純電動(dòng)卡車變速器換擋影響因素簡(jiǎn)述

浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司 秦滔 王榮華 文學(xué) 呂金山

為了研究純電動(dòng)卡車AMT變速器換擋性能,分析了純電動(dòng)AMT變速器換擋過(guò)程，闡述了影響換擋性能的各種因素，包括換擋策略、換擋行程及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制等。各種影響因素中，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的控制優(yōu)化能夠加快換擋響應(yīng)，減少動(dòng)力中斷時(shí)間，提升換擋舒適性及整車加速性能。

目前國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)輕卡普遍采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)+傳動(dòng)軸+驅(qū)動(dòng)橋的電機(jī)直驅(qū)形式。為了滿足整車動(dòng)力性，需提高大噸位載貨汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能，選用電機(jī)的質(zhì)量、尺寸將變大，成本將上升。但若采用電機(jī)+變速器或電機(jī)+減速器方案，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以降低扭矩、提高轉(zhuǎn)速，而通過(guò)變速器或減速器進(jìn)行減速增扭，從而最大限度地減小電機(jī)尺寸和質(zhì)量，降低系統(tǒng)成本，同時(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)行效率[1]。目前純電動(dòng)卡車變速器多采用AMT變速器，但換擋過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)換擋沖擊、動(dòng)力中斷等問(wèn)題，影響車輛加速性能和駕駛舒適性。本文針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行純電動(dòng)卡車AMT變速器換擋過(guò)程分析，對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行討論。

換擋過(guò)程分析

純電動(dòng)卡車帶變速器的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器（MCU，Motor Control Unit）、變速器、變速器控制器（TCU，Transmission Control Unit）等（圖1）?；趪?guó)內(nèi)變速器現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)，純電動(dòng)卡車上所采用的AMT變速器大多在傳統(tǒng)手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上將換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)改成氣動(dòng)換擋系統(tǒng)或電機(jī)換擋系統(tǒng)，另外配裝換擋控制單元TCU，用以控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行選換擋控制。

圖1 純電動(dòng)卡車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)燃油車AMT變速器通常帶離合器和同步器，離合器用于車輛起步、換擋時(shí)中斷AMT變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接，同步器用于在換擋過(guò)程中使目標(biāo)擋位齒輪轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速同步，以便擋位順利切換[2]。與傳統(tǒng)燃油車AMT變速器不同，純電動(dòng)車型AMT變速器通常不帶離合器和同步器，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，從而可實(shí)現(xiàn)整車起步功能和換擋過(guò)程中降扭、調(diào)速等。圖2為某款2擋AMT變速器電驅(qū)動(dòng)總成示意圖。

純電動(dòng)卡車AMT變速器的換擋過(guò)程包括降扭、脫擋、調(diào)速、進(jìn)擋、增扭5個(gè)步驟。第一步降扭：在判定需要換擋時(shí)，整車控制器VCU（Vehicle Control Unit）將MCU控制權(quán)交予TCU，TCU向MCU發(fā)送降扭指令，MCU控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩從當(dāng)前扭矩降為零；第二步退擋：TCU控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)退擋，滑套從當(dāng)前擋位退回至空擋位置；第三步調(diào)速：TCU向MCU發(fā)送指令，使其進(jìn)入轉(zhuǎn)速模式，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使目標(biāo)擋位齒輪轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速同步；第四步進(jìn)擋：當(dāng)目標(biāo)擋位齒輪轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速相同后，TCU控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)擋，撥叉推動(dòng)滑套從空擋位置進(jìn)入目標(biāo)擋位，使滑套與目標(biāo)齒輪嚙合；第五步增扭：進(jìn)入目標(biāo)擋位后，TCU向MCU發(fā)送扭矩控制指令，MCU根據(jù)整車扭矩請(qǐng)求控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)將扭矩恢復(fù)至VCU所需的目標(biāo)扭矩。完成換擋后，T C U將MCU的控制權(quán)交還VCU。

