多段式机电复合传动系统非稳态过程机电耦合动力学研究

Multi-range electromechanical transmission belongs to the power split hybrid electric drive system, which has a wide transmission range and continuously variable characteristics. The vehicle's power performance and fuel economy may be promoted. Because of the complexity of system structure and multiple strong coupling relationship, we must better understand the coupling mechanism to make the coordination of various components of the system, to avoid the emergence of some singular or unstable conditions. By analysing the coupling interface and local coupled system modeling, electromechanical coupling mechanism of the permanent magnet synchronous motor in the complex integrated environment, the coupled vibration characteristics of the engine and the motor multi-power-driven planetary drive system, as well as the transient characteristics between two motors and the energy storage device will be revealed. The compound transmission network global coupled model will be established by using multi-field unified modeling method. The multiple coupling mechanism in the mode conversion or exchange section of unsteady state conditions will be revealed. The theoretical basis for the optimal design of composite electromechanical drive system and dynamic precision control. The research results can be applied to the design of the hybrid system to large power vehicles for public transportation vehicles, construction machinery vehicles, off-road vehicles, and military vehicles.

多段式机电复合传动属于功率分流式混联混合动力系统，具有较宽的传动范围和无级变速特性，能够使车辆的动力性和燃料油经济性得到较大提升。但是由于系统结构复杂，发动机与多个电机共同作用于多级行星传动系统，必须深入了解其耦合机理，才能使系统各部件协调工作，避免一些奇异或不稳定工况的出现。本项目研究多段式机电复合传动系统非稳态过程的机电耦合动力学问题，通过耦合工作界面分析与局部耦合系统建模，揭示车用永磁同步电机在复杂集成环境下的机电耦合机理，发动机与电机多动力驱动行星传动系统耦合振动特性，以及多个电机与储能装置间瞬态工作特性。利用多领域统一建模的方法，建立机电复合传动系统网络式全局耦合动力学模型，揭示其在模式转换或换段等非稳态工况下的多重耦合机理。为机电复合传动系统的优化设计和动态精确调控奠定理论基础。研究成果可应用于公交车辆、工程机械车辆、越野车辆以及军用车辆等大功率车辆的混合动力系统设计。

多段式机电复合传动，具有较宽的传动范围和无级变速特性，能够使车辆的动力性和燃料油经济性得到较大提升。但是由于系统结构复杂，发动机与多个电机共同作用于多级行星传动系统，必须深入了解其耦合机理，才能使系统各部件协调工作。研究了机电复合传动系统的耦合工作界面，揭示了机电复合传动系统在低频、中频和高频层面存在不同的耦合事实，分析了机电复合传动系统多变量复杂边界约束。根据当量模型法建立了发动机激励模型，得到了发动机的谐波力矩；将电机绕组函数、倒气隙函数和空载气隙磁密用谐波展开，电磁转矩由永磁磁链和电枢反应磁链的函数组成，得到电磁转矩的谐波模型，进一步建立了电机转子系统的横向电磁矩模型；齿轮啮合激励时变啮合刚度采用方波模型，综合传动误差用一系列转频和啮频的简谐函数表示，啮合间隙则为啮合线变化量和啮合线变化量的变化率表示，得到了各模式下的系统动力学微分方程组，为机电复合传动机电耦合动力学研究奠定了基础。利用多尺度法研究了不平衡磁拉力作用下转子系统的自由振动特性；在不平衡磁拉力和转子系统刚度特性分析的基础上，研究了无激励系统状态空间多重平衡点的分岔特性及其稳定性条件，并分析了离心力作用下转子系统运动的稳定性机理；研究了机电复合传动系统在发动机激励、电机激励以及齿轮啮合所产生的内部激励共同作用下的振动特性，以及发动机转速变化、不同激励源、功率分流系数对系统振动特性的影响规律；分析了机电复合传动系统电功率偏差产生的原因以及电机动态响应特性受母线电压的影响，为保证车辆在满足动力性需求下，具有快速响应电功率需求的能力，提出了双闭环电功率协调控制策略，实现了电功率与机械功率的解耦控制。在此基础上，建立了机电复合传动非稳态过程的仿真模型，得到了加速、发动机反拖起动以及换段等过程的电功率与机械功率的耦合关系，分析了非稳态过程的机电耦合规律，为机电复合传动系统的优化设计和动态精确调控奠定了理论基础。