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新时期战争形态的演变，催生了以电能利用为基础的新一代坦克装甲车辆性能的变革。大功率机电复合传动可同时输出机械能和电能，是实现变革的核心关键。本书主要论述了下一代装甲车辆用机电复合传动技术所特有的模式切换规律和模式切换品质控制理论与技术，对多模式机电复合传动系统建模、兼顾经济性与动力性的模式切换规律、滞环修正策略、模式切换稳定性、模式切换品质和转矩主动补偿协调控制等理论与方法进行了详细论述。本书对于从事机电复合传动与混合动力车 辆系统设计和控制策略研究的本科生、研究生以及广大工程技术人员具有参考意义。

第 1 章　绪论 ………………………………………………………………… 001

1.1　研究的背景及意义 ………………………………………………… 002

1.2　机电复合传动技术发展 …………………………………………… 006

1.2.1　民用车辆的发展概况 ……………………………………… 006

1.2.2　军用车辆的发展概况 ……………………………………… 011

1.3　机电复合传动关键技术 …………………………………………… 017

1.3.1　能量管理策略 ……………………………………………… 017

1.3.2　模式切换规则 ……………………………………………… 019

1.3.3　机电复合传动模式切换协调控制 ………………………… 021

第 2 章　机电复合传动系统建模与特性分析 ……………………………… 027

2.1　机电复合传动系统建模 …………………………………………… 028

2.1.1　发动机模型 ………………………………………………… 028

2.1.2　电机 / 发电机模型 ………………………………………… 029

2.1.3　功率耦合机构模型 ………………………………………… 031

2.1.4　储能系统模型 ……………………………………………… 032

2.1.5　车辆纵向动力学模型 ……………………………………… 038

2.2　双模混联式混合动力车辆动力传动系统分析 …………………… 038

2.2.1　转速分析 …………………………………………………… 039

2.2.2　转矩分析 …………………………………………………… 040

2.2.3　机械点分析 ………………………………………………… 041

2.2.4　功率流分析 ………………………………………………… 042

2.2.5　功率分配机构效率研究 …………………………………… 045

2.3　本章小结 …………………………………………………………… 054

第 3 章　机电复合传动能量管理策略研究 ………………………………… 055

3.1　控制问题的数学背景 ………………………………………… 056

3.1.1　控制问题描述 ………………………………………… 056

3.1.2　控制问题求解方法 …………………………………… 057

3.2　庞特里亚金最小值原理 …………………………………………… 058

3.2.1　最小值原理 ………………………………………………… 058

3.2.2　混合动力车辆控制问题应用 ………………………… 059

3.2.3　最小值原理的全局条件 ……………………………… 060

3.3　等效燃油消耗最小化策略 ………………………………………… 063

3.3.1　燃油消耗 …………………………………………………… 063

3.3.2　等效燃油消耗最小化基本概念 …………………………… 063

3.3.3　等效因子 …………………………………………………… 065

3.3.4 ECMS 与最小值原理的关系 ……………………………… 067

3.4　自适应等效燃油消耗最小化策略 ………………………………… 068

3.4.1　自适应调整方法 …………………………………………… 068

3.4.2 双模混联式混合动力车辆自适应等效燃油最

小化控制策略 ……………………………………………… 071

3.5　能源效率化策略 ……………………………………………… 081

3.5.1　混联式混合动力车辆的能源效率 ………………………… 081

3.5.2　能源效率化策略 ……………………………………… 083

3.6 能源效率化策略与自适应等效燃油消耗最小化

策略的对比 ………………………………………………………… 089

3.6.1　优化效率 …………………………………………………… 089

3.6.2　系统工作特性与燃油消耗 ………………………………… 090

3.7　本章小结 …………………………………………………………… 094

第 4 章　机电复合传动效率模型验证与能量管理策略试验研究 ………… 095

