李天琨，吳斌，陳存璽，陳勇，李卓強(qiáng)，李睿

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純電動(dòng)車兩擋機(jī)械自動(dòng)變速器換擋過程分析及綜合控制

李天琨1，吳斌1，陳存璽1，陳勇2，李卓強(qiáng)2，李睿2

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

為減小純電動(dòng)車兩擋機(jī)械自動(dòng)變速器換擋動(dòng)力中斷時(shí)間，改善換擋品質(zhì)，文章通過對(duì)換擋過程的動(dòng)力學(xué)分析，提出了一種綜合換擋控制策略：在調(diào)速過程中，通過開環(huán)控制的方法，使接合套與結(jié)合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差快速到達(dá)一定范圍內(nèi)；在掛擋過程中，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出與換擋電機(jī)作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)與換擋電機(jī)協(xié)同作用消除剩余的轉(zhuǎn)速差，從而縮短動(dòng)力中斷時(shí)間。使用Simulink設(shè)計(jì)了換擋控制模型，并在基于TCU、MCU控制下的純電動(dòng)車兩擋AMT換擋實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的綜合控制策略可以在保證同步器磨損較小的前提下，有效減小整個(gè)換擋過程的動(dòng)力中斷時(shí)間。

純電動(dòng)車；兩擋AMT；動(dòng)力中斷時(shí)間；綜合控制策略

前言

電動(dòng)車輛具有節(jié)能、環(huán)保、能源利用多元化、可實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)[1]。當(dāng)下，多國的相關(guān)政府部門都先后頒布了發(fā)展綱要以推動(dòng)電動(dòng)車輛的技術(shù)進(jìn)化和規(guī)?；瘧?yīng)用[2]。目前市場上常見的純電動(dòng)汽車基本以驅(qū)動(dòng)電機(jī)直連單級(jí)減速器的方式作為動(dòng)力源，但是這種方式存在著當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高或較低時(shí)，電機(jī)效率相對(duì)較低的問題。將AMT應(yīng)用于純電動(dòng)汽車上，便可以擴(kuò)大電機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)間，滿足其更高標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)力性要求，提高純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性[3]。匹配AMT的純電動(dòng)車是未來國內(nèi)發(fā)展的必然趨勢[4]。由于純電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)控制能力，所以對(duì)于裝有AMT的純電動(dòng)車，均取消了離合器[5]。但是由于變速箱輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大，會(huì)造成掛擋時(shí)間延長的不良后果[6]。所以如何減小換擋過程的動(dòng)力中斷時(shí)間，是研究的主要方向之一。目前，大部分研究還只是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或換擋電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，從而縮短動(dòng)力中斷時(shí)間[7-9]。如在換擋過程中將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與換擋電機(jī)結(jié)合起來，可以進(jìn)一步的縮短動(dòng)力中斷時(shí)間。

因此，本文通過建模對(duì)換擋過程加以動(dòng)力學(xué)分析，針對(duì)換擋過程的電機(jī)調(diào)速過程及掛擋過程，提出一種綜合控制策略，有效的將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和換擋電機(jī)結(jié)合起來。在調(diào)速過程中，通過開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速時(shí)間最短。在掛擋過程中，在控制換擋電機(jī)進(jìn)行掛擋的同時(shí)，通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與同步環(huán)的共同作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步，并保證對(duì)同步環(huán)磨損較小前提下，減小掛擋時(shí)間。最終，達(dá)到縮短動(dòng)力中斷時(shí)間的目的。

1 換擋過程動(dòng)力學(xué)分析

整個(gè)換擋過程一共分為5個(gè)過程：降矩過程、摘擋過程、電機(jī)調(diào)速過程、掛擋過程、轉(zhuǎn)矩恢復(fù)過程。其中，摘擋過程和掛擋過程由同步器來完成。同步器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同步器結(jié)構(gòu)圖

