純電動商用車機械式自動變速器綜合換擋策略

趙立軍,張艷芬,劉清河

(哈爾濱工業大學(威海)汽車工程學院,264209,山東威海)

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純電動商用車機械式自動變速器綜合換擋策略

趙立軍,張艷芬,劉清河

(哈爾濱工業大學(威海)汽車工程學院,264209,山東威海)

為了使裝有機械式自動變速器(AMT)的純電動商用車的換擋時機能夠更好地兼顧動力性和經濟性,提出一種綜合換擋策略。為提高工況適應性而引入負載識別思想,通過制動踏板信號、加速踏板開度及其變化率、車速、加速度等控制參數來識別汽車行駛工況,并采用工況分層處理。結合駕駛員意圖和動力電池荷電狀態(SOC)來制定綜合換擋控制策略,采用正交設計法對控制策略參數進行優選,建立了整車的基于MATLAB/Simulink與CRUISE軟件的聯合仿真模型。研究結果表明:仿真分析和實車試驗的數據規律吻合良好,表明了仿真模型的適用性。在實車加速性能試驗中,采用綜合換擋規律,0～50 km/h和50～70 km/h的加速時間分別為23.48 s和24.38 s,與動力性換擋規律接近,明顯優于經濟性換擋規律;在實車郊區路況的經濟性試驗中,采用綜合換擋規律的電池SOC值減少了3.51%,與經濟性換擋規律接近,同樣優于動力性換擋規律,證明提出的綜合換擋控制策略達到了預期的研究目標。

純電動商用車;綜合換擋策略;負載識別

目前,中小型純電動商用車一般采用固定速比傳動,結構簡單,成本低,但電機難以工作在高效區,負載適應性差。為此,國內外對純電動汽車傳動系統的多擋化進行了相關研究[1-4]。然而,對多擋化的研究只是集中在變速器的速比匹配和優化上,對純電動商用車機械式自動變速器(automatic mechanical transmission, AMT)換擋規律的研究較少。

汽車換擋規律主要包括動力性換擋規律和經濟性換擋規律。通常采用電機理想工作曲線特性或綜合考慮電機工作特性和電池系統放電功率來設計動力性換擋規律[5-6],采用消耗電能最小為目標來設計經濟性換擋規律[7],但這些都只是以動力性或經濟性作為單一目標,對于復雜多變的行駛工況,汽車動力和電機效率得不到綜合提高。

對兼顧動力性和經濟性的換擋策略國內外也進行了相關研究。通常,綜合考慮加速時間和電機工作效率,采用模糊控制判斷駕駛員意圖[8]。還有一些研究人員通過比較動力性和經濟性換擋的差異,確定兩者的負荷分界點[9],但這些都只是根據駕駛員意圖來切換(動力性/經濟性)擋位,沒有考慮工況的實時變化,且多停留于理論分析。

針對上述問題,本文以國內開發的某型號純電動后驅掃路車(該車采用東風凱普特N300底盤,為提高對不同負載的適應性,采用5擋無離合器AMT)為研究對象,提出一種基于負載識別的兼顧整車動力性和經濟性的綜合換擋規律,并對實車進行道路試驗。

1 AMT綜合換擋策略

換擋規律實際上就是相鄰兩擋間的換擋時機依據控制參數變化的規律。為充分反映車輛的動態行駛狀況,本文基于最佳動力性動態三參數(車速u、加速踏板開度α、加速度a)換擋規律和最佳經濟性動態三參數(車速u、加速踏板開度α、電機效率η)換擋規律進行研究,并在此基礎上提出綜合換擋規律。

1.1 最佳動力性換擋規律

動態三參數最佳動力性換擋規律的目的是最大程度的利用牽引力[10]。因此,在某一加速踏板開度下,以相鄰兩擋加速度曲線交點對應的車速作為動力性換擋點,各交點連線即為不同加速踏板開度下的最佳動力性升擋曲線。為避免頻繁換擋和循環換擋,采用收斂型降擋規律。

