電機與離合器復合控制的電動裝載機換擋策略

任好玲， 蔡少樂， 陳其懷， 林添良， 郎 彬

(1. 華僑大學 機電及自動化學院， 福建 廈門 361021； 2. 廈門廈工機械股份有限公司， 福建 廈門 361021)

近年來，隨著產業轉型升級、燃煤和機動車污染防治力度的加大，非道路移動源排放逐漸凸顯[1].此外，各國對排放標準日趨嚴格，我國也相繼出臺了一系列與非道路移動源相關的節能減排政策[2-4].在2018年發布的《非道路移動機械污染防治技術政策》[5]中，提出以柴油機等壓燃式發動機作為動力的非道路移動機械，至2020年要求達到國四的排放標準，至2025年達到國際先進排放標準.工程機械作為一種高作業效率的非道路車輛，被廣泛應用于基建、礦山、港口以及道路等建設與運輸中.生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報(2019)》公布了工程機械占非道路移動源排放總量的35%[6].因此，工程機械對環境的污染也不容小覷，節能減排的產業轉型與技術革新勢在必行.

鑒于純電驅動和傳統驅動在傳動及驅動方案上具有較大的差異，現有的換擋控制策略無法很好地應用于純電驅動重型工程機械.傳統裝載機的發動機需兼顧行走驅動、液壓系統等工作裝置，不能有效主動地調節換擋過程中驅動單元的輸出.雖能采用液力變矩器發揮其自動適應性等特點，在較大范圍內實現無極調速，但也使控制更為復雜且存在效率較低、高效范圍窄等問題.而電機以其過載能力強、調速調矩優良等特性能夠較好地對整車的動力輸出進行主動控制，取消傳統機型上的自適應變矩器，由電機主動控制匹配離合器工作，能夠在實現整車高效率、低噪聲和零排放目標的基礎上，提高換擋品質[7].且裝載機在非結構路面上作業和行駛時振動劇烈、穩定性差，需要頻繁切換擋位來保證動力需求，據統計每小時可達千次，平均3.6 s完成一次換擋[8].如果換擋過程沖擊度大，長時間和重復性的工況極易對駕駛員造成嚴重的駕駛疲勞并增加作業事故的風險.因此，合理設計純電驅動裝載機行走系統并實現純電驅動裝載機較快的平順換擋具有重要意義.

針對上述問題，在整車方案上提出雙電機驅動方案，由液壓工作電機和行走驅動電機替代傳統的發動機，解耦后利用電機的優良特性及主動控制的優勢取消傳統液力傳動中的變矩器，根據裝載機作業負載大、操縱頻繁的特點，采用濕式多片離合器.在換擋控制上，針對新的系統方案，為了發揮電傳動的優勢，提出一種基于驅動電機與濕式離合器壓力復合控制的純電驅動裝載機換擋控制策略，采用電液換擋控制系統對濕式離合器充、泄油過程進行控制，同時分析濕式離合器及純電驅動整車動力單元等工作特性，對行走驅動電機進行主動控制，使其工作在不同模式下匹配濕式離合器充、泄油過程中轉矩和轉速.最后，基于整車完成對該系統及控制策略的試驗.

1 純電驅動裝載機系統原理

1.1 行走系統方案

圖1所示為純電驅動裝載機系統方案，包括電氣部分和機械傳動部分.電氣部分由控制器局域網絡(CAN總線)完成各個控制單元之間的通訊，包括電池管理系統(BMS)、電機控制單元(MCU)、變速箱控制單元(TCU)等.由動力鋰電池通過BMS對電機等供電，并由TCU接收來自駕駛室的擋位、油門和制動等信號，以及接收和處理各個控制單元信號并對其發出控制指令.最后通過電液控制換擋系統對變速箱的各個離合器進行控制，并將壓力和轉速信號采集反饋給TCU以完成相應的閉環控制.該系統采用雙電機驅動的方案，實現液壓系統與行走系統的解耦，發揮純電驅動操作性與節能的優勢.此處僅針對行走系統展開研究，對液壓系統不做詳細闡述.