圖2 2擋AMT變速器電驅(qū)動(dòng)總成

上述換擋過(guò)程中的5個(gè)步驟均可能對(duì)換擋性能產(chǎn)生影響。各步驟所需時(shí)間的長(zhǎng)短直接決定換擋過(guò)程中動(dòng)力中斷所經(jīng)歷的時(shí)間。若動(dòng)力中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則給駕駛員的直接感受是踩下加速踏板但動(dòng)力未按預(yù)期輸出；車輛加速度存在不合理變化導(dǎo)致駕駛員感受到換擋沖擊；而且對(duì)車輛的加速性能造成較大影響，特別是急加速過(guò)程中，車輛加速時(shí)間將過(guò)長(zhǎng)。解決措施即縮短各個(gè)換擋步驟所需的時(shí)間，同時(shí)平衡因此可能造成的不良影響。

影響換擋性能的主要因素

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)降扭及增扭影響

換擋過(guò)程中，影響第一步驅(qū)動(dòng)電機(jī)降扭所需時(shí)間的因素包括：當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩和扭矩下降斜率（本文所述均為絕對(duì)值）。當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩取決于AMT變速器各換擋點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加速踏板開(kāi)度和車速，但鑒于換擋曲線一般基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率分布及外特性曲線進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性綜合評(píng)估優(yōu)化后獲得[3]，因此不通過(guò)改變換擋點(diǎn)來(lái)縮短降扭的時(shí)間。故需要增加扭矩下降的斜率，在極短時(shí)間內(nèi)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩從當(dāng)前整車需求扭矩大小降為零。

圖3 1擋換2擋過(guò)程扭矩-時(shí)間曲線

圖4 1擋換2擋過(guò)程轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線

驅(qū)動(dòng)電機(jī)增扭的過(guò)程，即在目標(biāo)擋位進(jìn)擋完成后，為響應(yīng)整車當(dāng)前的扭矩請(qǐng)求，MCU從轉(zhuǎn)速控制模式切換成扭矩控制模式，并控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)將扭矩增加至VCU請(qǐng)求的目標(biāo)扭矩。此過(guò)程的影響與降扭過(guò)程類似，由于整車當(dāng)前的扭矩需求與車速及加速踏板開(kāi)度有關(guān)，其扭矩需求是實(shí)時(shí)變化的，所以不同工況及不同操作方式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的增扭過(guò)程所需時(shí)間不同。

另外，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)懸置支架設(shè)計(jì)的不同，包括電機(jī)布置位置的不同，其扭矩的變化會(huì)對(duì)整個(gè)動(dòng)力總成及整車的振動(dòng)造成不同程度的影響，同時(shí)對(duì)整車前進(jìn)方向的加速度變化也會(huì)造成影響，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩變化的斜率需要實(shí)車進(jìn)行標(biāo)定。若斜率偏小，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)降扭及增扭時(shí)間偏長(zhǎng)；若斜率偏大，則會(huì)引起車輛晃動(dòng)，換擋時(shí)出現(xiàn)頓挫感。

某款電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2AMT變速器在某工況下1擋升2擋所需總時(shí)長(zhǎng)為0.99 s（圖3）。從0.7 6 s開(kāi)始TCU獲得MCU控制權(quán)后進(jìn)入換擋過(guò)程，1.75 s時(shí)完成換擋。其中降扭為0.76 s至1s時(shí)間段，增扭為1.4 s至1.75 s時(shí)間段，在這兩個(gè)階段MCU為扭矩控制模式，跟隨響應(yīng)TCU請(qǐng)求扭矩曲線。

2.退擋及進(jìn)擋過(guò)程的影響

退擋及進(jìn)擋的時(shí)間均取決于擋位行程和執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度。擋位行程取決于換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及內(nèi)部滑套、齒輪的設(shè)計(jì)；而執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度則取決于換擋電機(jī)的控制響應(yīng)（電動(dòng)換擋）或氣閥響應(yīng)時(shí)間（氣動(dòng)換擋）。

由于設(shè)計(jì)精度及公差的原因以及變速器在使用過(guò)程中的磨損，造成了每臺(tái)變速器的空行程和換擋行程的細(xì)微差別，如果統(tǒng)一按照某一固定的行程進(jìn)行換擋，可能會(huì)存在部分變速器進(jìn)擋、退擋過(guò)早或者不及時(shí)，導(dǎo)致齒輪磨損、異響、換擋遲滯等現(xiàn)象，影響換擋品質(zhì)。對(duì)于擋位行程的差異影響，可在TCU中加入自學(xué)習(xí)功能來(lái)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定優(yōu)化[4]。

