趙立軍,張艷芬,劉清河

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)汽車工程學(xué)院,264209,山東威海)

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純電動商用車機械式自動變速器綜合換擋策略

趙立軍,張艷芬,劉清河

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)汽車工程學(xué)院,264209,山東威海)

為了使裝有機械式自動變速器(AMT)的純電動商用車的換擋時機能夠更好地兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性,提出一種綜合換擋策略。為提高工況適應(yīng)性而引入負(fù)載識別思想,通過制動踏板信號、加速踏板開度及其變化率、車速、加速度等控制參數(shù)來識別汽車行駛工況,并采用工況分層處理。結(jié)合駕駛員意圖和動力電池荷電狀態(tài)(SOC)來制定綜合換擋控制策略,采用正交設(shè)計法對控制策略參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,建立了整車的基于MATLAB/Simulink與CRUISE軟件的聯(lián)合仿真模型。研究結(jié)果表明:仿真分析和實車試驗的數(shù)據(jù)規(guī)律吻合良好,表明了仿真模型的適用性。在實車加速性能試驗中,采用綜合換擋規(guī)律,0～50 km/h和50～70 km/h的加速時間分別為23.48 s和24.38 s,與動力性換擋規(guī)律接近,明顯優(yōu)于經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律;在實車郊區(qū)路況的經(jīng)濟(jì)性試驗中,采用綜合換擋規(guī)律的電池SOC值減少了3.51%,與經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律接近,同樣優(yōu)于動力性換擋規(guī)律,證明提出的綜合換擋控制策略達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)。

純電動商用車;綜合換擋策略;負(fù)載識別

目前,中小型純電動商用車一般采用固定速比傳動,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,但電機難以工作在高效區(qū),負(fù)載適應(yīng)性差。為此,國內(nèi)外對純電動汽車傳動系統(tǒng)的多擋化進(jìn)行了相關(guān)研究[1-4]。然而,對多擋化的研究只是集中在變速器的速比匹配和優(yōu)化上,對純電動商用車機械式自動變速器(automatic mechanical transmission, AMT)換擋規(guī)律的研究較少。

汽車換擋規(guī)律主要包括動力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。通常采用電機理想工作曲線特性或綜合考慮電機工作特性和電池系統(tǒng)放電功率來設(shè)計動力性換擋規(guī)律[5-6],采用消耗電能最小為目標(biāo)來設(shè)計經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律[7],但這些都只是以動力性或經(jīng)濟(jì)性作為單一目標(biāo),對于復(fù)雜多變的行駛工況,汽車動力和電機效率得不到綜合提高。

對兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性的換擋策略國內(nèi)外也進(jìn)行了相關(guān)研究。通常,綜合考慮加速時間和電機工作效率,采用模糊控制判斷駕駛員意圖[8]。還有一些研究人員通過比較動力性和經(jīng)濟(jì)性換擋的差異,確定兩者的負(fù)荷分界點[9],但這些都只是根據(jù)駕駛員意圖來切換(動力性/經(jīng)濟(jì)性)擋位,沒有考慮工況的實時變化,且多停留于理論分析。

針對上述問題,本文以國內(nèi)開發(fā)的某型號純電動后驅(qū)掃路車(該車采用東風(fēng)凱普特N300底盤,為提高對不同負(fù)載的適應(yīng)性,采用5擋無離合器AMT)為研究對象,提出一種基于負(fù)載識別的兼顧整車動力性和經(jīng)濟(jì)性的綜合換擋規(guī)律,并對實車進(jìn)行道路試驗。

1 AMT綜合換擋策略

換擋規(guī)律實際上就是相鄰兩擋間的換擋時機依據(jù)控制參數(shù)變化的規(guī)律。為充分反映車輛的動態(tài)行駛狀況,本文基于最佳動力性動態(tài)三參數(shù)(車速u、加速踏板開度α、加速度a)換擋規(guī)律和最佳經(jīng)濟(jì)性動態(tài)三參數(shù)(車速u、加速踏板開度α、電機效率η)換擋規(guī)律進(jìn)行研究,并在此基礎(chǔ)上提出綜合換擋規(guī)律。

1.1 最佳動力性換擋規(guī)律

動態(tài)三參數(shù)最佳動力性換擋規(guī)律的目的是最大程度的利用牽引力[10]。因此,在某一加速踏板開度下,以相鄰兩擋加速度曲線交點對應(yīng)的車速作為動力性換擋點,各交點連線即為不同加速踏板開度下的最佳動力性升擋曲線。為避免頻繁換擋和循環(huán)換擋,采用收斂型降擋規(guī)律。