圖1 純電驅動裝載機系統方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of pure electric drive loader system

機械傳動部分采用電機直接驅動變速箱的方案，由變速箱內部的濕式離合器實現齒輪逐級傳遞，再由萬向傳動軸、前后驅動橋(主傳動、差速器、半軸)、輪邊、輪胎輪輞總成實現整車驅動.針對純電驅動裝載機，取消了變速箱集成的液力變矩器；利用驅動電機的正反轉特性實現整車前進、倒車，取消了傳統的倒擋齒輪和方向離合器，將前進擋定義為動力擋.該機械傳動系統具有以下優點：① 提高了整車傳動的效率；② 減小了外油路及變速箱的安裝空間；③ 簡化了電氣控制和機械結構，提高了整車的可靠性.

1.2 電液控制換擋系統原理

圖2所示為純電驅動裝載機電液控制換擋系統原理圖，由換擋電機-泵為系統提供壓力油；由電磁換向閥、液控換向閥實現對動力離合器、一擋離合器和二擋離合器供油，同時保證一擋、二擋離合器不存在掛雙擋的情況；由電磁換向閥對烏龜兔子模式油缸供油，完成變速箱嚙合套的烏龜兔子模式切換；并由傳感器對離合器當前狀態進行反饋.

1—換擋電機, 2—液壓泵, 3—過濾器, 4—安全閥, 5—單向閥, 6，14，17，18—壓力傳感器, 7，8，9，10，11，12—兩位三通電磁換向閥, 13—三位五通換向閥, 15—動力擋離合器, 16—烏龜兔子模式油缸, 19—一擋離合器, 20—二擋離合器圖2 純電驅動裝載機電液控制換擋系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of electro hydraulic control shift system for pure electric drive loader

2 控制策略

由前文分析可知，采用驅動電機直接驅動變速箱的方案充分發揮了純電驅動的優勢，同時是解決傳統整車效率低及提高續航等問題的重要途徑之一，但是換擋品質的優劣將直接影響整車的操縱性和安全性[9].因此，開發合理的純電驅動裝載機換擋控制策略具有必要性.

2.1 換擋過程分析

圖3所示為濕式離合器換擋過程理想壓力曲線，圖中：t為換擋時間；p為壓力.傳統裝載機由發動機通過液力變矩器與變速箱連接，基于液力傳動驅動變速箱工作.只能通過控制濕式離合器壓力提供整車動力及優化換擋品質.通常分為① 快速充油階段(OAB)；② 離合器快速升壓階段(BC′)；③ 緩沖升壓階段(C′D′)；④ 階躍升壓階段(D′D)[10-12].而所提出的純電驅動裝載機方案將驅動電機和變速箱解耦，對變速箱輸出轉矩的控制不再完全基于對結合油壓的控制，而是離合器壓力與驅動電機主動控制相結合，利用電傳動的優勢，精確快速地控制驅動電機輸出轉矩和轉速較好地匹配離合器工作.提出的純電驅動裝載機離合器換擋過程理想壓力曲線主要分為兩個階段：① 快速充油階段(OAB)；② 離合器升壓階段(BC).C點以后離合器維持在系統設定壓力，至此離合器結合動作完成.換擋過程發揮驅動電機主動控制輸出，簡化了對油壓的控制，很大程度上減小了換擋所需的時間.

圖3 濕式離合器換擋過程理想壓力曲線Fig.3 Ideal pressure curve of wet clutch during shifting process

換擋時，有平穩性良好和離合器壽命長兩項基本要求.優化換擋品質的目的在于提高換擋平穩性、減小整車沖擊，使駕駛更加舒適；減少摩擦產生的熱量及能量損失，并提高離合器工作的可靠性，保證其壽命.其指標有沖擊度、滑摩功和換擋時間等.

2.1.1沖擊度分析 對整車縱向加速度關于時間求導，沖擊度j由傳遞轉矩的變化率近似表示為

(1)

式中：a為車輛縱向加速度；R為車輪半徑；i為總傳動比；ω為變速箱輸出軸旋轉角速度；Iv為輸入軸等效轉動慣量；T為傳遞轉矩.

濕式離合器結合特性分為擠壓、壓緊和全粗糙接觸3個階段[13-14].其中，擠壓階段的摩擦轉矩是由摩擦片中的油膜剪切產生的黏性轉矩；全粗糙接觸階段的摩擦轉矩是由微凸臺體接觸產生的粗糙轉矩；壓緊階段則是處于兩種狀態之間，摩擦轉矩由黏性轉矩和粗糙轉矩共同構成.

濕式離合器傳遞的黏性轉矩表達式為

(2)

式中：n為離合器摩擦面數；φ為摩擦表面流體因數；ωslip為摩擦表面滑摩角速度差；An為摩擦接觸面積；λ(v′)為潤滑油絕對黏度，v′為摩擦表面滑摩線速度差；r為dAn中微分面積到旋轉軸的半徑；h為油膜厚度.

