童曉輝， 鄺 勇

(東風(fēng)襄陽旅行車有限公司， 湖北 襄陽 441004)

混合動力客車在城市客車中節(jié)能效果明顯,正受到越來越多的市場青睞，其中機(jī)電耦合裝置(如離合器、行星齒輪、錐齒輪等)是混合動力汽車系統(tǒng)中最為復(fù)雜的部件之一。某雙電機(jī)混合動力客車采用干式膜片彈簧離合器及氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1-2]，體積大、傳遞扭矩容量有限，且依賴離合器位置信號和車輛制動儲氣筒的密封性能，發(fā)動機(jī)在離合器閉合時(shí)無法啟動。如果額外配置24 V電動空壓機(jī)，不但增加成本，還增加故障點(diǎn)，不利于車輛維護(hù)。而牙嵌式電磁離合器具有外形尺寸小，傳遞扭矩大等優(yōu)點(diǎn)[3-6]，因此，本文研究在混合動力客車上采用牙嵌式電磁離合器替代干式膜片彈簧離合器，以提高同軸混聯(lián)混合動力系統(tǒng)機(jī)電耦合裝置的可靠性，并大幅降低使用維護(hù)成本。

1 牙嵌式電磁離合器動力系統(tǒng)

某后置式混合動力城市客車動力系統(tǒng)的TM(牽引電機(jī))輸出軸與車輛后橋相連，TM和ISG之間改為牙嵌式電磁離合器，發(fā)動機(jī)飛輪安裝扭轉(zhuǎn)減振器后與ISG相連。其中牙嵌式電磁離合器通過兩個相互嵌合的半離合器傳遞動力，包括操縱桿、環(huán)形電磁鐵、銜鐵和對稱排列的柱形彈簧組成復(fù)位機(jī)構(gòu)，以及相適配的動端面齒輪和定端面齒輪，牙嵌式電磁離合器示意圖如圖1所示。相對其他結(jié)構(gòu)形式的電磁離合器，如磁粉離合器，其嚙合端面結(jié)構(gòu)降低了扭矩傳遞壓力需求并能傳遞更大的輸出扭矩，且電磁線圈保持電流更小，有利于節(jié)能并減少發(fā)熱。整車控制器(VCU)解析駕駛員駕駛意圖，通過同一路CAN總線獲取牽引電機(jī)和ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)速/扭矩等信息并發(fā)送目標(biāo)扭矩/目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時(shí)檢測電磁離合器驅(qū)動線圈電流，并通過VCU內(nèi)部微處理器產(chǎn)生PWM信號控制電磁離合器線圈電流。 結(jié)合城市客車運(yùn)營特點(diǎn)和發(fā)動機(jī)效率以及扭矩分布圖，統(tǒng)計(jì)表明城市公交工況下離合器結(jié)合時(shí)段約占12%～20%。因此，牙嵌式電磁離合器設(shè)計(jì)為常開型結(jié)構(gòu)，即電磁線圈通電時(shí)吸引環(huán)形銜鐵強(qiáng)制動端面和靜端面結(jié)合，斷電時(shí)動端面在復(fù)位彈簧作用下與定端面分離，該結(jié)構(gòu)確保在VCU失效或車輛電磁線圈供電損壞時(shí)電磁離合器分離。

