基于新型犬牙式離合器的電動汽車脫困算法仿真

余慨 魯統(tǒng)利 嚴旎偉

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

1 引言

近年來，受政策收緊和國際競爭加劇的影響，汽車行業(yè)正經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)型升級[1]。能源供需關(guān)系的緊張，使得低碳、節(jié)能的新能源汽車成為行業(yè)發(fā)展的重點[2-3]。電子斷開式差速器(Electric Disconnect Differential，簡稱EDD)，是一種可應(yīng)用于前后獨立驅(qū)動的純電動汽車或混合動力汽車的新型傳動裝置。EDD在傳統(tǒng)差速器的內(nèi)部增加了離合器，可實現(xiàn)電機到車輪半軸的動力傳遞與中斷。若在前后獨立驅(qū)動汽車的驅(qū)動橋中都安裝EDD，則可靈活實現(xiàn)前驅(qū)/后驅(qū)/四驅(qū)的模式切換，對于提高汽車的經(jīng)濟性、動力性、操縱穩(wěn)定性具有重要的意義。

EDD的控制包含兩個方面：犬牙離合器的接合與斷開控制，以及EDD應(yīng)用于整車時與電機的協(xié)同控制。接合控制比較復(fù)雜，離合器兩端的轉(zhuǎn)速差過大或過小均可能導(dǎo)致接合失敗，只有在最佳轉(zhuǎn)速差的范圍內(nèi)才有較高的成功率[4-5]。對于EDD控制器而言，其整車控制策略需在合適的時機決斷二輪/四輪驅(qū)動模式的切換，在切換完成之后需合理分配前、后軸的扭矩。

2 建模

2.1 EDD構(gòu)型方案

EDD設(shè)計為差速器殼體內(nèi)犬牙離合器的構(gòu)型，在差速器殼體內(nèi)部通過犬牙離合器進行斷開和接合操作從而實現(xiàn)動力的斷開和傳遞。接合過程中，在電磁力的推動下犬牙離合器與差速器支架嚙合，構(gòu)型如圖1所示。

圖1 犬牙式離合器構(gòu)型Fig.1 Differential housing canine clutch

2.2 犬牙式離合器模型

本節(jié)建立簡化的犬牙式離合器模型，既能基本反映犬牙離合器的動力學特性，又能提高EDD控制策略開發(fā)和仿真的效率。離合器模型的主動端為犬牙離合器的嚙合齒，被動端為差速器支架的嚙合齒。本節(jié)將接觸情況分為6類，齒間接觸力Fcont在不同接觸情況下有不同的軸向分力Fcont,s和切向分力Fcont,t，圖2所為最復(fù)雜的Case3、Case4兩種接觸情況。由于離合器浸潤在潤滑油中，接觸面的摩擦系數(shù)很小，所以摩擦力在此忽略不計。

圖2 犬牙離合器接觸力模型Fig.2 Dogclutch contact force model

Case 1：離合器碰到限位，只有軸向分力。

Fcont=-Fcont,s

(1)

Case 2：離合器無接觸。

Fcont=0

(2)

Case 3～4：軸向力和切向力，如圖2所示。

(3)

Case 5：離合器牙側(cè)碰撞，產(chǎn)生切向分力。

Fcont=Fcont,t

(4)

Case 6：離合器牙底碰撞，產(chǎn)生軸向分力。

Fcont=Fcont,s

(5)

2.3 傳動系統(tǒng)模型

包含EDD的傳動系統(tǒng)動力學模型，如圖3所示。動力從電機端經(jīng)過減速器、離合器、差速器、半軸傳遞到車輪端，該模型可以反映離合器接合與斷開過程的動力學特性，也可以用于整車動力性和操縱穩(wěn)定性仿真。

圖3 傳動系模型Fig.3 Driveline model

圖中參數(shù)符號，Cm、Tm、Jm、θm分別為：電機阻尼、電機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)動慣量、電機轉(zhuǎn)角；ig為減速器的總減速比；EDD包括犬牙離合器和差速器，其中：s為離合器軸向位移；Jd、θd分別為差速器支架的等效轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)角；Ks、Cs分別為半軸的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼；θv,l、θv,r、Jv分為左、右輪胎的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動慣量；

傳動系統(tǒng)動力學方程組如下：

(6)