1.2 最佳經濟性換擋規律

動態三參數最佳經濟性換擋規律的目的是充分利用電機高效區域[11-12]。通過臺架實驗計算得到電機效率,采用拉格朗日插值法對試驗數據進行插值,繪制出電機的萬有特性曲線。

在某一加速踏板開度下,以相鄰兩擋電機效率曲線交點對應的車速作為最佳經濟性換擋點,各交點連線即為不同加速踏板開度下的最佳經濟性升擋曲線。為避免頻繁換擋和循環換擋,采用收斂型降擋規律。

1.3 綜合換擋規律

作業工況的多變性易導致換擋不合理[13],故本文在研究了坡道行駛的換擋策略基礎上,又分析了傳統綜合換擋規律的局限性以及駕駛員意圖和復雜工況的耦合,從而制定了工況適應性強的綜合換擋策略。本文采用負載識別技術作為判斷依據,結合相關控制參數識別工況,并運用分層理念進行優先級劃分,從而修正各工況下的換擋規律。

1.3.1 負載識別 本文定義車輛負載為車輛行駛驅動力與正常天氣條件下車輛空載行駛在水平良好路面上的行駛阻力之差,即

FL=Ft-(Ff_idle+Fw_idle+Fj_idle)

(1)

式中:FL、Ft、Ff_idle、Fw_idle、Fj_idle分別為空載狀態下的負載、驅動力、滾動阻力、空氣阻力和加速阻力。

如此定義的負載決定了坡道和載荷是影響掃路車在城郊行駛工況下負載的主要因素,負載的變化對換擋規律的影響很大。動力性換擋曲線是在FL為0的前提下獲得的,若FL不為0,則加速度大小改變,即

(2)

式中:du/dt為行駛加速度;δn為汽車n擋旋轉質量換算系數;m為汽車整備質量。

若仍以FL為0條件下的車速作為換擋點,則由式(2)計算得到的相鄰兩擋的加速度不再相等,即

(3)

由式(3)可以看出,車輛負載FL越大,換擋后加速度的變化就越大,對換擋規律的影響也越大。若FL的值剛好滿足換擋時加速度為零,那么換擋后加速度將為負值,車輛驅動力降低,開始減速,到降擋點降擋,驅動力恢復,重復之前過程,造成換擋循環,影響乘坐舒適性。

純電動掃路車質量大,對坡道變化敏感,若坡道變化以負載值作為判斷依據,則坡道判斷實際上包含了載荷變化在內的綜合阻力變化,因此本文以負載識別為依據判斷坡道變化和修正換擋規律。

1.3.2 綜合換擋策略 為使綜合換擋規律更具有一定的自適應性,將其與駕駛員意圖、動力電池荷電狀態結合,從而形成了綜合換擋控制策略,且掃路車的整車控制器以此進行擋位決策。輸入更多控制參數識別工況可以使換擋控制系統更符合真實情況,換擋控制策略更能適應復雜多變的工況[13-14]。本文通過制動踏板信號、加速踏板開度及其變化率、車速、加速度等控制參數來識別汽車行駛工況:

(1)采用車輛負載值作為判斷依據,坡道分為上坡、下坡和平路。根據坡度的大小,上、下坡分為大坡度(15%～25%)、中坡度(10%～15%)和小坡度(10%以下);

(2)按照駕駛員的操作意圖,車輛行駛狀態分為急加速、緩加速、減速滑行、強制動、緩制動,其中加速的判別依據為加速踏板開度及其變化率,減速的判別依據為制動踏板信號、制動時間和加速度;