圖1 牙嵌式電磁離合器結(jié)構(gòu)示意圖

2 牙嵌式電磁離合器控制策略

該雙電機(jī)同軸混合動力客車工作模式如表1所示。

表1 雙電機(jī)同軸混合動力客車工作模式

混合動力系統(tǒng)機(jī)電耦合控制是其難點(diǎn)之一，VCU需要根據(jù)離合器狀態(tài)分配TM和發(fā)動機(jī),ISG的轉(zhuǎn)速/扭矩控制需求。采用位置傳感器判斷離合器狀態(tài)是一個不錯的選擇，但牙嵌式電磁離合器動作行程僅2 mm，且電磁線圈電流作用可能影響離合器位置感應(yīng)信號的可靠性。若因位置傳感器失效或線束磨損等引起VCU誤判離合器狀態(tài)將嚴(yán)重影響行車安全?？紤]到TM和ISG分別位于離合器定端面和動端面兩側(cè)，TM和ISG轉(zhuǎn)速信號均采用轉(zhuǎn)速精度較高的旋轉(zhuǎn)變壓器，且TM和ISG轉(zhuǎn)速信號采用同等濾波系數(shù)通過同一路CAN總線發(fā)送至VCU以減少傳輸延遲。相對于位置傳感器方案，采用TM和ISG轉(zhuǎn)速差值判斷電磁離合器狀態(tài)更為可靠。為防止離合器在結(jié)合時(shí)出現(xiàn)“打齒”現(xiàn)象，電磁離合器結(jié)合過程中轉(zhuǎn)速盡可能控制在較小范圍?？刂撇呗匀鐖D2所示。

圖2 電磁離合器控制邏輯圖

圖2中ΔV表示TM和ISG轉(zhuǎn)速差，I表示VCU檢測的線圈電流。對于狀態(tài)0，車輛靜止且電源關(guān)閉時(shí)，離合器在復(fù)位彈簧作用下分離，車輛初始上電時(shí)無位置傳感器，雖然VCU檢測到TM和ISG轉(zhuǎn)速均為0且 ΔV<5 r/min 仍默認(rèn)離合器分離，即TM或ISG任何一個轉(zhuǎn)速>40 r/min才可依據(jù)ΔV判斷電磁離合狀態(tài)。

電磁離合器處于狀態(tài)2或狀態(tài)3時(shí)，若出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差再次擴(kuò)大(如駕駛員在某設(shè)定車速下剛踩下加速踏板又踩下制動踏板或者駕駛員在狀態(tài)2時(shí)再次急加速)，VCU重新調(diào)速或發(fā)出分離指令。離合器處于狀態(tài)4時(shí)，如有分離請求，需確認(rèn)離合器徑向扭矩足夠小時(shí)再發(fā)出分離指令。此時(shí)線圈電流產(chǎn)生的電磁力不足以克服復(fù)位彈簧形變壓力，進(jìn)入狀態(tài)5，否則會造成分離失敗或分離時(shí)間較長。

3 牙嵌式電磁離合器動力系統(tǒng)試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證上述控制策略，對TM-牙嵌式電磁離合器-ISG-發(fā)動機(jī)組成的動力系統(tǒng)進(jìn)行城市公交工況試驗(yàn)。以湖北襄陽不開空調(diào)時(shí)城市公交工況為例，該地區(qū)城市客車郊區(qū)最高限速48 km/h;城市擁堵區(qū)域最高限速40 km/h;平均車速14～18 km/h; 0～30 km/h車速加速時(shí)間7～11 s;站點(diǎn)和紅綠燈分布密集，平均停車34～40次/h。為便于分析控制參數(shù)合理性，需采用高性能的數(shù)據(jù)分析和記錄軟件。在某款配置直列6缸CNG發(fā)動機(jī)的12 m城市客車上，采用德國ETAS公司INCA標(biāo)定軟件和ES581硬件CAN卡，可同步實(shí)時(shí)地通過CCP/XCP協(xié)議采集和顯示VCU內(nèi)部信號。本次試驗(yàn)記錄VCU采集的加速踏板開度、制動踏板開度、TM轉(zhuǎn)速、TM扭矩、ISG轉(zhuǎn)速、ISG扭矩、電磁離合器線圈電流等，周期為10 ms。

