牙嵌式電磁離合器在混合動力客車中的應用

童曉輝， 鄺 勇

(東風襄陽旅行車有限公司， 湖北 襄陽 441004)

混合動力客車在城市客車中節(jié)能效果明顯,正受到越來越多的市場青睞，其中機電耦合裝置(如離合器、行星齒輪、錐齒輪等)是混合動力汽車系統(tǒng)中最為復雜的部件之一。某雙電機混合動力客車采用干式膜片彈簧離合器及氣動執(zhí)行機構[1-2]，體積大、傳遞扭矩容量有限，且依賴離合器位置信號和車輛制動儲氣筒的密封性能，發(fā)動機在離合器閉合時無法啟動。如果額外配置24 V電動空壓機，不但增加成本，還增加故障點，不利于車輛維護。而牙嵌式電磁離合器具有外形尺寸小，傳遞扭矩大等優(yōu)點[3-6]，因此，本文研究在混合動力客車上采用牙嵌式電磁離合器替代干式膜片彈簧離合器，以提高同軸混聯(lián)混合動力系統(tǒng)機電耦合裝置的可靠性，并大幅降低使用維護成本。

1 牙嵌式電磁離合器動力系統(tǒng)

某后置式混合動力城市客車動力系統(tǒng)的TM(牽引電機)輸出軸與車輛后橋相連，TM和ISG之間改為牙嵌式電磁離合器，發(fā)動機飛輪安裝扭轉減振器后與ISG相連。其中牙嵌式電磁離合器通過兩個相互嵌合的半離合器傳遞動力，包括操縱桿、環(huán)形電磁鐵、銜鐵和對稱排列的柱形彈簧組成復位機構，以及相適配的動端面齒輪和定端面齒輪，牙嵌式電磁離合器示意圖如圖1所示。相對其他結構形式的電磁離合器，如磁粉離合器，其嚙合端面結構降低了扭矩傳遞壓力需求并能傳遞更大的輸出扭矩，且電磁線圈保持電流更小，有利于節(jié)能并減少發(fā)熱。整車控制器(VCU)解析駕駛員駕駛意圖，通過同一路CAN總線獲取牽引電機和ISG電機的轉速/扭矩等信息并發(fā)送目標扭矩/目標轉速，同時檢測電磁離合器驅動線圈電流，并通過VCU內(nèi)部微處理器產(chǎn)生PWM信號控制電磁離合器線圈電流。 結合城市客車運營特點和發(fā)動機效率以及扭矩分布圖，統(tǒng)計表明城市公交工況下離合器結合時段約占12%～20%。因此，牙嵌式電磁離合器設計為常開型結構，即電磁線圈通電時吸引環(huán)形銜鐵強制動端面和靜端面結合，斷電時動端面在復位彈簧作用下與定端面分離，該結構確保在VCU失效或車輛電磁線圈供電損壞時電磁離合器分離。

圖1 牙嵌式電磁離合器結構示意圖

2 牙嵌式電磁離合器控制策略

該雙電機同軸混合動力客車工作模式如表1所示。

表1 雙電機同軸混合動力客車工作模式

混合動力系統(tǒng)機電耦合控制是其難點之一，VCU需要根據(jù)離合器狀態(tài)分配TM和發(fā)動機,ISG的轉速/扭矩控制需求。采用位置傳感器判斷離合器狀態(tài)是一個不錯的選擇，但牙嵌式電磁離合器動作行程僅2 mm，且電磁線圈電流作用可能影響離合器位置感應信號的可靠性。若因位置傳感器失效或線束磨損等引起VCU誤判離合器狀態(tài)將嚴重影響行車安全。考慮到TM和ISG分別位于離合器定端面和動端面兩側，TM和ISG轉速信號均采用轉速精度較高的旋轉變壓器，且TM和ISG轉速信號采用同等濾波系數(shù)通過同一路CAN總線發(fā)送至VCU以減少傳輸延遲。相對于位置傳感器方案，采用TM和ISG轉速差值判斷電磁離合器狀態(tài)更為可靠。為防止離合器在結合時出現(xiàn)“打齒”現(xiàn)象，電磁離合器結合過程中轉速盡可能控制在較小范圍。控制策略如圖2所示。

