多段机电复合传动换段过程失稳机理与稳定性控制研究

As a specific transmission system for electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), multi-range electric-mechanic transmission system (EMT)is the most effective solution for heavy-duty or off-road vehicle as its wide-spectrum torque and speed range, high power density and perfect electric power supply performance with the less requirements on the driving motors. In this project, stabilizing characteristic of EMT in range-switching will be thoroughly investigated and stabilizing controller will be designed correspondingly. First of all, unified energy-based dynamic models of key parts of EMT, such as engine, motor, generators and batteries, will be established under the framework of Hamilton theory, which helps to describe the energy flow relationships of EMT with favourableconsistency. Subsequently, stabilization characteristic during range switching will be studied on the theoretical level based on Lyapunov theory, in which mechanism of destabilization will be obtained, and stabilizing control rules will be proposed on the method of feedback linearization. Finally, hardware in the loop simulation will be carried out to evaluate the performance of the newly designed controller.

在当前纯电动、混合动力等各种车辆电力驱动技术成为研究热点的背景下，多段机电复合传动作为混合动力的一种型式，既能够满足重型或非道路车辆的调速范围宽、驱动功率大、辅助系统和特定功能系统用电等特殊需求，也可降低对车用电机的功率要求，具有良好的应用前景。开展多段机电复合传动系统换段过程失稳机理及稳定性控制研究，基于哈密顿能量函数的方法建立发动机、功率耦合机构、电动机、动力电池组及DC/DC等部件的非线性动力学模型，通过数字仿真揭示换段过程能量传递与状态转换规律；利用Lyapunov稳定性理论分析机电复合传动系统的稳定工作范围及不稳定因素对系统的影响规律；基于反馈线性化理论设计合理的控制律，研制换段控制器，通过快速代码生成和半实物仿真技术验证控制算法的效果，实现多段机电复合传动系统状态转换过程的稳定性控制，为自主研发高性能机电复合传动装置奠定必要的理论基础。

根据项目资助计划书中开展研究工作。经过两年的努力，本课题完成了所有规定的研究内容：.（1）机电复合传动系统建模研究.有针对性地建立了机电复合传动系统中功率耦合机构、涡轮增压柴油发动机、电动机、发电机和动力电池组的动态数学模型。.功率耦合机构是实现机电功率分汇流的关键部件。分别构建了两种复杂度的功率耦合机构动态数学模型：针对换段过程动载荷的研究，采用基于分布式纯扭转弹性参数的机械部件模型，以获得对系统换段过程中的冲击动载荷特征的细致描述；针对换段过程的失稳机理研究和控制策略优化，采用基于集总弹性参数的刚体动力学模型。试验结果表明，两种模型都具有较高精度，换段过程中冲击载荷的作用时序误差的描述小于3ms，满足后续控制策略制定的需要。.涡轮增压柴油发动机是多段式机电复合传动系统最主要的能量来源。研究中建立了发动机的平均值模型，从而为分析由发动机动态转矩引起的换段过程冲击奠定基础。台架试验表明，所构建的基于平均值模型的发动机转矩稳态相对误差小于5%，动态相对误差小于10%。.（2）多段机电复合传动换段过程失稳机理及稳定性控制研究.通过对机电复合传动系统换段过程分布式纯扭弹性模型的系统特征值的分析，证明其换段过程的稳定性，台架试验证明了分析结论的正确性。基于中心流形定理，揭示了机电复合传动系统模式转换过程失稳的关键因素，提出了满足稳定性和快速性条件约束下的发电载荷幅值、电机转矩响应时间、发动机及其电控系统特性参数和机电复合传动系统前传动比等参数之间的数学规律，在本领域第一次针对该问题形成明确的理论描述。进一步地，通过优化制动器建压特性曲线，可以降低发动机-发电机轴段动载荷，改善系统工作平顺性。.（3）多段机电复合传动换段过程稳定性实时协调控制算法研究.多段机电复合传动系统的换段协调控制方法主要是用于保证换段过程的稳定性和快速性，并抑制换段过程的动载荷。首先设计了基于规则的无扰动切换控制器，优化了离合器和制动器的充放油规律，并进行了半实物仿真、台架试验验证和部分的道路试验验证。试验结果表明，换段时间小于0.5s，满足换段迅速的要求；最大冲击度不超过10m/s3，改善了换段平稳性。进一步地，研究了基于前馈-反馈复合控制策略的换段过程协调控制方法，数字仿真结果表明，冲击度的控制结果非常理想，近似为0m/s3，同时磨滑功不大于400J，综合控制效果优异。