雙電機(jī)兩擋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同控制策略研究

何洪文，韓 陌，曹劍飛，石 曼

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，環(huán)境和能源危機(jī)對(duì)車輛的能耗和排放提出了更高的要求［1-2］。能耗經(jīng)濟(jì)性是純電動(dòng)商用車輛重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)［3］。兩擋變速箱能有效提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能［4］。在滿足車輛動(dòng)力性能需求的條件下，基于雙電機(jī)的效率數(shù)據(jù)，合理分配雙電機(jī)工作點(diǎn)及制定合理的換擋規(guī)律是降低能耗的有效解決方案。根據(jù)離線全局尋優(yōu)方法獲得的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略為瞬態(tài)最優(yōu)策略。為解決該瞬態(tài)最優(yōu)策略在測(cè)試工況中頻繁換擋的問(wèn)題，采用具有工況適應(yīng)性的實(shí)時(shí)換擋規(guī)律和轉(zhuǎn)矩分配策略是必要的。

對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Li等［5］提出了一種面向能耗的純電動(dòng)汽車雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，根據(jù)能耗經(jīng)濟(jì)性優(yōu)先的原則將動(dòng)力系統(tǒng)劃分為4種工作模式，在每個(gè)模式下全局離線尋優(yōu)，得到能耗最低的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分配策略，并在爬坡和急加速工況下設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以滿足動(dòng)力性需求。該策略較單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提升車輛的續(xù)駛里程。

對(duì)于兩擋變速系統(tǒng)，Hu等［6］針對(duì)能耗經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、換擋沖擊度等性能指標(biāo)分別提出了換擋控制策略。出于對(duì)能耗經(jīng)濟(jì)性的考慮，Li等［7］提出了一種面向能耗的純電動(dòng)汽車兩擋變速系統(tǒng)控制策略，基于l-k曲線制定了最佳動(dòng)力性換擋策略，基于電機(jī)效率Map圖制定了最佳經(jīng)濟(jì)性換擋策略，并同時(shí)考慮動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的綜合性能換擋規(guī)律，采用交叉粒子群算法對(duì)綜合性能換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化求解。出于對(duì)動(dòng)力學(xué)的考慮，Mousavi等［8］提出了一種無(wú)動(dòng)力中斷的兩擋變速系統(tǒng)，在對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用龐特里亞金最小化原理優(yōu)化控制策略。該策略可以有效消除換擋時(shí)的沖擊振動(dòng)和動(dòng)力中斷。

對(duì)于新能源車輛換擋頻繁的問(wèn)題，研究者提出了一些方法來(lái)調(diào)節(jié)換擋規(guī)律。Liu等［9-11］中針對(duì)純電動(dòng)4擋機(jī)械室自動(dòng)變速器，在經(jīng)濟(jì)性雙參數(shù)換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了同時(shí)考慮車輛質(zhì)量和道路坡度的多參數(shù)換擋策略，但這種方法犧牲了部分經(jīng)濟(jì)性能。吳進(jìn)軍等［12］針對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車，提出了一種次優(yōu)能量管理策略，采用引入隨機(jī)過(guò)程［13-15］的隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，將換擋頻繁問(wèn)題作為約束條件，但這種方法優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜，實(shí)時(shí)性能有待驗(yàn)證。

綜上，現(xiàn)有的控制策略僅適合于雙電機(jī)先進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合而后經(jīng)過(guò)變速箱的構(gòu)型。本文中所采用的構(gòu)型中，變速箱位于轉(zhuǎn)矩耦合之前。對(duì)于這種構(gòu)型，應(yīng)同時(shí)考慮扭矩分配策略和變速規(guī)律。同時(shí)，控制策略還需考慮兩電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)對(duì)車輛性能的影響。另外，由于瞬態(tài)優(yōu)化結(jié)果沒(méi)有考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果，在工況測(cè)試中具有換擋頻繁的問(wèn)題，影響系統(tǒng)的使用壽命及乘坐感受。考慮經(jīng)濟(jì)性能和換擋頻率的優(yōu)化問(wèn)題研究也尚不完善。本文中針對(duì)某新型雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出一種雙電機(jī)變速箱工況適應(yīng)性協(xié)同控制策略，并在Matlab/Simulink環(huán)境下驗(yàn)證該協(xié)同控制策略的能耗經(jīng)濟(jì)性。

