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純電動(dòng)客車AMT換擋策略研究與仿真分析
2020-04-22 23:32:58· 來源：EDC電驅(qū)未來
在AMT兩擋純電動(dòng)客車研發(fā)過程中，換擋策略的制定至關(guān)重要，換擋策略的優(yōu)劣直接影響車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等[1-3]。根據(jù)換擋策略制定過程中考慮的影響因素
在AMT兩擋純電動(dòng)客車研發(fā)過程中，換擋策略的制定至關(guān)重要，換擋策略的優(yōu)劣直接影響車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等 [1-3] 。根據(jù)換擋策略制定過程中考慮的影響因素，其換擋策略類型可分為：單參數(shù)換擋、雙參數(shù)換擋和三參數(shù)換擋。其中，只考慮車速的單參數(shù)換擋策略無法根據(jù)駕駛員的需求進(jìn)行換擋，不能適應(yīng)復(fù)雜的車輛運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)用較少；考慮車速和加速踏板開度的雙參數(shù)換擋策略，因駕駛員可通過控制加速踏板開度進(jìn)行換擋，使得該策略得到較為廣泛的應(yīng)用 [4-5] ；而考慮車速、加速踏板開度和加速度的三參數(shù)動(dòng)態(tài)換擋策略，因電機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程復(fù)雜，使得數(shù)據(jù)難以獲得，換擋策略復(fù)雜使得控制器系統(tǒng)成本較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，目前應(yīng)用不多 [6-8] 。
本文擬對某款不帶離合器的兩擋AMT純電動(dòng)客車制定雙參數(shù)換擋策略，并使用基于前向仿真的Cruise軟件建立整車模型[9]，對整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證換擋策略的可行性。
1 換擋規(guī)律的制定
在制定換擋策略時(shí)，需在保證電動(dòng)客車有足夠動(dòng)力性的同時(shí)，盡量降低其電耗，以提高其續(xù)駛里程。通常中小油門開度以保證最佳燃料經(jīng)濟(jì)性為主，兼顧動(dòng)力性；大油門開度則以獲得最佳動(dòng)力性為主。
1.1 最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律
車輛動(dòng)力性的評定指標(biāo)主要有3個(gè)[10]：最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度。以加速時(shí)間最優(yōu)為目標(biāo)的雙參數(shù)換擋策略，是指自動(dòng)變速系統(tǒng)能夠使汽車在具有最大動(dòng)力的換擋點(diǎn)進(jìn)行換擋操作，從而獲得最佳的加速能力和爬坡能力[11]。在相同加速踏板開度下，換擋點(diǎn)的確定有2種方法：一是根據(jù)換擋前后驅(qū)動(dòng)力相等或相近確定換擋點(diǎn)，該方法體現(xiàn)的是車輛的穩(wěn)態(tài)情況；二是根據(jù)換擋前后加速度相等或相近確定換擋點(diǎn)，該方法與車輛實(shí)際換擋過程的動(dòng)態(tài)加速情況相符。文中以第二種確定換擋點(diǎn)的方法進(jìn)行最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律制定。
根據(jù)電動(dòng)車輛動(dòng)力學(xué)理論可知[12]，車輛運(yùn)動(dòng)過程中的力平衡方程為：
(1)
即：
(2)
v=0.377nr/(igi0)
(3)
式中：Tt為驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；ig為變速器速比，ig1=2.45,ig2=1；i0為主減速器速比，值為6.17；η為機(jī)械傳動(dòng)效率；r為輪胎半徑，值為0.51 m；m為整車總質(zhì)量，值為16 400 kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為坡道；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性曲線如圖1和圖2所示。在加速踏板開度100%狀態(tài)下，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線及式(2)和式(3)繪制1擋和2擋的車速-加速度曲線，如圖3所示，確定加速踏板開度100%狀態(tài)下車輛的換擋車速。
圖1 加速踏板開度-轉(zhuǎn)速-驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩曲線
圖2 電機(jī)萬有特性MAP曲線
圖3 加速踏板開度為100%時(shí)車速-加速度曲線