4.1　试验目的和内容 ……………………………………………………… 096

4.1.1　试验目的 …………………………………………………… 096

4.1.2　试验内容 …………………………………………………… 096

4.2　试验平台 …………………………………………………………… 096

4.3　能量管理策略台架试验 …………………………………………… 100

4.3.1　自适应等效燃油消耗最小化（A-ECMS）试验 ………… 100

4.3.2　能源效率化策略（EEMS）试验 …………………… 102

4.4　功率分配装置效率试验 …………………………………………… 104

4.4.1　效率试验（EEMS）………………………………………… 104

4.4.2　效率试验（ECMS）………………………………………… 105

4.5　本章小结 …………………………………………………………… 108

第５章　机电复合传动换段规律研究………………………………………… 109

5.1　机电复合传动性能指标分析 ……………………………………… 110

5.1.1　车辆的动力性分析 ………………………………………… 110

5.1.2　燃油经济性分析 …………………………………………… 112

5.2　机电复合传动动力性换段规律研究 ……………………………… 113

5.2.1　动力性优化目标 …………………………………………… 113

5.2.2　约束 ………………………………………………………… 113

5.2.3　优化计算流程 ……………………………………………… 114

5.2.4　动力性模式切换规则优化结果与分析 …………………… 115

5.3　机电复合传动经济性换段规律研究 ……………………………… 119

5.3.1　经济性优化目标 …………………………………………… 119

5.3.2　约束 ………………………………………………………… 119

5.3.3　优化计算流程 ……………………………………………… 120

5.3.4　经济性换段规律优化结果与分析 ………………………… 121

5.3.5　换段规律的有效性 ………………………………………… 124

5.3.6　换段规律的适应性 ………………………………………… 127

5.3.7　换段规律与换挡规律的区别 ……………………………… 127

5.3.8　能量管理策略与换段规律关系 …………………………… 128

5.4　本章小结 …………………………………………………………… 128

第 6 章 机电复合传动系统模式切换稳定性分析 …………………………… 129

6.1　引言 ………………………………………………………………… 130

6.2　基于李雅普诺夫方法的模式切换稳定性分析 …………………… 131

6.2.1　李雅普诺夫方法 …………………………………………… 131

6.2.2　空挡到机电驱动模式切换稳定性分析 …………………… 132

6.2.3　机电驱动到机械驱动模式切换稳定性分析 ……………… 136

6.2.4　机电驱动到纯电驱动模式切换稳定性分析 ……………… 139

6.3　基于中心流形定理的模式切换稳定性分析 ……………………… 143

6.3.1　中心流形定理 ……………………………………………… 143

6.3.2　空挡到停车发电模式切换稳定性分析 …………………… 144

6.3.3　仿真结果分析 ……………………………………………… 149

6.4　本章小结 …………………………………………………………… 156

第 7 章 基于等效模型的机电复合传动系统换段过程转矩

协调控制策略研究 ………………………………………………… 157

7.1　机电复合传动系统等效模型 ……………………………………… 158

7.2　面向离合器接合过程的动态方程 ………………………………… 162

7.3　基于模型预测和控制分配的转矩协调控制策略研究 …………… 162

7.3.1　模型预测控制 ……………………………………………… 162

7.3.2　过驱动系统控制分配 ……………………………………… 164

7.3.3　参考模型 …………………………………………………… 166

7.3.4　模型预测控制器设计 ……………………………………… 167

7.3.5　基于最小化的控制分配 …………………………………… 168

7.3.6　仿真结果分析 ……………………………………………… 169

7.4　基于模型参考自适应的换段过程转矩协调控制策略研究 ……… 172

7.4.1　模型参考自适应控制 ……………………………………… 172

7.4.2　线性补偿器设计 …………………………………………… 174