濕式離合器傳遞的粗糙轉矩Ta近似表達為

Ta=nμ(v′)AcRmpc

(3)

v′=rωslip

(4)

式中：μ(v′)為粗糙接觸摩擦因數；Ac為粗糙接觸面積；Rm為摩擦片平均有效半徑；pc為離合器結合油壓；r為dAc中微分面積到旋轉軸的半徑.

根據式(1)可知整車沖擊度與傳遞轉矩的變化率成正比關系，而根據式(3)可知離合器傳遞轉矩變化率與離合器結合油壓變化率成正比關系，傳統裝載機正是基于此來控制離合器結合油壓變化率減小整車換擋沖擊.而純電驅動裝載機發揮驅動電機主動控制的優勢，工作在轉速模式下對離合器主動端轉速進行調整.由式(2)～(4)可以得出濕式離合器傳遞轉矩與摩擦表面滑摩角速度差有關，即與主、從動端轉速差有關.當摩擦角速度差近似為0時，傳遞轉矩為0，離合器升壓階段(BC)，壓力的變化率不影響整車沖擊度.因此，通過調節轉速差可以使整車換擋時更加平穩，同時離合器結合油壓也可快速升高以減少換擋時間.

當濕式離合器處于滑摩狀態，實際傳遞轉矩為摩擦轉矩.而當濕式離合器處于完全結合狀態，其實際傳遞轉矩表達式為

T=min{Tm,Tc}

(5)

式中：Tm為電機輸出轉矩；Tc為離合器可傳遞的最大轉矩.

換擋結束后，根據式(5)可以得出結合完成后傳遞轉矩取決于電機輸出轉矩和離合器傳遞轉矩的較小值.通常在離合器最大轉矩的選型上留有余量.因此，在離合器結合完成后整車沖擊度取決于驅動電機輸出轉矩.

2.1.2滑摩功分析 換擋過程中，主、從動摩擦片相互滑動摩擦，滑摩功為滑動摩擦力矩所做功，其數學表達式近似為

(6)

根據式(6)可以得出滑動摩擦過程時的離合器摩擦功與主從動摩擦片轉速差成正比，對其轉速差精確地控制，可以大幅減少離合器結合摩擦片相互滑動摩擦所做的滑摩功.

2.1.3換擋時間分析 換擋時間是能夠反映換擋品質的綜合性指標，在保證平順換擋的基礎上，應盡可能縮短換擋時間，其數學表達式為

t=t1+t2+t3+t4+t5

(7)

式中：t1為驅動電機卸扭時間；t2為摘擋離合器分離時間；t3為驅動電機調速時間；t4為結合離合器結合時間；t5為動力恢復時間.

由于驅動電機卸扭時間很短，相對整個換擋過程所需的時間很短，t1可近似為0.忽略油路及離合器油缸的漏損，假定換擋過程中油溫不變，在換擋電機轉速固定的情況下，離合器快速充油所需時間是確定的，即壓力油克服回位彈簧預緊力向活塞缸容腔充油.該過程離合器所傳遞的黏性轉矩較小，對重型工程機械整車的沖擊在可接受的范圍內，且該過程持續時間在整個換擋過程時間占比較大，因此，該過程可同步進行驅動電機主動轉速調節，t3、t4具有重疊部分.在保證整車沖擊度在可接受的范圍內，根據整車每次換擋時不同工況所需恢復的轉矩不同，制定驅動電機恢復策略.與傳統油壓特性固定的緩沖式換擋閥相比，該方式更具有靈活性，且在輕載工況能極大縮短該過程所需的時間.綜上，換擋時間數學表達式修正為

t≤t2+t3+t4+t5

(8)

2.2 換擋控制策略

由TCU識別當前擋位、油門信號、制動信號等，根據整車車速判斷是否進行擋位切換，發出換擋指令，執行換擋.本研究針對純電驅動裝載機提出一種基于驅動電機與離合器壓力復合控制的換擋控制策略.通過壓力變送器采集離合器壓力，對離合器狀態進行判斷，從而判斷是否執行下一階段控制策略.采用變速箱輸出軸轉速傳感器對驅動電機輸出轉速、轉矩閉環控制.綜合考慮整車性能與沖擊度指標，利用電傳動的優勢優化換擋過程中的換擋品質.圖4所示為控制系統原理圖.下面結合圖5所示的換擋系統流程圖進行詳細分析.