1.2 最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

動態(tài)三參數(shù)最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律的目的是充分利用電機高效區(qū)域[11-12]。通過臺架實驗計算得到電機效率,采用拉格朗日插值法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,繪制出電機的萬有特性曲線。

在某一加速踏板開度下,以相鄰兩擋電機效率曲線交點對應(yīng)的車速作為最佳經(jīng)濟(jì)性換擋點,各交點連線即為不同加速踏板開度下的最佳經(jīng)濟(jì)性升擋曲線。為避免頻繁換擋和循環(huán)換擋,采用收斂型降擋規(guī)律。

1.3 綜合換擋規(guī)律

作業(yè)工況的多變性易導(dǎo)致?lián)Q擋不合理[13],故本文在研究了坡道行駛的換擋策略基礎(chǔ)上,又分析了傳統(tǒng)綜合換擋規(guī)律的局限性以及駕駛員意圖和復(fù)雜工況的耦合,從而制定了工況適應(yīng)性強的綜合換擋策略。本文采用負(fù)載識別技術(shù)作為判斷依據(jù),結(jié)合相關(guān)控制參數(shù)識別工況,并運用分層理念進(jìn)行優(yōu)先級劃分,從而修正各工況下的換擋規(guī)律。

1.3.1 負(fù)載識別 本文定義車輛負(fù)載為車輛行駛驅(qū)動力與正常天氣條件下車輛空載行駛在水平良好路面上的行駛阻力之差,即

FL=Ft-(Ff_idle+Fw_idle+Fj_idle)

(1)

式中:FL、Ft、Ff_idle、Fw_idle、Fj_idle分別為空載狀態(tài)下的負(fù)載、驅(qū)動力、滾動阻力、空氣阻力和加速阻力。

如此定義的負(fù)載決定了坡道和載荷是影響掃路車在城郊行駛工況下負(fù)載的主要因素,負(fù)載的變化對換擋規(guī)律的影響很大。動力性換擋曲線是在FL為0的前提下獲得的,若FL不為0,則加速度大小改變,即

(2)

式中:du/dt為行駛加速度;δn為汽車n擋旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為汽車整備質(zhì)量。

若仍以FL為0條件下的車速作為換擋點,則由式(2)計算得到的相鄰兩擋的加速度不再相等,即

(3)

由式(3)可以看出,車輛負(fù)載FL越大,換擋后加速度的變化就越大,對換擋規(guī)律的影響也越大。若FL的值剛好滿足換擋時加速度為零,那么換擋后加速度將為負(fù)值,車輛驅(qū)動力降低,開始減速,到降擋點降擋,驅(qū)動力恢復(fù),重復(fù)之前過程,造成換擋循環(huán),影響乘坐舒適性。

純電動掃路車質(zhì)量大,對坡道變化敏感,若坡道變化以負(fù)載值作為判斷依據(jù),則坡道判斷實際上包含了載荷變化在內(nèi)的綜合阻力變化,因此本文以負(fù)載識別為依據(jù)判斷坡道變化和修正換擋規(guī)律。

1.3.2 綜合換擋策略 為使綜合換擋規(guī)律更具有一定的自適應(yīng)性,將其與駕駛員意圖、動力電池荷電狀態(tài)結(jié)合,從而形成了綜合換擋控制策略,且掃路車的整車控制器以此進(jìn)行擋位決策。輸入更多控制參數(shù)識別工況可以使換擋控制系統(tǒng)更符合真實情況,換擋控制策略更能適應(yīng)復(fù)雜多變的工況[13-14]。本文通過制動踏板信號、加速踏板開度及其變化率、車速、加速度等控制參數(shù)來識別汽車行駛工況:

(1)采用車輛負(fù)載值作為判斷依據(jù),坡道分為上坡、下坡和平路。根據(jù)坡度的大小,上、下坡分為大坡度(15%～25%)、中坡度(10%～15%)和小坡度(10%以下);

(2)按照駕駛員的操作意圖,車輛行駛狀態(tài)分為急加速、緩加速、減速滑行、強制動、緩制動,其中加速的判別依據(jù)為加速踏板開度及其變化率,減速的判別依據(jù)為制動踏板信號、制動時間和加速度;

