某單軸并聯混合動力客車換擋規律的解析

胡宇輝，楊 林，席軍強，陳慧巖

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

前言

國內關于混合動力客車換擋規律的正向研究較多，通常選擇油門開度、車速和電池SOC作為換擋參數［1-3］;也有在升擋和驅動模式下選擇發動機轉矩、電機轉矩、車速和在制動模式下選擇電機制動轉矩、機械制動轉矩和車速作為換擋參數［4］，普遍存在坡道和彎道循環換擋等問題。為提升混合動力換擋規律的設計能力，展開了對國外某先進混合動力系統換擋規律的逆向試驗解析研究，設計了一種換擋規律的試驗解析流程和測試方法，通過實車道路試驗解析系統的換擋規律。

1 試驗平臺

本次試驗選取某中度單軸并聯氣電混合動力客車為試驗平臺，進行換擋規律試驗解析測試，各總成布置情況見圖1。為測試需要，安裝了加速度和AMT輸出軸端轉矩傳感器;測試采用Vector公司的CANoe軟硬件和自制數據采集系統。該車換擋操縱面板上有兩種行駛模式，LOW柄位行駛時1擋起步，擋位在1～5擋之間變化;D柄位行駛時2擋起步，擋位在2～6擋之間變化。

2 換擋參數假設

混合動力車輛在不同模式下動力輸出不一樣，換擋規律的設計必須考慮發動機和電機轉矩分配對整車性能的影響。當車輛行駛于純電動、行車充電和混合驅動模式時，存在換擋與模式切換的協調控制，發動機轉矩、電機轉矩和電池SOC都可能是換擋參數;同時整車加速度、發動機與電機合成轉矩對換擋決策可能也存在影響。

根據對該車的摸底測試，系統采用邏輯門限控制策略，換擋參數可能為油門開度、車速、電池SOC、整車加速度、發動機轉矩、電機轉矩、發動機與電機合成輸出轉矩中幾個參數的組合，如圖2所示。

進行上述假設時，部分參數不能直接獲取準確值，如整車加速度、發動機轉矩、發動機與電機合成輸出轉矩。判斷其是否為換擋參數，只能分析在不同工況和行駛條件下換擋時刻其它相關參數的變化情況，如果有一致性變化趨勢說明可能是換擋參數，再通過輔助試驗測試，最終判斷其是否為換擋參數;如果沒有一致性變化趨勢且變化范圍大則說明不是換擋參數。

換擋參數如果是幾個參數的組合，如油門開度、車速和整車加速度，在不同的路況下加速度是變化的，那么在相同擋位換擋時油門開度和車速也是變化的。如果在不同的路面上進行換擋測試，但是換擋時的油門開度和車速是不變的，那么可以間接說明加速度不是換擋參數。其余參數測試分析原理類似。

3 換擋參數試驗解析

根據換擋參數的關聯性，各參數的解析有先后次序。先進行油門開度和車速測試分析，其次是電池SOC值，之后是整車加速度，最后是發動機轉矩、電機轉矩和合成輸出轉矩，具體試驗解析流程如圖3所示。

試驗過程中設計了油門限位機構對油門進行精確控制;采取上位機過濾轉發報文的方式將電池SOC控制在任意值，進行不同SOC值換擋測試。

3.1 油門開度和車速分析

為分析油門開度和車速是否為換擋參數，進行如下試驗:同一平直路面，LOW和D柄位，90%油門，任意SOC值恒定行駛和隨機油門干預換擋測試。隨著車速的增大，擋位發生變化，出現了油門干預升擋和降擋，進而得知油門開度和車速可能是換擋參數。

3.2 電池SOC值分析

為分析電池SOC是否為換擋參數，進行如下試驗:同一平直路面，LOW和D柄位，分別固定油門開度為70%和100%，以20%、30%、50%、60%、80%、100%初始SOC和恒定SOC進行升、降擋測試。通過試驗數據分析得知，換擋測試過程中，電池SOC值可以連續上升或下降(圖4)、先下降再上升或恒定在某個值(圖5)，由此證明電池SOC值不是影響換擋的參數;然而相同擋位換擋點的參數(如油門開度和車速)非常接近。

3.3 整車加速度分析

為分析整車加速度是否為換擋參數，在車上安裝了加速度傳感器。進行如下試驗:相同路段，LOW和D柄位，分別固定油門開度50%、70%、100%，在平路、下坡、上坡和彎道上進行升降擋測試。圖6和圖7為以70%油門開度分別在平路和長下坡(加速度不同)工況的升擋測試，相同擋位換擋時加速度值變化大且沒有一致性變化趨勢，說明加速度不是換擋參數，但是在相同擋位換擋時的油門開度和車速非常接近。

3.4 電機轉矩和發動機轉矩分析

為分析電機轉矩和發動機轉矩是否為換擋參數，進行如下試驗:LOW和D柄位，同一水平路面，固定油門開度80%，以30%、40%、90%和100%初始SOC恒定行駛換擋測試，見圖8。

從圖8(a)可知，車輛處于行車充電模式完成2升3擋，純發動機模式完成3升4擋;從圖8(b)可知，車輛處于純發動機模式完成2升4擋;從圖8(c)可知，車輛處于混合驅動模式完成2升5擋;從圖8(d)可知，車輛處于純電動模式完成2升4擋。各種行駛條件下換擋請求時刻的電機轉矩和發動機轉矩百分數如表1所示。