(3)根據動力電池荷電狀態(SOC)反饋情況,電池狀態可以分為電量充足(40%以上)及電量不足(40%以下)。

綜合換擋策略控制原理如圖1所示。

圖1 綜合換擋策略控制原理圖

上述工況在某些情況下會交叉出現,導致控制復雜化,為簡化控制,采用工況分層處理方法,工況分級流程圖如圖2所示。

圖2 工況分級流程圖

不同工況的優先級不同,如:由于坡道識別的前提是非制動狀態,所以制動工況的判斷處于最高級別;動力電池電量低時,需要保證經濟性,也具有很高的級別。

由圖2可以看出,由于駕駛員的干預、工況和電池電量的變化,換擋曲線需要及時修正,以保證汽車處于最佳擋位行駛。因此,本文提出基本換擋規律[8],即加速踏板開度穩定、無負載的換擋規律。兩種最佳換擋曲線耦合時以此進行修正:加速踏板開度小于30%時,采用經濟性換擋曲線;開度在30%～70%之間時,動力性和經濟性換擋曲線若有重合點,以重合點為界點,界點以下采用經濟性換擋曲線,重合點以上采用動力性換擋曲線,若沒有重合點,以經濟性換擋曲線上最接近動力性換擋曲線的點作為界點;開度大于70%時,采用動力性換擋曲線。修正后的綜合換擋控制規則如表1所示。

1.4 制動能量回收

本文研究的純電動掃路車采用插電式,電池一次充電6 h。為提高車輛的續駛里程,本文在綜合換擋策略基礎上加入制動能量回收管理技術,以提高整車經濟性。建立再生制動與機械制動的制動份額隨制動強度變化的制動力分配模型,如圖3所示。

表1 綜合換擋控制規則

圖3 再生制動系統制動力分配模型

1.5 綜合換擋策略參數優選

為了尋找影響綜合換擋策略關鍵參數的最優設計和最優組合,本文采用正交設計法安排多因素來仿真綜合換擋策略。結合傳統內燃機車及純電動汽車的相關參數,合理選擇因素水平,從而迅速有效地得到最優結果。上文中以動力電池SOC為40%時作為電量充足與否的分界點,加速踏板開度30%和70%作為換擋曲線的邊界以及制動強度0.1和0.4分別作為純機械制動和最優制動的分界點就是采用此種方法獲得的。

以加速踏板開度α、制動強度z以及動力電池荷電狀態初始值SSOC,0為影響因素,每個因素選取5個水平等級,選定L25(56)正交表,其因素水平表如表2、表3所示。

以SOC變化量ΔSOC和0～50 km/h加速時間t為仿真指標,利用MATLAB/Simulink和CRUISE軟件聯合仿真,其正交表結果如圖4所示。

通過對各因素各水平的指標平均值以及極差計算,綜合平衡兩項指標后,可以列出因素的最優組合:α(30%)z(0.1)SSOC,0(40%);α(30%)z(0.4)SSOC,0(40%);α(70%)z(0.1)SSOC,0(40%);α(70%)z(0.4)SSOC,0(40%)。結合正交表進行分析,加速踏板開度α在30%以上經濟性明顯下降,在70%以上動力性明顯上升,因此加速踏板開度α在30%以下采用經濟性換擋規律,在70%以上采用動力性換擋規律;制動強度z在0.1～0.4之間經濟性優勢不明顯,在0.4以上經濟性優勢明顯,因此制動強度z在0.1以下采用機械制動,在0.4以上采用最優制動;根據3種因素的交互作用,選擇荷電狀態為40%時作為電量充足與否的分界點。

表2 綜合換擋策略仿真因素水平表(α≤40%)

表3 綜合換擋策略仿真的因素水平表(α≥60%)

圖4 L25(56)正交設計結果圖

2 建模及仿真分析

本文采用0～50 km/h和50～70 km/h的加速時間為動力性評價指標,由于純電動掃路車多用于城市工況,所以選用UDC工況下電池SOC變化量為經濟性評價指標,利用MATLAB/Simulink與CRUISE軟件進行聯合仿真(仿真模型如圖5所示),并對動力性、經濟性和綜合換擋規律進行仿真對比。國內開發的某型號純電動掃路車整車參數如表4所示。

