純電動車兩擋機(jī)械自動變速器換擋過程分析及綜合控制

李天琨，吳斌，陳存璽，陳勇，李卓強(qiáng)，李睿

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純電動車兩擋機(jī)械自動變速器換擋過程分析及綜合控制

李天琨1，吳斌1，陳存璽1，陳勇2，李卓強(qiáng)2，李睿2

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

為減小純電動車兩擋機(jī)械自動變速器換擋動力中斷時間，改善換擋品質(zhì)，文章通過對換擋過程的動力學(xué)分析，提出了一種綜合換擋控制策略：在調(diào)速過程中，通過開環(huán)控制的方法，使接合套與結(jié)合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差快速到達(dá)一定范圍內(nèi)；在掛擋過程中，通過驅(qū)動電機(jī)輸出與換擋電機(jī)作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動電機(jī)與換擋電機(jī)協(xié)同作用消除剩余的轉(zhuǎn)速差，從而縮短動力中斷時間。使用Simulink設(shè)計(jì)了換擋控制模型，并在基于TCU、MCU控制下的純電動車兩擋AMT換擋實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的綜合控制策略可以在保證同步器磨損較小的前提下，有效減小整個換擋過程的動力中斷時間。

純電動車；兩擋AMT；動力中斷時間；綜合控制策略

前言

電動車輛具有節(jié)能、環(huán)保、能源利用多元化、可實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)[1]。當(dāng)下，多國的相關(guān)政府部門都先后頒布了發(fā)展綱要以推動電動車輛的技術(shù)進(jìn)化和規(guī)模化應(yīng)用[2]。目前市場上常見的純電動汽車基本以驅(qū)動電機(jī)直連單級減速器的方式作為動力源，但是這種方式存在著當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高或較低時，電機(jī)效率相對較低的問題。將AMT應(yīng)用于純電動汽車上，便可以擴(kuò)大電機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)間，滿足其更高標(biāo)準(zhǔn)的動力性要求，提高純電動汽車的經(jīng)濟(jì)性[3]。匹配AMT的純電動車是未來國內(nèi)發(fā)展的必然趨勢[4]。由于純電動車的驅(qū)動電機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速動態(tài)控制能力，所以對于裝有AMT的純電動車，均取消了離合器[5]。但是由于變速箱輸入端轉(zhuǎn)動慣量變大，會造成掛擋時間延長的不良后果[6]。所以如何減小換擋過程的動力中斷時間，是研究的主要方向之一。目前，大部分研究還只是對驅(qū)動電機(jī)或換擋電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，從而縮短動力中斷時間[7-9]。如在換擋過程中將驅(qū)動電機(jī)與換擋電機(jī)結(jié)合起來，可以進(jìn)一步的縮短動力中斷時間。

因此，本文通過建模對換擋過程加以動力學(xué)分析，針對換擋過程的電機(jī)調(diào)速過程及掛擋過程，提出一種綜合控制策略，有效的將驅(qū)動電機(jī)和換擋電機(jī)結(jié)合起來。在調(diào)速過程中，通過開環(huán)控制驅(qū)動電機(jī)調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速時間最短。在掛擋過程中，在控制換擋電機(jī)進(jìn)行掛擋的同時，通過控制驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，在驅(qū)動電機(jī)與同步環(huán)的共同作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步，并保證對同步環(huán)磨損較小前提下，減小掛擋時間。最終，達(dá)到縮短動力中斷時間的目的。

1 換擋過程動力學(xué)分析

整個換擋過程一共分為5個過程：降矩過程、摘擋過程、電機(jī)調(diào)速過程、掛擋過程、轉(zhuǎn)矩恢復(fù)過程。其中，摘擋過程和掛擋過程由同步器來完成。同步器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同步器結(jié)構(gòu)圖

1.1 降矩過程

這一過程，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩按一定斜率降為0。

1.2 摘擋過程

這一過程，接合套從初始擋位運(yùn)動到空擋位置。在摘擋過程中，接合套所受阻力恒定，所以摘擋時間受其他因素的影響很小。

1.3 電機(jī)調(diào)速過程

通過對驅(qū)動電機(jī)的主動控制，使接合套與目標(biāo)擋位結(jié)合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速差。

1.4 掛擋過程

根據(jù)同步器之間零件的相互作用，可以將掛擋過程分為以下幾個階段：

第一次自由滑動階段：該階段下，換擋電機(jī)施加力矩，接合套克服定位銷的阻力帶動滑塊一起進(jìn)行軸向運(yùn)動。

第二次自由滑動階段：該階段下，滑塊與同步環(huán)接觸，并推動其共同發(fā)生軸向運(yùn)動，最終消除同步環(huán)與待接合齒輪摩擦錐面的間隙。

預(yù)同步階段：該階段下，待接合齒輪摩擦錐面與同步環(huán)發(fā)生接觸。同步環(huán)相對于接合套轉(zhuǎn)過一個齒寬，其凸起與花鍵轂一端相接觸并以同一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。接合套繼續(xù)進(jìn)行軸向運(yùn)動至接觸到同步環(huán)。

