胡宇輝，楊 林，席軍強(qiáng)，陳慧巖

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081)

前言

國(guó)內(nèi)關(guān)于混合動(dòng)力客車(chē)換擋規(guī)律的正向研究較多，通常選擇油門(mén)開(kāi)度、車(chē)速和電池SOC作為換擋參數(shù)［1-3］;也有在升擋和驅(qū)動(dòng)模式下選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、車(chē)速和在制動(dòng)模式下選擇電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和車(chē)速作為換擋參數(shù)［4］，普遍存在坡道和彎道循環(huán)換擋等問(wèn)題。為提升混合動(dòng)力換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)能力，展開(kāi)了對(duì)國(guó)外某先進(jìn)混合動(dòng)力系統(tǒng)換擋規(guī)律的逆向試驗(yàn)解析研究，設(shè)計(jì)了一種換擋規(guī)律的試驗(yàn)解析流程和測(cè)試方法，通過(guò)實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)解析系統(tǒng)的換擋規(guī)律。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

本次試驗(yàn)選取某中度單軸并聯(lián)氣電混合動(dòng)力客車(chē)為試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行換擋規(guī)律試驗(yàn)解析測(cè)試，各總成布置情況見(jiàn)圖1。為測(cè)試需要，安裝了加速度和AMT輸出軸端轉(zhuǎn)矩傳感器;測(cè)試采用Vector公司的CANoe軟硬件和自制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該車(chē)換擋操縱面板上有兩種行駛模式，LOW柄位行駛時(shí)1擋起步，擋位在1～5擋之間變化;D柄位行駛時(shí)2擋起步，擋位在2～6擋之間變化。

2 換擋參數(shù)假設(shè)

混合動(dòng)力車(chē)輛在不同模式下動(dòng)力輸出不一樣，換擋規(guī)律的設(shè)計(jì)必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配對(duì)整車(chē)性能的影響。當(dāng)車(chē)輛行駛于純電動(dòng)、行車(chē)充電和混合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，存在換擋與模式切換的協(xié)調(diào)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電池SOC都可能是換擋參數(shù);同時(shí)整車(chē)加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)合成轉(zhuǎn)矩對(duì)換擋決策可能也存在影響。

根據(jù)對(duì)該車(chē)的摸底測(cè)試，系統(tǒng)采用邏輯門(mén)限控制策略，換擋參數(shù)可能為油門(mén)開(kāi)度、車(chē)速、電池SOC、整車(chē)加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)合成輸出轉(zhuǎn)矩中幾個(gè)參數(shù)的組合，如圖2所示。

進(jìn)行上述假設(shè)時(shí)，部分參數(shù)不能直接獲取準(zhǔn)確值，如整車(chē)加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)合成輸出轉(zhuǎn)矩。判斷其是否為換擋參數(shù)，只能分析在不同工況和行駛條件下?lián)Q擋時(shí)刻其它相關(guān)參數(shù)的變化情況，如果有一致性變化趨勢(shì)說(shuō)明可能是換擋參數(shù)，再通過(guò)輔助試驗(yàn)測(cè)試，最終判斷其是否為換擋參數(shù);如果沒(méi)有一致性變化趨勢(shì)且變化范圍大則說(shuō)明不是換擋參數(shù)。

換擋參數(shù)如果是幾個(gè)參數(shù)的組合，如油門(mén)開(kāi)度、車(chē)速和整車(chē)加速度，在不同的路況下加速度是變化的，那么在相同擋位換擋時(shí)油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速也是變化的。如果在不同的路面上進(jìn)行換擋測(cè)試，但是換擋時(shí)的油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速是不變的，那么可以間接說(shuō)明加速度不是換擋參數(shù)。其余參數(shù)測(cè)試分析原理類(lèi)似。

3 換擋參數(shù)試驗(yàn)解析

根據(jù)換擋參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，各參數(shù)的解析有先后次序。先進(jìn)行油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速測(cè)試分析，其次是電池SOC值，之后是整車(chē)加速度，最后是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和合成輸出轉(zhuǎn)矩，具體試驗(yàn)解析流程如圖3所示。

試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)了油門(mén)限位機(jī)構(gòu)對(duì)油門(mén)進(jìn)行精確控制;采取上位機(jī)過(guò)濾轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的方式將電池SOC控制在任意值，進(jìn)行不同SOC值換擋測(cè)試。

3.1 油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速分析

為分析油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速是否為換擋參數(shù)，進(jìn)行如下試驗(yàn):同一平直路面，LOW和D柄位，90%油門(mén)，任意SOC值恒定行駛和隨機(jī)油門(mén)干預(yù)換擋測(cè)試。隨著車(chē)速的增大，擋位發(fā)生變化，出現(xiàn)了油門(mén)干預(yù)升擋和降擋，進(jìn)而得知油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速可能是換擋參數(shù)。

