某單軸并聯(lián)混合動力客車換擋規(guī)律的解析

胡宇輝，楊 林，席軍強，陳慧巖

(北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

前言

國內(nèi)關(guān)于混合動力客車換擋規(guī)律的正向研究較多，通常選擇油門開度、車速和電池SOC作為換擋參數(shù)［1-3］;也有在升擋和驅(qū)動模式下選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩、車速和在制動模式下選擇電機制動轉(zhuǎn)矩、機械制動轉(zhuǎn)矩和車速作為換擋參數(shù)［4］，普遍存在坡道和彎道循環(huán)換擋等問題。為提升混合動力換擋規(guī)律的設(shè)計能力，展開了對國外某先進混合動力系統(tǒng)換擋規(guī)律的逆向試驗解析研究，設(shè)計了一種換擋規(guī)律的試驗解析流程和測試方法，通過實車道路試驗解析系統(tǒng)的換擋規(guī)律。

1 試驗平臺

本次試驗選取某中度單軸并聯(lián)氣電混合動力客車為試驗平臺，進行換擋規(guī)律試驗解析測試，各總成布置情況見圖1。為測試需要，安裝了加速度和AMT輸出軸端轉(zhuǎn)矩傳感器;測試采用Vector公司的CANoe軟硬件和自制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該車換擋操縱面板上有兩種行駛模式，LOW柄位行駛時1擋起步，擋位在1～5擋之間變化;D柄位行駛時2擋起步，擋位在2～6擋之間變化。

2 換擋參數(shù)假設(shè)

混合動力車輛在不同模式下動力輸出不一樣，換擋規(guī)律的設(shè)計必須考慮發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩分配對整車性能的影響。當(dāng)車輛行駛于純電動、行車充電和混合驅(qū)動模式時，存在換擋與模式切換的協(xié)調(diào)控制，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩和電池SOC都可能是換擋參數(shù);同時整車加速度、發(fā)動機與電機合成轉(zhuǎn)矩對換擋決策可能也存在影響。

根據(jù)對該車的摸底測試，系統(tǒng)采用邏輯門限控制策略，換擋參數(shù)可能為油門開度、車速、電池SOC、整車加速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機與電機合成輸出轉(zhuǎn)矩中幾個參數(shù)的組合，如圖2所示。

進行上述假設(shè)時，部分參數(shù)不能直接獲取準(zhǔn)確值，如整車加速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機與電機合成輸出轉(zhuǎn)矩。判斷其是否為換擋參數(shù)，只能分析在不同工況和行駛條件下?lián)Q擋時刻其它相關(guān)參數(shù)的變化情況，如果有一致性變化趨勢說明可能是換擋參數(shù)，再通過輔助試驗測試，最終判斷其是否為換擋參數(shù);如果沒有一致性變化趨勢且變化范圍大則說明不是換擋參數(shù)。

換擋參數(shù)如果是幾個參數(shù)的組合，如油門開度、車速和整車加速度，在不同的路況下加速度是變化的，那么在相同擋位換擋時油門開度和車速也是變化的。如果在不同的路面上進行換擋測試，但是換擋時的油門開度和車速是不變的，那么可以間接說明加速度不是換擋參數(shù)。其余參數(shù)測試分析原理類似。

3 換擋參數(shù)試驗解析

根據(jù)換擋參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，各參數(shù)的解析有先后次序。先進行油門開度和車速測試分析，其次是電池SOC值，之后是整車加速度，最后是發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩和合成輸出轉(zhuǎn)矩，具體試驗解析流程如圖3所示。

試驗過程中設(shè)計了油門限位機構(gòu)對油門進行精確控制;采取上位機過濾轉(zhuǎn)發(fā)報文的方式將電池SOC控制在任意值，進行不同SOC值換擋測試。