圖5 純電動掃路車聯合仿真模型

參數數值整備質量/kg6600迎風面積/m24.5空氣阻力系數0.4車輪滾動半徑/mm370變速器傳動比3.154/2.041/1.365/1.0/0.791主減速比5.286電機額定功率/kW37電機額定轉矩/N·m236電機額定轉速/r·min-11500電機最高轉速/r·min-15000

A:綜合換擋規律;B:動力性換擋規律;C:經濟性換擋規律圖6 3種換擋規律的動力性能仿真對比結果(滿載)

圖6為3種換擋規律的動力性能仿真對比結果。可以看出,車輛滿載時分別采用動力性、經濟性、綜合換擋規律,其0～50 km/h加速時間分別為20.66 s、21.41 s和20.76 s,50～70 km/h加速時間分別為25.99 s、27.2 s和26.40 s。由此得到:綜合換擋規律的動力性能和動力性換擋規律接近,并且優于經濟性換擋規律;車輛在全負荷行駛時,經濟性換擋比綜合換擋以及動力性換擋提前,而綜合換擋規律與動力性換擋規律差別不大。

圖7為3種換擋規律的經濟性能仿真對比結果。可以看出,在SSOC,0均為80%時,動力性、經濟性、綜合換擋規律的SSOC,0分別消耗了7.0%、6.4%和6.0%。由此得到:綜合換擋規律的經濟性能和經濟性換擋規律接近,并且優于動力性換擋規律。

A:綜合換擋規律;B:動力性換擋規律;C:經濟性換擋規律圖7 UDC工況下3種換擋規律的經濟性能仿真變化對比結果(滿載)

3 道路試驗

本試驗對采用綜合換擋規律的純電動掃路車進行測試,包括動力性能測試和經濟性能測試,并且與仿真分析結果進行對比。為清楚對比經濟性換擋、動力性換擋和綜合換擋規律在實車上不同的效果,本試驗對經濟性換擋規律和動力性換擋規律也進行了測試,試驗條件與綜合換擋規律的試驗條件一致。

試驗條件:晴天,室外,煙臺市平直良好的瀝青路面,測試距離12.82 km,空載,動力電池SOC初始值為57%。將加速踏板信號和制動踏板信號作為模擬駕駛員指令輸入到整車控制器,然后通過換擋控制策略選擇最佳擋位,將換擋控制指令通過CAN總線、開關輸出端口等傳給AMT控制器進行換擋操作。整車控制器采集的試驗數據包括行駛時間、行駛距離、車速、電機轉速、電機扭矩、電機溫度、電池電壓、電池電流、電池SOC、電池溫度、擋位、坡度以及轉向泵消耗的功率。

圖8為綜合換擋規律加速性能仿真結果和3種換擋規律加速性能試驗對比結果。由于實際道路是復雜多變的,所以車輛行駛的試驗曲線不能完全吻合仿真曲線,但結果顯示實車能夠盡可能工作在仿真曲線附近。具體分析如下。

(1)綜合換擋規律的試驗和仿真:0～50 km/h加速時間分別為23.48 s和20.16 s;50～70 km/h加速時間分別為24.38 s和21.85 s。這說明,試驗結果和仿真分析的吻合性良好,即本文設計的綜合換擋策略能夠有效保證實車動力性要求。

(2)對比3種換擋規律動力性試驗結果,可以看出:實車采用綜合換擋的0～50 km/h加速時間比動力性換擋長0.04 s,比經濟性換擋短1.64 s;50～70 km/h加速時間和動力性一樣,比經濟性短0.3 s。由此得到:在實車上,綜合換擋規律的動力性與動力性換擋規律接近,兩者在0～50 km/h的動力性明顯優于經濟性換擋規律,但在50～70 km/h三者的動力性差距不大。