3.2 電池SOC值分析

為分析電池SOC是否為換擋參數(shù)，進(jìn)行如下試驗(yàn):同一平直路面，LOW和D柄位，分別固定油門(mén)開(kāi)度為70%和100%，以20%、30%、50%、60%、80%、100%初始SOC和恒定SOC進(jìn)行升、降擋測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，換擋測(cè)試過(guò)程中，電池SOC值可以連續(xù)上升或下降(圖4)、先下降再上升或恒定在某個(gè)值(圖5)，由此證明電池SOC值不是影響換擋的參數(shù);然而相同擋位換擋點(diǎn)的參數(shù)(如油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速)非常接近。

3.3 整車(chē)加速度分析

為分析整車(chē)加速度是否為換擋參數(shù)，在車(chē)上安裝了加速度傳感器。進(jìn)行如下試驗(yàn):相同路段，LOW和D柄位，分別固定油門(mén)開(kāi)度50%、70%、100%，在平路、下坡、上坡和彎道上進(jìn)行升降擋測(cè)試。圖6和圖7為以70%油門(mén)開(kāi)度分別在平路和長(zhǎng)下坡(加速度不同)工況的升擋測(cè)試，相同擋位換擋時(shí)加速度值變化大且沒(méi)有一致性變化趨勢(shì)，說(shuō)明加速度不是換擋參數(shù)，但是在相同擋位換擋時(shí)的油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速非常接近。

3.4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析

為分析電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是否為換擋參數(shù)，進(jìn)行如下試驗(yàn):LOW和D柄位，同一水平路面，固定油門(mén)開(kāi)度80%，以30%、40%、90%和100%初始SOC恒定行駛換擋測(cè)試，見(jiàn)圖8。

從圖8(a)可知，車(chē)輛處于行車(chē)充電模式完成2升3擋，純發(fā)動(dòng)機(jī)模式完成3升4擋;從圖8(b)可知，車(chē)輛處于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式完成2升4擋;從圖8(c)可知，車(chē)輛處于混合驅(qū)動(dòng)模式完成2升5擋;從圖8(d)可知，車(chē)輛處于純電動(dòng)模式完成2升4擋。各種行駛條件下?lián)Q擋請(qǐng)求時(shí)刻的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 請(qǐng)求換擋時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)

從表1可知，請(qǐng)求換擋時(shí)刻的電機(jī)轉(zhuǎn)矩可以為負(fù)值、0和正值，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)可以為任意值(對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為任意值)，可以在下坡路面純電動(dòng)行駛至5擋，二者都沒(méi)有一致性變化趨勢(shì)，說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不是換擋參數(shù)。但是上述各種行駛模式下?lián)Q擋時(shí)的油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速非常接近。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)合成輸出轉(zhuǎn)矩分析

為分析發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)合成輸出轉(zhuǎn)矩是否為換擋參數(shù)，由于實(shí)車(chē)結(jié)構(gòu)限制，只能在AMT輸出軸端安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，測(cè)量車(chē)輛在請(qǐng)求換擋時(shí)刻的變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩，通過(guò)比例換算確定輸出的合成轉(zhuǎn)矩。在上述換擋參數(shù)的測(cè)試中也統(tǒng)計(jì)分析了請(qǐng)求換擋時(shí)刻的合成輸出轉(zhuǎn)矩值，測(cè)量值可以為任意值且沒(méi)有一致性變化趨勢(shì)，進(jìn)而說(shuō)明合成輸出轉(zhuǎn)矩不是換擋參數(shù)。

3.6 換擋參數(shù)分析

通過(guò)分析得知，電池SOC、整車(chē)加速度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)合成轉(zhuǎn)矩都不是換擋參數(shù)。在分析這些參數(shù)時(shí)統(tǒng)計(jì)了相同擋位換擋時(shí)刻的油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速，二者非常接近，再根據(jù)對(duì)油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速的分析，可以得知油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速是該系統(tǒng)AMT的換擋參數(shù)。