圖5 換擋系統控制流程Fig.5 Control process of shift system

2.2.1換擋前 當純電驅動裝載機行走時，驅動電機工作在轉矩模式以保持傳統機型駕駛員的操作習慣，由電子油門信號及擋位決定驅動電機的轉矩輸出.

2.2.2摘擋階段 當發出換擋指令后，驅動電機工作在自由模式，輸出轉矩為0，防止離合器分離過程中驅動電機輸出轉矩溢出對驅動電機輸出軸和整車產生擾動，不利于換擋和影響整車平順性.驅動電機卸扭完成后，執行當前擋位離合器摘擋指令，并通過壓力變送器判斷分離是否完成.

2.2.3轉速同步階段 驅動電機工作在轉速模式，由于裝載機工況較為惡劣，外負載的多變性將很大程度上影響整車換擋過程車速的變化，通過變速箱輸出軸轉速傳感器反饋當前整車車速，采用轉速閉環反饋實現對目標擋位電機輸出轉速實時校正，保證換擋的平順性.驅動電機調速階段，驅動電機目標轉速數學表達式為

(9)

式中：no為變速箱輸出軸轉速；it為變速箱目標擋位傳動比；ic為變速箱當前擋位傳動比.

為了使離合器主動端阻力矩與摩擦力矩方向一致，利于目標離合器主、從動轉速同步，驅動電機目標轉速應略高于理論目標轉速[15].因此，目標轉速數學表達式修正為

(10)

式中：nc為驅動電機轉速修正量.

雖然離合器在調速階段時處于完全分離狀態，但由于其摩擦副間的潤滑油膜剪切作用，產生了帶排轉矩.且由于離合器外徑潤滑液的流速大于內徑流速，在質量守恒的條件下，油膜靠近外徑處出現收縮現象.該階段的帶排轉矩傳遞的轉矩將給整車的換擋平穩性帶來影響，圖6所示為等效外徑Re及帶排轉矩T′隨角速度差ωslip的變化規律[16].因此，轉速同步階段角速度差的變化率將影響轉矩變化率，從而影響整車的沖擊度.

圖6 等效外徑及帶排轉矩隨角速度差變化規律Fig.6 Re and T versus ωslip

該階段根據換擋點及工況的不同，驅動電機調節至目標轉速所需調節的轉速差情況不同，所產生的帶排轉矩將對整車沖擊度造成不同程度的影響.由于帶排轉矩的產生，驅動電機克服不同的阻力調速的同時，需要考慮其自身以及動力電池當前可輸出最大能力，二者均對轉速同步的時間造成較大的影響，而離合器快速充油階段的時間取決于換擋電機及其液壓系統.因此，利用目標離合器快速充油階段進行轉速調節縮短換擋時間時，需要對轉速同步剩余所需的時間進行判斷，通過控制離合器動作時序，確保在離合器升壓階段前完成轉速同步.當同步轉速剩余所需的時間小于離合器快速充油所需的時間時，對目標擋位離合器發出結合指令.

因此，為減小轉速同步階段帶排轉矩對整車沖擊度的影響及考慮驅動電機、動力電池所允許的調速能力與離合器作用所需時間的關系，采用PID控制器對該階段驅動電機目標轉速進行合理的閉環控制，防止由于過電流硬件造成損壞或動力不足對整車能量流管理造成影響等問題，增加調速階段系統穩健性，有效地實現較好的換擋品質.

2.2.4掛擋階段 轉速同步完成后，結合油壓快速上升，為保證該過程的平順性，驅動電機工作在自由模式，對外輸出轉矩為0.

2.2.5動力恢復階段 根據加速踏板開度、車速、參考輸出轉矩及當前裝載機的行駛狀態計算目標轉矩輸出值，使驅動電機工作在轉矩模式并進行動力恢復，至此換擋完成.

3 試驗研究

為了驗證所提出的純電驅動裝載機行走系統方案及其基于驅動電機與離合器壓力復合控制的換擋控制策略的可行性，搭建試驗樣機并進行整車試驗.圖7所示為某50型純電驅動裝載機整車試驗平臺.

圖7 某50純電驅動裝載機整車試驗平臺Fig.7 A complete vehicle test platform of 50-type pure electric drive loader

試驗對象的行走系統方案如圖1所示，電液控制換擋系統如圖2所示，換擋控制流程如圖5所示.整車換擋試驗主要技術參數如表1～3所示.

