純電動(dòng)裝載機(jī)自動(dòng)變速箱換擋策略研究

魏敬宏,張彤暉,金 薄,紀(jì)少波,劉振革,陳忠言

(1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系, 濟(jì)南 250061;2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司, 天津 300300;3.山東技師學(xué)院 汽車工程系, 濟(jì)南 250200;4.山東氫探新能源科技有限公司, 濟(jì)南 250100)

0 引言

面對日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)、大氣污染和溫室效應(yīng)等問題,世界各國紛紛減少對化石燃料的依賴,超過90%的國家正在努力擴(kuò)大可再生能源的利用[1-2]。歐盟成員國承諾2030年將可再生能源的總份額提高到55%,同時(shí)將溫室氣體效應(yīng)凈排放量減少至少55%,到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[3]。在此背景下,中國也積極提出了“雙碳目標(biāo)”[4],即力爭二氧化碳排放于2030年前達(dá)到峰值,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[5]。隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,我國各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程持續(xù)增加,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中大量使用工程機(jī)械。新型基建的興起給工程機(jī)械行業(yè)帶來強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力,為工程機(jī)械市場提供需求,也為工程機(jī)械品類布局重塑提供可能[6]。目前大部分工程機(jī)械使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,使其成為溫室氣體的主要排放源之一,此外,柴油機(jī)的排放及噪音問題對環(huán)境產(chǎn)生不利影響[7-8]。為此,國家對非道路工程機(jī)械的排放要求日趨嚴(yán)格,日前發(fā)布了第4階段非道路柴油移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)污染物排放控制技術(shù)要求,已于2022年12月1日開始實(shí)施[9]。該標(biāo)準(zhǔn)對柴油機(jī)的排放物要求更加嚴(yán)格,使得柴油機(jī)供應(yīng)商需要加裝尾氣后處理裝置,這導(dǎo)致傳統(tǒng)動(dòng)力工程機(jī)械成本增加[10]。因此,工程機(jī)械廠家開始進(jìn)行新能源工程機(jī)械的研究。

國外如卡特彼勒、沃爾沃、約翰迪爾、日立建機(jī)、川崎等工程機(jī)械生產(chǎn)廠商的新能源工程機(jī)械產(chǎn)品早已進(jìn)入商業(yè)化[11]。新能源工程機(jī)械的動(dòng)力來源主要包括油電混合動(dòng)力、純電動(dòng)及燃料電池3種。油電混合裝載機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)3種形式[12],動(dòng)力總成包括柴油機(jī),在使用過程中仍然會存在排放問題[13]。純電動(dòng)裝載機(jī)完全使用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行,取消了傳統(tǒng)裝載機(jī)的液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),使裝載機(jī)結(jié)構(gòu)簡化且提高了傳動(dòng)效率,同時(shí)降低了裝載機(jī)工作噪音,實(shí)現(xiàn)了使用過程的零排放[14]。純電動(dòng)裝載機(jī)按照行駛系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)類型可分為集中式和分布式,分布式可再細(xì)分為前后驅(qū)動(dòng)橋和四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)[15]。氫燃料電池裝載機(jī)使用過程中零排放,但系統(tǒng)造價(jià)昂貴、制氫成本高且氫氣的儲運(yùn)困難[16]。因此,純電動(dòng)裝載機(jī)是工程機(jī)械電動(dòng)化的主要發(fā)展方向。

傳統(tǒng)柴油動(dòng)力裝載機(jī)需同時(shí)兼顧行走驅(qū)動(dòng)、液壓系統(tǒng)等多個(gè)工作裝置,對于換擋過程中驅(qū)動(dòng)單元的輸出不能進(jìn)行有效調(diào)節(jié),所使用的液力變矩器控制較為復(fù)雜且效率較低[17-18]。而電機(jī)具有過載能力強(qiáng)、調(diào)速調(diào)矩效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),能夠較好地控制整車的輸出動(dòng)力,使用雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)和液壓工作系統(tǒng),可以取代傳統(tǒng)柴油動(dòng)力裝載機(jī)的液力變矩器等裝置,由行走系統(tǒng)電機(jī)主動(dòng)控制匹配離合器工作,有助于保證整車運(yùn)行過程中的高效率、低噪聲和使用過程中的零排放,提升換擋品質(zhì)[19]。因此,合理設(shè)計(jì)純電動(dòng)裝載機(jī)行走系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)裝載機(jī)較快地平順換擋具有重要意義。