3.1 電磁離合器兩端調(diào)速和離合器結(jié)合

圖3為純電動切換至并聯(lián)模式工況。車輛在0～44 s之間為純電動模式，44.02 s時(shí)VCU命令I(lǐng)SG啟動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)和ISG電機(jī)同軸相連，在低速啟動階段(<120 r/min時(shí))ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速大于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，啟動完成后(>200 r/min)兩者轉(zhuǎn)速相同。46.12 s時(shí)VCU向發(fā)動機(jī)發(fā)送調(diào)速模式及目標(biāo)轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)響應(yīng)該指令做轉(zhuǎn)速跟隨控制。46.65 s時(shí)TM和ISG轉(zhuǎn)速分別為1 600 r/min和1 721 r/min,說明發(fā)動機(jī)調(diào)速存在121 r/min的超調(diào)；48.28 s時(shí)TM和ISG轉(zhuǎn)速分別為1 620 r/min和1 602 r/min, ΔV為18 r/min，進(jìn)入圖2中狀態(tài)2。不同于機(jī)械式自動變速系統(tǒng)對于發(fā)動機(jī)調(diào)速的嚴(yán)格要求，電池儲能可滿足車輛純電動模式行駛的前提下，發(fā)動機(jī)調(diào)速盡可能穩(wěn)態(tài)過渡，減少發(fā)動機(jī)節(jié)氣門突變。發(fā)動機(jī)開始調(diào)速到進(jìn)入狀態(tài)2耗時(shí)2.16 s，滿足性能要求。

圖3 純電動-發(fā)動機(jī)啟動-離合器結(jié)合曲線

另一種工作模式是如表1中“發(fā)動機(jī)發(fā)電”轉(zhuǎn)為發(fā)動機(jī)和TM的并聯(lián)驅(qū)動模式。如圖4所示，162.1 s之前發(fā)動機(jī)帶動ISG發(fā)電，發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和ISG實(shí)際轉(zhuǎn)速吻合較好。162.14 s時(shí)VCU發(fā)出調(diào)速指令，ISG扭矩減至調(diào)速加載模式200 N·m，至165.31 s時(shí)TM和ISG轉(zhuǎn)速差17 r/min,即從圖4發(fā)動機(jī)發(fā)電工況下響應(yīng)速度跟隨指令到進(jìn)入圖2中的狀態(tài)2耗時(shí)3.17 s。相對于圖3增加1 s,在調(diào)速階段發(fā)動機(jī)帶動ISG發(fā)電，減少發(fā)動機(jī)單純調(diào)速空轉(zhuǎn)效率低下的情況。進(jìn)入狀態(tài)4后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)為扭矩控制模式,即VCU向發(fā)動機(jī)發(fā)送目標(biāo)扭矩請求。

圖4 發(fā)動機(jī)帶載發(fā)電并跟隨調(diào)速曲線

3.2 電磁離合器結(jié)合及調(diào)節(jié)目標(biāo)扭矩變化率

待電磁離合器完全結(jié)合進(jìn)入圖2中狀態(tài)4，發(fā)動機(jī)由于空燃比限制等因素導(dǎo)致扭矩響應(yīng)遲滯，此時(shí)若立即撤銷TM扭矩將會因發(fā)動機(jī)“接力遲滯”導(dǎo)致明顯的縱向加速沖擊[7]，降低車輛舒適性且電磁離合器存在脫開的可能。發(fā)動機(jī)ECU發(fā)送的CAN報(bào)文含有發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)扭矩負(fù)荷，但該負(fù)荷涉及復(fù)雜的燃燒相關(guān)參數(shù)計(jì)算，在瞬態(tài)變化時(shí)可靠性欠佳。為此，可限制發(fā)動機(jī)扭矩動態(tài)變化速率并限制牽引電機(jī)扭矩變化速率的方式，從而明顯改善縱向沖擊性[8]。此處采用結(jié)合后TM電機(jī)目標(biāo)扭矩和ISG加載力矩分別按照設(shè)定斜率K1、K2變化，并調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)目標(biāo)扭矩上升斜率K3即結(jié)合后數(shù)秒將加速踏板獲得的整車需求扭矩采用濾波處理后再轉(zhuǎn)化為發(fā)動機(jī)目標(biāo)扭矩；待TM電機(jī)扭矩下降至0，發(fā)動機(jī)力矩輸出足以適應(yīng)整車扭矩變化后再完全接管加速踏板目標(biāo)扭矩請求。本測試數(shù)據(jù)基于CNG發(fā)動機(jī)，若采用柴油動力發(fā)動機(jī)，需調(diào)整控制參數(shù)K1、K2、K3。圖5是圖4所示工況下TM和ISG的轉(zhuǎn)速/扭矩變化。165.42 s時(shí)結(jié)合指令為1，166.44 s時(shí)離合器完全結(jié)合進(jìn)入圖2中的狀態(tài)4。從166.44 s時(shí)的353 N·m按照設(shè)定斜率降低至170.2 s時(shí)1 N·m，ISG在第166.44 s時(shí)從調(diào)速模式下200 N·m開始以設(shè)定K2斜率減載。