2 雙電機(jī)兩擋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型

雙電機(jī)變速箱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、作業(yè)電機(jī)、兩擋變速箱與行星排組成，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的2個(gè)輸入軸分別是2個(gè)電機(jī)的輸出軸；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出軸連接在行星排的齒圈上。另外，作業(yè)電機(jī)的輸出軸通過(guò)作業(yè)裝置離合器與作業(yè)裝置連接。行星架可由鎖止機(jī)構(gòu)固定在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)殼體上或與殼體分離，作業(yè)電機(jī)經(jīng)過(guò)惰輪與太陽(yáng)輪連接，經(jīng)由行星架固定的行星齒輪將轉(zhuǎn)矩加載在齒圈上。因而，作業(yè)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的減速比是固定的，即行星排在該結(jié)構(gòu)下的傳動(dòng)比。驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)兩擋變速箱將轉(zhuǎn)矩加載在齒圈上。

圖1 雙電機(jī)變速箱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文中車輛屬于工程作業(yè)車輛，其工作模式有作業(yè)和非作業(yè)兩種。初始默認(rèn)為非作業(yè)模式，即鎖止機(jī)構(gòu)默認(rèn)鎖止。當(dāng)車輛有作業(yè)需求時(shí)，鎖止機(jī)構(gòu)分離，作業(yè)電機(jī)離合器接合，作業(yè)電機(jī)僅用于驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。當(dāng)作業(yè)完成，鎖止機(jī)構(gòu)鎖止，作業(yè)電機(jī)重新參與輔助驅(qū)動(dòng)車輛行駛。本文中主要研究非作業(yè)模式下雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)控制策略，即鎖止機(jī)構(gòu)處于鎖止?fàn)顟B(tài)。

限于該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷，作業(yè)電機(jī)只在非作業(yè)模式時(shí)作為輔助電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)車輛行駛，不用于獨(dú)自驅(qū)動(dòng)車輛行駛。作業(yè)電機(jī)在參數(shù)匹配時(shí)，考慮的是同時(shí)滿足作業(yè)與輔助驅(qū)動(dòng)的功率需求，因而其性能參數(shù)不適于絕大多數(shù)工況下獨(dú)自驅(qū)動(dòng)車輛行駛。這一限制也減少了因頻繁進(jìn)行模式切換帶來(lái)的機(jī)械構(gòu)件磨損與模式切換沖擊對(duì)舒適性的影響。因此，非作業(yè)模式中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力的方式只有2種：僅由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式；由驅(qū)動(dòng)電機(jī)與作業(yè)電機(jī)同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)力的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

從硬件條件的角度分析，該構(gòu)型的結(jié)構(gòu)與電機(jī)性能參數(shù)決定了高速時(shí)（60～100 km/h）采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。在該構(gòu)型中，2個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在齒圈上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與車速耦合。因此，為滿足車輛最高車速達(dá)到100 km/h的動(dòng)力性指標(biāo)，需要核算2個(gè)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速指標(biāo)能否達(dá)到要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算，作業(yè)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)車速為59.45 km/h，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)車速為101.6 km/h。因此，當(dāng)車速在60～100 km/h范圍內(nèi)時(shí)，作業(yè)電機(jī)將超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)性能損害較大。因此在高速工況，作業(yè)電機(jī)的輸出軸連同惰輪、太陽(yáng)輪和行星輪空轉(zhuǎn)，采用僅由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

由于2種驅(qū)動(dòng)方式都有驅(qū)動(dòng)電機(jī)參與，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)兩擋變速箱將轉(zhuǎn)矩傳遞到齒圈，因此需對(duì)所有工況制定換擋規(guī)律，并對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式制定轉(zhuǎn)矩分配策略。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性控制策略

