純電動卡車變速器換擋影響因素簡述

浙江吉利新能源商用車集團有限公司 秦滔 王榮華 文學 呂金山

為了研究純電動卡車AMT變速器換擋性能,分析了純電動AMT變速器換擋過程，闡述了影響換擋性能的各種因素，包括換擋策略、換擋行程及驅動電機控制等。各種影響因素中，對驅動電機系統的控制優化能夠加快換擋響應，減少動力中斷時間，提升換擋舒適性及整車加速性能。

目前國內外純電動輕卡普遍采用驅動電機+傳動軸+驅動橋的電機直驅形式。為了滿足整車動力性，需提高大噸位載貨汽車的驅動電機性能，選用電機的質量、尺寸將變大，成本將上升。但若采用電機+變速器或電機+減速器方案，則驅動電機可以降低扭矩、提高轉速，而通過變速器或減速器進行減速增扭，從而最大限度地減小電機尺寸和質量，降低系統成本，同時提升系統運行效率[1]。目前純電動卡車變速器多采用AMT變速器，但換擋過程中會出現換擋沖擊、動力中斷等問題，影響車輛加速性能和駕駛舒適性。本文針對上述問題進行純電動卡車AMT變速器換擋過程分析，對相關影響因素進行討論。

換擋過程分析

純電動卡車帶變速器的電驅動系統包括驅動電機、電機控制器（MCU，Motor Control Unit）、變速器、變速器控制器（TCU，Transmission Control Unit）等（圖1）?；趪鴥茸兯倨鳜F有工業基礎，純電動卡車上所采用的AMT變速器大多在傳統手動變速器的基礎上將換擋執行機構改成氣動換擋系統或電機換擋系統，另外配裝換擋控制單元TCU，用以控制換擋執行機構進行選換擋控制。

圖1 純電動卡車電驅動系統

傳統燃油車AMT變速器通常帶離合器和同步器，離合器用于車輛起步、換擋時中斷AMT變速器與發動機的連接，同步器用于在換擋過程中使目標擋位齒輪轉速與輸出軸轉速同步，以便擋位順利切換[2]。與傳統燃油車AMT變速器不同，純電動車型AMT變速器通常不帶離合器和同步器，由于驅動電機扭矩及轉速可精準調節，從而可實現整車起步功能和換擋過程中降扭、調速等。圖2為某款2擋AMT變速器電驅動總成示意圖。

純電動卡車AMT變速器的換擋過程包括降扭、脫擋、調速、進擋、增扭5個步驟。第一步降扭：在判定需要換擋時，整車控制器VCU（Vehicle Control Unit）將MCU控制權交予TCU，TCU向MCU發送降扭指令，MCU控制驅動電機扭矩從當前扭矩降為零；第二步退擋：TCU控制換擋執行機構退擋，滑套從當前擋位退回至空擋位置；第三步調速：TCU向MCU發送指令，使其進入轉速模式，調節驅動電機轉速，從而使目標擋位齒輪轉速與輸出軸轉速同步；第四步進擋：當目標擋位齒輪轉速與輸出軸轉速相同后，TCU控制換擋執行機構進擋，撥叉推動滑套從空擋位置進入目標擋位，使滑套與目標齒輪嚙合；第五步增扭：進入目標擋位后，TCU向MCU發送扭矩控制指令，MCU根據整車扭矩請求控制驅動電機將扭矩恢復至VCU所需的目標扭矩。完成換擋后，T C U將MCU的控制權交還VCU。

圖2 2擋AMT變速器電驅動總成

上述換擋過程中的5個步驟均可能對換擋性能產生影響。各步驟所需時間的長短直接決定換擋過程中動力中斷所經歷的時間。若動力中斷時間過長，則給駕駛員的直接感受是踩下加速踏板但動力未按預期輸出；車輛加速度存在不合理變化導致駕駛員感受到換擋沖擊；而且對車輛的加速性能造成較大影響，特別是急加速過程中，車輛加速時間將過長。解決措施即縮短各個換擋步驟所需的時間，同時平衡因此可能造成的不良影響。

影響換擋性能的主要因素

1.驅動電機降扭及增扭影響

換擋過程中，影響第一步驅動電機降扭所需時間的因素包括：當前驅動電機扭矩和扭矩下降斜率（本文所述均為絕對值）。當前驅動電機扭矩取決于AMT變速器各換擋點對應的加速踏板開度和車速，但鑒于換擋曲線一般基于驅動電機效率分布及外特性曲線進行經濟性及動力性綜合評估優化后獲得[3]，因此不通過改變換擋點來縮短降扭的時間。故需要增加扭矩下降的斜率，在極短時間內將驅動電機的扭矩從當前整車需求扭矩大小降為零。

