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双模式混合驱动装置电机参数匹配.pdf

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双模式混合驱动装置电机参数匹配.pdf

第41卷第6期吉林大学学报(工学版)Vol.41No.62011年11月JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition)Nov.2011收稿日期2010-02-14.基金项目车辆传动国家重点实验室基金项目(9140C3402010902).作者简介韩立金(1982-),男,博士研究生.研究方向混合驱动技术.E-maillj.han@163.com双模式混合驱动装置电机参数匹配韩立金1,项昌乐1,2,刘辉1,2,张东好1,唐正华1(1.北京理工大学机械与车辆学院,北京1000812.北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081)摘要对双模式混合驱动装置进行了特性分析,并研究了其电机转速、转矩、功率匹配的规律,得到了双模式混合驱动装置电机参数匹配方法。基于两个电机的转速转矩与混合驱动装置的输入输出转速、转矩的关系,以及混合驱动装置的功率分流特性,对电机的转速、转矩和功率匹配进行了研究。最后得到了电机参数与发动机参数、混合驱动装置结构参数及输出特性的关系,为混合动力系统参数匹配提供了依据。关键词车辆工程双模式混合驱动电机参数匹配中图分类号U463.2文献标志码A文章编号1671-5497(2011)06-1527-05Motorsmatchingofthedual-modehybridtransmissionHANLi-jin1,XIANGChang-le1,2,LIUHui1,2,ZHANGDong-hao1,TANGZheng-hua1(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China2.NationalKeyLaboratoryofVehicularTransmission,BeijingInsituteofTechnology,Beijing100081,China)AbstractThemethodformotorsmatchingwasputforwardwiththehelpoftheanalysisonthecharacteristicsofthedual-modehybridtransmission.Themotors'parametermatchingwasstudiedonthebasisoftheanalysisonthecharacteristicsofthepowersplitandtherelationsofthetwomotors'speedandtorqueandthoseofthesystem.Asaresult,therelationsamongtheparametersoftheengine,theoutputcharacteristicsandthestructuralparametersofthedual-modehybridtransmissionandtheparametersofthemotorswererevealed.Keywordsvehicleengineeringdual-modehybridtransmissionparametermatchingofmotors随着对混合动力机电耦合机构技术的深入研究,从最初的串联、并联等结构形式,发展到功率分流的混联结构,电机与机械构件的结合越来越紧密,使二者优点得到充分发挥。从Prius单模式到通用双模式甚至更多的模式,机构越来越复杂,设计目标是寻找机械与电力的平衡点使系统性能达到最优。混合驱动系统中电机的参数匹配直接影响到混合驱动装置能否正常工作,并达到预期的设计指标。目前对混合动力系统的参数匹配研究多为串联和并联方案,在串联方案中最重要的是电机特性,文献[1]研究了电机的恒功率区扩展系数与车辆加速爬坡等性能要求和电机功率匹配的关系。文献[2-3]研究了并联方案中发动机和电机功率的匹配原则,即由发动机提供车辆平均行驶功率,由电动机提供峰值功率。文献[4]对某混联方案的电动机和发电机的参数匹配进行了研究,提出了发电机和电池组的匹配应基于循环工况,吉林大学学报(工学版)第41卷电动机的匹配应基于加速需求的匹配原则。