同步階段：該階段下，接合套齒與同步環(huán)齒相接觸。此時換擋力全部用于產(chǎn)生摩擦力矩。接合套與接合齒圈進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步，直至轉(zhuǎn)速相同。通過驅(qū)動電機(jī)施加一個與同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動電機(jī)與同步環(huán)協(xié)同作用，進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步，可以縮短同步時間，減小對同步環(huán)的磨損。

撥環(huán)階段：該階段下，接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速相同，藉由換擋電機(jī)的推動，接合套撥動同步環(huán)，使其轉(zhuǎn)動半個齒寬的角度，越過同步環(huán)。

第三次自由滑動階段：該階段下，接合套通過同步環(huán)正向移動，消除接合套與接合齒圈的間隙。

撥齒階段：在這個階段，在換擋電機(jī)的作用下，接合套齒撥動接合齒圈齒，使其旋轉(zhuǎn)一定的角度，通過接合齒圈，進(jìn)入接合齒輪齒槽。

第四次自由滑動階段：在這個階段，接合套和接合齒圈完成嚙合，掛擋完成。

1.5 轉(zhuǎn)矩恢復(fù)階段

在這個階段，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩恢復(fù)到需求轉(zhuǎn)矩。

2 綜合控制策略

基于上文的分析可見，離合器的取消導(dǎo)致了變速器輸入端轉(zhuǎn)動慣量的增加，增加了同步時間。影響同步階段的因素包括調(diào)速過程的轉(zhuǎn)速差和掛擋過程的控制，所以為減小換擋過程的動力中斷時間，對調(diào)速過程及掛擋過程的研究是非常重要的。

傳統(tǒng)控制策略如圖2所示。傳統(tǒng)控制策略通常將調(diào)速過程的轉(zhuǎn)速差設(shè)置的非常小，以減小同步器的滑磨功和掛擋時間。而過小的轉(zhuǎn)速差會使調(diào)速過程所需時間大大增加，造成換擋過程整體動力中斷時間的增加。本文針對換擋過程中的調(diào)速及掛擋過程加以分析，提出一種綜合控制策略，通過Matlab/Simulink軟件搭建驅(qū)動電機(jī)及換擋電機(jī)控制模型。綜合控制策略流程圖及模型如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)控制策略流程圖

圖3 控制策略流程圖及模型

2.1 驅(qū)動電機(jī)控制

PI控制經(jīng)常被應(yīng)用在傳統(tǒng)控制策略中的調(diào)速階段。在整個掛擋過程中，影響掛擋時間的主要因素為調(diào)速、撥環(huán)及撥齒過程。針對上述問題，本文提出了一種電機(jī)控制方法：

（1）對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行開環(huán)控制?？刂瞥绦蚋鶕?jù)目標(biāo)擋位及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對驅(qū)動電機(jī)輸出開環(huán)標(biāo)定所得的調(diào)速轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速高效精準(zhǔn)到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，接合套端與接合齒圈端的轉(zhuǎn)速差到達(dá)30r/min時完成調(diào)速，相對于傳統(tǒng)PI控制來說，基于開環(huán)的電機(jī)主動調(diào)速過程更快。

（2）在轉(zhuǎn)速差到達(dá)30r/min后，在同步器同步過程中，接合套端與接合齒圈端通過同步環(huán)與結(jié)合齒圈摩擦錐面之間產(chǎn)生的摩擦力矩來使兩者調(diào)速。此時使驅(qū)動電機(jī)輸出與摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩T，通過驅(qū)動電機(jī)施加的轉(zhuǎn)矩，可以幫助同步環(huán)在同步階段進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步。

2.2 換擋電機(jī)控制

為了保證最快的換擋時間，在接合套端與接合齒圈端的轉(zhuǎn)速差到達(dá)30r/min后，驅(qū)動換擋電機(jī)進(jìn)行掛擋，為換擋電機(jī)施加最大端電壓，以保證接合套以最大速度運(yùn)行。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可以得到換擋電機(jī)端電壓置0的位置S。當(dāng)結(jié)合套位移＞S，端電壓置0，接合套剩余的動能可以在之后一段距離被接合套所受的阻力耗散，使接合套恰好停在接合套目標(biāo)擋位位置。

3 換擋實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺架

實(shí)驗(yàn)臺架如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺架

實(shí)驗(yàn)臺架主要分為機(jī)械傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械傳動系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)、兩擋AMT變速器、飛輪組成。位置傳感器安裝在換擋電機(jī)上，后者電源端加裝了電流傳感器?？刂撇糠钟蒘evcon電機(jī)控制器MCU及TCU組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的綜合控制策略的有效性，在實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行了多次試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.1 降擋過程