圖3 1擋換2擋過程扭矩-時間曲線

圖4 1擋換2擋過程轉速-時間曲線

驅動電機增扭的過程，即在目標擋位進擋完成后，為響應整車當前的扭矩請求，MCU從轉速控制模式切換成扭矩控制模式，并控制驅動電機將扭矩增加至VCU請求的目標扭矩。此過程的影響與降扭過程類似，由于整車當前的扭矩需求與車速及加速踏板開度有關，其扭矩需求是實時變化的，所以不同工況及不同操作方式下，驅動電機的增扭過程所需時間不同。

另外，根據驅動電機懸置支架設計的不同，包括電機布置位置的不同，其扭矩的變化會對整個動力總成及整車的振動造成不同程度的影響，同時對整車前進方向的加速度變化也會造成影響，因此驅動電機扭矩變化的斜率需要實車進行標定。若斜率偏小，則驅動電機降扭及增扭時間偏長；若斜率偏大，則會引起車輛晃動，換擋時出現頓挫感。

某款電驅動系統2AMT變速器在某工況下1擋升2擋所需總時長為0.99 s（圖3）。從0.7 6 s開始TCU獲得MCU控制權后進入換擋過程，1.75 s時完成換擋。其中降扭為0.76 s至1s時間段，增扭為1.4 s至1.75 s時間段，在這兩個階段MCU為扭矩控制模式，跟隨響應TCU請求扭矩曲線。

2.退擋及進擋過程的影響

退擋及進擋的時間均取決于擋位行程和執行機構響應速度。擋位行程取決于換擋執行機構的設計及內部滑套、齒輪的設計；而執行機構響應速度則取決于換擋電機的控制響應（電動換擋）或氣閥響應時間（氣動換擋）。

由于設計精度及公差的原因以及變速器在使用過程中的磨損，造成了每臺變速器的空行程和換擋行程的細微差別，如果統一按照某一固定的行程進行換擋，可能會存在部分變速器進擋、退擋過早或者不及時，導致齒輪磨損、異響、換擋遲滯等現象，影響換擋品質。對于擋位行程的差異影響，可在TCU中加入自學習功能來進行自動標定優化[4]。

在保證滑套和齒輪不出現過度沖擊的情況下，應盡可能縮短退擋及進擋時間。另外，可以通過協同調整TCU和MCU控制策略，讓換擋不同階段的時間部分重合，以進一步壓縮換擋時間：在退擋即將完成前，提前進入調速階段；而在進擋即將完成前，提前進入增扭階段。

3.調速過程的影響

調速階段，MCU由扭矩控制模式變為轉速控制模式，TCU根據變速器輸出軸當前轉速設定目標轉速，MCU根據目標轉速進行轉速調節。前述AMT變速器在1擋升2擋過程中調速時間段為1.1～1.3s（圖4），1.3s后MCU再次切換為扭矩模式，不再響應TCU的轉速請求。

因轉速控制模式是以轉速作為閉環，MCU通過調節電機扭矩以達到轉速變化的目的。例如1擋升2擋調速時，為快速降低驅動電機轉速以達到目標轉速，驅動電機將施加較大負扭矩（圖3）。所以當縮小調速時間時，即電機轉速變化的斜率加大，驅動電機的扭矩變化也相應變大，雖然此時AMT變速器處于空擋動力中斷階段，但驅動電機扭矩的變化偏大易引起動力總成的晃動并通過車架傳遞至駕駛室，引起駕駛員的不適。轉速隨時間變化率的設定也需要進行實車標定確定。

4.各因素影響對比分析

在整個換擋過程中，各過程所需時間占總換擋時間的比例見表1。增扭過程占比最大，實際車輛運行過程中此處所需時間可能更長。特別在加速踏板開度最大時，車輛在換擋前后對電機的扭矩需求變化很大，扭矩恢復至整車需求扭矩所耗的時間過長，是導致駕駛員在急加速過程中感覺明顯動力不足的主要原因。因此在換擋標定時需重點對增扭過程進行詳細標定，要在保證舒適性的前提下，盡可能加大扭矩變化斜率，減少扭矩恢復時間。

表1 主要過程因素占比

結語

a. 影響純電動卡車AMT變速器換擋性能的主要因素為驅動電機的降扭、調速及增扭的時長，退擋及進擋相對耗時較短。因此對驅動電機系統的控制優化是縮短換擋時間的主要途徑。而在主要影響因素中，增扭過程影響最大，在車輛標定過程中需特別關注。在確保扭矩平穩恢復、無沖擊的情況下，使扭矩盡可能快的恢復至整車需求扭矩，避免給駕駛員動力不足的感受。

b. 影響純電動卡車AMT變速器換擋性能的因素較多，除了換擋過程耗時影響外，還與驅動電機的懸置支架、整車質量等相關，此類因素主要影響換擋舒適性。懸置支架、整車質量等涉及車輛NVH分析，本文不做具體分析，待后續進一步研究。

c. 由于整車及動力總成狀態的不同，不同車輛對換擋時間的敏感性不同，換擋過程中驅動電機的控制參數需進行實車標定，以滿足整車動力需求的同時，保證駕駛員的舒適性。