純電動防爆車輛AMT換擋控制機理的研究

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任公司，山東省菏澤市，274900；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西省太原市， 030006)

純電動防爆膠輪車以其零排放和低噪音的優勢越來越受到煤礦用戶的青睞和重視。然而，純電動防爆無軌膠輪車整備質量較大，車輛在采用防爆電機直接驅動或單級減速器傳動時，為了滿足車輛在整個運行過程中對最高車速和最大爬坡度的要求，配置的防爆驅動電機往往通過增加裝機功率來適應低速大扭矩和高轉速特性，這使得整車動力匹配后的防爆驅動電機功率過剩、高效區利用率偏低、整車續駛里程偏短，且防爆驅動電機經常運行在高轉矩和大電流狀態，從而增加了電機繞組與電池內阻上的能耗，電池組的大電流放電也縮短了電池的使用壽命。

在常規固定速比變速的傳動路線上配置一個兩擋或三擋AMT換擋變速箱，在不改變車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動電機與動力電池性能的指標要求，同時利用擋位的自行切換調節防爆驅動電機的工作點，提升整車動力性與經濟性。

1 AMT換擋過程數學模型的建立及控制方法

1.1 整個換擋過程動力學建模

AMT換擋過程需要防爆驅動電機、AMT變速箱、各類控制器及執行單元等元件相互協調配合。純電動防爆車輛動力AMT換擋傳動系統比較復雜，在分析換擋過程動力傳動系統動力學與運動學特性時忽略阻尼影響，采用等效集中質量法將其簡化成線性多自由度彈性集中質量系統，各相關部件以集中質量的形式存在。簡化后的純電動防爆車輛AMT換擋傳動系統動力學模型如圖1所示。

純電動防爆車輛AMT傳動系統動力學模型見式(1)和式(2)：

式中：J1——防爆電機的等效轉動慣量，kg·m2；

ω1(t)——防爆電機輸出轉速，r/mim；

Me(t)——防爆電機輸出轉矩，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變速箱輸出軸到車輪各部件的等效轉動慣量，kg·m2；

ω2(t)——AMT變速箱輸出軸轉速，r/mim；

Mc(t)——車輛車輪的阻力矩，N·m；

i0——車輛主減速器速比。

1.2 各階段動力學模型及控制方法

1.2.1 驅動電機卸載階段

該階段要求電機防爆驅動電機進入自由模式，輸出扭矩由當前值下降至0。AMT變速箱輸入軸動力學方程見式(3)：

(3)

式中：ign——目標擋位速比。

AMT變速箱輸出軸動力學方程見式(4)：

(4)

換擋沖擊度j表達式見式(5)：

(5)

式中：j——換擋沖擊度,m/s3;

a(t)——沖擊加速度，m/s2；

r——車輪半徑，m。

為了確保車輛換擋的平順性，卸載階段應合理控制防爆驅動電機的轉矩變化率，使其滿足式(6)：

(6)

式中：jmax——換擋過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變速箱換擋電機以最高轉速驅動換擋執行機構摘擋，縮短摘擋時間。該階段防爆驅動電機的輸出扭矩為0，AMT變速箱輸入軸動力學方程見式(7)：

(7)

AMT變速箱輸出軸動力學方程見式(8)：

(8)

該階段換擋沖擊主要來自同步器內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，因此沖擊度表示為式(9)：

(9)

1.2.3 空擋調速階段

該階段的控制方法目的是控制防爆驅動電機轉速快速而準確地接近目標值。該階段同步器傳遞扭矩為0，AMT變速箱輸入軸動力學方程見式(10)：

(10)

AMT變速箱輸出軸動力學方程見式(11)：

(11)

由沖擊度表達式可知，該階段換擋沖擊度也可以表示為式(12)：

(12)

該階段防爆驅動電機調速時目標轉速見式(13)：

nm=n2ign+n3

(13)

式中：nm——電機目標轉速，r/mim；

n2——變速器輸出軸轉速，r/mim；

n3——轉速修正量，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降低換擋電機轉速，合理延長同步時間，減小換擋沖擊。AMT變速箱輸入軸動力學方程見式(14)：

(14)

式中：Ms(t)——AMT變速箱輸輸出軸的扭矩，N·m。

AMT變速箱輸出軸動力學方程見式(15)：

(15)

按照同步器計算模型，求得的同步器的摩擦轉矩見式(16)：

(16)