(3)根據(jù)動力電池荷電狀態(tài)(SOC)反饋情況,電池狀態(tài)可以分為電量充足(40%以上)及電量不足(40%以下)。

綜合換擋策略控制原理如圖1所示。

圖1 綜合換擋策略控制原理圖

上述工況在某些情況下會交叉出現(xiàn),導(dǎo)致控制復(fù)雜化,為簡化控制,采用工況分層處理方法,工況分級流程圖如圖2所示。

圖2 工況分級流程圖

不同工況的優(yōu)先級不同,如:由于坡道識別的前提是非制動狀態(tài),所以制動工況的判斷處于最高級別;動力電池電量低時,需要保證經(jīng)濟(jì)性,也具有很高的級別。

由圖2可以看出,由于駕駛員的干預(yù)、工況和電池電量的變化,換擋曲線需要及時修正,以保證汽車處于最佳擋位行駛。因此,本文提出基本換擋規(guī)律[8],即加速踏板開度穩(wěn)定、無負(fù)載的換擋規(guī)律。兩種最佳換擋曲線耦合時以此進(jìn)行修正:加速踏板開度小于30%時,采用經(jīng)濟(jì)性換擋曲線;開度在30%～70%之間時,動力性和經(jīng)濟(jì)性換擋曲線若有重合點,以重合點為界點,界點以下采用經(jīng)濟(jì)性換擋曲線,重合點以上采用動力性換擋曲線,若沒有重合點,以經(jīng)濟(jì)性換擋曲線上最接近動力性換擋曲線的點作為界點;開度大于70%時,采用動力性換擋曲線。修正后的綜合換擋控制規(guī)則如表1所示。

1.4 制動能量回收

本文研究的純電動掃路車采用插電式,電池一次充電6 h。為提高車輛的續(xù)駛里程,本文在綜合換擋策略基礎(chǔ)上加入制動能量回收管理技術(shù),以提高整車經(jīng)濟(jì)性。建立再生制動與機械制動的制動份額隨制動強度變化的制動力分配模型,如圖3所示。

表1 綜合換擋控制規(guī)則

圖3 再生制動系統(tǒng)制動力分配模型

1.5 綜合換擋策略參數(shù)優(yōu)選

為了尋找影響綜合換擋策略關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計和最優(yōu)組合,本文采用正交設(shè)計法安排多因素來仿真綜合換擋策略。結(jié)合傳統(tǒng)內(nèi)燃機車及純電動汽車的相關(guān)參數(shù),合理選擇因素水平,從而迅速有效地得到最優(yōu)結(jié)果。上文中以動力電池SOC為40%時作為電量充足與否的分界點,加速踏板開度30%和70%作為換擋曲線的邊界以及制動強度0.1和0.4分別作為純機械制動和最優(yōu)制動的分界點就是采用此種方法獲得的。

以加速踏板開度α、制動強度z以及動力電池荷電狀態(tài)初始值SSOC,0為影響因素,每個因素選取5個水平等級,選定L25(56)正交表,其因素水平表如表2、表3所示。

以SOC變化量ΔSOC和0～50 km/h加速時間t為仿真指標(biāo),利用MATLAB/Simulink和CRUISE軟件聯(lián)合仿真,其正交表結(jié)果如圖4所示。

通過對各因素各水平的指標(biāo)平均值以及極差計算,綜合平衡兩項指標(biāo)后,可以列出因素的最優(yōu)組合:α(30%)z(0.1)SSOC,0(40%);α(30%)z(0.4)SSOC,0(40%);α(70%)z(0.1)SSOC,0(40%);α(70%)z(0.4)SSOC,0(40%)。結(jié)合正交表進(jìn)行分析,加速踏板開度α在30%以上經(jīng)濟(jì)性明顯下降,在70%以上動力性明顯上升,因此加速踏板開度α在30%以下采用經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律,在70%以上采用動力性換擋規(guī)律;制動強度z在0.1～0.4之間經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢不明顯,在0.4以上經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯,因此制動強度z在0.1以下采用機械制動,在0.4以上采用最優(yōu)制動;根據(jù)3種因素的交互作用,選擇荷電狀態(tài)為40%時作為電量充足與否的分界點。

表2 綜合換擋策略仿真因素水平表(α≤40%)

表3 綜合換擋策略仿真的因素水平表(α≥60%)

圖4 L25(56)正交設(shè)計結(jié)果圖

2 建模及仿真分析

本文采用0～50 km/h和50～70 km/h的加速時間為動力性評價指標(biāo),由于純電動掃路車多用于城市工況,所以選用UDC工況下電池SOC變化量為經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo),利用MATLAB/Simulink與CRUISE軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真(仿真模型如圖5所示),并對動力性、經(jīng)濟(jì)性和綜合換擋規(guī)律進(jìn)行仿真對比。國內(nèi)開發(fā)的某型號純電動掃路車整車參數(shù)如表4所示。