在保證滑套和齒輪不出現(xiàn)過(guò)度沖擊的情況下，應(yīng)盡可能縮短退擋及進(jìn)擋時(shí)間。另外，可以通過(guò)協(xié)同調(diào)整TCU和MCU控制策略，讓換擋不同階段的時(shí)間部分重合，以進(jìn)一步壓縮換擋時(shí)間：在退擋即將完成前，提前進(jìn)入調(diào)速階段；而在進(jìn)擋即將完成前，提前進(jìn)入增扭階段。

3.調(diào)速過(guò)程的影響

調(diào)速階段，MCU由扭矩控制模式變?yōu)檗D(zhuǎn)速控制模式，TCU根據(jù)變速器輸出軸當(dāng)前轉(zhuǎn)速設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，MCU根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。前述AMT變速器在1擋升2擋過(guò)程中調(diào)速時(shí)間段為1.1～1.3s（圖4），1.3s后MCU再次切換為扭矩模式，不再響應(yīng)TCU的轉(zhuǎn)速請(qǐng)求。

因轉(zhuǎn)速控制模式是以轉(zhuǎn)速作為閉環(huán)，MCU通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩以達(dá)到轉(zhuǎn)速變化的目的。例如1擋升2擋調(diào)速時(shí)，為快速降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將施加較大負(fù)扭矩（圖3）。所以當(dāng)縮小調(diào)速時(shí)間時(shí)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的斜率加大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩變化也相應(yīng)變大，雖然此時(shí)AMT變速器處于空擋動(dòng)力中斷階段，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的變化偏大易引起動(dòng)力總成的晃動(dòng)并通過(guò)車架傳遞至駕駛室，引起駕駛員的不適。轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化率的設(shè)定也需要進(jìn)行實(shí)車標(biāo)定確定。

4.各因素影響對(duì)比分析

在整個(gè)換擋過(guò)程中，各過(guò)程所需時(shí)間占總換擋時(shí)間的比例見(jiàn)表1。增扭過(guò)程占比最大，實(shí)際車輛運(yùn)行過(guò)程中此處所需時(shí)間可能更長(zhǎng)。特別在加速踏板開(kāi)度最大時(shí)，車輛在換擋前后對(duì)電機(jī)的扭矩需求變化很大，扭矩恢復(fù)至整車需求扭矩所耗的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，是導(dǎo)致駕駛員在急加速過(guò)程中感覺(jué)明顯動(dòng)力不足的主要原因。因此在換擋標(biāo)定時(shí)需重點(diǎn)對(duì)增扭過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)定，要在保證舒適性的前提下，盡可能加大扭矩變化斜率，減少扭矩恢復(fù)時(shí)間。

表1 主要過(guò)程因素占比

結(jié)語(yǔ)

a. 影響純電動(dòng)卡車AMT變速器換擋性能的主要因素為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的降扭、調(diào)速及增扭的時(shí)長(zhǎng)，退擋及進(jìn)擋相對(duì)耗時(shí)較短。因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的控制優(yōu)化是縮短換擋時(shí)間的主要途徑。而在主要影響因素中，增扭過(guò)程影響最大，在車輛標(biāo)定過(guò)程中需特別關(guān)注。在確保扭矩平穩(wěn)恢復(fù)、無(wú)沖擊的情況下，使扭矩盡可能快的恢復(fù)至整車需求扭矩，避免給駕駛員動(dòng)力不足的感受。

b. 影響純電動(dòng)卡車AMT變速器換擋性能的因素較多，除了換擋過(guò)程耗時(shí)影響外，還與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的懸置支架、整車質(zhì)量等相關(guān)，此類因素主要影響換擋舒適性。懸置支架、整車質(zhì)量等涉及車輛NVH分析，本文不做具體分析，待后續(xù)進(jìn)一步研究。

c. 由于整車及動(dòng)力總成狀態(tài)的不同，不同車輛對(duì)換擋時(shí)間的敏感性不同，換擋過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制參數(shù)需進(jìn)行實(shí)車標(biāo)定，以滿足整車動(dòng)力需求的同時(shí)，保證駕駛員的舒適性。