【摘 要】本文以某款電驅(qū)橋新能源電動(dòng)車為對象，介紹其換擋機(jī)械結(jié)構(gòu)，提煉出與傳統(tǒng)燃油車換擋過程的不同，總結(jié)換擋流程，開發(fā)換擋控制策略模型，基于臺(tái)架、實(shí)車測試數(shù)據(jù)，列舉分析換擋過程中的換擋問題，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，指出換擋問題產(chǎn)生的原因，為新能源電動(dòng)車的換擋問題提出優(yōu)化建議，可以很好地縮短換擋動(dòng)力中斷時(shí)間、減輕換擋頓挫問題，提高換擋品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】新能源；電驅(qū)橋；換擋問題分析

隨著新能源電動(dòng)車的發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)也變得多種多樣，如電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)、電機(jī)加變速箱、電驅(qū)橋等動(dòng)力系統(tǒng)，多數(shù)動(dòng)力系統(tǒng)都面臨著電機(jī)與變速機(jī)構(gòu)的換擋問題。本文針對某款電驅(qū)橋新能源電動(dòng)車，對其換擋結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行介紹，并對換擋流程進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)進(jìn)行換擋控制策略模型的搭建，利用開發(fā)完成的控制策略進(jìn)行臺(tái)架和實(shí)車測試，基于實(shí)測的數(shù)據(jù)，對換擋過程中的問題進(jìn)行匯總分析，并提出優(yōu)化措施。

1 換擋結(jié)構(gòu)及換擋流程介紹

本文所研究的為某款電驅(qū)橋總成，見圖 1。該款電驅(qū)橋搭載高速電機(jī)，將電機(jī) + 變速機(jī)構(gòu) + 驅(qū)動(dòng)橋?qū)崿F(xiàn)集成一體化，其內(nèi)部可以通過變速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擋位的切換，可以更好地調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)，更好地發(fā)揮電機(jī)的特性，提升電驅(qū)橋總成的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。該電驅(qū)橋內(nèi)部的變速機(jī)構(gòu)是沒有同步器的，其結(jié)構(gòu)是采用滑套加電機(jī)調(diào)速 [1] 的方式進(jìn)行換擋，換擋結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

基于該電驅(qū)橋總成的特點(diǎn)和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理，其與傳統(tǒng)燃油車的換擋存在一些不同。一，新能源電動(dòng)車的動(dòng)力源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，傳統(tǒng)燃油車的動(dòng)力源是發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力源不同、特性也不同。二，該款電驅(qū)橋內(nèi)部帶有換擋機(jī)構(gòu)，但沒有離合器；而傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速機(jī)構(gòu)之間一般存在離合器、液力變矩器等部件。三，該款電驅(qū)橋內(nèi)部的變速機(jī)構(gòu)不存在同步器，同步過程是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的快速響應(yīng)特性來實(shí)現(xiàn)換擋前后轉(zhuǎn)速的同步 [2-4]；而傳統(tǒng)燃油車的變速機(jī)構(gòu)大部分都是存在同步器的。

該款電驅(qū)橋新能源電動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車相比，由于存在上述的不同，其換擋流程必然也不完全相同，特將其換擋流程 [5] 進(jìn)行總結(jié)，如下圖所示。

2 換擋控制策略模型的建立

基于換擋流程，針對該電驅(qū)橋的電機(jī)特性和內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用Simulink[6] 開發(fā)換擋控制策略，并建立模型。

整個(gè)換擋控制策略模型主要包括自動(dòng)變速控制模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊、換擋控制模塊、整車狀態(tài)檢測模塊、電機(jī)特性標(biāo)定模塊和電機(jī)輸出控制模塊等幾大部分。

自動(dòng)變速控制模塊，主要是進(jìn)行推薦擋位的處理，給出合適的擋位，為擋位的自動(dòng)切換提供清晰的目標(biāo)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊，主要負(fù)責(zé)進(jìn)擋和摘擋的換擋動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)擋位的保持和分離。換擋控制模塊，主要判斷是否可以進(jìn)行換擋、什么時(shí)候進(jìn)行換擋，并負(fù)責(zé)檢測擋位位置信號，判斷當(dāng)前實(shí)時(shí)擋位，同時(shí)在換擋前后干預(yù)整車扭矩。整車狀態(tài)檢測模塊主要是識別整車狀態(tài)，為換擋控制提供可靠的整車數(shù)據(jù)支持。電機(jī)特性標(biāo)定模塊是基于電機(jī)特性對電機(jī)進(jìn)行標(biāo)定控制。電機(jī)輸出控制模塊是負(fù)責(zé)電機(jī)的輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速以及電機(jī)工作模式的控制，綜合各方的決策，裁定最終的電機(jī)輸出指令。

