两档电驱桥换挡分段控制方法研究

赵 彬，柳广照，李一鸣，吕二华，史成淼

(一汽解放汽车有限公司商用车开发院，长春 130011)

0 前言

随着新能源商用车的推广，满足商用车需求的先进驱动形式的开发也显得至关重要。其中，纯电动两档电驱桥适合城市运输使用，具有制造成本低、传动效率高、机械结构简单等特点，新能源商用车配备两档驱动桥可有效提高车辆的动力性及续航里程，可以减少整车对驱动电机功率及电池容量的要求，在未来纯电动汽车市场上有很好的前景。本文研究的内容是无离合器无同步器结构的两档电驱桥的换挡分段控制方法。

1 电驱桥总成概述

由于电机与驱动桥集成的一体式专用桥具有集成度高以及节约整车装配空间的优点，在纯电动商用车上得到了越来越多的应用，主要有电机前横置、电机中置、电机前纵置和电机后纵置等多种结构类型。本文提及的电驱桥结构型式为电机后纵置集成方案(图1)，此方案具有轴承润滑实现容易、重量分配良好、可维修性较好的特点。

电驱桥总成主要由驱动电机、两档变速箱、换挡执行机构和主减组成。其中换挡执行机构结构如图2所示，两档变速箱通过直流有刷电机，驱动换挡执行机构，带动接合套在不同档位间切换，实现换挡动作，接合套的位置通过转角传感器测量。此变速箱无同步器，机械结构较传统AMT变速箱简单，换挡过程中依靠电机调速实现接合套与接合齿圈转速同步，对机械结构进行了简化，降低了成本及工艺要求。无离合器结构增加了变速箱输入轴端的转动惯量，通过对驱动电机扭矩的优化控制，减少了挡位切换时接合套与接合齿圈之间的相互作用力。

图1 电机后纵置集成式驱动桥

图2 换挡执行机构剖面图

换挡过程由变速器控制单元(TCU)控制，电控系统原理图如图3所示，换挡过程中TCU通过CAN总线将动力电机的扭矩和转速控制指令发送给电机控制器(MCU)，通过调节电机转速，实现挡位切换时的转速差控制；通过请求扭矩，快速完成换挡扭矩控制；驱动电机的调速调扭能力是影响动力中断时间的关键因素之一，选用具有较快调速调扭能力的驱动电机总成是减少动力中断的有效方法。

图3 两档电驱桥控制系统简图

2 换挡系统受力分析及控制算法设计

2.1 换挡系统受力分析

根据纯电动两档电驱桥的系统结构，主要对换挡过程中接合套的受力进行理论分析，进而设计回空档、挂挡过程的控制算法。

回空档阶段与有离合器系统相比，驱动电机转动惯量较大，驱动电机不输出扭矩时，接合套与接合齿圈之间的扭矩计算过程如式(1)[1]：

(1)

式中：Tm为接合套与接合齿圈作用扭矩；Tfg为电机阻力矩；i为传动系统传动比；Jin为结合套与电机转子的转动惯量；Jout为变速器输出端的等效转动惯量。

挂挡阶段，结合套受力随位置发生变化，在接合套与接合齿圈接触之前，结合套移动主要受到摩擦力影响，润滑良好时此力较小暂不考虑，在两齿接触时包含图4所示两种过程(ωgr>ωsiv)。

在状态1中，只要标定好合适的转速差及进挡速度范围，在进齿时结合套只受到较小的阻力，状态1与状态2采用相同的力控制方式，因此，结合套受力主要由状态2决定，进齿力根据齿形不同有较大区别，在控制软件中通过添加与转速差、温度相关的数据表来标定进齿力。

图4 进挡状态图

2.2 控制算法设计

依据换挡过程中结合套在不同位置的受力情况，对换挡阶段进行划分，设计换挡分段控制方法，所设计的换挡分段控制方法如图5所示。换挡过程中，对换挡电机的控制包含PID控制与给定换挡力控制两种方式，驱动电机转速闭环和扭矩闭环控制，动电机转子与结合套为刚性连接，驱动电机转子转速即为结合套转速，调节电机转速可实现结合套转速的控制。

