2. 南京工业大学 海外教育学院, 江苏 南京 211816
电动汽车使用电动机作为传动系统的动力源，缓解了能源紧缺的压力，实现了人们长期以来对汽车零尾气排放的期盼，但也同时引入了传动系统体积大、动力性能不足和续航里程短等问题[1]。美国著名的电动客车制造公司Proterra研究发现，三挡变速系统可将驱动电机工作在驱动模式和能源再生制动模式时的运行效率控制在92%~95%[2]。
电动汽车的纯电控制动力输出为驱动电机与电控机械式自动变速器(automated mechanical transmission, AMT)的一体化控制创造了更为有利的条件。AMT根据换挡驱动装置的结构形式不同，可分为电控气动式、电控液动式、全电式和直驱式4种。电控气动式和电控液动式的传动介质具有很好的缓冲性能，有效减小了换挡冲击[3-4]；全电式和直驱式的机械式传动机构具有较快的响应速度，有效缩短了换挡动力中断时间[5]。
与其他形式的AMT相比，直驱AMT取消了运动形式转换和传输介质等中间动力传输环节，较大程度地提升了自动变速系统的动态响应速度和传动效率[6]，而近年来飞速发展的电控技术为电动汽车动力系统的一体化控制和减小直驱AMT的换挡冲击提供了技术保障[7]。
为提升电动汽车的换挡动力性和经济性，提出一类应用直驱技术的快速节能的电动汽车汽车用自动变速系统，自主研发一类具有高功率密度的动圈式电磁执行器，设计并评估不同形式换挡机构的性能差异，依据实车驱动装置及变速系统参数，在通用的直驱式AMT试验平台上完成性能验证工作。
1 直驱式换挡驱动装置原理前期研究中开发了一类具有直驱特性的应用“电-磁-力”转换原理的电磁执行器，直线运动部分采用动圈式结构，如图 1所示。
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| 图 1 直线运动部分结构示意图 |
动子为绕有漆包线的线圈骨架，线圈骨架中左右两侧的2组线圈采用串联方式连接且单侧线圈分为2层并联连接，使执行器直动时产生的电枢反应在一定程度上相互抵消并可在同等驱动电压下增大了线圈中的驱动电流；定子部分的永磁体采用Halbach阵列方式，减小电磁执行器时间常数的同时弥补了气隙中磁通密度相对较低的缺点[8]。
除直动外，设计了绕执行器轴旋转的运动结构，其电磁转矩转换原理如图 2所示。绕在旋转磁轭上的励磁线圈通电后产生磁场，磁通方向如图中箭头方向所示，由于磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，在转子上将会产生如图中所示方向的电磁转矩，使转子从图中初始位置转至终止位置后自动停止转动，实现执行器转动部分的限角度转动功能；转子转到最大角度后具有自停止特性，针对不同的应用场合设计相应的最大转动角度可有效提高旋转运动的控制精度。
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| 图 2 电磁转矩转换原理 |
依据电磁执行器的直动与转动原理，针对不同形式的直驱AMT换挡机构可以开发不同结构的电磁执行器，现阶段已完成单自由度电磁直线执行器和二自由度电磁执行器样机研制工作，为直驱AMT换挡机构方案评估奠定了试验基础。
2 直驱AMT换挡机构方案设计为满足不同电动汽车用变速系统挡位数和结构紧凑性需求，设计了电动二自由度式换挡机构(electric 2DOF-type shifting mechanism, ETSM)、电动拨叉式换挡机构(electric fork-type shifting mechanism, EFSM)和电动接合套式换挡机构(electric sleeve-type shifting mechanism, ESSM)。
2.1 电动二自由度式换挡机构ETSM如图 3所示，二自由度电磁执行器集直动和转动功能与一体，旋转部分驱动换挡拨杆选择不同的换挡拨块以完成选挡动作；直动部分依次通过换挡拨杆、换挡拨块、换挡拨叉轴和换挡拨叉驱动同步器上的接合套，完成退、进挡的直线运动。
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| 图 3 电动二自由度式换挡机构 |