基于某新型雙電機(jī)變速箱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，制定兩擋變速系統(tǒng)的換擋規(guī)律與雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配策略，提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，提高車輛的能耗經(jīng)濟(jì)性。圖2為雙電機(jī)變速箱協(xié)同控制策略流程。

圖2 協(xié)同控制策略流程框圖

基于本文中新型雙電機(jī)變速箱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型特點(diǎn)和2個(gè)電機(jī)的性能參數(shù)，將全部工況的驅(qū)動(dòng)方式劃分為2種：僅驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與作業(yè)電機(jī)同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)力的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

3.1 離線計(jì)算能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配表和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表

根據(jù)前文論述，對(duì)于0～60 km/h范圍內(nèi)的工作點(diǎn)有條件采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。需要得到2個(gè)擋位下的能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的2張轉(zhuǎn)矩分配表及2張驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表，用于后續(xù)步驟查表使用。對(duì)于2個(gè)擋位，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率Map圖，以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)，分別通過(guò)全局離線尋優(yōu)方法得到2個(gè)擋位下的2張轉(zhuǎn)矩分配表，用于制定換擋規(guī)律時(shí)選擇擋位查表使用。獲得2張驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表，用于已知工作點(diǎn)、擋位情況下獲得雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配數(shù)值時(shí)查表使用。

對(duì)于0～60 km/h范圍內(nèi)的工作點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與作業(yè)電機(jī)在分別經(jīng)過(guò)變速箱與行星排后在齒圈進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合。對(duì)于任何一個(gè)工作點(diǎn)，即對(duì)于任何給定的踏板開(kāi)度和車速，首先可以確定傳動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的轉(zhuǎn)速。而位于傳動(dòng)系統(tǒng)輸出軸處的需求轉(zhuǎn)矩則因擋位而異，不能確定。因而，需要先確定該工作點(diǎn)的擋位。而擋位的確定需要對(duì)比2個(gè)擋位在相同工作點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高低。在任意工作點(diǎn)，2個(gè)擋位下各自的能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配表及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率是可以率先離線獲得的。因此，本節(jié)對(duì)于2個(gè)擋位不考慮換擋，分別計(jì)算得到各擋位下滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配表。轉(zhuǎn)矩分配表以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速為x軸坐標(biāo)，以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的需求轉(zhuǎn)矩為y軸坐標(biāo)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為z軸坐標(biāo)。該轉(zhuǎn)矩分配表表示在該擋位下滿足能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配比例。

在2個(gè)擋位下分別對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行全局離線尋優(yōu)。在變速箱的每個(gè)擋位，對(duì)于車速0～60 km/h范圍內(nèi)，加速踏板開(kāi)度0-1范圍內(nèi)的工作點(diǎn)：以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化100 r/min為轉(zhuǎn)速間隔，對(duì)應(yīng)計(jì)算固定間隔下的每個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速，從而計(jì)算作業(yè)電機(jī)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速；以該擋位下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸需求轉(zhuǎn)矩變化10 N·m為間隔，構(gòu)成需要計(jì)算的全部的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作點(diǎn)。對(duì)每個(gè)工作點(diǎn)，以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)，以1 N·m為間隔不斷改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，計(jì)算對(duì)應(yīng)的作業(yè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而根據(jù)2個(gè)電機(jī)各自的驅(qū)動(dòng)效率Map圖計(jì)算該擋位時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工作點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。由此尋優(yōu)得到該工作點(diǎn)的使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最高的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值。將全部工作點(diǎn)的尋優(yōu)結(jié)果列表，得到各擋位下能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配表。

在對(duì)每個(gè)工作點(diǎn)尋優(yōu)時(shí)，以能耗經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)建立的優(yōu)化模型為：