1.1 降矩過程

這一過程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩按一定斜率降為0。

1.2 摘擋過程

這一過程，接合套從初始擋位運(yùn)動(dòng)到空擋位置。在摘擋過程中，接合套所受阻力恒定，所以摘擋時(shí)間受其他因素的影響很小。

1.3 電機(jī)調(diào)速過程

通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主動(dòng)控制，使接合套與目標(biāo)擋位結(jié)合齒圈之間的轉(zhuǎn)速差到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速差。

1.4 掛擋過程

根據(jù)同步器之間零件的相互作用，可以將掛擋過程分為以下幾個(gè)階段：

第一次自由滑動(dòng)階段：該階段下，換擋電機(jī)施加力矩，接合套克服定位銷的阻力帶動(dòng)滑塊一起進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。

第二次自由滑動(dòng)階段：該階段下，滑塊與同步環(huán)接觸，并推動(dòng)其共同發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)，最終消除同步環(huán)與待接合齒輪摩擦錐面的間隙。

預(yù)同步階段：該階段下，待接合齒輪摩擦錐面與同步環(huán)發(fā)生接觸。同步環(huán)相對(duì)于接合套轉(zhuǎn)過一個(gè)齒寬，其凸起與花鍵轂一端相接觸并以同一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。接合套繼續(xù)進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)至接觸到同步環(huán)。

同步階段：該階段下，接合套齒與同步環(huán)齒相接觸。此時(shí)換擋力全部用于產(chǎn)生摩擦力矩。接合套與接合齒圈進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步，直至轉(zhuǎn)速相同。通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加一個(gè)與同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)與同步環(huán)協(xié)同作用，進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步，可以縮短同步時(shí)間，減小對(duì)同步環(huán)的磨損。

撥環(huán)階段：該階段下，接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速相同，藉由換擋電機(jī)的推動(dòng)，接合套撥動(dòng)同步環(huán)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)齒寬的角度，越過同步環(huán)。

第三次自由滑動(dòng)階段：該階段下，接合套通過同步環(huán)正向移動(dòng)，消除接合套與接合齒圈的間隙。

撥齒階段：在這個(gè)階段，在換擋電機(jī)的作用下，接合套齒撥動(dòng)接合齒圈齒，使其旋轉(zhuǎn)一定的角度，通過接合齒圈，進(jìn)入接合齒輪齒槽。

第四次自由滑動(dòng)階段：在這個(gè)階段，接合套和接合齒圈完成嚙合，掛擋完成。

1.5 轉(zhuǎn)矩恢復(fù)階段

在這個(gè)階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩恢復(fù)到需求轉(zhuǎn)矩。

2 綜合控制策略

基于上文的分析可見，離合器的取消導(dǎo)致了變速器輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，增加了同步時(shí)間。影響同步階段的因素包括調(diào)速過程的轉(zhuǎn)速差和掛擋過程的控制，所以為減小換擋過程的動(dòng)力中斷時(shí)間，對(duì)調(diào)速過程及掛擋過程的研究是非常重要的。

傳統(tǒng)控制策略如圖2所示。傳統(tǒng)控制策略通常將調(diào)速過程的轉(zhuǎn)速差設(shè)置的非常小，以減小同步器的滑磨功和掛擋時(shí)間。而過小的轉(zhuǎn)速差會(huì)使調(diào)速過程所需時(shí)間大大增加，造成換擋過程整體動(dòng)力中斷時(shí)間的增加。本文針對(duì)換擋過程中的調(diào)速及掛擋過程加以分析，提出一種綜合控制策略，通過Matlab/Simulink軟件搭建驅(qū)動(dòng)電機(jī)及換擋電機(jī)控制模型。綜合控制策略流程圖及模型如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)控制策略流程圖

圖3 控制策略流程圖及模型

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

PI控制經(jīng)常被應(yīng)用在傳統(tǒng)控制策略中的調(diào)速階段。在整個(gè)掛擋過程中，影響掛擋時(shí)間的主要因素為調(diào)速、撥環(huán)及撥齒過程。針對(duì)上述問題，本文提出了一種電機(jī)控制方法：

