純電動客車AMT換擋策略研究與仿真分析

王鈴燕

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023)

在AMT兩擋純電動客車研發(fā)過程中，換擋策略的制定至關(guān)重要，換擋策略的優(yōu)劣直接影響車輛的動力性、經(jīng)濟性和舒適性等[1-3]。根據(jù)換擋策略制定過程中考慮的影響因素，其換擋策略類型可分為：單參數(shù)換擋、雙參數(shù)換擋和三參數(shù)換擋。其中，只考慮車速的單參數(shù)換擋策略無法根據(jù)駕駛員的需求進行換擋，不能適應(yīng)復(fù)雜的車輛運行狀態(tài)，應(yīng)用較少；考慮車速和加速踏板開度的雙參數(shù)換擋策略，因駕駛員可通過控制加速踏板開度進行換擋，使得該策略得到較為廣泛的應(yīng)用[4-5]；而考慮車速、加速踏板開度和加速度的三參數(shù)動態(tài)換擋策略，因電機動態(tài)試驗過程復(fù)雜，使得數(shù)據(jù)難以獲得，換擋策略復(fù)雜使得控制器系統(tǒng)成本較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，目前應(yīng)用不多[6-8]。

本文擬對某款不帶離合器的兩擋AMT純電動客車制定雙參數(shù)換擋策略，并使用基于前向仿真的Cruise軟件建立整車模型[9]，對整車動力性與經(jīng)濟性進行仿真分析，以驗證換擋策略的可行性。

1 換擋規(guī)律的制定

在制定換擋策略時，需在保證電動客車有足夠動力性的同時，盡量降低其電耗，以提高其續(xù)駛里程。通常中小油門開度以保證最佳燃料經(jīng)濟性為主，兼顧動力性；大油門開度則以獲得最佳動力性為主。

1.1 最佳動力性換擋規(guī)律

車輛動力性的評定指標主要有3個[10]：最高車速、加速時間、最大爬坡度。以加速時間最優(yōu)為目標的雙參數(shù)換擋策略，是指自動變速系統(tǒng)能夠使汽車在具有最大動力的換擋點進行換擋操作，從而獲得最佳的加速能力和爬坡能力[11]。在相同加速踏板開度下，換擋點的確定有2種方法：一是根據(jù)換擋前后驅(qū)動力相等或相近確定換擋點，該方法體現(xiàn)的是車輛的穩(wěn)態(tài)情況；二是根據(jù)換擋前后加速度相等或相近確定換擋點，該方法與車輛實際換擋過程的動態(tài)加速情況相符。文中以第二種確定換擋點的方法進行最佳動力性換擋規(guī)律制定。

根據(jù)電動車輛動力學(xué)理論可知[12]，車輛運動過程中的力平衡方程為：

(1)

即：

(2)

v=0.377nr/(igi0)

(3)

式中：Tt為驅(qū)動電機扭矩；n為電機轉(zhuǎn)速；ig為變速器速比，ig1=2.45,ig2=1；i0為主減速器速比，值為6.17；η為機械傳動效率；r為輪胎半徑，值為0.51 m；m為整車總質(zhì)量，值為16 400 kg；f為滾動阻力系數(shù)；α為坡道；CD為風阻系數(shù)；A為迎風面積；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取經(jīng)驗值。

驅(qū)動電機特性曲線如圖1和圖2所示。在加速踏板開度100%狀態(tài)下，根據(jù)驅(qū)動電機外特性曲線及式(2)和式(3)繪制1擋和2擋的車速-加速度曲線，如圖3所示，確定加速踏板開度100%狀態(tài)下車輛的換擋車速。