ETSM通过1个执行器可完成6个挡位的选换挡操作，结构简单、体积小，对传统手动变速器的改动小、成本低。二自由度电磁执行器的直动与转动相互独立，使ETSM具有选、换挡同时进行的功能，进一步缩短了动力中断时间。其优越性已在前期研究工作中得到验证，本研究中将以ETSM的性能作为EFSM和ESSM性能的衡量标准。
2.2 电动拨叉式换挡机构EFSM如图 4所示，动圈式电磁直线执行器的线圈骨架直接与换挡拨叉轴相连，进一步取消了ETSM中的执行器轴、换挡拨杆和换挡拨块等部件，仅通过换挡拨叉驱动同步器上的接合套完成退、进挡操作。
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| 图 4 电动二自由度式换挡机构 |
EFSM与ETSM相比具有更高的动态响应速度和可控性，但1个电磁直线执行器仅能驱动2个挡位，执行器的个数由变速系统的挡位数决定；从EFSM的结构特点可以看出，换挡过程中无选挡过程，且各执行器的直线运动互不干涉，可实现退、进挡同时进行的功能，大大缩短了车辆换挡过程中的动力中断时间。
2.3 电动接合套式换挡机构ESSM如图 5所示，电磁直线执行器外磁轭、永磁体等定子部分通过执行器固定板与变速器壳体相连，取消了自动变速系统中的换挡拨杆、换挡拨块、换挡拨叉轴和换挡拨叉等选换挡执行机构，线圈骨架直接驱动接合套完成左右2个挡位的退、进挡操作。
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| 图 5 电动接合套式换挡机构 |
相比于另外2种直驱AMT换挡机构，ESSM对传统变速系统的改动最大，但结构紧凑性最好且最大程度提高了系统的动态响应速度和可控性，进而可进一步减小自动换挡过程中的动力中断时间和能量损耗。ESSM应用在对变速器挡位数要求不多的电动汽车传动系统中时，将最大程度提升换挡动力性和经济性。
表 1中给出了上述3种直驱AMT换挡机构退、进挡过程的直动部件组成及实测总质量。由于ESSM中线圈骨架直接套在接合套上，使其结构尺寸明显大于传统接合套，但从表中数据可以看出，与ETSM相比，EFSM和ESSM的运动质量分别减小18%和34%。
| 机构 | 直动部件组成 | 总质量/kg |
| ETSM | 执行器动子、执行器轴、换挡拨杆、换挡拨块、换挡拨叉轴、换挡拨叉、接合套 | 1.68 |
| EFSM | 执行器动子、换挡拨叉轴、换挡拨叉、接合套 | 1.37 |
| ESSM | 执行器动子、接合套 | 1.11 |
ETSM、EFSM和ESSM的方案性能评估结果如图 6所示。3种直驱AMT换挡机构均不存在运动转换装置，传动效率基本相同；ETSM的改装成本和改装难度较优，适用于传统汽车的传动系统；ESSM的换挡动力性和经济性能较好，更适用于动力性能和续航里程不足的电动汽车传动系统，具有很好的技术前沿性和研究价值；而EFSM各项性能居中，在传统汽车和电动汽车中均有较好的应用前景。
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| 图 6 3种方案性能评估 |
在分析变速器换挡机理的基础上，对进挡过程进行分段分析并建立换挡驱动力的数学模型，完成基于MATLAB/Simulink的3种直驱AMT换挡机构的性能仿真研究。
3.1 进挡过程分析为获得更好的换挡过程控制精度，课题研究过程中将进挡过程分为6个阶段，如图 7所示。
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| 图 7 进挡过程分段示意图 |
图中:Fu为进挡过程的换挡驱动力；su为进挡位移；tu为进挡时间；Fs为同步力；ts为同步时间；nIs为输入轴转速；αr为同步环的角位移；αg为目标挡齿轮的角位移。前期研究得到的进挡过程换挡驱动力数学模型如(1)式所示, 式中各符号含义如表 2所示。
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(1) |
| 符号 | 含义 |
| mt | 直动总质量 |
| Δxs0 | 定位弹簧初始压缩量 |
| JS | 被同步部分转动惯量 |
| α | 锥面角的一半 |
| μ | 摩擦锥面间的动摩擦系数 |
| JR | 同步环的转动惯量 |
| μrd | 花键接触斜面间动摩擦系数 |