4 換擋規(guī)律控制策略試驗(yàn)解析

正向設(shè)計(jì)混合動(dòng)力客車(chē)換擋規(guī)律時(shí)，可采用先進(jìn)的控制算法對(duì)換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，目前在實(shí)車(chē)上應(yīng)用的常見(jiàn)方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制和智能換擋，采用這些方法的本質(zhì)是讓車(chē)輛的換擋點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化，使車(chē)輛行駛于最佳擋位。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能對(duì)行駛路況和駕駛員意圖有一定的學(xué)習(xí)功能，根據(jù)不同駕駛風(fēng)格選擇不同的換擋點(diǎn)［5］;模糊控制能基于熟練駕駛員手動(dòng)換擋過(guò)程，通過(guò)大量試驗(yàn)獲得模糊矩陣，經(jīng)模糊決策選擇合理?yè)跷唬?］;智能換擋［7］是基于實(shí)車(chē)行駛環(huán)境，融合模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)等算法而制定的換擋決策，應(yīng)用于實(shí)車(chē)較少。

采用控制策略后換擋點(diǎn)是動(dòng)態(tài)變化的，在實(shí)車(chē)上可以通過(guò)相同路況，不同駕駛風(fēng)格測(cè)試和不同道路條件(山區(qū)、城市、高速路況)測(cè)試，分析換擋點(diǎn)的變化，確定車(chē)輛是否采用換擋規(guī)律控制策略。經(jīng)過(guò)1500km的實(shí)車(chē)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)分析了相同擋位換擋點(diǎn)的變化情況，得出在任意工況下相同擋位換擋時(shí)的換擋參數(shù)值非常接近，說(shuō)明系統(tǒng)沒(méi)有采用換擋規(guī)律控制方法。

5 換擋規(guī)律試驗(yàn)解析

換擋測(cè)試路況必須滿(mǎn)足車(chē)輛能小油門(mén)上升到最高擋位和滿(mǎn)油門(mén)下降到最低擋位，需要“V”字形的大坡度長(zhǎng)下坡和長(zhǎng)上坡路況。

5.1 LOW柄位升降擋測(cè)試

10%油門(mén)開(kāi)度間隔，進(jìn)行油門(mén)開(kāi)度從30% ～100%升擋和油門(mén)開(kāi)度從20% ～100%降擋測(cè)試，各油門(mén)升擋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖9，降擋統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖10;為提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了隨機(jī)行駛換擋測(cè)試，得出LOW柄位修正升降擋規(guī)律。

5.2 D柄位升降擋測(cè)試

5.2.1 D柄位升擋測(cè)試

10%油門(mén)開(kāi)度間隔，進(jìn)行油門(mén)開(kāi)度從20% ～100%升擋測(cè)試，各油門(mén)升擋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖11;為提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了隨機(jī)行駛升擋測(cè)試，得出D柄位修正升擋規(guī)律。

5.2.2 D柄位降擋測(cè)試

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得知D柄位降擋規(guī)則如下:以當(dāng)前最高擋位為基準(zhǔn)分別對(duì)應(yīng)一組降擋點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在當(dāng)前最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域，又保證下一刻進(jìn)入再生能量回收時(shí)電機(jī)工作在高效區(qū)域。當(dāng)前最高擋位為6擋、5擋、4擋時(shí)分別對(duì)應(yīng)最高6擋、最高5擋、最高4擋降擋規(guī)律，當(dāng)有油門(mén)干預(yù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)直接6降4擋、6降3擋、6降2擋、5降3擋、5降2擋、4降2擋。

10%油門(mén)開(kāi)度間隔，進(jìn)行油門(mén)開(kāi)度從20% ～100%最高6擋降擋測(cè)試，各油門(mén)降擋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖12;為提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行隨機(jī)行駛降擋測(cè)試，得出D柄位修正最高6擋降擋規(guī)律。同理可得最高5擋和4擋降擋規(guī)律。

6 結(jié)論

本文中解決了油門(mén)開(kāi)度和電池SOC值的準(zhǔn)確控制問(wèn)題，能實(shí)現(xiàn)不同油門(mén)開(kāi)度和電池SOC值換擋測(cè)試。實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的換擋參數(shù)測(cè)試方法、換擋規(guī)律測(cè)試方法和換擋規(guī)律測(cè)試需求路況是正確的，解析出了系統(tǒng)的換擋規(guī)律，為逆向研究混合動(dòng)力系統(tǒng)換擋規(guī)律提供了一種試驗(yàn)方法，該方法同樣適用于其它車(chē)輛。

解析結(jié)果表明，該系統(tǒng)的換擋參數(shù)是油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速，即兩參數(shù)換擋規(guī)律，換擋優(yōu)先、模式切換在后，二者協(xié)調(diào)配合，保證車(chē)輛正常行駛。LOW柄位相當(dāng)于傳統(tǒng)的動(dòng)力型換擋規(guī)律，適用于有較大坡度的城市或山區(qū)道路;D柄位相當(dāng)于傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律，適合于平坦的城市道路和高速工況。

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