（1）對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行開環(huán)控制?？刂瞥绦蚋鶕?jù)目標(biāo)擋位及變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出開環(huán)標(biāo)定所得的調(diào)速轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高效精準(zhǔn)到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，接合套端與接合齒圈端的轉(zhuǎn)速差到達(dá)30r/min時(shí)完成調(diào)速，相對(duì)于傳統(tǒng)PI控制來說，基于開環(huán)的電機(jī)主動(dòng)調(diào)速過程更快。

（2）在轉(zhuǎn)速差到達(dá)30r/min后，在同步器同步過程中，接合套端與接合齒圈端通過同步環(huán)與結(jié)合齒圈摩擦錐面之間產(chǎn)生的摩擦力矩來使兩者調(diào)速。此時(shí)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出與摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩T，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加的轉(zhuǎn)矩，可以幫助同步環(huán)在同步階段進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步。

2.2 換擋電機(jī)控制

為了保證最快的換擋時(shí)間，在接合套端與接合齒圈端的轉(zhuǎn)速差到達(dá)30r/min后，驅(qū)動(dòng)換擋電機(jī)進(jìn)行掛擋，為換擋電機(jī)施加最大端電壓，以保證接合套以最大速度運(yùn)行。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可以得到換擋電機(jī)端電壓置0的位置S。當(dāng)結(jié)合套位移＞S，端電壓置0，接合套剩余的動(dòng)能可以在之后一段距離被接合套所受的阻力耗散，使接合套恰好停在接合套目標(biāo)擋位位置。

3 換擋實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要分為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩擋AMT變速器、飛輪組成。位置傳感器安裝在換擋電機(jī)上，后者電源端加裝了電流傳感器?？刂撇糠钟蒘evcon電機(jī)控制器MCU及TCU組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的綜合控制策略的有效性，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了多次試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.1 降擋過程

圖5為開環(huán)控制及PI控制下，降擋過程中電機(jī)調(diào)速曲線。圖6為傳統(tǒng)控制策略下，降擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。圖7為綜合控制策略下，降擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。傳統(tǒng)控制策略在電機(jī)調(diào)速階段，需將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0。如圖5所示，PI調(diào)速時(shí)所需時(shí)間為180ms。綜合控制策略在電機(jī)調(diào)速階段將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差調(diào)至30r/min，開環(huán)調(diào)速時(shí)用時(shí)為60ms。基于開環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速過程相比于PI控制的電機(jī)調(diào)速過程可以節(jié)省120ms。在掛擋過程中，由圖6和圖7可見，傳統(tǒng)控制策略下的掛擋時(shí)間為110ms。由于將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0r/min，掛擋過程中傳統(tǒng)控制策略下滑磨功為0.49J。此狀態(tài)下掛擋時(shí)間為105ms。在綜合控制策略下通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出與換擋電機(jī)作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，從而減小了滑磨功至0.46J。

圖5 PI控制及開環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速曲線

圖6 傳統(tǒng)控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

圖7 綜合控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

通過降擋過程的實(shí)驗(yàn)對(duì)比可見，綜合控制策略在保證同步器磨損較小的前提下，可以比傳統(tǒng)控制策略在轉(zhuǎn)速同步及掛擋階段節(jié)省125ms。

3.2.2 升擋過程

圖8為開環(huán)控制及PI控制下，升擋過程中電機(jī)調(diào)速曲線。圖9為傳統(tǒng)控制策略下，升擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。圖10為綜合控制策略下，升擋過程的掛擋實(shí)驗(yàn)曲線。傳統(tǒng)控制策略在電機(jī)調(diào)速階段，需將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0。如圖8所示，傳統(tǒng)的PI調(diào)速時(shí)間為160ms。綜合控制策略在電機(jī)調(diào)速階段將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差調(diào)至30r/min，開環(huán)調(diào)速時(shí)所需時(shí)間為50ms?；陂_環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速過程相比于PI控制的電機(jī)調(diào)速過程可以節(jié)省110ms。由圖9和圖10可見，傳統(tǒng)控制策略下的掛擋時(shí)間為103ms，由于將接合套端與接合齒圈端轉(zhuǎn)速差通過PI調(diào)速調(diào)至接近于0r/min，所以掛擋過程中傳統(tǒng)控制策略下滑磨功比較小，滑磨功為0.36J。在綜合控制策略下的掛擋時(shí)間為97ms。在綜合控制策略下通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出與換擋電機(jī)作用下產(chǎn)生的同步摩擦力矩相同方向的轉(zhuǎn)矩，從而減小了滑磨功至0.36J。

