純電動(dòng)防爆車(chē)輛AMT換擋控制機(jī)理的研究

張興軍 牛永明 高 明 任志勇 代文博

(1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東省菏澤市，274900；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市， 030006)

純電動(dòng)防爆膠輪車(chē)以其零排放和低噪音的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到煤礦用戶(hù)的青睞和重視。然而，純電動(dòng)防爆無(wú)軌膠輪車(chē)整備質(zhì)量較大，車(chē)輛在采用防爆電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或單級(jí)減速器傳動(dòng)時(shí)，為了滿(mǎn)足車(chē)輛在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)最高車(chē)速和最大爬坡度的要求，配置的防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)往往通過(guò)增加裝機(jī)功率來(lái)適應(yīng)低速大扭矩和高轉(zhuǎn)速特性，這使得整車(chē)動(dòng)力匹配后的防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率過(guò)剩、高效區(qū)利用率偏低、整車(chē)?yán)m(xù)駛里程偏短，且防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在高轉(zhuǎn)矩和大電流狀態(tài)，從而增加了電機(jī)繞組與電池內(nèi)阻上的能耗，電池組的大電流放電也縮短了電池的使用壽命。

在常規(guī)固定速比變速的傳動(dòng)路線(xiàn)上配置一個(gè)兩擋或三擋AMT換擋變速箱，在不改變車(chē)輛駕駛操作舒適性和行駛平順性的前提下，能夠有效降低防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力電池性能的指標(biāo)要求，同時(shí)利用擋位的自行切換調(diào)節(jié)防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作點(diǎn)，提升整車(chē)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。

1 AMT換擋過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立及控制方法

1.1 整個(gè)換擋過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模

AMT換擋過(guò)程需要防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)、AMT變速箱、各類(lèi)控制器及執(zhí)行單元等元件相互協(xié)調(diào)配合。純電動(dòng)防爆車(chē)輛動(dòng)力AMT換擋傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，在分析換擋過(guò)程動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特性時(shí)忽略阻尼影響，采用等效集中質(zhì)量法將其簡(jiǎn)化成線(xiàn)性多自由度彈性集中質(zhì)量系統(tǒng)，各相關(guān)部件以集中質(zhì)量的形式存在。簡(jiǎn)化后的純電動(dòng)防爆車(chē)輛AMT換擋傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

純電動(dòng)防爆車(chē)輛AMT傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)式(1)和式(2)：

式中：J1——防爆電機(jī)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ω1(t)——防爆電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/mim；

Me(t)——防爆電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；

M1(t)——同步器傳遞的扭矩，N·m；

ig——AMT變速箱擋位速比；

J2——AMT變速箱輸出軸到車(chē)輪各部件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ω2(t)——AMT變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，r/mim；

Mc(t)——車(chē)輛車(chē)輪的阻力矩，N·m；

i0——車(chē)輛主減速器速比。

1.2 各階段動(dòng)力學(xué)模型及控制方法

1.2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸載階段

該階段要求電機(jī)防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入自由模式，輸出扭矩由當(dāng)前值下降至0。AMT變速箱輸入軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：ign——目標(biāo)擋位速比。

AMT變速箱輸出軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(4)：

(4)

換擋沖擊度j表達(dá)式見(jiàn)式(5)：

(5)

式中：j——換擋沖擊度,m/s3;

a(t)——沖擊加速度，m/s2；

r——車(chē)輪半徑，m。

為了確保車(chē)輛換擋的平順性，卸載階段應(yīng)合理控制防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化率，使其滿(mǎn)足式(6)：

(6)

式中：jmax——換擋過(guò)程最大換擋沖擊度允許值，m/s3，推薦值|jmax|=17.64 m/s3。

1.2.2 摘擋階段

該階段的控制方法目的是AMT變速箱換擋電機(jī)以最高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)摘擋，縮短摘擋時(shí)間。該階段防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩為0，AMT變速箱輸入軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(7)：

(7)

AMT變速箱輸出軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(8)：

(8)

該階段換擋沖擊主要來(lái)自同步器內(nèi)部本身接合套與接合齒圈之間的作用力，由于二者的作用力較小可以忽略不計(jì)，因此沖擊度表示為式(9)：

(9)

1.2.3 空擋調(diào)速階段

該階段的控制方法目的是控制防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速快速而準(zhǔn)確地接近目標(biāo)值。該階段同步器傳遞扭矩為0，AMT變速箱輸入軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(10)：

(10)

AMT變速箱輸出軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(11)：

(11)

由沖擊度表達(dá)式可知，該階段換擋沖擊度也可以表示為式(12)：

(12)

該階段防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速時(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速見(jiàn)式(13)：

nm=n2ign+n3

(13)

式中：nm——電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，r/mim；

n2——變速器輸出軸轉(zhuǎn)速，r/mim；

n3——轉(zhuǎn)速修正量，r/mim。

1.2.4 掛擋-同步器同步階段

該階段的控制方法目的是適當(dāng)降低換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速，合理延長(zhǎng)同步時(shí)間，減小換擋沖擊。AMT變速箱輸入軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(14)：

(14)

式中：Ms(t)——AMT變速箱輸輸出軸的扭矩，N·m。

AMT變速箱輸出軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(15)：

(15)

按照同步器計(jì)算模型，求得的同步器的摩擦轉(zhuǎn)矩見(jiàn)式(16)：

(16)