7.4.3　自适应反馈控制器设计 …………………………………… 176

7.4.4　仿真结果分析 ……………………………………………… 177

7.5　模型预测控制与模型参考自适应控制的对比 …………………… 179

7.5.1　模式切换时间对比 ………………………………………… 179

7.5.2　车辆纵向加速度对比 ……………………………………… 180

7.5.3　车辆纵向冲击度对比 ……………………………………… 180

7.5.4　离合器滑摩损失对比 ……………………………………… 181

第 8 章　基于复杂模型的机电复合传动系统换段过程控制策略研究 …… 183

8.1　换段过程的问题描述 ……………………………………………… 184

8.2　基于切换系统的机电复合传动系统复杂模型 …………………… 186

8.2.1　切换系统 …………………………………………………… 186

8.2.2　机电复合传动系统复杂模型 ……………………………… 187

8.2.3　模式切换动态特性仿真结果与分析 ……………………… 191

8.3　机电复合传动系统模式切换控制策略研究 ……………………… 194

8.3.1　基于模型预测与控制分配的转矩协调控制策略 ………… 195

8.3.2　基于电机转矩的动态补偿控制策略 ……………………… 200

8.3.3　能量管理策略与模式切换控制策略 ……………………… 202

8.4　仿真结果分析 ……………………………………………………… 204

8.4.1　控制策略有效性分析 ……………………………………… 204

8.4.2　控制参数灵敏性分析 ……………………………………… 208

8.5　本章小结 …………………………………………………………… 210

第 9 章　台架试验 …………………………………………………………… 211

9.1　引言 ………………………………………………………………… 212

9.2　硬件在环平台 ……………………………………………………… 212

9.3　台架试验平台 ……………………………………………………… 214

9.4　台架试验结果 ……………………………………………………… 216

9.4.1 EVT 工作模式的实现试验 ………………………………… 216

9.4.2 EVT 模式切换过程的试验 ………………………………… 218

9.5　本章小结 …………………………………………………………… 220

第 10 章　结论与展望 ………………………………………………………… 221

10.1　结论 ……………………………………………………………… 222

10.2　创新点 …………………………………………………………… 224

10.3　研究展望 ………………………………………………………… 225

参考文献………………………………………………………………………… 227

索引……………………………………………………………………………… 239

项昌乐，1984年毕业于北京工业学院（现北京理工大学），2001年获北京理工大学工学博士学位。现任北京理工大学常务副书记，曾任中国科学技术协会党组成员、书记处书记（挂职）。兼任中国汽车工程学会副理事长、车辆传动重点实验室（北理工分部）主任、*科技委能源与交通学部委员，2019年当选中国工程院院士。项昌乐长期致力于特种车辆传动研究与人才培养，针对国家国防重大需求，在车辆传动理论研究、技术创新、装备研发及应用等方面做出了开拓性工作。主持研发系列大功率液力变矩器、系列液力机械综合传动系统和大功率机电复合传动系统，研究成果应用于特种车辆装备，实现了我国特种车辆传动技术的两次跨越，引领了传动技术发展。以第一完成人获国家技术发明一等奖1项，国家科技进步二等奖2项，以主要完成人获国家科技进步一等奖。授权发明专利25项，出版著作2部，发表学术论文150余篇。所带领团队入选国防科技创新团队和*创新团队。 马越，北京理工大学机械与车辆学院副教授，中国航空学会机电、人体与环境分会青工委委员，IEEE高级会员。1999年毕业于北京理工大学车辆工程学院获工学学士学位， 2010年于英国西英格兰大学计算机、工程和数学系获得博士学位（智能自主系统）。当前主要从事机电复合传动、混合动力车辆的动力学控制及无人机动平台视觉、运动感知融合与决策等方面的科研工作，先后主持原总装重大背景预研、国防973课题、某工程重大专项、企业重大条件建设和军委科技委创新特区等多项课题；以第一作者和通讯作者发表论文40余篇；授权发明专利10余项；获得国防科技进步一等奖2项、二等奖1项，2019年获得国家技术发明一等奖。

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