電機(jī)與離合器復(fù)合控制的電動(dòng)裝載機(jī)換擋策略

任好玲， 蔡少樂， 陳其懷， 林添良， 郎 彬

(1. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021； 2. 廈門廈工機(jī)械股份有限公司， 福建 廈門 361021)

近年來，隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、燃煤和機(jī)動(dòng)車污染防治力度的加大，非道路移動(dòng)源排放逐漸凸顯[1].此外，各國對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，我國也相繼出臺(tái)了一系列與非道路移動(dòng)源相關(guān)的節(jié)能減排政策[2-4].在2018年發(fā)布的《非道路移動(dòng)機(jī)械污染防治技術(shù)政策》[5]中，提出以柴油機(jī)等壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的非道路移動(dòng)機(jī)械，至2020年要求達(dá)到國四的排放標(biāo)準(zhǔn)，至2025年達(dá)到國際先進(jìn)排放標(biāo)準(zhǔn).工程機(jī)械作為一種高作業(yè)效率的非道路車輛，被廣泛應(yīng)用于基建、礦山、港口以及道路等建設(shè)與運(yùn)輸中.生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)(2019)》公布了工程機(jī)械占非道路移動(dòng)源排放總量的35%[6].因此，工程機(jī)械對(duì)環(huán)境的污染也不容小覷，節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與技術(shù)革新勢(shì)在必行.

鑒于純電驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)在傳動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方案上具有較大的差異，現(xiàn)有的換擋控制策略無法很好地應(yīng)用于純電驅(qū)動(dòng)重型工程機(jī)械.傳統(tǒng)裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)需兼顧行走驅(qū)動(dòng)、液壓系統(tǒng)等工作裝置，不能有效主動(dòng)地調(diào)節(jié)換擋過程中驅(qū)動(dòng)單元的輸出.雖能采用液力變矩器發(fā)揮其自動(dòng)適應(yīng)性等特點(diǎn)，在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，但也使控制更為復(fù)雜且存在效率較低、高效范圍窄等問題.而電機(jī)以其過載能力強(qiáng)、調(diào)速調(diào)矩優(yōu)良等特性能夠較好地對(duì)整車的動(dòng)力輸出進(jìn)行主動(dòng)控制，取消傳統(tǒng)機(jī)型上的自適應(yīng)變矩器，由電機(jī)主動(dòng)控制匹配離合器工作，能夠在實(shí)現(xiàn)整車高效率、低噪聲和零排放目標(biāo)的基礎(chǔ)上，提高換擋品質(zhì)[7].且裝載機(jī)在非結(jié)構(gòu)路面上作業(yè)和行駛時(shí)振動(dòng)劇烈、穩(wěn)定性差，需要頻繁切換擋位來保證動(dòng)力需求，據(jù)統(tǒng)計(jì)每小時(shí)可達(dá)千次，平均3.6 s完成一次換擋[8].如果換擋過程沖擊度大，長時(shí)間和重復(fù)性的工況極易對(duì)駕駛員造成嚴(yán)重的駕駛疲勞并增加作業(yè)事故的風(fēng)險(xiǎn).因此，合理設(shè)計(jì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)較快的平順換擋具有重要意義.

針對(duì)上述問題，在整車方案上提出雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，由液壓工作電機(jī)和行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，解耦后利用電機(jī)的優(yōu)良特性及主動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)取消傳統(tǒng)液力傳動(dòng)中的變矩器，根據(jù)裝載機(jī)作業(yè)負(fù)載大、操縱頻繁的特點(diǎn)，采用濕式多片離合器.在換擋控制上，針對(duì)新的系統(tǒng)方案，為了發(fā)揮電傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，提出一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與濕式離合器壓力復(fù)合控制的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)換擋控制策略，采用電液換擋控制系統(tǒng)對(duì)濕式離合器充、泄油過程進(jìn)行控制，同時(shí)分析濕式離合器及純電驅(qū)動(dòng)整車動(dòng)力單元等工作特性，對(duì)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)控制，使其工作在不同模式下匹配濕式離合器充、泄油過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速.最后，基于整車完成對(duì)該系統(tǒng)及控制策略的試驗(yàn).