通過該模型的搭建，可以實(shí)現(xiàn)對整套電驅(qū)橋總成的換擋控制，保證電驅(qū)橋總成的換擋功能正常，確保車輛可以更加平穩(wěn)可靠地進(jìn)行擋位切換及運(yùn)行。

3 換擋問題分析及優(yōu)化

通過對電驅(qū)橋總成的結(jié)構(gòu)分析、換擋流程的總結(jié)以及控制模型的建立，可以順利實(shí)現(xiàn)換擋的基本控制，但要保證車輛非常平穩(wěn)地進(jìn)行換擋，還需要進(jìn)行深入分析與優(yōu)化。本部分基于臺(tái)架測試和實(shí)車測試過程中遇到的問題，通過實(shí)測數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析和比對，提出優(yōu)化措施和解決方案，為提升換擋品質(zhì)提供一定的指導(dǎo)。

3.1 換擋扭矩控制

根據(jù)前文總結(jié)的換擋流程，對其細(xì)化分析可以發(fā)現(xiàn)，在換擋過程中必然存在扭矩變化。在扭矩變化過程中，如果對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩控制處理不到位，必然會(huì)引起換擋頓挫。

圖 4 中上半部分為一擋換二擋的過程，在換擋前的第 4 秒，整車控制器控制電機(jī)進(jìn)行降扭，此時(shí)若像圖 4 中電機(jī)扭矩變化曲線所示，其扭矩從 200 Nm瞬間降為 0，由于車輛前一刻還存在200Nm 的扭矩輸出，下一刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩瞬間降為 0，會(huì)給車輛造成瞬間的動(dòng)力中斷。通過圖 4 上半部分中輸出軸轉(zhuǎn)速、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線可以看出，它們都發(fā)生了不同程度的波動(dòng)，車輛實(shí)際產(chǎn)生了一定的頓挫。即在換擋過程中如果扭矩處理不當(dāng)、降扭過快，會(huì)引起輸出軸轉(zhuǎn)速、車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，引起車輛的震動(dòng)，造成車輛的換擋頓挫。

如果在換擋時(shí)控制電機(jī)扭矩緩慢下降，如圖 4 中下半部分第 93 秒所示，電機(jī)扭矩以一定斜率緩慢降低，通過輸出軸轉(zhuǎn)速、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化可以發(fā)現(xiàn)，此種情況下輸出軸轉(zhuǎn)速、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎沒有波動(dòng)，就可以大幅度降低車輛的換擋頓挫感。

3.2 摘擋與進(jìn)擋控制

在進(jìn)行降扭過程中，何時(shí)進(jìn)行摘擋也會(huì)對換擋的效果產(chǎn)生很大的影響。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍有較大扭矩的時(shí)進(jìn)行摘擋，聲音會(huì)較大，還會(huì)引起后端車速、輸出軸轉(zhuǎn)速的變動(dòng)；如果在電機(jī)扭矩較小時(shí)再進(jìn)行摘擋，摘擋會(huì)比較平順，車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速都不會(huì)有太大波動(dòng)，車輛幾乎沒有頓挫感。圖 5 中橙色標(biāo)記處為二擋換一擋的摘擋過程，可以看到當(dāng)電機(jī)扭矩很小、幾乎為 0 時(shí)，進(jìn)行摘擋回空，此時(shí)車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速都很平穩(wěn)、幾乎保持不變，沒有產(chǎn)生波動(dòng)，車輛沒有任何頓挫的感覺。