| βg | 目标挡齿轮齿圈端面角 |
| Ks | 定位弹簧刚度 |
| μlh | 滑块与花键毂间动摩擦系数 |
| inT | 目标挡齿轮传动比 |
| β | 同步环锁止角 |
| Rr | 同步环摩擦锥面的有效半径 |
| Rsp | 同步环外花键的有效半径 |
| Rb | 定位小球的半径 |
| μgd | 第5阶段接触面间动摩擦系数 |
进挡过程中除同步阶段开始前的换挡冲击外, 第5阶段开始前的二次换挡冲击也是影响换挡品质的主要因素。接合套运动到目标挡齿轮齿圈处时, 其内花键与目标挡齿轮齿圈之间的相对位置关系可能出现如图 8所示的3种情况。
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| 图 8 内花键与齿圈间的相对位置关系 |
当接合套内花键与目标挡齿轮齿圈如图 8a)中所示处于完全相抵状态时, 为使接合套继续移动以完成进挡操作, 目标挡齿轮齿圈需转过花键所占圆周角度的一半; 当相对位置关系如图 8b)所示时, 目标挡齿轮齿圈无需转动, 此时第5阶段可与第6阶段合并; 当接合套内花键与目标挡齿轮齿圈处于如图 8c)所示的不完全相抵状态时, 目标挡齿轮齿圈的转动角度具有一定的随机性。仿真分析时以完全相抵状态为例, 而试验过程中目标挡齿轮齿圈需转过的角度是随机的, 为尽量减小换挡二次冲击, 进挡第4阶段结束时换挡机构的速度应趋近零。
3.2 建模与仿真为更好衔接各换挡阶段执行器的运行状态, 应用Stateflow模块建立换挡过程的逻辑控制状态图, 进而建立如图 9所示直驱AMT换挡过程的通用仿真模型, 选挡模块仅用于ETSM。
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| 图 9 直驱AMT换挡过程通用仿真模型 |
换挡过程仿真与试验研究中以国产某型号电动汽车驱动电机参数和某型号手动变速器内部结构参数为基础, 当同步转速差为900 r/min、被同步部分转动惯量为0.05 kg·m2、最大瞬时换挡驱动力为1 000 N时, 在满足换挡冲击要求的前提条件下, ETSM、EFSM和ESSM的进挡过程仿真结果如图 10所示。
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| 图 10 不同换挡机构的进挡过程仿真结果 |
仿真过程中假定同步器摩擦锥面间的摩擦系数不变, 当换挡控制方法和最大瞬时驱动力相同时, 同步时间基本相同, 而ETSM、EFSM和ESSM的进挡时间分别为236 ms、229 ms和221 ms, 相比ETSM, EFSM和ESSM的进挡时间分别缩短3％和7％, 其主要原因在于换挡机构位移时间(进挡第1、4、6阶段的总时间)分别为46 ms、39 ms和31 ms, 提升了车辆的换挡动力性。
放大图 10中的进挡第1阶段, 得到同步阶段开始前3种换挡机构的仿真结果如图 11所示, 从图中可以明显看出ETSM到达同步阶段的时间晚于EFSM和ESSM, 且直动总质量最小的ESSM的响应速度最快。
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| 图 11 不同换挡机构同步前的仿真结果 |
搭建装载直驱换挡机构的通用试验平台如图 12所示, 模拟同步转速差变频电机最大转速为1 400 r/min, 惯量盘可模拟0.01～0.06 kg·m2范围内的被同步部分转动惯量, 使试验平台可模拟不同车型、不同换挡参数下的选换挡过程。
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| 图 12 直驱换挡机构通用试验平台 |
由于加工精度、安装误差和输入轴达到预定转速所使用的变频电机空转时阻力矩等因素的存在(统称为试验平台阻力矩TR), 使换挡过程的试验结果存在一定的误差。
为此, 开启变频电机驱动输入轴至预定转速, 转速稳定后切断电动机的电源并开始采集输入轴转矩的变化规律。此时选换挡执行机构不输出驱动力, 同步转矩为零, 试验平台输入轴从预定转速至静止的过程仅在试验平台阻力矩TR的作用下完成, 即转矩转速传感器采集到的信号为TR, 如图 13所示。