1 純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)系統(tǒng)原理

1.1 行走系統(tǒng)方案

圖1所示為純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)系統(tǒng)方案，包括電氣部分和機(jī)械傳動(dòng)部分.電氣部分由控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN總線)完成各個(gè)控制單元之間的通訊，包括電池管理系統(tǒng)(BMS)、電機(jī)控制單元(MCU)、變速箱控制單元(TCU)等.由動(dòng)力鋰電池通過BMS對(duì)電機(jī)等供電，并由TCU接收來自駕駛室的擋位、油門和制動(dòng)等信號(hào)，以及接收和處理各個(gè)控制單元信號(hào)并對(duì)其發(fā)出控制指令.最后通過電液控制換擋系統(tǒng)對(duì)變速箱的各個(gè)離合器進(jìn)行控制，并將壓力和轉(zhuǎn)速信號(hào)采集反饋給TCU以完成相應(yīng)的閉環(huán)控制.該系統(tǒng)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)與行走系統(tǒng)的解耦，發(fā)揮純電驅(qū)動(dòng)操作性與節(jié)能的優(yōu)勢(shì).此處僅針對(duì)行走系統(tǒng)展開研究，對(duì)液壓系統(tǒng)不做詳細(xì)闡述.

圖1 純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)系統(tǒng)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of pure electric drive loader system

機(jī)械傳動(dòng)部分采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變速箱的方案，由變速箱內(nèi)部的濕式離合器實(shí)現(xiàn)齒輪逐級(jí)傳遞，再由萬向傳動(dòng)軸、前后驅(qū)動(dòng)橋(主傳動(dòng)、差速器、半軸)、輪邊、輪胎輪輞總成實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng).針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)，取消了變速箱集成的液力變矩器；利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)特性實(shí)現(xiàn)整車前進(jìn)、倒車，取消了傳統(tǒng)的倒擋齒輪和方向離合器，將前進(jìn)擋定義為動(dòng)力擋.該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 提高了整車傳動(dòng)的效率；② 減小了外油路及變速箱的安裝空間；③ 簡(jiǎn)化了電氣控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了整車的可靠性.

1.2 電液控制換擋系統(tǒng)原理

圖2所示為純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)電液控制換擋系統(tǒng)原理圖，由換擋電機(jī)-泵為系統(tǒng)提供壓力油；由電磁換向閥、液控?fù)Q向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力離合器、一擋離合器和二擋離合器供油，同時(shí)保證一擋、二擋離合器不存在掛雙擋的情況；由電磁換向閥對(duì)烏龜兔子模式油缸供油，完成變速箱嚙合套的烏龜兔子模式切換；并由傳感器對(duì)離合器當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行反饋.

1—換擋電機(jī), 2—液壓泵, 3—過濾器, 4—安全閥, 5—單向閥, 6，14，17，18—壓力傳感器, 7，8，9，10，11，12—兩位三通電磁換向閥, 13—三位五通換向閥, 15—?jiǎng)恿蹼x合器, 16—烏龜兔子模式油缸, 19—一擋離合器, 20—二擋離合器圖2 純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)電液控制換擋系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of electro hydraulic control shift system for pure electric drive loader

2 控制策略

由前文分析可知，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變速箱的方案充分發(fā)揮了純電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)是解決傳統(tǒng)整車效率低及提高續(xù)航等問題的重要途徑之一，但是換擋品質(zhì)的優(yōu)劣將直接影響整車的操縱性和安全性[9].因此，開發(fā)合理的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)換擋控制策略具有必要性.

2.1 換擋過程分析

圖3所示為濕式離合器換擋過程理想壓力曲線，圖中：t為換擋時(shí)間；p為壓力.傳統(tǒng)裝載機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)通過液力變矩器與變速箱連接，基于液力傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)變速箱工作.只能通過控制濕式離合器壓力提供整車動(dòng)力及優(yōu)化換擋品質(zhì).通常分為① 快速充油階段(OAB)；② 離合器快速升壓階段(BC′)；③ 緩沖升壓階段(C′D′)；④ 階躍升壓階段(D′D)[10-12].而所提出的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)方案將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速箱解耦，對(duì)變速箱輸出轉(zhuǎn)矩的控制不再完全基于對(duì)結(jié)合油壓的控制，而是離合器壓力與驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制相結(jié)合，利用電傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，精確快速地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速較好地匹配離合器工作.提出的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)離合器換擋過程理想壓力曲線主要分為兩個(gè)階段：① 快速充油階段(OAB)；② 離合器升壓階段(BC).C點(diǎn)以后離合器維持在系統(tǒng)設(shè)定壓力，至此離合器結(jié)合動(dòng)作完成.換擋過程發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制輸出，簡(jiǎn)化了對(duì)油壓的控制，很大程度上減小了換擋所需的時(shí)間.