表1 請求換擋時電機轉矩和發動機轉矩百分數

從表1可知，請求換擋時刻的電機轉矩可以為負值、0和正值，發動機轉矩百分數可以為任意值(對應的發動機轉矩為任意值)，可以在下坡路面純電動行駛至5擋，二者都沒有一致性變化趨勢，說明電機轉矩和發動機轉矩不是換擋參數。但是上述各種行駛模式下換擋時的油門開度和車速非常接近。

3.5 發動機與電機合成輸出轉矩分析

為分析發動機與電機合成輸出轉矩是否為換擋參數，由于實車結構限制，只能在AMT輸出軸端安裝轉矩傳感器，測量車輛在請求換擋時刻的變速器輸出軸轉矩，通過比例換算確定輸出的合成轉矩。在上述換擋參數的測試中也統計分析了請求換擋時刻的合成輸出轉矩值，測量值可以為任意值且沒有一致性變化趨勢，進而說明合成輸出轉矩不是換擋參數。

3.6 換擋參數分析

通過分析得知，電池SOC、整車加速度、電機轉矩、發動機轉矩、發動機與電機合成轉矩都不是換擋參數。在分析這些參數時統計了相同擋位換擋時刻的油門開度和車速，二者非常接近，再根據對油門開度和車速的分析，可以得知油門開度和車速是該系統AMT的換擋參數。

4 換擋規律控制策略試驗解析

正向設計混合動力客車換擋規律時，可采用先進的控制算法對換擋規律進行優化，目前在實車上應用的常見方法有神經網絡控制、模糊控制和智能換擋，采用這些方法的本質是讓車輛的換擋點動態變化，使車輛行駛于最佳擋位。

神經網絡控制能對行駛路況和駕駛員意圖有一定的學習功能，根據不同駕駛風格選擇不同的換擋點［5］;模糊控制能基于熟練駕駛員手動換擋過程，通過大量試驗獲得模糊矩陣，經模糊決策選擇合理擋位［6］;智能換擋［7］是基于實車行駛環境，融合模糊控制、神經網絡控制和自適應等算法而制定的換擋決策，應用于實車較少。

采用控制策略后換擋點是動態變化的，在實車上可以通過相同路況，不同駕駛風格測試和不同道路條件(山區、城市、高速路況)測試，分析換擋點的變化，確定車輛是否采用換擋規律控制策略。經過1500km的實車測試，統計分析了相同擋位換擋點的變化情況，得出在任意工況下相同擋位換擋時的換擋參數值非常接近，說明系統沒有采用換擋規律控制方法。

5 換擋規律試驗解析

換擋測試路況必須滿足車輛能小油門上升到最高擋位和滿油門下降到最低擋位，需要“V”字形的大坡度長下坡和長上坡路況。

5.1 LOW柄位升降擋測試

10%油門開度間隔，進行油門開度從30% ～100%升擋和油門開度從20% ～100%降擋測試，各油門升擋數據統計結果見圖9，降擋統計結果見圖10;為提高測試數據的準確性，進行了隨機行駛換擋測試，得出LOW柄位修正升降擋規律。

5.2 D柄位升降擋測試

5.2.1 D柄位升擋測試

10%油門開度間隔，進行油門開度從20% ～100%升擋測試，各油門升擋數據統計結果見圖11;為提高測試數據的準確性，進行了隨機行駛升擋測試，得出D柄位修正升擋規律。

5.2.2 D柄位降擋測試

經過大量試驗數據統計分析得知D柄位降擋規則如下:以當前最高擋位為基準分別對應一組降擋點，使發動機工作在當前最佳經濟區域，又保證下一刻進入再生能量回收時電機工作在高效區域。當前最高擋位為6擋、5擋、4擋時分別對應最高6擋、最高5擋、最高4擋降擋規律，當有油門干預時會出現直接6降4擋、6降3擋、6降2擋、5降3擋、5降2擋、4降2擋。

10%油門開度間隔，進行油門開度從20% ～100%最高6擋降擋測試，各油門降擋數據統計結果見圖12;為提高測試數據的準確性，進行隨機行駛降擋測試，得出D柄位修正最高6擋降擋規律。同理可得最高5擋和4擋降擋規律。

6 結論

本文中解決了油門開度和電池SOC值的準確控制問題，能實現不同油門開度和電池SOC值換擋測試。實車測試結果表明:所設計的換擋參數測試方法、換擋規律測試方法和換擋規律測試需求路況是正確的，解析出了系統的換擋規律，為逆向研究混合動力系統換擋規律提供了一種試驗方法，該方法同樣適用于其它車輛。

解析結果表明，該系統的換擋參數是油門開度和車速，即兩參數換擋規律，換擋優先、模式切換在后，二者協調配合，保證車輛正常行駛。LOW柄位相當于傳統的動力型換擋規律，適用于有較大坡度的城市或山區道路;D柄位相當于傳統的經濟型換擋規律，適合于平坦的城市道路和高速工況。

［1］周國清.混合動力大客車換擋決策研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

［2］古艷春.混合動力汽車AMT換擋策略及換擋控制的研究［D］.上海:上海交通大學，2006.

［3］毛起禹.ISG弱混合動力汽車AMT換擋規律研究［D］.上海:同濟大學，2007.

［4］王偉華，王慶年，曾小華.并聯混合動力汽車的換擋規律［J］.吉林大學學報，2009，39:10-13.

［5］何忠波，陳慧巖.陶剛.自動變速車輛擋位決策方法綜述［J］.車輛與動力技術，2002(2):55-59.

［6］羅利鵬.應用于純電動客車的S4-120AMT換擋策略優化［D］.北京:北京理工大學，2012.

［7］葛安林，金輝，張洪坤.一種汽車智能換擋體系的研究［J］.中國機械工程，2001，12(5):585-589.