式中：η為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率；Td為輸出軸（差速器輸入端）轉(zhuǎn)矩（N·m）；n1為輸出軸轉(zhuǎn)速（r/min）；T1、T2分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和作業(yè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；n1、n2分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和作業(yè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速（r/min）；η1、η2分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和作業(yè)電機(jī)在各自轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩的效率。對(duì)于2個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩符號(hào)相反的情況，設(shè)為不可行約束條件。

基于Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)算，得到2個(gè)擋位的2張轉(zhuǎn)矩分配表（圖3、4）。2張驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表如圖5、6所示。

圖3 變速箱1擋時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

圖4 變速箱2擋時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

在圖5、6中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率為兩電機(jī)和包括變速箱、行星排在內(nèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。對(duì)于每個(gè)擋位，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最高均可達(dá)到91%以上。經(jīng)過(guò)計(jì)算，圖6右側(cè)顯示了車速在60～100 km/h范圍內(nèi)工作點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。

圖5 變速箱1擋時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

圖6 變速箱2擋時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

3.2 雙參數(shù)經(jīng)濟(jì)性換擋策略

對(duì)于全部工作點(diǎn)（0～100 km/h）都有驅(qū)動(dòng)電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)車輛行駛，需要確定各個(gè)工作點(diǎn)的擋位。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)工作點(diǎn)，根據(jù)2個(gè)擋位的能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配下的2張驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表，查表對(duì)比相同工作點(diǎn)2個(gè)擋位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率值，選擇使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高效的擋位。得到的選擇結(jié)果列表形成2個(gè)擋位的分界線，再加入考慮動(dòng)力性能的降擋線，即為雙參數(shù)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。

雙參數(shù)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律具有較好的經(jīng)濟(jì)性，且在工程實(shí)際中比較容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于全部車速范圍內(nèi)（0～100 km/h）的工作點(diǎn)，都有驅(qū)動(dòng)電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)，因此需要面向所有工作點(diǎn)分析制定換擋規(guī)律。

首先，根據(jù)車速的全部范圍和2個(gè)擋位的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外特性范圍，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全部工作點(diǎn)劃分為4個(gè)區(qū)域：雙電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)、雙電機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)、雙電機(jī)可換擋區(qū)和單電機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)（60～100 km/h），如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作點(diǎn)區(qū)域劃分曲線

如圖7所示，在車速60～100 km/h范圍內(nèi)的工作點(diǎn)，只能采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)方式，且只有2擋可以達(dá)到轉(zhuǎn)速要求。在其他區(qū)域均采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外特性容易得出：在雙電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)，需要采用1擋；在雙電機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)，需要采用2擋；在雙電機(jī)可換擋區(qū)，2個(gè)擋位都可滿足車輛的行駛需求，需要制定換擋規(guī)律。由步驟2獲得2個(gè)擋位各自的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表后，可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)性需求制定換擋策略。

如圖8所示，根據(jù)2個(gè)擋位的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表，在雙電機(jī)可換擋區(qū)的任一工作點(diǎn)選擇高效的擋位。所有工作點(diǎn)選擇擋位后，2個(gè)擋位的邊界（即2個(gè)擋位效率相等的工作點(diǎn)）連線得到雙參數(shù)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律的升擋線。

圖8 兩擋位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

為防止車輛在踏板開(kāi)度和車速變化時(shí)頻繁換擋，降擋線和升擋線間需要有一定的速度延遲。降擋線設(shè)計(jì)原則為：①降擋速度低于升擋速度4～8 km/h；②升、降擋速度差隨踏板開(kāi)度增加而增加。將雙電機(jī)可換擋區(qū)的需求轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)到加速踏板開(kāi)度，得到雙參數(shù)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。如圖9所示，從換擋規(guī)律結(jié)果來(lái)看，隨著油門(mén)開(kāi)度加大，換擋點(diǎn)車速向高速區(qū)間移動(dòng)，因而也具有較好的動(dòng)力性能。