本文提出了雙電機(jī)布置方案純電動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)型,使用2個(gè)大功率電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)和液壓工作系統(tǒng),取消了傳統(tǒng)液力傳動(dòng)中的變矩器。為實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)裝載機(jī)快速平順的換擋,本文基于電機(jī)控制器返回的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速信息制定換擋策略,基于開發(fā)的純電動(dòng)裝載機(jī)完成換擋控制策略的試驗(yàn),分別測試不同換擋條件下?lián)Q擋時(shí)間、車速和行走電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。本文的研究結(jié)果對于工程機(jī)械電動(dòng)化開發(fā)具有較大的借鑒作用。

1 純電動(dòng)裝載機(jī)系統(tǒng)原理

1.1 純電動(dòng)裝載機(jī)整車構(gòu)型

圖1為研究用純電動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)型示意圖,主要部件包括動(dòng)力電池、工作電機(jī)、行走電機(jī)、液壓泵及變速泵等裝置。該機(jī)型配備2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī),其中工作電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵,為液壓工作裝置油缸、轉(zhuǎn)向油缸和制動(dòng)器提供壓力;行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛系統(tǒng),機(jī)械傳動(dòng)部分利用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變速箱,在變速箱內(nèi)部的濕式離合器實(shí)現(xiàn)齒輪的逐級傳遞,再由萬向傳動(dòng)軸、前后驅(qū)動(dòng)橋、輪邊實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng),取消變速箱集成的液力變矩器,利用行走電機(jī)的正反轉(zhuǎn)特性實(shí)現(xiàn)整車前進(jìn)和倒車,使車輛按照駕駛員意圖行駛。

圖1 試驗(yàn)用純電動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)型

參考相同額定鏟裝質(zhì)量的柴油動(dòng)力參數(shù),確定了純電動(dòng)裝載機(jī)主要部件的性能參數(shù),其參數(shù)值如表1所示。

表1 裝載機(jī)主要部件性能參數(shù)

1.2 純電動(dòng)裝載機(jī)控制系統(tǒng)功能分析

純電動(dòng)裝載機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

1) 整車電氣模式管理:根據(jù)硬線信號和CAN信號合理控制整車高低壓上下電。

2) 整車故障診斷與處理:監(jiān)測車輛狀態(tài),判斷整車故障等級并及時(shí)采取安全措施保證駕駛員和車輛安全。

3) 行走系統(tǒng)控制:通過硬線信號和CAN信號實(shí)現(xiàn)車輛行走、換擋、能量回收、駐坡等功能。

4) 工作系統(tǒng)控制:根據(jù)先導(dǎo)信號控制工作電機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓系統(tǒng)電磁閥動(dòng)作,使裝載機(jī)正常進(jìn)行鏟裝作業(yè)。

5) 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能:與TBOX進(jìn)行信息交互,將車輛當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)傳送至后臺進(jìn)行監(jiān)控;接收后臺指令,對整車行走和工作系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力限制。

整車控制器通過獲取車上各種傳感器信號、開關(guān)信號和接收其他部件的CAN消息,綜合判斷駕駛員意圖和車輛狀態(tài)并確定各控制參數(shù),通過硬線輸出信號實(shí)現(xiàn)對電磁閥、繼電器等部件的控制,并通過CAN總線下發(fā)指令,實(shí)現(xiàn)車輛正常工作。

為了避免CAN總線負(fù)載過大引起仲裁,出現(xiàn)優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)無法發(fā)出消息的情況,CAN總線需保持較低的負(fù)載率[20]。CAN總線負(fù)載率越低,越能夠保持實(shí)時(shí)性,但負(fù)載率過低則無法傳遞足夠的數(shù)據(jù),通常負(fù)載率控制在30%以下較為合理。為避免CAN總線負(fù)載率過高,研究用車型采用了兩路CAN總線,整車CAN架構(gòu)如圖2所示,其中動(dòng)力CAN包括VCU、BMS、DCDC、行走電機(jī)MCU、工作電機(jī)MCU及變速泵MCU,車身CAN包括VCU、先導(dǎo)、BCM、TBOX和風(fēng)扇MCU。經(jīng)測試研究用車輛正常工作時(shí),動(dòng)力CAN和車身CAN負(fù)載率分別為27.3%和13.6%左右,處于合理水平。