通過升擋過程的實(shí)驗(yàn)對(duì)比可見，綜合控制策略比傳統(tǒng)控制策略在轉(zhuǎn)速同步及掛擋階段節(jié)省116ms。

圖8 PI控制及開環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速曲線

圖9 傳統(tǒng)控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

圖10 綜合控制策略下掛擋實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)純電動(dòng)車兩擋AMT變速器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并提出了一種綜合控制策略。在掛擋過程中對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和換擋電機(jī)進(jìn)行綜合控制，充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用。并在搭建的純電動(dòng)車兩擋AMT變速箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出控制策略在保證同步器磨損較小的情況下，可以有效縮短動(dòng)力中斷時(shí)間。

[1] 陳清泉.電動(dòng)車的現(xiàn)狀和趨勢[J].科技與經(jīng)濟(jì),2003,16(1):56-59.

[2] 何洪文.電動(dòng)汽車原理與構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[3] Wu G, Zhang X, Dong Z. Impacts of Two-Speed Gearbox on Electric Vehicle's Fuel Economy and Performance[J].Sae Technical Papers, 2013,2(9):681-683.

[4] 何忠波,白鴻柏.AMT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009,38(5):181-186.

[5] 黃菊花,黃朕,程昱升.純電動(dòng)汽車無離合器機(jī)械式自動(dòng)變速器(CLAMT)同步階段的換擋品質(zhì)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14 (15):291-294.

[6] 陳紅旭.電機(jī)—變速器直連系統(tǒng)換擋過程的建模與控制[D].清華大學(xué),2015.

[7] Yu H L, Xi J Q, Zhang F Q, et al. Research on Gear Shifting Process without Disengaging Clutch for a Parallel Hybrid Electric Vehicle Equipped with AMT[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2014,(2014-2-11), 2014, 2014(3):1-12.

[8] 胡建軍,李康力,胡明輝,等.純電動(dòng)轎車AMT換擋過程協(xié)調(diào)匹配控制方法[J].中國公路學(xué)報(bào), 2012, 25(1):152-158.

[9] Tseng C Y,Yu C H. Advanced shifting control of synchronizer mecha -nisms for clutchless automatic manual transmission in an electric vehicle[J]. Mechanism & Machine Theory, 2015, 84:37-56.

Analysis and Comprehensive Control of Two Speed Automatic Transmission forPure Electric Vehicle During The Shifting Process

Li Tiankun1, Wu Bin1, Chen Cunxi1, Li Zhuoqiang2, Li Rui2

（1.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124; 2.College of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130）

In order to reduce the power interruption time of the two-speed mechanical automatic transmission of pure electric vehicle and improve the shift quality, this paper proposes a comprehensive shift control strategy by dynamic analysis of the shifting process:in the process of speed regulation, the speed difference between the joint sleeve and the joint gear ring can reach a certain range quickly by means of open loop control;in the process of gear engagement, the driving motor outputs a torque in the same direction as the synchronous friction torque generated by the shifting motor, so that the driving motor and the shifting motor cooperate to eliminate the remaining rotational speed difference, thereby shortening the power interruption time.The shift control model is designed by Simulink, and the experiment is carried out on the two-speed AMT shift test bench of pure electric vehicle based on the control of TCU and MCU.The experimental results show that the proposed integrated control strategy can effectively reduce the power interruption time of the entire shifting process while ensuring that the wear of the synchronizer is small.

pure electric vehicles;two-speed AMT;power interruption time; comprehensive control strategy

U469.7

A

1671-7988(2019)09-22-05

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1671-7988(2019)09-22-05

李天琨，碩士研究生，就讀于北京工業(yè)大學(xué)，新能源汽車變速器方向。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.006