式中：f——同步器摩擦錐面的摩擦系數(shù)；

Fa(t)——同步器摩擦面所受的軸向力，即換擋力，N；

R——同步器摩擦錐面平均半徑，m；

α——同步器摩擦錐面的半錐角，(°)。

在同步過(guò)程中，沖擊度可以表示為式(17)：

(17)

1.2.5 掛擋-掛入目標(biāo)擋環(huán)節(jié)

該階段的控制方法目的是換擋電機(jī)以最高轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)掛擋。AMT變速箱輸入軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(18)：

(18)

AMT變速箱輸出軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(19)：

(19)

1.2.6 動(dòng)力恢復(fù)階段

該階段的控制方法目的是防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)滿(mǎn)足最大沖擊度要求，輸出轉(zhuǎn)矩恢復(fù)至目標(biāo)值。該階段AMT變速箱工作于目標(biāo)擋位，防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由0恢復(fù)至目標(biāo)值，變速器輸入軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(20)：

(20)

變速器輸出軸動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)式(21)：

(21)

2 AMT換擋過(guò)程控制策略

防爆鋰離子蓄電池車(chē)輛的防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)與AMT變速箱通過(guò)花鍵硬性相連，中間沒(méi)有安裝離合器或液力變矩器。換擋時(shí)完全依賴(lài)于防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)與AMT變速箱之間的配合，系統(tǒng)中設(shè)置有整車(chē)控制器(VCM)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器(MCM)和變速器控制器單元(TCU)，三者之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。整車(chē)AMT控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 整車(chē)AMT控制系統(tǒng)

變速器控制器單元(TCU)根據(jù)油門(mén)信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及當(dāng)前車(chē)速等實(shí)時(shí)信息計(jì)算出合適的擋位以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過(guò)CAN 總線(xiàn)將所需的驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作模式、調(diào)速目標(biāo)轉(zhuǎn)速等信息發(fā)送給整車(chē)控制器(VCM)，整車(chē)控制器(VCM)進(jìn)行計(jì)算后向驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器(MCM)發(fā)出指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)AMT變速箱執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋操作，根據(jù)換擋機(jī)構(gòu)反饋的選位和換擋位移值判斷是否到位，然后向電機(jī)控制器發(fā)送新的工作模式指令。AMT換擋過(guò)程控制流程如圖3所示。

圖3 AMT換擋過(guò)程控制流程

3 樣車(chē)測(cè)試

為了驗(yàn)證制定控制策略的正確性及對(duì)應(yīng)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司生產(chǎn)的純電動(dòng)防爆車(chē)上搭載所開(kāi)發(fā)的樣機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)如圖4所示。

樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)采用的是AMT變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第二代車(chē)輛，新匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率降低了18 kW，峰值功率降低了9.75%，最大轉(zhuǎn)矩降低了9.58%，并以 10 km /h、25 km /h 和35 km /h 恒定車(chē)速分別對(duì)第一代和第二代兩種不同驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出在一個(gè)SOC周期內(nèi)車(chē)輛的續(xù)航里程，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)果對(duì)比

圖4 樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

圖5 王家?guī)X煤礦工況下不同驅(qū)動(dòng)方式下能耗變化曲線(xiàn)

同時(shí)，利用MATLAB/Simulink分別搭建固定速比驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與AMT變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，仿真時(shí)基于王家?guī)X煤礦輔助運(yùn)輸大巷路譜進(jìn)行分析，該工況下能耗變化曲線(xiàn)如圖5所示，固定速比電機(jī)工作區(qū)域和AMT變速電機(jī)工作區(qū)域如6和圖7所示。按照本文提出的AMT換擋過(guò)程控制策略，整個(gè)換檔過(guò)程沖擊度變化曲線(xiàn)如圖8所示。

圖6 固定速比電機(jī)工作區(qū)域

圖7 AMT變速電機(jī)工作區(qū)域

由圖5可以看出，王家?guī)X煤礦輔助運(yùn)輸大巷路譜一個(gè)循環(huán)能耗由27.83降低至21.93，折算續(xù)航里程增加7.1 km。由圖6和圖7比較可以看出，采用兩擋自動(dòng)變速器可以使電機(jī)更多地工作在高效區(qū)內(nèi)。車(chē)輛在AMT換擋最大沖擊度|jmax|=7.24 m/s3，滿(mǎn)足相關(guān)要求，驗(yàn)證制定的控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)擋位的平順切換，并且換擋時(shí)間較短。

圖8 車(chē)輛換擋過(guò)程沖擊度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于對(duì)純電動(dòng)防爆車(chē)輛AMT換擋機(jī)理進(jìn)行了分析，建立了換擋過(guò)程各階段AMT變速箱輸入軸、輸出軸的動(dòng)力學(xué)方程及換檔沖擊度數(shù)學(xué)表達(dá)式，并提出了對(duì)應(yīng)的控制方法及控制策略。

(2)基于王家?guī)X煤礦輔助運(yùn)輸大巷路譜仿真表明， AMT換擋最大沖擊度為7.24 m/s3，制定的控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)擋位的自動(dòng)平順切換。

(3)整車(chē)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，采用AMT變速驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)防爆車(chē)輛整車(chē)電機(jī)功率下降了18 kW，峰值功率降低了9.75%，最大轉(zhuǎn)矩降低了9.58%，能耗降低了5.9 kW/h，續(xù)駛里程延長(zhǎng)了7.1 km。