圖3 濕式離合器換擋過程理想壓力曲線Fig.3 Ideal pressure curve of wet clutch during shifting process

換擋時(shí)，有平穩(wěn)性良好和離合器壽命長兩項(xiàng)基本要求.優(yōu)化換擋品質(zhì)的目的在于提高換擋平穩(wěn)性、減小整車沖擊，使駕駛更加舒適；減少摩擦產(chǎn)生的熱量及能量損失，并提高離合器工作的可靠性，保證其壽命.其指標(biāo)有沖擊度、滑摩功和換擋時(shí)間等.

2.1.1沖擊度分析 對(duì)整車縱向加速度關(guān)于時(shí)間求導(dǎo)，沖擊度j由傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率近似表示為

(1)

式中：a為車輛縱向加速度；R為車輪半徑；i為總傳動(dòng)比；ω為變速箱輸出軸旋轉(zhuǎn)角速度；Iv為輸入軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；T為傳遞轉(zhuǎn)矩.

濕式離合器結(jié)合特性分為擠壓、壓緊和全粗糙接觸3個(gè)階段[13-14].其中，擠壓階段的摩擦轉(zhuǎn)矩是由摩擦片中的油膜剪切產(chǎn)生的黏性轉(zhuǎn)矩；全粗糙接觸階段的摩擦轉(zhuǎn)矩是由微凸臺(tái)體接觸產(chǎn)生的粗糙轉(zhuǎn)矩；壓緊階段則是處于兩種狀態(tài)之間，摩擦轉(zhuǎn)矩由黏性轉(zhuǎn)矩和粗糙轉(zhuǎn)矩共同構(gòu)成.

濕式離合器傳遞的黏性轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

(2)

式中：n為離合器摩擦面數(shù)；φ為摩擦表面流體因數(shù)；ωslip為摩擦表面滑摩角速度差；An為摩擦接觸面積；λ(v′)為潤滑油絕對(duì)黏度，v′為摩擦表面滑摩線速度差；r為dAn中微分面積到旋轉(zhuǎn)軸的半徑；h為油膜厚度.

濕式離合器傳遞的粗糙轉(zhuǎn)矩Ta近似表達(dá)為

Ta=nμ(v′)AcRmpc

(3)

v′=rωslip

(4)

式中：μ(v′)為粗糙接觸摩擦因數(shù)；Ac為粗糙接觸面積；Rm為摩擦片平均有效半徑；pc為離合器結(jié)合油壓；r為dAc中微分面積到旋轉(zhuǎn)軸的半徑.

根據(jù)式(1)可知整車沖擊度與傳遞轉(zhuǎn)矩的變化率成正比關(guān)系，而根據(jù)式(3)可知離合器傳遞轉(zhuǎn)矩變化率與離合器結(jié)合油壓變化率成正比關(guān)系，傳統(tǒng)裝載機(jī)正是基于此來控制離合器結(jié)合油壓變化率減小整車換擋沖擊.而純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)，工作在轉(zhuǎn)速模式下對(duì)離合器主動(dòng)端轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整.由式(2)～(4)可以得出濕式離合器傳遞轉(zhuǎn)矩與摩擦表面滑摩角速度差有關(guān)，即與主、從動(dòng)端轉(zhuǎn)速差有關(guān).當(dāng)摩擦角速度差近似為0時(shí)，傳遞轉(zhuǎn)矩為0，離合器升壓階段(BC)，壓力的變化率不影響整車沖擊度.因此，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速差可以使整車換擋時(shí)更加平穩(wěn)，同時(shí)離合器結(jié)合油壓也可快速升高以減少換擋時(shí)間.

當(dāng)濕式離合器處于滑摩狀態(tài)，實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩為摩擦轉(zhuǎn)矩.而當(dāng)濕式離合器處于完全結(jié)合狀態(tài)，其實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

T=min{Tm,Tc}

(5)

式中：Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tc為離合器可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩.

換擋結(jié)束后，根據(jù)式(5)可以得出結(jié)合完成后傳遞轉(zhuǎn)矩取決于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的較小值.通常在離合器最大轉(zhuǎn)矩的選型上留有余量.因此，在離合器結(jié)合完成后整車沖擊度取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩.