圖5 純電動掃路車聯(lián)合仿真模型

參數(shù)數(shù)值整備質(zhì)量/kg6600迎風(fēng)面積/m24.5空氣阻力系數(shù)0.4車輪滾動半徑/mm370變速器傳動比3.154/2.041/1.365/1.0/0.791主減速比5.286電機額定功率/kW37電機額定轉(zhuǎn)矩/N·m236電機額定轉(zhuǎn)速/r·min-11500電機最高轉(zhuǎn)速/r·min-15000

A:綜合換擋規(guī)律;B:動力性換擋規(guī)律;C:經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律圖6 3種換擋規(guī)律的動力性能仿真對比結(jié)果(滿載)

圖6為3種換擋規(guī)律的動力性能仿真對比結(jié)果。可以看出,車輛滿載時分別采用動力性、經(jīng)濟(jì)性、綜合換擋規(guī)律,其0～50 km/h加速時間分別為20.66 s、21.41 s和20.76 s,50～70 km/h加速時間分別為25.99 s、27.2 s和26.40 s。由此得到:綜合換擋規(guī)律的動力性能和動力性換擋規(guī)律接近,并且優(yōu)于經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律;車輛在全負(fù)荷行駛時,經(jīng)濟(jì)性換擋比綜合換擋以及動力性換擋提前,而綜合換擋規(guī)律與動力性換擋規(guī)律差別不大。

圖7為3種換擋規(guī)律的經(jīng)濟(jì)性能仿真對比結(jié)果?？梢钥闯?在SSOC,0均為80%時,動力性、經(jīng)濟(jì)性、綜合換擋規(guī)律的SSOC,0分別消耗了7.0%、6.4%和6.0%。由此得到:綜合換擋規(guī)律的經(jīng)濟(jì)性能和經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律接近,并且優(yōu)于動力性換擋規(guī)律。

A:綜合換擋規(guī)律;B:動力性換擋規(guī)律;C:經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律圖7 UDC工況下3種換擋規(guī)律的經(jīng)濟(jì)性能仿真變化對比結(jié)果(滿載)

3 道路試驗

本試驗對采用綜合換擋規(guī)律的純電動掃路車進(jìn)行測試,包括動力性能測試和經(jīng)濟(jì)性能測試,并且與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比。為清楚對比經(jīng)濟(jì)性換擋、動力性換擋和綜合換擋規(guī)律在實車上不同的效果,本試驗對經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律和動力性換擋規(guī)律也進(jìn)行了測試,試驗條件與綜合換擋規(guī)律的試驗條件一致。

試驗條件:晴天,室外,煙臺市平直良好的瀝青路面,測試距離12.82 km,空載,動力電池SOC初始值為57%。將加速踏板信號和制動踏板信號作為模擬駕駛員指令輸入到整車控制器,然后通過換擋控制策略選擇最佳擋位,將換擋控制指令通過CAN總線、開關(guān)輸出端口等傳給AMT控制器進(jìn)行換擋操作。整車控制器采集的試驗數(shù)據(jù)包括行駛時間、行駛距離、車速、電機轉(zhuǎn)速、電機扭矩、電機溫度、電池電壓、電池電流、電池SOC、電池溫度、擋位、坡度以及轉(zhuǎn)向泵消耗的功率。

圖8為綜合換擋規(guī)律加速性能仿真結(jié)果和3種換擋規(guī)律加速性能試驗對比結(jié)果。由于實際道路是復(fù)雜多變的,所以車輛行駛的試驗曲線不能完全吻合仿真曲線,但結(jié)果顯示實車能夠盡可能工作在仿真曲線附近。具體分析如下。

(1)綜合換擋規(guī)律的試驗和仿真:0～50 km/h加速時間分別為23.48 s和20.16 s;50～70 km/h加速時間分別為24.38 s和21.85 s。這說明,試驗結(jié)果和仿真分析的吻合性良好,即本文設(shè)計的綜合換擋策略能夠有效保證實車動力性要求。

(2)對比3種換擋規(guī)律動力性試驗結(jié)果,可以看出:實車采用綜合換擋的0～50 km/h加速時間比動力性換擋長0.04 s,比經(jīng)濟(jì)性換擋短1.64 s;50～70 km/h加速時間和動力性一樣,比經(jīng)濟(jì)性短0.3 s。由此得到:在實車上,綜合換擋規(guī)律的動力性與動力性換擋規(guī)律接近,兩者在0～50 km/h的動力性明顯優(yōu)于經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律,但在50～70 km/h三者的動力性差距不大。