回空档卸载过程中，对驱动电机进行扭矩闭环控制，请求目标扭矩为，此时接合套与接合齿圈之间的相互作用力接近于零，摩擦力也接近于零；然后通过PID控制实现回空档动作，换挡电机驱动占空比计算公式如式(2)：

(2)

式中：Dm为换挡电机驱动占空比；E(t)为当前结合套位置与目标位置差值；KP为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

在进挡快速移动阶段，通过对驱动电机的速度闭环控制及对换挡电机快速移动阶段的给定控制，实现进齿时刻的转速差及结合套移动速度的精确控制，标定合理的转速差Δω及进齿速度，调节换挡力即可实现进齿控制；同时请求驱动电机扭矩为Tm，减少驱动电机较大转动惯量对进挡的影响，驱动电机与换挡电机的并行控制可以合理缩短换挡时间。

进齿完成后，设定锁止阶段进挡力为Fr，换挡位置到达预设换挡点后，撤销换挡力并恢复驱动电机驱动扭矩至驾驶员需求扭矩，不同的扭矩恢复速度会影响驾驶员驾驶感受，需按照工况进行标定，扭矩恢复到驾驶员需求扭矩后换挡过程结束。

3 模型仿真

为验证换挡控制算法的有效性，利用Matlab/Simulink工具，建立系统仿真模型[2]。建立的模型包括控制模型与被控对象模型两部分，其中被控对象模型包含整车动力学模型、驱动电机模型、换挡执行机构模型、传动系统模型等[3]，采用的测试用例为驾驶员踩油门加速从一档升二档，模型在环MIL(Model In Loop)仿真[4]模型如图6所示。

图6 MIL仿真的原理图

其中，换挡执行机构的建模是验证回空档及进挡控制算法的关键，是验证换挡过程控制模型在环仿真(MIL)有效性的前提，模型计算原理如图7所示。

图7 换挡执行机构模型原理图

挡位切换的仿真结果如图8所示，控制算法按照设计好的分段控制方法控制被控对象完成降扭、回空档、调速、进挡、升扭等过程，各状态切换逻辑及控制算法功能符合预期，满足进入整车验证阶段的条件。

图8 MIL仿真的结果

4 换挡控制算法整车验证

在MIL测试阶段，已完成对换挡控制算法的初步验证，保证了控制算法逻辑的正确性，为了进一步检验所设计控制算法的控制性能，将控制算法在整车环境下进行了试验。试验车辆为某款纯电动轻型卡车，满足算法整车验证的车辆需求，在模拟城市平坦路况的试验场环境下，对升挡过程进行了试验，试验的换挡过程曲线如图9所示。

图9 实车换挡过程曲线

从图6可以看出，在电机降扭后，回空档控制快速无超调，通过反复试验，证明算法满足此工况下回空档控制性能要求(理论上接合套与接合齿圈之间的相互作用力接近于0，此时的PID控制外界干扰较少)；在回空档动作完成后，电机快速调速，达到合理转速差，结合套向啮合位置移动同时请求驱动电机目标扭矩，然后控制换挡力完成进挡动作。经反复试验，此工况下，换挡成功率接近100%，换挡冲击小，换挡动力中断时间在1 s以内。

5 结语

本文以两档电驱桥换挡系统为研究对象，首先，对两档电驱桥的系统结构进行了介绍，对换挡过程中结合套与接合齿圈之间的相互作用力进行了理论分析；其次，在理论计算的基础上，设计了对驱动电机及换挡执行机构协调控制的换挡分段控制方法，并对此过程进行了MIL仿真验证和整车验证。试验证明，使用此策略进行换挡控制，换挡成功率高、换挡时间短、换挡冲击小，满足车辆对操纵性及舒适性的要求，可为纯电动车用无同步器和离合器的变速箱控制算法的开发提供参考。