(dòng)機(jī)和兩電機(jī)同時(shí)為系統(tǒng)提供最大轉(zhuǎn)矩輸出，使系統(tǒng)獲得最佳的動(dòng)力特性；通過對兩電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的匹配，可控制系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的范圍.

5 結(jié) 論

1)介紹了雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性關(guān)系，以完全發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和兩電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，研究了雙模式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)匹配的原則和方法，提出了電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩等電機(jī)參數(shù)匹配解析表達(dá)式.

2)通過合理匹配電機(jī)額定轉(zhuǎn)速可使發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工作，并可對此時(shí)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與電機(jī)參數(shù)之間最優(yōu)工作點(diǎn)的匹配.

3)結(jié)合參數(shù)匹配實(shí)例，詳細(xì)分析了雙模式系統(tǒng)在兩種模式下發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作狀態(tài)，驗(yàn)證了電機(jī)匹配原則的正確性. 本文研究對于混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車性能分析和系統(tǒng)參數(shù)匹配具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

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(編輯 楊 波)

Optimum of power characteristics for motors matching of a power split HEV

LIU Hui1, 2, WANG Teng1, 2, LIU Zhiwei1, 2, HAN Lijin1, 2

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China；2.State Key Laboratory of Vehicle Transmission(Beijing Institute of Technology), Beijing 100081, China)

The engine cannot exert the peak torque if the parameters of motors are not match well in a power split hybrid vehicle. In such a case, the engine is working at a speed so that it has the ability to exert its peak torque while the motor limits the torque of engine due to the working points of motors. To solve this problem, a novel strategy is proposed for the parameter matching of the dual-mode power split transmission with the optimum of the power output characteristics as objective. The motors’ maximum speed and torque are matched on the basis of the analysis on the characteristics of the dual-mode hybrid transmission. The relation ship between the motors’ rated speed and the engine working points is studied with the help of analysis on the characteristics of electric power split, and the method for the motors’ rated speed matching is put forward. The validity of the matching method is validated by matching examples. Finally, the motors and the engine performance are analyzed and the results show that the power split transmission can exert the peak torque of the engine and motors at the same time by coordinating the working points of them.

dual-mode; power split; the optimum of the power characteristics; motors’ rated speed; the working points matching

10.11918/j.issn.0367-6234.201602033

2016-02-24

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-12-0048); 國家自然科學(xué)基金(51305026)

劉 輝(1975—),女,教授,博士生導(dǎo)師

劉 輝, lh@bit.edu.cn.

U469.72

A

0367-6234(2017)07-0106-07