表1 濕式離合器主要參數Tab.1 Main parameters of wet clutch

表2 各擋位傳動比參數Tab.2 Transmission ratio parameters of each gear

表3 ZL50裝載機整車主要參數Tab.3 Main parameters of ZL50 loader

試驗時，將所需采集的信號通過TCU處理后發送至CAN總線上，采用PCAN-USB(CAN轉USB接口)實現 CAN網絡與PC端的交互，對總線上所需的信號進行采集.由于1擋升2擋與2擋退1擋具有相似性，本文主要對1擋升2擋進行分析[17].試驗在手動換擋模式下進行，正常啟動整車，通過程序檢測窗口對所有的傳感器進行校正，檢查無誤后進行換擋試驗.駕駛員將換擋撥桿從空擋撥至1擋，通過電子油門踏板使整車工作在前進1擋，行駛一段時間后，駕駛員將換擋撥桿從1擋撥至2擋，當2擋離合器完全結合且動力恢復完成后，換擋完成.圖8所示為整車試驗1擋升2擋的壓力、轉速(n)曲線.可以看出18 s開始執行換擋，1擋離合器壓力快速下降.0.5 s后2擋離合器開始結合，該期間驅動電機完成卸扭、轉矩-轉速模式切換、轉速調節.19 s驅動電機轉速基本跟隨輸出軸轉速，調速完成，由轉速模式切換至自由模式，同時2擋離合器快速充油階段基本完成，進入快速升壓階段.該期間驅動電機完成轉速模式切換至自由模式，待2擋離合器結合完成后，驅動電機完成動力恢復，至此換擋完成，換擋時間為1.25 s.圖中曲線與前文換擋過程分析及所提出的控制策略基本吻合.且不同的車輛類型，對于換擋時間的要求也不同，重型車輛、工程車輛等換擋時間通常為2.0～3.5 s左右[18]，故所提出的換擋控制策略縮短了約50%的換擋時間.

圖8 整車試驗1擋升2擋的壓力、轉速曲線Fig.8 Pressure and speed curves from first gear up to second gear in vehicle test

圖9所示為整車試驗1擋升2擋的沖擊度、加速度(a)和車速(v)曲線.結果表明：換擋過程車速幾乎沒有明顯的變化.加速度變化主要出現在離合器壓力變化率較大的位置，最大值在1.23 m/s2以內.沖擊度主要出現在1擋離合器分離、驅動電機調速、快速充油初始階段3個位置.離合器分離時，壓力快速下降，傳遞轉矩發生變化.驅動電機調速時，引起較大的帶排轉矩.快速充油階段，處于滑摩階段，仍存在一定轉速差，傳遞轉矩發生變化.但我國車輛沖擊度的推薦限定值為17.64 m/s3，德國推薦限定值為10 m/s3[19].換擋沖擊度最大值為14.08 m/s3，該數據在可接受的范圍內.

圖9 整車試驗1擋升2擋的沖擊度、減速度和車速曲線Fig.9 Impact degree, deceleration and speed curves from first gear up to second gear in vehicle test

4 結論

(1) 針對純電驅動裝載機提出了行走系統方案上的創新.利用電機過載能力強、調速調矩優良等特性，取消液力變矩器，采用驅動電機直接驅動變速箱的方案，對驅動單元進行了解耦.驅動電機主動控制，發揮其操縱性與節能性的優勢，同時很大程度上提升了傳動效率.

(2) 利用驅動電機的正反轉特性，對變速箱結構方案進行調整，取消傳統的倒擋齒輪和方向離合器，提升了整車傳動效率、增大了可利用空間、簡化了控制、提高了可靠性.

(3) 通過在某50裝載機整車上試驗，驗證了針對純電驅動裝載機的一種基于驅動電機與離合器壓力復合控制的換擋控制策略的可行性.該控制策略能較好地控制離合器與驅動電機配合工作，大幅降低了換擋時間，同時改善了換擋沖擊度和滑摩功.為純電驅動裝載機行走系統及換擋時的離合器和驅動電機控制提供了參考.

(4) 本文僅從換擋時的離合器與驅動電機的配合方面進行了研究，尤其是沖擊度方面仍低于德國推薦值，后續將繼續優化控制算法，提高換擋過程的綜合性能.且本文缺少針對整車不同負載特性下，控制策略調整對換擋品質影響地試驗與分析，該部分研究內容也將是進一步的研究重點之一.