但上述匹配思想并不适合行星排功率分流的混联方案。在功率分流混联方案中电机功率匹配与发动机功率和行星排特性参数、连接关系等密切相关。目前针对具有行星排功率分流特性的混合驱动方案参数匹配研究还比较少,文献[5]对多模式混合驱动装置的功率分流特性进行了研究。本文在分析双模式混合驱动装置转速、转矩和功率分流特性的基础上,进一步分析了电机的参数匹配规律,得到了双模式混合驱动装置电机参数匹配方法,为电机选型和参数的确定提供了参考。1双模式混合驱动装置双模式混合驱动装置是多自由度行星变速系统,研究其转速、转矩和功率分流特性是电机参数匹配的基础。图1所示为双模式混合驱动装置[6],它由3个行星排(k1、k2、k3)、2个电机(A、B)以及操纵元件C1,C2组成。采用功率分流耦合机构最突出的优点是通过两自由度行星机构的转速调节实现无级变速,所以又称为电力机械无级变速器(EVT)并且能通过电机的转速转矩调节改变发动机的工作点,实现动力传动系统最优的传动效率。这里的模式是针对电机的转速变化来说的,假定发动机输入到混合驱动装置的转速不变,要使输出转速不断升高,两个电机的转速相应发生线性变化,如图2所示。电机转速的拐点称为模式切换点,模式切换点前后分别为混合驱动装置的不同工作模式,对应其不同工作模式,电机通常会在发电与电动工况间切换。图1双模式混合驱动装置结构简图Fig.1Schematiccrosssectionofdual-modehybridtransmissionEVT1模式工作时,C1结合,C2分离EVT2模式工作时,C2结合,C1分离。通过操纵元件工图2转速关系图Fig.2Speedrelationchart作状态的改变实现模式间的切换。由于不同模式时的连接方式不同,两个电机在不同模式下的转速、转矩关系也不一样。首先对不同工作模式下电机A和电机B与行星排间的转速、转矩关系进行分析[7-8],得到电机A、B的转速、转矩与输入输出转速、转矩的关系,进一步分析电功率分流特性,得到分流电功率与输入功率的关系。1.1转速转矩关系通过行星排转速转矩分析可得电机A和电机B的转速、转矩与输入输出转速、转矩的关系。EVT1模式下ωaω[]b=k11+k()2k1k2-1,-1+k()11+k()3k1k2-10,1+k熿燀燄燅3ωiω[]oTaT[]b=1k1-k21+k()1k11+k()2,0-1+k1k11+k()2,11+k熿燀燄燅3TiT[]oEVT2模式下ωaω[]b=-k1,1+k1k1k2,1-k1k[]2ωiω[]oTaT[]b=1k1-k21+k()1k11+k()2,k21+k2-1+k1k11+k()2,11+k熿燀燄燅2TiT[]o式中ki为各行星排特性参数,是齿圈齿数与太阳轮齿数的比值,i=1,2,3ωa、Ta分别为电机A的转速和转矩ωb、Tb分别为电机B的转速和转矩ωi、Ti分别为输入的转速和转矩,一般为发动机ωo、To分别为输出的转速和转矩。1.2功率分流特性由行星排转速关系可以求解两种模式下行星排各构件的转速由行星排各构件稳态转矩平衡方程可以得到各构件的转矩根据转速、转矩的大8251第6期韩立金,等双模式混合驱动装置电机参数匹配小和方向,进而可以分析双模式混合驱动装置的功率流,如图3所示。在EVT1模式下,电机A工作在发电工况,电机B处于电动工况,当电机A的转速不为零时,存在机械循环功率,电机B的驱动转矩可以直接作用到输出轴,提高混合驱动装置的输出转矩。在EVT2模式下,电机B工作在发电工况,电机A处于电动工况,系统同时存在机械循环功率和电力循环功率。当通过电机转速进行无级调速时,会影响循环功率的大小。因为循环功率不对外做功,只是在循环过程中产生消耗,所以循环功率的大小会影响混合驱动装置的效率,但对电机匹配没有影响。本文重点研究电机的分流功率与输入功率的关系,进一步来确定电机的匹配功率大小。图3双模式混合驱动装置功率流Fig.3Powerflowofthedual-modehybridtransmission经研究可知在EVT1模式内的分流功率远大于EVT2模式,因此着重分析EVT1模式的分流功率。可以推导计算EVT1模式下相对分流功率系数为β=TaωaTeωe=1-1+k()11+k()3k11+k()21ip式中ip为此双模式混合驱动装置的传动比,ip=ωi/ωo。2电机参数匹配2.1电机转速匹配由图2可知,从EVT1模式向EVT2模式切换时,电机B达到最高转速。由模式切换前后电机B转速相等可得,此时电机B的转速为ωB=1+k()3k1k2k3+k1k2ωi=1+k31+k3/k1k2ωi所以电机B的最高转速与模式切换时的输入转速和行星排特性参数有关。