圖9 雙參數(shù)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

3.3 雙電機(jī)變速箱協(xié)同控制策略

0～60 km/h范圍內(nèi)的工作點(diǎn)，對(duì)于任意車速和加速踏板開(kāi)度，根據(jù)換擋規(guī)律，可以判斷應(yīng)選擇的擋位，然后計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的需求轉(zhuǎn)矩。根據(jù)車速可以計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的轉(zhuǎn)速。根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速、需求轉(zhuǎn)矩和擋位，由該擋位的能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配表得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。60～100 km/h范圍內(nèi)的工作點(diǎn)，與上述步驟類似，對(duì)于任意車速和加速踏板開(kāi)度，根據(jù)換擋規(guī)律判斷應(yīng)選擇的擋位，然后確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。將所有工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩分配匯總，得到雙電機(jī)變速箱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同控制策略。最終得到的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map圖如圖10所示，雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配策略如圖11所示。

圖10 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率Map圖

圖11 轉(zhuǎn)矩分配策略

4 控制策略工況適應(yīng)性優(yōu)化

以瞬態(tài)能耗經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)獲得的換擋規(guī)律未考慮換擋過(guò)程中動(dòng)力中斷、換擋機(jī)構(gòu)磨損等問(wèn)題，而在實(shí)際使用中，頻繁的換擋是不可行的。針對(duì)該問(wèn)題，工況適應(yīng)性控制策略對(duì)于不同的測(cè)試工況在線辨識(shí)工況特征參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整變速箱換擋及雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配策略，解決瞬態(tài)最優(yōu)控制策略下的換擋頻繁問(wèn)題。控制策略的工況適應(yīng)性優(yōu)化需要首先完成工況特征及換擋規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 工況特征及換擋規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

5種典型的重型商用車測(cè)試工況包括重型商用車輛瞬態(tài)車輛循環(huán)（C-WTVC）、城市道路循環(huán)（UDDS）、WVUSUB循環(huán)工況、WVUCITY循環(huán)工況和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)城市工況（ChinaCity）。工況整體的特征參數(shù)見(jiàn)表1。

換擋頻率指單位時(shí)間換擋次數(shù)。根據(jù)駕駛習(xí)慣，定義換擋頻率為0.2次/s及以上，即5 s之內(nèi)連續(xù)換擋2次及以上的情況為換擋頻繁。5個(gè)工況下的換擋情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 典型循環(huán)工況特征參數(shù)

表2 瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)策略下?lián)Q擋情況統(tǒng)計(jì)

由表2可知：5種工況下，瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)策略都或多或少地存在換擋頻繁問(wèn)題。以C-WTVC工況為例，車速跟隨及換擋情況的仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 C-WTVC循環(huán)工況下的車速跟隨及換擋曲線

在5種循環(huán)工況下，對(duì)換擋頻繁的工作點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖13所示。換擋頻繁點(diǎn)主要分布于踏板開(kāi)度絕對(duì)值在0.4以下的區(qū)域，且車速越低，換擋頻繁點(diǎn)越密集。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在車速低于15 km/h且踏板開(kāi)度在±0.2以內(nèi)的區(qū)域，換擋頻繁的比例很高。在這一區(qū)域，升擋線和降擋線距離很近；踏板開(kāi)度越接近零，升擋和降擋的界限越模糊且接近。因而，在上述出現(xiàn)換擋頻繁點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，換擋規(guī)律需要調(diào)整。

圖13 5種工況下?lián)Q擋頻繁點(diǎn)的分布

4.2 工況特征在線識(shí)別

在換擋規(guī)律中，踏板開(kāi)度可以等效為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩，如圖8所示。當(dāng)工況中的工作點(diǎn)處于易發(fā)生頻繁換擋的區(qū)域，判斷相鄰2次換擋指令的時(shí)間間隔。若時(shí)間間隔小于或等于5 s，即開(kāi)始實(shí)時(shí)調(diào)整換擋規(guī)律參數(shù)。