由圖3可知，換擋前后相鄰兩擋的加速度曲線在A處不相交，即換擋前后車輛加速度發(fā)生變化，屬于邊界點(diǎn)換擋。使用邊界點(diǎn)換擋需注意：如升擋后，加速度為正，則進(jìn)行升擋；若升擋后，加速度為負(fù)，則保持原來擋位。加速踏板開度為100%時(shí)，AMT兩擋加速度曲線邊界點(diǎn)A對應(yīng)的車速即為1擋升2擋的換擋車速。根據(jù)以上方法，按圖1加速踏板開度-轉(zhuǎn)速-驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩曲線，求出不同加速踏板開度下的1、2擋加速度曲線的交點(diǎn)或邊界點(diǎn)對應(yīng)的車速，將各換擋車速相連即得到不同加速踏板開度下對應(yīng)的最佳動(dòng)力性升擋曲線。由于換擋過程存在動(dòng)力中斷情況，車速會下降1～2 km/h，所以在設(shè)計(jì)降擋曲線時(shí)，需考慮降擋速差以避免降擋曲線過于接近升擋曲線，出現(xiàn)反復(fù)循環(huán)換擋的現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，降擋速差一般取2～8 km/h。
1.2 最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律
最佳經(jīng)濟(jì)性換擋是指AMT變速器能夠使車輛以較高的效率或較低的能量消耗率行駛。本文制定最佳經(jīng)濟(jì)性換擋的原則是盡可能使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在高效率區(qū)，即換擋時(shí)刻效率相等，換擋后效率優(yōu)于換擋前。
由式(1)和式(3)可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩是主減速比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，同時(shí)由圖1和圖2可知：
(4)
以換擋后驅(qū)動(dòng)電機(jī)盡量在高效區(qū)工作為原則，得到不同踏板開度下?lián)Q擋點(diǎn)公式為：
(5)
在加速踏板開度100%狀態(tài)下，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)萬有特性MAP曲線和式(5)繪制1擋和2擋的車速-效率曲線如圖4所示，得到踏板開度為100%狀態(tài)下基于最佳經(jīng)濟(jì)性的換擋車速。按以上方法依次得到不同踏板開度下的車速-效率曲線，進(jìn)而得到基于最佳經(jīng)濟(jì)性的兩參數(shù)換擋規(guī)律。
圖4 加速踏板開度為100%時(shí)車速-效率曲線
根據(jù)客車擋位越低電機(jī)負(fù)荷率越低、電耗越高的特點(diǎn)，在中低速行駛時(shí)以降低電耗為主，采用基于經(jīng)濟(jì)性換擋的換擋規(guī)律；高速行駛時(shí)以動(dòng)力性為主，采用基于最佳動(dòng)力性換擋的換擋規(guī)律，最終得到綜合兩參數(shù)換擋規(guī)律如圖5所示。
圖5 兼顧動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的換擋策略
2 仿真分析
在Cruise中建立純電動(dòng)客車AMT兩擋整車模型，如圖6所示。采用變速器控制程序和控制模塊根據(jù)前文制定的換擋策略定義整車換擋過程，駕駛員模型設(shè)置為自動(dòng)換擋。在模型中建立計(jì)算任務(wù)，對整車最大爬坡度、0～50 km/h加速時(shí)間、等速40 km/h工況下的電耗進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：車輛的最大爬坡度為21.04%，0～50 km/h的加速時(shí)間為13.45 s，等速40 km/h電耗為45.38 kW·h/100 km。
圖6 整車Cruise模型
0～50 km/h加速過程中，車輛加速特性曲線如圖7所示。
由圖7可知，換擋前加速度為0.682 m/s2，換擋后加速度為0.74 m/s2，換擋后加速度為正，可進(jìn)行升擋；換擋前后加速度不相等，但誤差小于10%，可實(shí)現(xiàn)順利換擋。同時(shí)由以上仿真結(jié)果可知，車輛的經(jīng)濟(jì)性滿足整車性能需求。因此本文建立的雙參數(shù)換擋策略是可行的。
圖7 車輛加速度特性曲線
3 結(jié)束語
本文兼顧動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性制定了組合型雙參數(shù)換擋策略，其中低速時(shí)以經(jīng)濟(jì)性為主，高速時(shí)以動(dòng)力性為主；采用Cruise軟件搭建整車模型對換擋策略進(jìn)行了驗(yàn)證。文中采用靜態(tài)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，未考慮電池、變速器等因素，對結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定影響，后續(xù)可進(jìn)一步研究；同時(shí)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的切換車速也可進(jìn)一步優(yōu)化，以獲得更優(yōu)的換擋策略。
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