3.1 油門開度和車速分析

為分析油門開度和車速是否為換擋參數(shù)，進行如下試驗:同一平直路面，LOW和D柄位，90%油門，任意SOC值恒定行駛和隨機油門干預(yù)換擋測試。隨著車速的增大，擋位發(fā)生變化，出現(xiàn)了油門干預(yù)升擋和降擋，進而得知油門開度和車速可能是換擋參數(shù)。

3.2 電池SOC值分析

為分析電池SOC是否為換擋參數(shù)，進行如下試驗:同一平直路面，LOW和D柄位，分別固定油門開度為70%和100%，以20%、30%、50%、60%、80%、100%初始SOC和恒定SOC進行升、降擋測試。通過試驗數(shù)據(jù)分析得知，換擋測試過程中，電池SOC值可以連續(xù)上升或下降(圖4)、先下降再上升或恒定在某個值(圖5)，由此證明電池SOC值不是影響換擋的參數(shù);然而相同擋位換擋點的參數(shù)(如油門開度和車速)非常接近。

3.3 整車加速度分析

為分析整車加速度是否為換擋參數(shù)，在車上安裝了加速度傳感器。進行如下試驗:相同路段，LOW和D柄位，分別固定油門開度50%、70%、100%，在平路、下坡、上坡和彎道上進行升降擋測試。圖6和圖7為以70%油門開度分別在平路和長下坡(加速度不同)工況的升擋測試，相同擋位換擋時加速度值變化大且沒有一致性變化趨勢，說明加速度不是換擋參數(shù)，但是在相同擋位換擋時的油門開度和車速非常接近。

3.4 電機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩分析

為分析電機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩是否為換擋參數(shù)，進行如下試驗:LOW和D柄位，同一水平路面，固定油門開度80%，以30%、40%、90%和100%初始SOC恒定行駛換擋測試，見圖8。

從圖8(a)可知，車輛處于行車充電模式完成2升3擋，純發(fā)動機模式完成3升4擋;從圖8(b)可知，車輛處于純發(fā)動機模式完成2升4擋;從圖8(c)可知，車輛處于混合驅(qū)動模式完成2升5擋;從圖8(d)可知，車輛處于純電動模式完成2升4擋。各種行駛條件下?lián)Q擋請求時刻的電機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 請求換擋時電機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)

從表1可知，請求換擋時刻的電機轉(zhuǎn)矩可以為負(fù)值、0和正值，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)可以為任意值(對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩為任意值)，可以在下坡路面純電動行駛至5擋，二者都沒有一致性變化趨勢，說明電機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不是換擋參數(shù)。但是上述各種行駛模式下?lián)Q擋時的油門開度和車速非常接近。

3.5 發(fā)動機與電機合成輸出轉(zhuǎn)矩分析

為分析發(fā)動機與電機合成輸出轉(zhuǎn)矩是否為換擋參數(shù)，由于實車結(jié)構(gòu)限制，只能在AMT輸出軸端安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，測量車輛在請求換擋時刻的變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩，通過比例換算確定輸出的合成轉(zhuǎn)矩。在上述換擋參數(shù)的測試中也統(tǒng)計分析了請求換擋時刻的合成輸出轉(zhuǎn)矩值，測量值可以為任意值且沒有一致性變化趨勢，進而說明合成輸出轉(zhuǎn)矩不是換擋參數(shù)。

3.6 換擋參數(shù)分析

通過分析得知，電池SOC、整車加速度、電機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機與電機合成轉(zhuǎn)矩都不是換擋參數(shù)。在分析這些參數(shù)時統(tǒng)計了相同擋位換擋時刻的油門開度和車速，二者非常接近，再根據(jù)對油門開度和車速的分析，可以得知油門開度和車速是該系統(tǒng)AMT的換擋參數(shù)。