圖5為開環(huán)控制及PI控制下，降擋過程中電機(jī)調(diào)速曲線。圖6為傳統(tǒng)控制策略下，降擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。圖7為綜合控制策略下，降擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。傳統(tǒng)控制策略在電機(jī)調(diào)速階段，需將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0。如圖5所示，PI調(diào)速時所需時間為180ms。綜合控制策略在電機(jī)調(diào)速階段將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差調(diào)至30r/min，開環(huán)調(diào)速時用時為60ms?；陂_環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速過程相比于PI控制的電機(jī)調(diào)速過程可以節(jié)省120ms。在掛擋過程中，由圖6和圖7可見，傳統(tǒng)控制策略下的掛擋時間為110ms。由于將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0r/min，掛擋過程中傳統(tǒng)控制策略下滑磨功為0.49J。此狀態(tài)下掛擋時間為105ms。在綜合控制策略下通過驅(qū)動電機(jī)輸出與換擋電機(jī)作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，從而減小了滑磨功至0.46J。

圖5 PI控制及開環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速曲線

圖6 傳統(tǒng)控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

圖7 綜合控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

通過降擋過程的實(shí)驗(yàn)對比可見，綜合控制策略在保證同步器磨損較小的前提下，可以比傳統(tǒng)控制策略在轉(zhuǎn)速同步及掛擋階段節(jié)省125ms。

3.2.2 升擋過程

圖8為開環(huán)控制及PI控制下，升擋過程中電機(jī)調(diào)速曲線。圖9為傳統(tǒng)控制策略下，升擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。圖10為綜合控制策略下，升擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。傳統(tǒng)控制策略在電機(jī)調(diào)速階段，需將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0。如圖8所示，傳統(tǒng)的PI調(diào)速時間為160ms。綜合控制策略在電機(jī)調(diào)速階段將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差調(diào)至30r/min，開環(huán)調(diào)速時所需時間為50ms?；陂_環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速過程相比于PI控制的電機(jī)調(diào)速過程可以節(jié)省110ms。由圖9和圖10可見，傳統(tǒng)控制策略下的掛擋時間為103ms，由于將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0r/min，所以掛擋過程中傳統(tǒng)控制策略下滑磨功比較小，滑磨功為0.36J。在綜合控制策略下的掛擋時間為97ms。在綜合控制策略下通過驅(qū)動電機(jī)輸出與換擋電機(jī)作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，從而減小了滑磨功至0.36J。

通過升擋過程的實(shí)驗(yàn)對比可見，綜合控制策略比傳統(tǒng)控制策略在轉(zhuǎn)速同步及掛擋階段節(jié)省116ms。

圖8 PI控制及開環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速曲線

圖9 傳統(tǒng)控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

圖10 綜合控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

本文對純電動車兩擋AMT變速器進(jìn)行了動力學(xué)分析，并提出了一種綜合控制策略。在掛擋過程中對驅(qū)動電機(jī)和換擋電機(jī)進(jìn)行綜合控制，充分發(fā)揮驅(qū)動電機(jī)的作用。并在搭建的純電動車兩擋AMT變速箱實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出控制策略在保證同步器磨損較小的情況下，可以有效縮短動力中斷時間。

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Analysis and Comprehensive Control of Two Speed Automatic Transmission forPure Electric Vehicle During The Shifting Process

Li Tiankun1, Wu Bin1, Chen Cunxi1, Li Zhuoqiang2, Li Rui2

（1.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124; 2.College of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130）

In order to reduce the power interruption time of the two-speed mechanical automatic transmission of pure electric vehicle and improve the shift quality, this paper proposes a comprehensive shift control strategy by dynamic analysis of the shifting process:in the process of speed regulation, the speed difference between the joint sleeve and the joint gear ring can reach a certain range quickly by means of open loop control;in the process of gear engagement, the driving motor outputs a torque in the same direction as the synchronous friction torque generated by the shifting motor, so that the driving motor and the shifting motor cooperate to eliminate the remaining rotational speed difference, thereby shortening the power interruption time.The shift control model is designed by Simulink, and the experiment is carried out on the two-speed AMT shift test bench of pure electric vehicle based on the control of TCU and MCU.The experimental results show that the proposed integrated control strategy can effectively reduce the power interruption time of the entire shifting process while ensuring that the wear of the synchronizer is small.

pure electric vehicles;two-speed AMT;power interruption time; comprehensive control strategy

U469.7

A

1671-7988(2019)09-22-05

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1671-7988(2019)09-22-05

李天琨，碩士研究生，就讀于北京工業(yè)大學(xué)，新能源汽車變速器方向。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.006