2.1.2滑摩功分析 換擋過程中，主、從動(dòng)摩擦片相互滑動(dòng)摩擦，滑摩功為滑動(dòng)摩擦力矩所做功，其數(shù)學(xué)表達(dá)式近似為

(6)

根據(jù)式(6)可以得出滑動(dòng)摩擦過程時(shí)的離合器摩擦功與主從動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)速差成正比，對(duì)其轉(zhuǎn)速差精確地控制，可以大幅減少離合器結(jié)合摩擦片相互滑動(dòng)摩擦所做的滑摩功.

2.1.3換擋時(shí)間分析 換擋時(shí)間是能夠反映換擋品質(zhì)的綜合性指標(biāo)，在保證平順換擋的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能縮短換擋時(shí)間，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

t=t1+t2+t3+t4+t5

(7)

式中：t1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸扭時(shí)間；t2為摘擋離合器分離時(shí)間；t3為驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速時(shí)間；t4為結(jié)合離合器結(jié)合時(shí)間；t5為動(dòng)力恢復(fù)時(shí)間.

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸扭時(shí)間很短，相對(duì)整個(gè)換擋過程所需的時(shí)間很短，t1可近似為0.忽略油路及離合器油缸的漏損，假定換擋過程中油溫不變，在換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速固定的情況下，離合器快速充油所需時(shí)間是確定的，即壓力油克服回位彈簧預(yù)緊力向活塞缸容腔充油.該過程離合器所傳遞的黏性轉(zhuǎn)矩較小，對(duì)重型工程機(jī)械整車的沖擊在可接受的范圍內(nèi)，且該過程持續(xù)時(shí)間在整個(gè)換擋過程時(shí)間占比較大，因此，該過程可同步進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，t3、t4具有重疊部分.在保證整車沖擊度在可接受的范圍內(nèi)，根據(jù)整車每次換擋時(shí)不同工況所需恢復(fù)的轉(zhuǎn)矩不同，制定驅(qū)動(dòng)電機(jī)恢復(fù)策略.與傳統(tǒng)油壓特性固定的緩沖式換擋閥相比，該方式更具有靈活性，且在輕載工況能極大縮短該過程所需的時(shí)間.綜上，換擋時(shí)間數(shù)學(xué)表達(dá)式修正為

t≤t2+t3+t4+t5

(8)

2.2 換擋控制策略

由TCU識(shí)別當(dāng)前擋位、油門信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)等，根據(jù)整車車速判斷是否進(jìn)行擋位切換，發(fā)出換擋指令，執(zhí)行換擋.本研究針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)提出一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器壓力復(fù)合控制的換擋控制策略.通過壓力變送器采集離合器壓力，對(duì)離合器狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而判斷是否執(zhí)行下一階段控制策略.采用變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制.綜合考慮整車性能與沖擊度指標(biāo)，利用電傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)優(yōu)化換擋過程中的換擋品質(zhì).圖4所示為控制系統(tǒng)原理圖.下面結(jié)合圖5所示的換擋系統(tǒng)流程圖進(jìn)行詳細(xì)分析.

圖5 換擋系統(tǒng)控制流程Fig.5 Control process of shift system

2.2.1換擋前 當(dāng)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式以保持傳統(tǒng)機(jī)型駕駛員的操作習(xí)慣，由電子油門信號(hào)及擋位決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出.

2.2.2摘擋階段 當(dāng)發(fā)出換擋指令后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在自由模式，輸出轉(zhuǎn)矩為0，防止離合器分離過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩溢出對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸和整車產(chǎn)生擾動(dòng)，不利于換擋和影響整車平順性.驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸扭完成后，執(zhí)行當(dāng)前擋位離合器摘擋指令，并通過壓力變送器判斷分離是否完成.

2.2.3轉(zhuǎn)速同步階段 驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速模式，由于裝載機(jī)工況較為惡劣，外負(fù)載的多變性將很大程度上影響整車換擋過程車速的變化，通過變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器反饋當(dāng)前整車車速，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)擋位電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)校正，保證換擋的平順性.驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(9)

式中：no為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速；it為變速箱目標(biāo)擋位傳動(dòng)比；ic為變速箱當(dāng)前擋位傳動(dòng)比.

為了使離合器主動(dòng)端阻力矩與摩擦力矩方向一致，利于目標(biāo)離合器主、從動(dòng)轉(zhuǎn)速同步，驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速應(yīng)略高于理論目標(biāo)轉(zhuǎn)速[15].因此，目標(biāo)轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)表達(dá)式修正為

(10)

式中：nc為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速修正量.