圖1 加速踏板開度-轉(zhuǎn)速-驅(qū)動電機扭矩曲線

圖2 電機萬有特性MAP曲線

圖3 加速踏板開度為100%時車速-加速度曲線

由圖3可知，換擋前后相鄰兩擋的加速度曲線在A處不相交，即換擋前后車輛加速度發(fā)生變化，屬于邊界點換擋。使用邊界點換擋需注意：如升擋后，加速度為正，則進行升擋；若升擋后，加速度為負，則保持原來擋位。加速踏板開度為100%時，AMT兩擋加速度曲線邊界點A對應(yīng)的車速即為1擋升2擋的換擋車速。根據(jù)以上方法，按圖1加速踏板開度-轉(zhuǎn)速-驅(qū)動電機扭矩曲線，求出不同加速踏板開度下的1、2擋加速度曲線的交點或邊界點對應(yīng)的車速，將各換擋車速相連即得到不同加速踏板開度下對應(yīng)的最佳動力性升擋曲線。由于換擋過程存在動力中斷情況，車速會下降1～2 km/h，所以在設(shè)計降擋曲線時，需考慮降擋速差以避免降擋曲線過于接近升擋曲線，出現(xiàn)反復(fù)循環(huán)換擋的現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)驗，降擋速差一般取2～8 km/h。

1.2 最佳經(jīng)濟性換擋規(guī)律

最佳經(jīng)濟性換擋是指AMT變速器能夠使車輛以較高的效率或較低的能量消耗率行駛。本文制定最佳經(jīng)濟性換擋的原則是盡可能使驅(qū)動電機工作在高效率區(qū)，即換擋時刻效率相等，換擋后效率優(yōu)于換擋前。

由式(1)和式(3)可知，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩是主減速比與電機轉(zhuǎn)速的函數(shù)，同時由圖1和圖2可知：

(4)

以換擋后驅(qū)動電機盡量在高效區(qū)工作為原則，得到不同踏板開度下?lián)Q擋點公式為：

(5)

在加速踏板開度100%狀態(tài)下，根據(jù)驅(qū)動電機萬有特性MAP曲線和式(5)繪制1擋和2擋的車速-效率曲線如圖4所示，得到踏板開度為100%狀態(tài)下基于最佳經(jīng)濟性的換擋車速。按以上方法依次得到不同踏板開度下的車速-效率曲線，進而得到基于最佳經(jīng)濟性的兩參數(shù)換擋規(guī)律。

圖4 加速踏板開度為100%時車速-效率曲線

根據(jù)客車擋位越低電機負荷率越低、電耗越高的特點，在中低速行駛時以降低電耗為主，采用基于經(jīng)濟性換擋的換擋規(guī)律；高速行駛時以動力性為主，采用基于最佳動力性換擋的換擋規(guī)律，最終得到綜合兩參數(shù)換擋規(guī)律如圖5所示。

圖5 兼顧動力性及經(jīng)濟性的換擋策略

2 仿真分析

在Cruise中建立純電動客車AMT兩擋整車模型，如圖6所示。采用變速器控制程序和控制模塊根據(jù)前文制定的換擋策略定義整車換擋過程，駕駛員模型設(shè)置為自動換擋。在模型中建立計算任務(wù)，對整車最大爬坡度、0～50 km/h加速時間、等速40 km/h工況下的電耗進行仿真，結(jié)果如下：車輛的最大爬坡度為21.04%，0～50 km/h的加速時間為13.45 s，等速40 km/h電耗為45.38 kW·h/100 km。

圖6 整車Cruise模型

0～50 km/h加速過程中，車輛加速特性曲線如圖7所示。

由圖7可知，換擋前加速度為0.682 m/s2，換擋后加速度為0.74 m/s2，換擋后加速度為正，可進行升擋；換擋前后加速度不相等，但誤差小于10%，可實現(xiàn)順利換擋。同時由以上仿真結(jié)果可知，車輛的經(jīng)濟性滿足整車性能需求。因此本文建立的雙參數(shù)換擋策略是可行的。

圖7 車輛加速度特性曲線

3 結(jié)束語

本文兼顧動力性及經(jīng)濟性制定了組合型雙參數(shù)換擋策略，其中低速時以經(jīng)濟性為主，高速時以動力性為主；采用Cruise軟件搭建整車模型對換擋策略進行了驗證。文中采用靜態(tài)經(jīng)濟性換擋規(guī)律，未考慮電池、變速器等因素，對結(jié)果的準確性有一定影響，后續(xù)可進一步研究；同時動力性與經(jīng)濟性的切換車速也可進一步優(yōu)化，以獲得更優(yōu)的換擋策略。