圖8 換擋加速性對比

圖9為綜合換擋規(guī)律試驗和仿真擋位變化對比結(jié)果。由圖9可以看出,由于實車空載行駛,載荷輕,為減少一次換擋操作,實車以2擋起步,中速區(qū)以3擋行駛,高速區(qū)以4擋、5擋行駛,并且實現(xiàn)連續(xù)升擋,與仿真曲線吻合;為了清楚表達(dá)換擋控制策略選擇的最佳擋位,設(shè)置仿真車輛的換擋過程時間為零,而實車換擋時存在約0.4 s的換擋時間,并且允許存在短時帶擋停車,所以兩條降擋曲線存在區(qū)別。總體說明,實車在行駛時能很好跟隨仿真擋位,即綜合換擋策略能夠保證實車擋位要求。

圖9 擋位變化對比

圖10為綜合換擋規(guī)律經(jīng)濟(jì)性能仿真結(jié)果和3種換擋規(guī)律經(jīng)濟(jì)性能試驗對比結(jié)果,試驗工況與圖9相同。具體分析如下:

(1)綜合換擋規(guī)律的仿真車輛電池SOC值由57.00%降到55.79%,消耗2.12%,實車電池SOC值由57.00%降到55.00%,消耗3.51%,與仿真分析結(jié)果接近,這說明本文設(shè)計的綜合換擋策略能夠使實車獲得良好的經(jīng)濟(jì)性能。

(2)對比3種換擋規(guī)律經(jīng)濟(jì)性試驗結(jié)果,可以看出,實車采用綜合換擋的電量消耗值比經(jīng)濟(jì)性換擋多0.5%,比動力性換擋少1.5%,這說明在實車上,綜合換擋規(guī)律的經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律接近,但明顯優(yōu)于動力性換擋規(guī)律。

圖10 電池SOC變化對比

綜上所述,綜合換擋規(guī)律的試驗結(jié)果和仿真分析的吻合性良好且能夠很好兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性,保證純電動掃路車在城郊工況的正常行駛。

4 結(jié) 論

(1)基于動態(tài)三參數(shù)最佳動力性換擋規(guī)律和動態(tài)三參數(shù)最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律進(jìn)行改進(jìn),提出了一種兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性的綜合換擋規(guī)律。

(2)利用MATLAB/Simulink與CRUISE軟件聯(lián)合仿真對比了3種換擋規(guī)律,仿真結(jié)果表明,綜合換擋規(guī)律的動力性和經(jīng)濟(jì)性具有綜合優(yōu)勢。

(3)對3種換擋規(guī)律進(jìn)行實車道路試驗并對比,結(jié)果表明,綜合換擋規(guī)律的試驗結(jié)果和仿真分析的吻合性良好且兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性,能夠保證車輛在市郊正常行駛,本文研究達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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(編輯 劉楊 苗凌)

A Comprehensive Shift Strategy of Automatic Mechanical Transmission for Pure Electric Commercial Vehicles

ZHAO Lijun, ZHANG Yanfen, LIU Qinghe

(School of Automobile Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai, Shandong 264209, China)

A comprehensive shift strategy is proposed to consider both the power and economic performances in the shift timing for pure electric commercial vehicles equipped with automatic mechanical transmission (AMT).The load detection is introduced to improve working adaptability, and the working conditions are identified from some control parameters such as the brake pedal signal, the opening of the accelerator pedal and its change rate, velocity, acceleration, and so on, and are processed hierarchically.The development of the comprehensive shift strategy combines the driver intention and power battery state of charge (SOC), and the orthogonal method is used to find the optimal parameters of the control strategy.A joint simulation model based on MATLAB/Simulink and CRUISE is established.It is shown that the results from simulation analysis coincide with the test results well, and the proposed simulation model is applicable.The acceleration time for 0～50 km/h and 50～70 km/h is 23.48 s and 24.38 s in power performance tests when the vehicle is driven with the comprehensive shift schedule.Both of the results are close to those of the power shift schedule, and obviously superior to those of the economic shift schedule.The battery SOC value of the proposed strategy decreases by 3.51% in an economic performance test, and it is close to the economic shift schedule result, and superior to the power shift schedule result.It can be concluded that the prospective goal is achieved by using the proposed comprehensive shift schedule.

pure electric commercial vehicle; comprehensive shift strategy; load detection

2014-10-14。 作者簡介:趙立軍(1975—),男,博士,副教授。 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51275126);威海市科技發(fā)展計劃項目(2012DXGJ13)。

時間:2015-03-19

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150319.1153.006.html

10.7652/xjtuxb201506008

U463.212

A

0253-987X(2015)06-0046-07