雖然離合器在調(diào)速階段時(shí)處于完全分離狀態(tài)，但由于其摩擦副間的潤滑油膜剪切作用，產(chǎn)生了帶排轉(zhuǎn)矩.且由于離合器外徑潤滑液的流速大于內(nèi)徑流速，在質(zhì)量守恒的條件下，油膜靠近外徑處出現(xiàn)收縮現(xiàn)象.該階段的帶排轉(zhuǎn)矩傳遞的轉(zhuǎn)矩將給整車的換擋平穩(wěn)性帶來影響，圖6所示為等效外徑Re及帶排轉(zhuǎn)矩T′隨角速度差ωslip的變化規(guī)律[16].因此，轉(zhuǎn)速同步階段角速度差的變化率將影響轉(zhuǎn)矩變化率，從而影響整車的沖擊度.

圖6 等效外徑及帶排轉(zhuǎn)矩隨角速度差變化規(guī)律Fig.6 Re and T versus ωslip

該階段根據(jù)換擋點(diǎn)及工況的不同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速所需調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速差情況不同，所產(chǎn)生的帶排轉(zhuǎn)矩將對(duì)整車沖擊度造成不同程度的影響.由于帶排轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)電機(jī)克服不同的阻力調(diào)速的同時(shí)，需要考慮其自身以及動(dòng)力電池當(dāng)前可輸出最大能力，二者均對(duì)轉(zhuǎn)速同步的時(shí)間造成較大的影響，而離合器快速充油階段的時(shí)間取決于換擋電機(jī)及其液壓系統(tǒng).因此，利用目標(biāo)離合器快速充油階段進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)縮短換擋時(shí)間時(shí)，需要對(duì)轉(zhuǎn)速同步剩余所需的時(shí)間進(jìn)行判斷，通過控制離合器動(dòng)作時(shí)序，確保在離合器升壓階段前完成轉(zhuǎn)速同步.當(dāng)同步轉(zhuǎn)速剩余所需的時(shí)間小于離合器快速充油所需的時(shí)間時(shí)，對(duì)目標(biāo)擋位離合器發(fā)出結(jié)合指令.

因此，為減小轉(zhuǎn)速同步階段帶排轉(zhuǎn)矩對(duì)整車沖擊度的影響及考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池所允許的調(diào)速能力與離合器作用所需時(shí)間的關(guān)系，采用PID控制器對(duì)該階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理的閉環(huán)控制，防止由于過電流硬件造成損壞或動(dòng)力不足對(duì)整車能量流管理造成影響等問題，增加調(diào)速階段系統(tǒng)穩(wěn)健性，有效地實(shí)現(xiàn)較好的換擋品質(zhì).

2.2.4掛擋階段 轉(zhuǎn)速同步完成后，結(jié)合油壓快速上升，為保證該過程的平順性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在自由模式，對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩為0.

2.2.5動(dòng)力恢復(fù)階段 根據(jù)加速踏板開度、車速、參考輸出轉(zhuǎn)矩及當(dāng)前裝載機(jī)的行駛狀態(tài)計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)矩輸出值，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式并進(jìn)行動(dòng)力恢復(fù)，至此換擋完成.

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所提出的純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走系統(tǒng)方案及其基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器壓力復(fù)合控制的換擋控制策略的可行性，搭建試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行整車試驗(yàn).圖7所示為某50型純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)整車試驗(yàn)平臺(tái).

圖7 某50純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)整車試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 A complete vehicle test platform of 50-type pure electric drive loader

試驗(yàn)對(duì)象的行走系統(tǒng)方案如圖1所示，電液控制換擋系統(tǒng)如圖2所示，換擋控制流程如圖5所示.整車換擋試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)如表1～3所示.

表1 濕式離合器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of wet clutch

表2 各擋位傳動(dòng)比參數(shù)Tab.2 Transmission ratio parameters of each gear

表3 ZL50裝載機(jī)整車主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of ZL50 loader