4.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化

瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)控制策略中，隨著車速降低和踏板開(kāi)度降低，升擋線和降擋線越來(lái)越接近，從而導(dǎo)致?lián)Q擋行為頻繁發(fā)生。因而，未出現(xiàn)換擋頻繁問(wèn)題時(shí)，基于經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律進(jìn)行換擋；出現(xiàn)換擋頻繁問(wèn)題時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整換擋規(guī)律參數(shù)，將升擋線向右平移不超過(guò)4～8 km/h，或?qū)⒔祿蹙€向左平移不超過(guò)4～8 km/h，從而增加升、降擋線的距離，規(guī)避換擋頻繁問(wèn)題。動(dòng)態(tài)調(diào)整換擋規(guī)律后的仿真結(jié)果如圖14所示。同樣在C-WTVC循環(huán)工況中，不再出現(xiàn)頻繁換擋的情況。

圖14 工況適應(yīng)性控制策略下C-WTVC工況的車速跟隨和換擋曲線

由圖14可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)換擋規(guī)律實(shí)時(shí)調(diào)整后的換擋頻率明顯降低。在工況適應(yīng)性控制策略下，5種工況的換擋情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。對(duì)比表2、3可以發(fā)現(xiàn)，5個(gè)工況的最小換擋間隔大幅提升，頻繁換擋的次數(shù)顯著降低。

表3 工況適應(yīng)性控制策略下5種工況的換擋情況

5 仿真結(jié)果與討論

基于Matlab/Simulink搭建雙電機(jī)兩擋變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)及車輛2自由度動(dòng)力學(xué)仿真模型。以CWTVC工況為例，驗(yàn)證瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)策略和工況適應(yīng)性控制策略的能耗經(jīng)濟(jì)性。2種控制策略下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率變化曲線如圖15所示。

圖15 2種控制策略的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率

采用瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)策略，換擋規(guī)律根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)而來(lái)，即升擋線和降擋線是固定的。此時(shí)，車輛的百公里電耗為65.72 kW·h。

采用工況適應(yīng)性控制策略，升擋線和降擋線基于經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律實(shí)時(shí)變化。此時(shí)，車輛的百公里電耗為63.14 kW·h，較瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)策略降低3.9%。

在瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)策略中，升擋線與降擋線是固定的，降擋線是由基于經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值推演得到，因此在換擋時(shí)不一定采用效率最高的擋位?？紤]控制策略在應(yīng)用中的換擋頻率問(wèn)題，提出工況特征參數(shù)在線辨識(shí)方法，實(shí)時(shí)調(diào)整換擋規(guī)律，大幅減少甚至避免換擋頻繁問(wèn)題的出現(xiàn)。同時(shí)，以經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律為基準(zhǔn)，在除換擋頻繁以外的時(shí)刻，使車輛都能在效率更高的擋位行駛。

6 結(jié)論

針對(duì)某新型雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出一種瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)雙電機(jī)變速箱協(xié)同控制策略。對(duì)于2個(gè)擋位，基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率Map圖，分別通過(guò)全局離線尋優(yōu)的方式獲得各自擋位下的轉(zhuǎn)矩分配表和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率表；通過(guò)對(duì)比相同工作點(diǎn)2個(gè)擋位的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，得到能耗經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的換擋規(guī)律，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩分配表查表得到轉(zhuǎn)矩分配策略，即雙電機(jī)變速箱協(xié)同控制策略。在此基礎(chǔ)上，對(duì)5種特征工況下的換擋效果進(jìn)行分析，提出改進(jìn)換擋頻繁問(wèn)題的方法，在線識(shí)別工況特征參數(shù)，并實(shí)時(shí)調(diào)整換擋規(guī)律。將瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)控制策略和工況適應(yīng)性策略應(yīng)用在Matlab/Simulink運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，驗(yàn)證2種控制策略的可行性和能耗經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)仿真驗(yàn)證結(jié)果，在C-WTVC工況下，采用工況適應(yīng)性控制策略時(shí)百公里電耗為63.14 kW·h，較瞬態(tài)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)控制策略降低了3.9%。同時(shí)，工況適應(yīng)性控制策略有效減少甚至避免了換擋頻繁問(wèn)題。