圖8 換擋加速性對比

圖9為綜合換擋規律試驗和仿真擋位變化對比結果。由圖9可以看出,由于實車空載行駛,載荷輕,為減少一次換擋操作,實車以2擋起步,中速區以3擋行駛,高速區以4擋、5擋行駛,并且實現連續升擋,與仿真曲線吻合;為了清楚表達換擋控制策略選擇的最佳擋位,設置仿真車輛的換擋過程時間為零,而實車換擋時存在約0.4 s的換擋時間,并且允許存在短時帶擋停車,所以兩條降擋曲線存在區別。總體說明,實車在行駛時能很好跟隨仿真擋位,即綜合換擋策略能夠保證實車擋位要求。

圖9 擋位變化對比

圖10為綜合換擋規律經濟性能仿真結果和3種換擋規律經濟性能試驗對比結果,試驗工況與圖9相同。具體分析如下:

(1)綜合換擋規律的仿真車輛電池SOC值由57.00%降到55.79%,消耗2.12%,實車電池SOC值由57.00%降到55.00%,消耗3.51%,與仿真分析結果接近,這說明本文設計的綜合換擋策略能夠使實車獲得良好的經濟性能。

(2)對比3種換擋規律經濟性試驗結果,可以看出,實車采用綜合換擋的電量消耗值比經濟性換擋多0.5%,比動力性換擋少1.5%,這說明在實車上,綜合換擋規律的經濟性與經濟性換擋規律接近,但明顯優于動力性換擋規律。

圖10 電池SOC變化對比

綜上所述,綜合換擋規律的試驗結果和仿真分析的吻合性良好且能夠很好兼顧動力性和經濟性,保證純電動掃路車在城郊工況的正常行駛。

4 結 論

(1)基于動態三參數最佳動力性換擋規律和動態三參數最佳經濟性換擋規律進行改進,提出了一種兼顧動力性和經濟性的綜合換擋規律。

(2)利用MATLAB/Simulink與CRUISE軟件聯合仿真對比了3種換擋規律,仿真結果表明,綜合換擋規律的動力性和經濟性具有綜合優勢。

(3)對3種換擋規律進行實車道路試驗并對比,結果表明,綜合換擋規律的試驗結果和仿真分析的吻合性良好且兼顧動力性和經濟性,能夠保證車輛在市郊正常行駛,本文研究達到了預期目標。

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(編輯 劉楊 苗凌)

A Comprehensive Shift Strategy of Automatic Mechanical Transmission for Pure Electric Commercial Vehicles

ZHAO Lijun, ZHANG Yanfen, LIU Qinghe

(School of Automobile Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai, Shandong 264209, China)

A comprehensive shift strategy is proposed to consider both the power and economic performances in the shift timing for pure electric commercial vehicles equipped with automatic mechanical transmission (AMT).The load detection is introduced to improve working adaptability, and the working conditions are identified from some control parameters such as the brake pedal signal, the opening of the accelerator pedal and its change rate, velocity, acceleration, and so on, and are processed hierarchically.The development of the comprehensive shift strategy combines the driver intention and power battery state of charge (SOC), and the orthogonal method is used to find the optimal parameters of the control strategy.A joint simulation model based on MATLAB/Simulink and CRUISE is established.It is shown that the results from simulation analysis coincide with the test results well, and the proposed simulation model is applicable.The acceleration time for 0～50 km/h and 50～70 km/h is 23.48 s and 24.38 s in power performance tests when the vehicle is driven with the comprehensive shift schedule.Both of the results are close to those of the power shift schedule, and obviously superior to those of the economic shift schedule.The battery SOC value of the proposed strategy decreases by 3.51% in an economic performance test, and it is close to the economic shift schedule result, and superior to the power shift schedule result.It can be concluded that the prospective goal is achieved by using the proposed comprehensive shift schedule.

pure electric commercial vehicle; comprehensive shift strategy; load detection

2014-10-14。 作者簡介:趙立軍(1975—),男,博士,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51275126);威海市科技發展計劃項目(2012DXGJ13)。

時間:2015-03-19

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150319.1153.006.html

10.7652/xjtuxb201506008

U463.212

A

0253-987X(2015)06-0046-07