圖2 電磁離合器控制邏輯圖

圖2中ΔV表示TM和ISG轉速差，I表示VCU檢測的線圈電流。對于狀態(tài)0，車輛靜止且電源關閉時，離合器在復位彈簧作用下分離，車輛初始上電時無位置傳感器，雖然VCU檢測到TM和ISG轉速均為0且 ΔV<5 r/min 仍默認離合器分離，即TM或ISG任何一個轉速>40 r/min才可依據(jù)ΔV判斷電磁離合狀態(tài)。

電磁離合器處于狀態(tài)2或狀態(tài)3時，若出現(xiàn)轉速差再次擴大(如駕駛員在某設定車速下剛踩下加速踏板又踩下制動踏板或者駕駛員在狀態(tài)2時再次急加速)，VCU重新調(diào)速或發(fā)出分離指令。離合器處于狀態(tài)4時，如有分離請求，需確認離合器徑向扭矩足夠小時再發(fā)出分離指令。此時線圈電流產(chǎn)生的電磁力不足以克服復位彈簧形變壓力，進入狀態(tài)5，否則會造成分離失敗或分離時間較長。

3 牙嵌式電磁離合器動力系統(tǒng)試驗分析

為驗證上述控制策略，對TM-牙嵌式電磁離合器-ISG-發(fā)動機組成的動力系統(tǒng)進行城市公交工況試驗。以湖北襄陽不開空調(diào)時城市公交工況為例，該地區(qū)城市客車郊區(qū)最高限速48 km/h;城市擁堵區(qū)域最高限速40 km/h;平均車速14～18 km/h; 0～30 km/h車速加速時間7～11 s;站點和紅綠燈分布密集，平均停車34～40次/h。為便于分析控制參數(shù)合理性，需采用高性能的數(shù)據(jù)分析和記錄軟件。在某款配置直列6缸CNG發(fā)動機的12 m城市客車上，采用德國ETAS公司INCA標定軟件和ES581硬件CAN卡，可同步實時地通過CCP/XCP協(xié)議采集和顯示VCU內(nèi)部信號。本次試驗記錄VCU采集的加速踏板開度、制動踏板開度、TM轉速、TM扭矩、ISG轉速、ISG扭矩、電磁離合器線圈電流等，周期為10 ms。

3.1 電磁離合器兩端調(diào)速和離合器結合

圖3為純電動切換至并聯(lián)模式工況。車輛在0～44 s之間為純電動模式，44.02 s時VCU命令ISG啟動發(fā)動機，發(fā)動機和ISG電機同軸相連，在低速啟動階段(<120 r/min時)ISG電機轉速大于發(fā)動機轉速，啟動完成后(>200 r/min)兩者轉速相同。46.12 s時VCU向發(fā)動機發(fā)送調(diào)速模式及目標轉速，發(fā)動機響應該指令做轉速跟隨控制。46.65 s時TM和ISG轉速分別為1 600 r/min和1 721 r/min,說明發(fā)動機調(diào)速存在121 r/min的超調(diào)；48.28 s時TM和ISG轉速分別為1 620 r/min和1 602 r/min, ΔV為18 r/min，進入圖2中狀態(tài)2。不同于機械式自動變速系統(tǒng)對于發(fā)動機調(diào)速的嚴格要求，電池儲能可滿足車輛純電動模式行駛的前提下，發(fā)動機調(diào)速盡可能穩(wěn)態(tài)過渡，減少發(fā)動機節(jié)氣門突變。發(fā)動機開始調(diào)速到進入狀態(tài)2耗時2.16 s，滿足性能要求。

圖3 純電動-發(fā)動機啟動-離合器結合曲線

另一種工作模式是如表1中“發(fā)動機發(fā)電”轉為發(fā)動機和TM的并聯(lián)驅動模式。如圖4所示，162.1 s之前發(fā)動機帶動ISG發(fā)電，發(fā)動機目標轉速和ISG實際轉速吻合較好。162.14 s時VCU發(fā)出調(diào)速指令，ISG扭矩減至調(diào)速加載模式200 N·m，至165.31 s時TM和ISG轉速差17 r/min,即從圖4發(fā)動機發(fā)電工況下響應速度跟隨指令到進入圖2中的狀態(tài)2耗時3.17 s。相對于圖3增加1 s,在調(diào)速階段發(fā)動機帶動ISG發(fā)電，減少發(fā)動機單純調(diào)速空轉效率低下的情況。進入狀態(tài)4后發(fā)動機轉為扭矩控制模式,即VCU向發(fā)動機發(fā)送目標扭矩請求。