圖2 整車CAN架構(gòu)

2 換擋控制策略

研究用純電動(dòng)裝載機(jī)采用濕式2擋變速器,由2路液壓裝置分別控制一二擋對應(yīng)離合器的壓緊和松開,使變速箱按不同傳動(dòng)比輸出轉(zhuǎn)矩。一二擋電磁閥用于控制液壓油路的狀態(tài),本文中由整車控制器控制一二擋電磁閥得失電,實(shí)現(xiàn)一二擋切換,控制過程中為保證變速箱安全,必須避免一二擋同時(shí)得電,因此在一二擋電磁閥控制中加入了互鎖邏輯。

將換擋模式分為輕載和重載模式,輕重載模式使用先導(dǎo)手柄按鈕進(jìn)行切換。輕載模式是指允許換擋的模式,一般在進(jìn)行中短距離轉(zhuǎn)場時(shí)使用;重載模式一般應(yīng)用在作業(yè)區(qū)內(nèi)工作的場景,重載模式下,不允許整車升擋,而是保持低速大扭矩狀態(tài)。輕載模式下,由整車控制器判斷是否滿足換擋條件,當(dāng)行走電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而轉(zhuǎn)矩降低至一定程度,且加速踏板開度大于90%時(shí),進(jìn)入升擋過程;當(dāng)行走電機(jī)轉(zhuǎn)速降低而轉(zhuǎn)矩提高至一定程度,且加速踏板開度大于90%時(shí),進(jìn)入降擋過程。通過標(biāo)定確定了一二擋的換擋條件,保證換擋過程平順且迅速。

輕載模式下升降擋控制策略如圖3所示,圖4為按照換擋策略搭建的控制算法模型。行走電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速2種控制模式,在正常運(yùn)行時(shí)均使用轉(zhuǎn)矩模式,換擋期間由于需控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速匹配,需切換至轉(zhuǎn)速模式。當(dāng)滿足換擋條件時(shí),首先將行走電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩清零,接著控制當(dāng)前擋位電磁閥失電并將行走電機(jī)切換至轉(zhuǎn)速模式,此時(shí),變速箱進(jìn)入空擋狀態(tài)?？論鯛顟B(tài)下,變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速在行駛阻力作用下開始降速,由整車控制器控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)速,使行走電機(jī)轉(zhuǎn)速按目標(biāo)擋位傳動(dòng)比計(jì)算得到的預(yù)期變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速與當(dāng)前實(shí)際的變速箱轉(zhuǎn)速相匹配,當(dāng)轉(zhuǎn)速匹配后,則控制目標(biāo)擋位電磁閥得電,同時(shí)切換行走電機(jī)至轉(zhuǎn)矩模式,完成換擋?？紤]電磁閥閉合時(shí)間和對應(yīng)換擋機(jī)構(gòu)液壓裝置的反應(yīng)時(shí)間,閉合目標(biāo)擋位電磁閥的時(shí)間要早于轉(zhuǎn)速同步的時(shí)間,故放寬了兩對比轉(zhuǎn)速的同步范圍。

圖3 升降擋控制策略

圖4 換擋控制算法模型原理示意圖

本文中設(shè)計(jì)了4種換擋方式,分別為:

1) 滿足正常升擋條件時(shí)的升擋;

2) 滿足正常降擋條件時(shí)的降擋;

3) 動(dòng)力電池SOC過高時(shí)的升擋;

4) 停車時(shí)的降擋。

其中第3種是指車輛在SOC大于95%且下坡時(shí),為避免轉(zhuǎn)速限制模塊引起過度能量回收或電機(jī)超速停機(jī),通過增大變速箱傳動(dòng)比的形式降低行走電機(jī)轉(zhuǎn)速,避免電池出現(xiàn)過充問題;停車降擋設(shè)置是指當(dāng)車速降低至一定程度時(shí),觸發(fā)降擋流程。此4種換擋方式觸發(fā)時(shí),均按照上述的換擋策略執(zhí)行。