圖5 結(jié)合前后TM和ISG轉(zhuǎn)速/扭矩變化曲線

衡量模式切換控制效果通常用沖擊度J表示：

J=da/dt

式中：a為車輛車速加速度；我國的推薦值[9]為|J|≤17.64 m/s3，德國推薦值|J|≤10 m/s3。

從圖6可知，取165.2 s(結(jié)合指令發(fā)出時(shí)刻)到171.4 s(結(jié)合完成后5 s)時(shí)段,車速8.23～9.39 m/s(29.65～33.8 km/h)，車輛縱向加速度值(170.2 s補(bǔ)償完畢)，按照0.1 s一個采樣點(diǎn)共計(jì)63個。在第169.1 s該采樣點(diǎn)即離合器完全結(jié)合后2.6 s，車輛縱向沖擊度達(dá)到峰值11.85 m/s3,持續(xù)時(shí)間0.1 s，其他62個點(diǎn)均小于10 m/s3，即該測試98.4%的采樣點(diǎn)優(yōu)于德國沖擊度推薦值，模式切換控制良好。

圖6 165.2～171.4 s加速踏板開度-沖擊度Jerk曲線

3.3 扭矩卸載及離合器分離

圖7 電磁離合器分離時(shí)TM、ISG轉(zhuǎn)速及發(fā)動機(jī)負(fù)荷曲線

VCU判斷到駕駛員的滑行或制動行為，如圖7所示。258 s之前車輛處于加速階段，發(fā)動機(jī)負(fù)荷較高；258～262 s加速踏板開度較小(小于8%)。263.97 s時(shí)加速及制動踏板開度均為0，車輛滑行，發(fā)動機(jī)實(shí)際負(fù)荷降至約9%；1.8 s后發(fā)動機(jī)負(fù)荷降至5%(主要用于克服摩擦并維持附件運(yùn)轉(zhuǎn))，VCU發(fā)出分離指令。266.18 s時(shí)TM和ISG轉(zhuǎn)速差達(dá)到35 r/min，大于設(shè)定值30 r/min且持續(xù)一定時(shí)間,判定為分離，即發(fā)出分離指令到徹底分開耗時(shí)0.32 s,分離迅速。 隨后車輛繼續(xù)滑行，根據(jù)整車能量狀況判斷不再需要發(fā)動機(jī)出力，待發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降至設(shè)定值后VCU向發(fā)動機(jī)ECU發(fā)出熄火指令，272.73 s時(shí)發(fā)動機(jī)及ISG轉(zhuǎn)速降至244 r/min,最后熄火。

4 結(jié)束語

本文對雙電機(jī)同軸結(jié)構(gòu)的牙嵌式電磁離合器動力系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)城市公交實(shí)際工況，制定了該類型混合動力系統(tǒng)控制策略，并進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明車輛模式切換沖擊品質(zhì)良好，這得益于發(fā)動機(jī)和電機(jī)良好的轉(zhuǎn)速扭矩響應(yīng)特性。牙嵌式電磁離合器作為一種新型的混合動力機(jī)電耦合部件，因其結(jié)構(gòu)和控制簡單，將在車用動力系統(tǒng)傳動技術(shù)領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景。

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