同理，在進(jìn)擋過程中也要考慮電機(jī)的扭矩，圖 5 中淺藍(lán)標(biāo)記處為二擋換一擋的進(jìn)擋過程。在進(jìn)入一擋的瞬間，電機(jī)存在 50Nm 左右的扭矩，通過車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，這種電機(jī)帶扭進(jìn)擋勢必會(huì)引起車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，引起車輛的進(jìn)擋頓挫等不舒適感，因此在進(jìn)擋時(shí)也要避免電機(jī)帶扭矩進(jìn)擋，以消除進(jìn)擋完成后車輛的頓挫問題。

3.3 同步窗口控制

在換擋過程中，如果同步窗口太小，可能會(huì)發(fā)生頂齒問題，導(dǎo)致進(jìn)擋困難、有異響，造成進(jìn)擋不順暢，引起換擋問題。圖 6 中藍(lán)色標(biāo)記位置可看到，在進(jìn)擋時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步窗口太小，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行進(jìn)擋動(dòng)作（閥 1 的命令數(shù)值為 1）后，通過藍(lán)色標(biāo)記的擋位位置信號可看到，擋位位置從空擋變化一段距離后，一直保持 不變，擋位一直掛不到位，此時(shí)產(chǎn)生了頂齒問題，延長了換擋時(shí)間，同時(shí)可能引起換擋機(jī)構(gòu)的磨損和異響。此時(shí)可利用第二次的電機(jī)調(diào)速，然后再進(jìn)重新掛擋，圖中黃色標(biāo)記處的擋位位置可看到，其位置由 35 左右變化到了 45，順利變?yōu)槎?、完成換擋。同時(shí)，如果同步窗口太大，也會(huì)造成進(jìn)擋瞬間當(dāng)前的轉(zhuǎn)速與實(shí)際車速不匹配，引起車速抖動(dòng)，導(dǎo)致頓挫。針對此問題，需要在臺(tái)架和實(shí)車上進(jìn)行多輪的標(biāo)定測試，尋找最優(yōu)的換擋轉(zhuǎn)速差，避免速差太小或太大，從而實(shí)現(xiàn)平順進(jìn)擋。

3.4 調(diào)速控制

在進(jìn)行換擋調(diào)速過程時(shí)，應(yīng)保證在空擋，若不在空擋就調(diào)速，會(huì)引起車輛調(diào)速失敗、非意愿降速和升速等問題，同時(shí)也會(huì)造成換擋異響、換擋機(jī)構(gòu)的磨損等問題，加劇換擋頓挫。如圖 7 所示，從一擋回空過程中，擋位位置信號從 18 變到 33 左右、又回到 25 左右，即擋位信號剛回空、然后又退回去，發(fā)生了回空不徹底的問題。此時(shí)若控制電機(jī)調(diào)速，就會(huì)產(chǎn)生下圖 7 所示情況：驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出一個(gè)很大的負(fù)值扭矩（圖中在 -200Nm ～ -300Nm）進(jìn)行調(diào)速，然而由于擋位回空不徹底，電機(jī)即使輸出了很大扭矩，也不能調(diào)速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速值，同時(shí)導(dǎo)致車輛發(fā)生了非意愿的降速，產(chǎn)生了嚴(yán)重的換擋失敗問題。在實(shí)際臺(tái)架和車輛測試階段，一定要杜絕為縮短換擋時(shí)間，忽略摘擋不徹底引起的換擋問題。

除了上述問題，在換擋過程中，還會(huì)面臨其他問題，如何既能縮短換擋時(shí)間、減輕動(dòng)力中斷、降低換擋頓挫，又能減輕換擋機(jī)構(gòu)磨損、避免機(jī)構(gòu)失效問題，仍需在機(jī)械方面和控制方面進(jìn)行聯(lián)合深入研究，共同解決問題。

4 結(jié)語

本文基于某款搭載電驅(qū)橋的新能源車輛，介紹電驅(qū)橋總成的換擋機(jī)械機(jī)構(gòu)，分析了與傳統(tǒng)燃油車之間存在的換擋差異，總結(jié)換擋流程，并建立控制策略模型，然后進(jìn)行臺(tái)架和實(shí)車測試，基于測試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)換擋問題，分析其產(chǎn)生的原因，并提出優(yōu)化解決建議，為電驅(qū)橋總成的換擋優(yōu)化提供參考。

作者：王坤玉;邱勇;陳沖;王孝乾;高國鵬

單位：中國重汽集團(tuán)新能源汽車研究院

來源：重型汽車