3 試驗(yàn)研究

研究用車型搭配了兩擋變速器,裝載機(jī)行走時(shí)需實(shí)現(xiàn)一二擋平滑切換。行走電機(jī)具備轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制模式,在非換擋期間使用轉(zhuǎn)矩控制模式,在換擋期間為確保變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配,需切換至轉(zhuǎn)速控制模式。換擋控制策略的控制目標(biāo)為換擋期間車速變化平穩(wěn)無頓挫且換擋時(shí)間盡可能縮短。

以車輛升擋為例,判斷各換擋條件下多個(gè)換擋點(diǎn)的換擋時(shí)間、換擋期間車速變化量及行走電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況,綜合選取最佳換擋點(diǎn)。其中換擋點(diǎn)由加速踏板開度、行走電機(jī)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)矩需求決定。各換擋點(diǎn)換擋條件如表2。

表2 換擋點(diǎn)換擋條件

圖5為換擋點(diǎn)1時(shí)的車速和行走電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線,其中換擋標(biāo)志位在一擋電磁閥失電至二擋電磁閥得電期間為高電平,可以該高電平持續(xù)時(shí)間作為換擋時(shí)間。由車速曲線可看出,當(dāng)車輛狀態(tài)達(dá)到換擋點(diǎn)1時(shí),一擋電磁閥失電,此時(shí)車速在行駛阻力作用下開始下降,二擋電磁閥得電時(shí),由于電磁閥響應(yīng)以及液壓系統(tǒng)控制離合器壓緊需要一定時(shí)間,約200～300 ms,在此時(shí)間內(nèi),車速仍呈現(xiàn)下降趨勢,直至二擋離合器完全接合,車速開始上升。圖5(b)為各轉(zhuǎn)速曲線,其中折算變速箱輸出軸曲線是由實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速按照二擋速比進(jìn)行換算的,換擋期間需使此轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速匹配?？紤]電磁閥和液壓系統(tǒng)有一定響應(yīng)時(shí)間,在換擋控制策略中本文放寬了電機(jī)轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速同步條件的限制,在折算變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速與實(shí)際變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速完全同步之前,當(dāng)兩者轉(zhuǎn)速相差10 r/min以內(nèi),就控制二擋電磁閥得電。

圖5 換擋點(diǎn)1車速轉(zhuǎn)速曲線

以換擋時(shí)車速變化量、換擋時(shí)間及轉(zhuǎn)速同步時(shí)的平順性作為衡量換擋質(zhì)量的參數(shù),換擋控制目標(biāo)為換擋時(shí)間盡可能短、換擋時(shí)車速波動(dòng)小且轉(zhuǎn)速同步平穩(wěn)。由于折算變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速測量方式和周期不同,前者是通過接收行走電機(jī)控制器CAN消息計(jì)算得到的,其更新周期為50 ms,后者是由VCU采集霍爾傳感器計(jì)算得到的,其更新周期為5 ms。在進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步控制的過程中,以折算變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速的更新周期來計(jì)算2個(gè)轉(zhuǎn)速間的偏差。

圖5為換擋點(diǎn)1對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線。由5(a)換擋標(biāo)志位曲線可知,一擋電磁閥于1.61 s失電,二擋電磁閥于2.33 s得電,換擋時(shí)間為 0.72 s;一擋電磁閥失電時(shí)車速為換擋前最高值,為12.9 km/h,二擋電磁閥得電一段時(shí)間后車速達(dá)到最低值,為11.1 km/h,換擋期間車速波動(dòng)值為1.8 km/h。但一擋電磁閥斷開后,車速出現(xiàn)多次波動(dòng)且波動(dòng)幅度較大,這說明由于換擋點(diǎn)設(shè)置不合理,導(dǎo)致車輛換擋時(shí)出現(xiàn)了較強(qiáng)的頓挫感,因此不能作為最佳換擋點(diǎn)。