圖4 發(fā)動機帶載發(fā)電并跟隨調(diào)速曲線

3.2 電磁離合器結合及調(diào)節(jié)目標扭矩變化率

待電磁離合器完全結合進入圖2中狀態(tài)4，發(fā)動機由于空燃比限制等因素導致扭矩響應遲滯，此時若立即撤銷TM扭矩將會因發(fā)動機“接力遲滯”導致明顯的縱向加速沖擊[7]，降低車輛舒適性且電磁離合器存在脫開的可能。發(fā)動機ECU發(fā)送的CAN報文含有發(fā)動機實時扭矩負荷，但該負荷涉及復雜的燃燒相關參數(shù)計算，在瞬態(tài)變化時可靠性欠佳。為此，可限制發(fā)動機扭矩動態(tài)變化速率并限制牽引電機扭矩變化速率的方式，從而明顯改善縱向沖擊性[8]。此處采用結合后TM電機目標扭矩和ISG加載力矩分別按照設定斜率K1、K2變化，并調(diào)節(jié)發(fā)動機目標扭矩上升斜率K3即結合后數(shù)秒將加速踏板獲得的整車需求扭矩采用濾波處理后再轉化為發(fā)動機目標扭矩；待TM電機扭矩下降至0，發(fā)動機力矩輸出足以適應整車扭矩變化后再完全接管加速踏板目標扭矩請求。本測試數(shù)據(jù)基于CNG發(fā)動機，若采用柴油動力發(fā)動機，需調(diào)整控制參數(shù)K1、K2、K3。圖5是圖4所示工況下TM和ISG的轉速/扭矩變化。165.42 s時結合指令為1，166.44 s時離合器完全結合進入圖2中的狀態(tài)4。從166.44 s時的353 N·m按照設定斜率降低至170.2 s時1 N·m，ISG在第166.44 s時從調(diào)速模式下200 N·m開始以設定K2斜率減載。

圖5 結合前后TM和ISG轉速/扭矩變化曲線

衡量模式切換控制效果通常用沖擊度J表示：

J=da/dt

式中：a為車輛車速加速度；我國的推薦值[9]為|J|≤17.64 m/s3，德國推薦值|J|≤10 m/s3。

從圖6可知，取165.2 s(結合指令發(fā)出時刻)到171.4 s(結合完成后5 s)時段,車速8.23～9.39 m/s(29.65～33.8 km/h)，車輛縱向加速度值(170.2 s補償完畢)，按照0.1 s一個采樣點共計63個。在第169.1 s該采樣點即離合器完全結合后2.6 s，車輛縱向沖擊度達到峰值11.85 m/s3,持續(xù)時間0.1 s，其他62個點均小于10 m/s3，即該測試98.4%的采樣點優(yōu)于德國沖擊度推薦值，模式切換控制良好。

圖6 165.2～171.4 s加速踏板開度-沖擊度Jerk曲線

3.3 扭矩卸載及離合器分離

圖7 電磁離合器分離時TM、ISG轉速及發(fā)動機負荷曲線

VCU判斷到駕駛員的滑行或制動行為，如圖7所示。258 s之前車輛處于加速階段，發(fā)動機負荷較高；258～262 s加速踏板開度較小(小于8%)。263.97 s時加速及制動踏板開度均為0，車輛滑行，發(fā)動機實際負荷降至約9%；1.8 s后發(fā)動機負荷降至5%(主要用于克服摩擦并維持附件運轉)，VCU發(fā)出分離指令。266.18 s時TM和ISG轉速差達到35 r/min，大于設定值30 r/min且持續(xù)一定時間,判定為分離，即發(fā)出分離指令到徹底分開耗時0.32 s,分離迅速。 隨后車輛繼續(xù)滑行，根據(jù)整車能量狀況判斷不再需要發(fā)動機出力，待發(fā)動機轉速下降至設定值后VCU向發(fā)動機ECU發(fā)出熄火指令，272.73 s時發(fā)動機及ISG轉速降至244 r/min,最后熄火。

4 結束語

本文對雙電機同軸結構的牙嵌式電磁離合器動力系統(tǒng)進行分析，根據(jù)城市公交實際工況，制定了該類型混合動力系統(tǒng)控制策略，并進行了試驗數(shù)據(jù)分析，結果表明車輛模式切換沖擊品質(zhì)良好，這得益于發(fā)動機和電機良好的轉速扭矩響應特性。牙嵌式電磁離合器作為一種新型的混合動力機電耦合部件，因其結構和控制簡單，將在車用動力系統(tǒng)傳動技術領域有良好的發(fā)展前景。

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