4 換擋規(guī)律控制策略試驗解析

正向設(shè)計混合動力客車換擋規(guī)律時，可采用先進的控制算法對換擋規(guī)律進行優(yōu)化，目前在實車上應(yīng)用的常見方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制和智能換擋，采用這些方法的本質(zhì)是讓車輛的換擋點動態(tài)變化，使車輛行駛于最佳擋位。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能對行駛路況和駕駛員意圖有一定的學(xué)習(xí)功能，根據(jù)不同駕駛風(fēng)格選擇不同的換擋點［5］;模糊控制能基于熟練駕駛員手動換擋過程，通過大量試驗獲得模糊矩陣，經(jīng)模糊決策選擇合理擋位［6］;智能換擋［7］是基于實車行駛環(huán)境，融合模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)等算法而制定的換擋決策，應(yīng)用于實車較少。

采用控制策略后換擋點是動態(tài)變化的，在實車上可以通過相同路況，不同駕駛風(fēng)格測試和不同道路條件(山區(qū)、城市、高速路況)測試，分析換擋點的變化，確定車輛是否采用換擋規(guī)律控制策略。經(jīng)過1500km的實車測試，統(tǒng)計分析了相同擋位換擋點的變化情況，得出在任意工況下相同擋位換擋時的換擋參數(shù)值非常接近，說明系統(tǒng)沒有采用換擋規(guī)律控制方法。

5 換擋規(guī)律試驗解析

換擋測試路況必須滿足車輛能小油門上升到最高擋位和滿油門下降到最低擋位，需要“V”字形的大坡度長下坡和長上坡路況。

5.1 LOW柄位升降擋測試

10%油門開度間隔，進行油門開度從30% ～100%升擋和油門開度從20% ～100%降擋測試，各油門升擋數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見圖9，降擋統(tǒng)計結(jié)果見圖10;為提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進行了隨機行駛換擋測試，得出LOW柄位修正升降擋規(guī)律。

5.2 D柄位升降擋測試

5.2.1 D柄位升擋測試

10%油門開度間隔，進行油門開度從20% ～100%升擋測試，各油門升擋數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見圖11;為提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進行了隨機行駛升擋測試，得出D柄位修正升擋規(guī)律。

5.2.2 D柄位降擋測試

經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得知D柄位降擋規(guī)則如下:以當(dāng)前最高擋位為基準(zhǔn)分別對應(yīng)一組降擋點，使發(fā)動機工作在當(dāng)前最佳經(jīng)濟區(qū)域，又保證下一刻進入再生能量回收時電機工作在高效區(qū)域。當(dāng)前最高擋位為6擋、5擋、4擋時分別對應(yīng)最高6擋、最高5擋、最高4擋降擋規(guī)律，當(dāng)有油門干預(yù)時會出現(xiàn)直接6降4擋、6降3擋、6降2擋、5降3擋、5降2擋、4降2擋。

10%油門開度間隔，進行油門開度從20% ～100%最高6擋降擋測試，各油門降擋數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見圖12;為提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進行隨機行駛降擋測試，得出D柄位修正最高6擋降擋規(guī)律。同理可得最高5擋和4擋降擋規(guī)律。

6 結(jié)論

本文中解決了油門開度和電池SOC值的準(zhǔn)確控制問題，能實現(xiàn)不同油門開度和電池SOC值換擋測試。實車測試結(jié)果表明:所設(shè)計的換擋參數(shù)測試方法、換擋規(guī)律測試方法和換擋規(guī)律測試需求路況是正確的，解析出了系統(tǒng)的換擋規(guī)律，為逆向研究混合動力系統(tǒng)換擋規(guī)律提供了一種試驗方法，該方法同樣適用于其它車輛。

解析結(jié)果表明，該系統(tǒng)的換擋參數(shù)是油門開度和車速，即兩參數(shù)換擋規(guī)律，換擋優(yōu)先、模式切換在后，二者協(xié)調(diào)配合，保證車輛正常行駛。LOW柄位相當(dāng)于傳統(tǒng)的動力型換擋規(guī)律，適用于有較大坡度的城市或山區(qū)道路;D柄位相當(dāng)于傳統(tǒng)的經(jīng)濟型換擋規(guī)律，適合于平坦的城市道路和高速工況。

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