式中，Rw為車輪半徑；θv,i、Ts,i分別為左、右車輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩。

3 控制算法

前后獨立驅(qū)動的純電動汽車(IDEV)處于前驅(qū)模式在泥濘坑洼的道路上行駛時，假如前輪陷入泥潭中容易喪失驅(qū)動力，導(dǎo)致前輪空轉(zhuǎn)受困。裝備有EDD的車輛通過采集車輛狀態(tài)信息檢測到車輛處于受困工況，自動接合后橋EDD使后輪獲得驅(qū)動力，充分利用后輪的地面附著條件使車輛擺脫受困工況。

VCU根據(jù)車輛參數(shù)信息識別出車輛處于受困工況后，EDD控制器隨即控制電機控制器MCU進行調(diào)速接合，后橋EDD接合完成后電機進入扭矩控制模式，以扭矩梯度βload加載扭矩，在此過程中可能出現(xiàn)兩種情況：

(1)在電機扭矩加載至超過后輪最大附著力前擺脫受困工況，此時可按照扭矩梯度βunload卸載后橋電機扭矩，扭矩清零之后斷開后橋EDD，使車輛由四驅(qū)模式切換回前驅(qū)模式；

(2)在扭矩加載至超過后輪最大附著力后仍未擺脫受困工況，此時繼續(xù)增大電機扭矩并不能增加地面對車輪的切向反作用力，需將后輪滑移率控制在最大附著系數(shù)對應(yīng)的范圍內(nèi)，最大限度利用后輪的路面附著條件。

后橋電機扭矩從EDD接合成功后開始加載，t時刻扭矩大小為：

Tr(t)=βloadt

(7)

若后輪滑移率超過目標滑移率，則使用PID算法將其穩(wěn)定在目標值附近，控制輸入為目標滑移率和實際滑移率的偏差：

e(t)=λc-λr(t)

(8)

式中，λc為目標滑移率；λr(t)為實際滑移率。

PID反饋控制的表達式如下：

(9)

卸載過程中扭矩梯度為βunload，經(jīng)過t時刻后橋電機扭矩大小為：

Tr=Ttarget-βunloadt

(10)

4 仿真

CarSim仿真模塊中設(shè)置高低附著系數(shù)的對接路面，路面附著系數(shù)分為三段：0.85、0、0.85，車輛初始位置前輪處在附著系數(shù)為0的低附著路面模擬驅(qū)動輪受困工況，后輪處在附著系數(shù)為0.85的良好路面，如圖4所示。

半軸扭矩方面：0 s～1.3 s車輛為前驅(qū)模式，左后、右后半軸扭矩為0 N·m；1.3 s～2.5 s內(nèi)后橋EDD接合，后電機提供扭矩，前電機停機，左前、右前半軸扭矩為0 N·m，左后、右后半軸扭矩增大，特別在1.3 s左右出現(xiàn)脈沖，原因是EDD接合時犬牙式離合器產(chǎn)生的沖擊力矩傳遞到半軸；2.5 s～6.0 s后橋EDD斷開，車輛切換為前驅(qū)模式。

EDD控制信號方面：控制信號趨勢與離合器位移一致，1表示接合信號，0表示斷開信號，在1.3 s和2.5 s分別有接合與斷開動作。

a.對接路面附著系數(shù)

b.車輛初始位置圖4 仿真路面工況設(shè)置Fig.4 Simulation of road conditions setting

車輛初始為前驅(qū)模式，速度為0 m/s，駕駛員從0 s踩下油門，雙電機協(xié)同控制脫困策略根據(jù)車輪滑移率、油門開度和踩踏速率等信息識別車輛受困情況，控制后橋EDD接合，利用后輪的附著條件使車輛脫困，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 脫困工況仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of escape conditions

5 結(jié)論

建立了差速器殼體內(nèi)犬牙離合器的電子斷開式差速器的模型，并針對驅(qū)動輪受困工況設(shè)計了脫困算法。仿真結(jié)果驗證了該算法在驅(qū)動輪受困的情況下，可以有效地切換車輛驅(qū)動模式，當前輪因受困無法提供足夠縱向力時，控制器及時接合后橋EDD使得后輪輸出更多的縱向驅(qū)動力，車輛擺脫受困狀態(tài)后又可以快速恢復(fù)前驅(qū)模式，滿足經(jīng)濟性要求。