試驗(yàn)時(shí)，將所需采集的信號(hào)通過TCU處理后發(fā)送至CAN總線上，采用PCAN-USB(CAN轉(zhuǎn)USB接口)實(shí)現(xiàn) CAN網(wǎng)絡(luò)與PC端的交互，對(duì)總線上所需的信號(hào)進(jìn)行采集.由于1擋升2擋與2擋退1擋具有相似性，本文主要對(duì)1擋升2擋進(jìn)行分析[17].試驗(yàn)在手動(dòng)換擋模式下進(jìn)行，正常啟動(dòng)整車，通過程序檢測(cè)窗口對(duì)所有的傳感器進(jìn)行校正，檢查無誤后進(jìn)行換擋試驗(yàn).駕駛員將換擋撥桿從空擋撥至1擋，通過電子油門踏板使整車工作在前進(jìn)1擋，行駛一段時(shí)間后，駕駛員將換擋撥桿從1擋撥至2擋，當(dāng)2擋離合器完全結(jié)合且動(dòng)力恢復(fù)完成后，換擋完成.圖8所示為整車試驗(yàn)1擋升2擋的壓力、轉(zhuǎn)速(n)曲線.可以看出18 s開始執(zhí)行換擋，1擋離合器壓力快速下降.0.5 s后2擋離合器開始結(jié)合，該期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成卸扭、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速模式切換、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié).19 s驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本跟隨輸出軸轉(zhuǎn)速，調(diào)速完成，由轉(zhuǎn)速模式切換至自由模式，同時(shí)2擋離合器快速充油階段基本完成，進(jìn)入快速升壓階段.該期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成轉(zhuǎn)速模式切換至自由模式，待2擋離合器結(jié)合完成后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成動(dòng)力恢復(fù)，至此換擋完成，換擋時(shí)間為1.25 s.圖中曲線與前文換擋過程分析及所提出的控制策略基本吻合.且不同的車輛類型，對(duì)于換擋時(shí)間的要求也不同，重型車輛、工程車輛等換擋時(shí)間通常為2.0～3.5 s左右[18]，故所提出的換擋控制策略縮短了約50%的換擋時(shí)間.

圖8 整車試驗(yàn)1擋升2擋的壓力、轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 Pressure and speed curves from first gear up to second gear in vehicle test

圖9所示為整車試驗(yàn)1擋升2擋的沖擊度、加速度(a)和車速(v)曲線.結(jié)果表明：換擋過程車速幾乎沒有明顯的變化.加速度變化主要出現(xiàn)在離合器壓力變化率較大的位置，最大值在1.23 m/s2以內(nèi).沖擊度主要出現(xiàn)在1擋離合器分離、驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速、快速充油初始階段3個(gè)位置.離合器分離時(shí)，壓力快速下降，傳遞轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化.驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速時(shí)，引起較大的帶排轉(zhuǎn)矩.快速充油階段，處于滑摩階段，仍存在一定轉(zhuǎn)速差，傳遞轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化.但我國車輛沖擊度的推薦限定值為17.64 m/s3，德國推薦限定值為10 m/s3[19].換擋沖擊度最大值為14.08 m/s3，該數(shù)據(jù)在可接受的范圍內(nèi).

圖9 整車試驗(yàn)1擋升2擋的沖擊度、減速度和車速曲線Fig.9 Impact degree, deceleration and speed curves from first gear up to second gear in vehicle test

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)提出了行走系統(tǒng)方案上的創(chuàng)新.利用電機(jī)過載能力強(qiáng)、調(diào)速調(diào)矩優(yōu)良等特性，取消液力變矩器，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變速箱的方案，對(duì)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行了解耦.驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制，發(fā)揮其操縱性與節(jié)能性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)很大程度上提升了傳動(dòng)效率.

(2) 利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)特性，對(duì)變速箱結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行調(diào)整，取消傳統(tǒng)的倒擋齒輪和方向離合器，提升了整車傳動(dòng)效率、增大了可利用空間、簡(jiǎn)化了控制、提高了可靠性.

(3) 通過在某50裝載機(jī)整車上試驗(yàn)，驗(yàn)證了針對(duì)純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)的一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與離合器壓力復(fù)合控制的換擋控制策略的可行性.該控制策略能較好地控制離合器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合工作，大幅降低了換擋時(shí)間，同時(shí)改善了換擋沖擊度和滑摩功.為純電驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行走系統(tǒng)及換擋時(shí)的離合器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制提供了參考.

(4) 本文僅從換擋時(shí)的離合器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的配合方面進(jìn)行了研究，尤其是沖擊度方面仍低于德國推薦值，后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化控制算法，提高換擋過程的綜合性能.且本文缺少針對(duì)整車不同負(fù)載特性下，控制策略調(diào)整對(duì)換擋品質(zhì)影響地試驗(yàn)與分析，該部分研究?jī)?nèi)容也將是進(jìn)一步的研究重點(diǎn)之一.