式中：f——同步器摩擦錐面的摩擦系數；

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，(°)。

在同步過程中，沖擊度可以表示為式(17)：

(17)

1.2.5 掛擋-掛入目標擋環節

該階段的控制方法目的是換擋電機以最高轉速驅動換擋執行機構掛擋。AMT變速箱輸入軸動力學方程見式(18)：

(18)

AMT變速箱輸出軸動力學方程見式(19)：

(19)

1.2.6 動力恢復階段

該階段的控制方法目的是防爆驅動電機滿足最大沖擊度要求，輸出轉矩恢復至目標值。該階段AMT變速箱工作于目標擋位，防爆驅動電機轉矩由0恢復至目標值，變速器輸入軸動力學方程見式(20)：

(20)

變速器輸出軸動力學方程見式(21)：

(21)

2 AMT換擋過程控制策略

防爆鋰離子蓄電池車輛的防爆驅動電機與AMT變速箱通過花鍵硬性相連，中間沒有安裝離合器或液力變矩器。換擋時完全依賴于防爆驅動電機與AMT變速箱之間的配合，系統中設置有整車控制器(VCM)、驅動電機控制器(MCM)和變速器控制器單元(TCU)，三者之間通過CAN總線進行通信。整車AMT控制系統如圖2所示。

圖2 整車AMT控制系統

變速器控制器單元(TCU)根據油門信號、制動信號、防爆驅動電機轉速以及當前車速等實時信息計算出合適的擋位以及目標轉速，通過CAN 總線將所需的驅動電機工作模式、調速目標轉速等信息發送給整車控制器(VCM)，整車控制器(VCM)進行計算后向驅動電機控制器(MCM)發出指令執行相應的操作，同時AMT變速箱執行機構進行換擋操作，根據換擋機構反饋的選位和換擋位移值判斷是否到位，然后向電機控制器發送新的工作模式指令。AMT換擋過程控制流程如圖3所示。

圖3 AMT換擋過程控制流程

3 樣車測試

為了驗證制定控制策略的正確性及對應的動力性和經濟性，在中國煤炭科工集團太原研究院有限公司生產的純電動防爆車上搭載所開發的樣機進行了臺架試驗，樣機臺架試驗如圖4所示。

樣機臺架試驗采用的是AMT變速驅動系統的第二代車輛，新匹配的驅動電機額定功率降低了18 kW，峰值功率降低了9.75%，最大轉矩降低了9.58%，并以 10 km /h、25 km /h 和35 km /h 恒定車速分別對第一代和第二代兩種不同驅動方式進行了仿真計算，得出在一個SOC周期內車輛的續航里程，試驗結果見表1。

表1 臺架試驗動力性與經濟性結果對比

圖4 樣機臺架試驗

圖5 王家嶺煤礦工況下不同驅動方式下能耗變化曲線

同時，利用MATLAB/Simulink分別搭建固定速比驅動系統與AMT變速驅動系統仿真模型，仿真時基于王家嶺煤礦輔助運輸大巷路譜進行分析，該工況下能耗變化曲線如圖5所示，固定速比電機工作區域和AMT變速電機工作區域如6和圖7所示。按照本文提出的AMT換擋過程控制策略，整個換檔過程沖擊度變化曲線如圖8所示。

圖6 固定速比電機工作區域

圖7 AMT變速電機工作區域

由圖5可以看出，王家嶺煤礦輔助運輸大巷路譜一個循環能耗由27.83降低至21.93，折算續航里程增加7.1 km。由圖6和圖7比較可以看出，采用兩擋自動變速器可以使電機更多地工作在高效區內。車輛在AMT換擋最大沖擊度|jmax|=7.24 m/s3，滿足相關要求，驗證制定的控制策略能夠很好地實現擋位的平順切換，并且換擋時間較短。

圖8 車輛換擋過程沖擊度變化曲線

4 結語

(1)基于對純電動防爆車輛AMT換擋機理進行了分析，建立了換擋過程各階段AMT變速箱輸入軸、輸出軸的動力學方程及換檔沖擊度數學表達式，并提出了對應的控制方法及控制策略。

(2)基于王家嶺煤礦輔助運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現擋位的自動平順切換。

(3)整車性能試驗結果表明，采用AMT變速驅動的純電動防爆車輛整車電機功率下降了18 kW，峰值功率降低了9.75%，最大轉矩降低了9.58%，能耗降低了5.9 kW/h，續駛里程延長了7.1 km。