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| 图 13 试验平台阻力矩测试结果 |
通过分析图 13中的最小二乘法拟合信号可得到试验平台平均阻力矩
通常情况下, AMT选换挡过程中的换挡时间、换挡冲击和同步器使用寿命之间是相互矛盾的, 试验时需通过合适的换挡控制系统加以协调。图 14为试验研究中使用的换挡控制系统框图, 控制系统由ARM微控制器、功率驱动板、信号反馈与处理模块和上位机组成。
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| 图 14 控制系统框图 |
同步阶段的控制策略主要是控制单位面积滑摩功不超过最大许用值, 并将换挡冲击度控制在较小的范围内[9-10]。试验过程中以同步转速差和被同步部分转动惯量为输入, 通过模糊控制确定最大瞬时驱动力的大小, 并应用最优控制理论确定同步转矩的最优轨迹线后, 采用电流闭环控制的方法, 实现换挡驱动装置的实时控制。
换挡机构存在位移的阶段采用换挡系统首先以直接驱动装置最大加速性能加速, 到达最优或较优的最大速度vopt后再减速缓冲的PD闭环控制策略, 既能快速消除间隙, 又能有效控制运动速度, 在试验过程中取得了较好的控制效果。图 15为换挡机构的理想速度特性示意图。
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| 图 15 换挡机构理想速度特性示意图 |
结合试验平台阻力矩对试验结果影响的分析结果, 完成了ETSM和EFSM在同步转速差为900 r/min、被同步部分转动惯量为0.05 kg·m2、最大瞬时换挡驱动力为1 000 N时的试验研究, 如图 16所示, 验证了仿真分析结果的准确性。
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| 图 16 ETSM和EFSM的进挡过程试验结果 |
图 17为ETSM和EFSM运动速度的试验结果, 从中可以看出, 各阶段临近结束时, 将驱动装置的运动速度控制在较小的范围内, 且变化较平缓, 所用控制策略有效减小了换挡冲击并降低了打齿现象发生的概率。
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| 图 17 ETSM和EFSM的运动速度试验结果 |
电磁执行器作为换挡驱动装置时, 其能量损耗主要包括机械损耗、内部的铜损和铁损, 机械损耗存在于同步阶段以外的执行器有位移发生的换挡阶段[11]。假定执行器在运动过程中能保持如图 15中的最大加速度运动, 并在单换挡阶段开始和结束时的速度均为0, 则此阶段的机械损耗QF可表述为
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(2) |
由(2)式可知, 执行器的机械损耗与换挡机构的直动总质量成正比, 参照表 1中的数据, 当追求的换挡品质相同时, 与ETSM相比, EFSM和ESSM在进挡过程中的换挡驱动装置机械损耗分别降低18％和34％。提升了车辆的换挡经济性。
电动汽车在缓解能源压力的同时, 实现了汽车运行过程中的零尾气排放, 然而动力性能和续航里程等问题制约了电动汽车的发展。驱动电机具有较宽的恒功率区, 运行过程中对变速系统的挡位数要求较少, 有利于EFSM和ESSM在动力系统中的应用, 且能较大程度提升电动汽车的换挡动力性和经济性。
5 结论1) 针对电动汽车动力性能及续航里程不足等问题, 设计了一类基于动圈式电磁执行器的快速节能换挡机构, 采用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法, 验证了此类换挡机构的优越性。
2) 当换挡控制方法和最大瞬时驱动力相同时, 相比于ETSM, EFSM和ESSM的进挡时间分别缩短3％和7％, 提升了电动汽车的换挡动力性。
3) 当追求的换挡品质相同时, 与ETSM相比, EFSM和ESSM在进挡过程中的换挡驱动装置机械损耗分别降低18％和34％。提升了电动汽车的换挡经济性。
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