匹配电机B的转速时,应综合考虑行星排特性参数和模式切换时输入转速工作范围。在混合驱动装置达到最大输出转速时,电机A有最高转速,此时输入转速通常也达到最高,所以电机A的最高转速为ωamax=1+k()1ωomax-k1ωimax在进行电机转速匹配时,除了考虑模式切换和最高输出转速工况外,还应考虑电机的转速范围对混合驱动装置无级变速传动比的影响。由转速关系得各模式下传动比的表达式为EVT1模式ip=1+k()11+k()3k11+k()2+k1k2-1k11+k()2ωaωo,并且ωbωo=1+k3EVT2模式ip=1+1k1-1k1ωaωo=1-1k1k2+1k1k2ωbωo如图4所示,在EVT1模式下,每个输出转速工况所能实现的传动比调节范围均与电机A的最高转速和最低转速有关,它体现了对发动机工作点转速范围的调节能力。EVT1模式能达到的最高输出转速与电机B的最高转速有关。EVT2模式下的传动比范围同时受电机A和电(a)EVT1模式(b)EVT2模式图4不同输出转速下传动比范围Fig.4Therangeofgearratiowithdifferentoutputspeeds9251吉林大学学报(工学版)第41卷机B的最高、最低极限转速的限制,图中阴影部分为可实现的变速区域。2.2电机转矩匹配EVT1模式时电机A起到分流的作用,它抵抗发动机传到1排太阳轮的转矩电机B的转矩通过3排减速增扭传递到输出轴,电机B的转矩越大,输出转矩也越大。所以电机A的转矩应根据发动机最大输出转矩来匹配,电机B在其体积质量允许的条件下,应具有低速大转矩的特性。EVT2模式下,对电机B的转矩要求不高,但要求电机A有较高转矩,如下所示Ta=Tek1+k2TbTo=1+k1k1Te+1+k()2Tb当需要输出大转矩时,电机A的转矩需求也较大。尤其是当刚切换进入EVT2模式时,电机A的转速较低,只有通过大转矩使电功率更多地转化为输出功率。2.3理想输出特性下电机功率匹配电机匹配最重要的参数是电机功率,电机功率必须满足双模式混合驱动装置正常工作时发动机经行星排分流的最大功率。此最大分流功率与混合驱动装置的输出特性和行星排机构参数有关。图5为混合驱动装置理想的输出特性,低速恒转矩,高速恒功率,它由车辆的动力性设计指标来决定。混合驱动装置的最大输出转矩为Tomax,最大输出功率为Pomax,从恒转矩输出到恒功率输出转折点的转速为ωob,最高输出转速为ωomax,双模式混合驱动装置的平均机械效率为ηmech,则电机的分流功率为图5混合驱动装置理想输出特性Fig.5TheoptimizedoutputcharacteristicsofthehybridtransmissionPsplit=βPi=βPoηmech=Pomaxωi(ip-α)ωobi2pηmech,ωo≤ωob(ip-α)Pomaxipηmech,ωo>ω烅烄烆ob式中α=1+k()11+k()3k11+k()2,只与行星排特性参数有关。求解上述表达式极值可得当ωob<ωi/(2α)时,极值点ip=ωi/ωob,最大电机分流功率Psplit=(1-αωobωi)Pomax/ηmech>0.5Pimax。当ωob≥ωi/(2α)时,极值点ip=2α,最大电机分流功率Psplit=Pomaxωi4ωobαηmech≤0.5Pimax。上式中的Pimax为混合驱动装置最大输入功率,Pimax=Pomax/ηmech。从上述分析可知,电机最大分流功率与ωob/ωi、α和Pomax有关。图6和图7为电机相对分流功率系数随ωob/ωi和α变化的规律,当ωob/ωi逐渐增大或α逐渐增大时,电机相对分流功率系数随之变小。其中ωob/ωi体现的是车辆动力性设计指标对混合驱动装置的需求,若转折点转速高,则电机功率要求小,反之则要求电机功率大α体现了混合驱动装置内部行星排特性参数对电机相对分流功率系数的影响,从α的表达图6ωob/ωi对电机分流功率的影响Fig.6Themotorsplitpowerandωob/ωi式可以看出,若要降低电机的分流功率应使k1、k2尽可能小,使k3尽可能大。2.4参数匹配实例以某SUV双模式混合驱动车辆为例,其发动机额定功率为248kW/5100(rmin-1),要求经双模式混合驱动装置调节后的输出速度范围为0~6800r/min,并且当输出转速大于2100r/min时可以实现恒功率输出特性。当行星排特性参数0351

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