圖6為換擋點(diǎn)2對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線,由圖6(a)可知,一擋電磁閥于1.65 s失電,二擋電磁閥于2.31 s得電,換擋時(shí)間為0.66 s;一擋電磁閥失電時(shí)車速為13.1 km/h,二擋電磁閥得電一段時(shí)間后電變速箱離合器完全接合,此時(shí)車速為11.7 km/h,故換擋期間車速波動(dòng)值為1.4 km/h。由圖6(b)可以看出,換擋期間電機(jī)轉(zhuǎn)速和變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速變化曲線平滑,未出現(xiàn)波動(dòng),表明換擋時(shí)車速和轉(zhuǎn)速過渡平穩(wěn),無頓挫現(xiàn)象。

圖6 換擋點(diǎn)2車速轉(zhuǎn)速曲線

圖7為換擋點(diǎn)3對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線,由圖7(a)可知,一擋電磁閥于1.7 s失電,二擋電磁閥于2.51 s得電,換擋時(shí)間為0.81 s;一擋電磁閥失電時(shí)車速為13.8 km/h,二擋離合器結(jié)合時(shí)車速為換擋時(shí)最低值12 km/h,換擋期間車速變換量為1.8 km/h,但在二擋電磁得電到離合器完全接合期間,車速出現(xiàn)波動(dòng),換擋平順性較差。由圖7(b)可以看出換擋期間電機(jī)以轉(zhuǎn)速模式調(diào)速時(shí)出現(xiàn)了一定波動(dòng),說明電機(jī)調(diào)速目標(biāo)值與當(dāng)前值之差過大,引起了一定程度的轉(zhuǎn)速超調(diào),導(dǎo)致調(diào)速末期轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)引起了車速波動(dòng)。

圖7 換擋點(diǎn)3車速轉(zhuǎn)速曲線

圖8為換擋點(diǎn)4對應(yīng)的車速和轉(zhuǎn)速曲線,由圖8可知,一擋電磁閥于1.88 s失電,二擋電磁閥于3.24 s得電,換擋時(shí)間約1.36 s;轉(zhuǎn)速在換擋期間由14.3 km/h降低至11.8 km/h,車速降低2.5 km/h,這是由于該換擋點(diǎn)對應(yīng)轉(zhuǎn)速條件較高,電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的范圍擴(kuò)大,導(dǎo)致電機(jī)調(diào)速過程不平穩(wěn)并出現(xiàn)了一定程度超調(diào),同時(shí)調(diào)整時(shí)間有所延長,車速在行駛阻力影響下降低幅度更大。

圖8 換擋點(diǎn)4車速轉(zhuǎn)速曲線

綜合對以上各換擋點(diǎn)對應(yīng)車速和轉(zhuǎn)速的分析,換擋點(diǎn)4換擋時(shí)間較其他點(diǎn)明顯延長,且行走電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)出現(xiàn)超調(diào)情況,車速下降也較多,實(shí)際駕駛時(shí)出現(xiàn)了明顯的動(dòng)力中斷。換擋點(diǎn)1、2、3換擋時(shí)間相差不大,在0.6～0.8 s,換擋點(diǎn)1和3均出現(xiàn)了較明顯的車速抖動(dòng),對比之下,換擋點(diǎn)2在換擋時(shí)車速過渡平穩(wěn),實(shí)際駕駛中動(dòng)力跟隨較為迅速,故選擇換擋點(diǎn)2為最佳換擋點(diǎn)。

4 結(jié)論

1) 研究用車型采用兩擋變速箱,本文基于純電動(dòng)裝載機(jī)運(yùn)行參數(shù)、行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信息及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速制定換擋策略,由整車控制器向行走電機(jī)控制器下發(fā)控制策略計(jì)算參數(shù)。使用Simulink搭建換擋控制算法模型并基于自動(dòng)代碼生成技術(shù)完成程序編譯。

2) 進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),分別測試各換擋點(diǎn)下裝載機(jī)車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和一二檔電磁閥狀態(tài),計(jì)算換擋時(shí)間和換擋期間車速變化值以衡量換擋速度和換擋時(shí)車輛平順性。試驗(yàn)表明,所開發(fā)換擋策略換擋時(shí)間最快可達(dá)0.66 s,換擋時(shí)車速波動(dòng)最小為1.4 km/h。