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双速AMT纯电动车换挡控制策略
摘要：分析无离合器双速自动机械变速器纯电动车辆的换挡过程，以研究换档加速度，换档时间和同步器齿环磨损之间的关系。结果表明移位时间与换档冲击呈负相关，而换挡冲击与驱动和换档的电动机的扭矩变化率有关系。同步器的齿环磨损与换档期间同步器啮合套和锁环之间的相对速度有关。根据研究分析，提出了纯电动车辆的换档控制策略，以减少换档冲击，避免同步器齿环磨损，缩短换档时间。实验结果表明所提出的控制策略可以实现电动车辆的平稳，可靠和快速换档。
引言
为解决由传统燃油车辆使用产生的污染和石油短缺的问题，电动车（EV）的使用推广将是一个有吸引力和有希望的解决方案。为了最小化变速箱的成本和动力传动系统的质量，EV通常配备单速齿轮箱。为了提高EV的动力性和经济性性，纯电动车的驱动系统从固定比驱动系统改变为可变比驱动系统。与常规手动变速器（MT）相比，自动机械变速器（AMT）具有效率更高，生产成本更低的优点。因此，AMT是被认为是纯电动汽车理想的变速器。
在本研究中，发动机和离合器的协调控制是AMT换挡过程控制研究的重点。与发动机的惯性相比，电动机的惯性显著减小;因此，无离合器AMT对于EV更可行，特别是在降低成本方面。无离合器AMT可以分为两种类型：由“零位移换挡”代表的动力连续型，和由无离合AMT代表的电力中断型。
变速器
齿轮2
齿轮1
同步器
输出轴
输入轴
图 1无离合双速AMT结构示意图
“零位移换挡”使用两个滑块来实现无电力中断换挡，这不同于传统的AMT。这被认为是可以用于同步器的改进的方法。“零位移换挡”更适合多级变速器，因为两个相邻齿轮之间的转速差异不明显。当考虑到动力性能时，2个或3个变速齿轮足以用于EV，并且两个相邻齿轮之间的转速差在2000至3000或更大的范围内。缓冲装置（弹簧）用于解决“零位移换挡”换档过程中存在的转速差的问题。如果转速差太大而不能缓冲，则输入轴可能被锁定，并且输出轴可能出现功率损失。为了安全和乘坐舒适性，“零位移换挡”不应该用于带有2或3个变速器档的电动车。
同步器
输出轴
输入轴
无离合器AMT可以被理解为传统的AMT去除离合器。配备无离合器AMT传统发动机车辆的换挡控制策略早被研究，并已经发现无离合器AMT的换档过程可以通过控制发动机的转矩和速度以及换档电动机的工作来实现。它证明了在汽车上使用无离合器AMT的可行性。与发动机相比，驱动电机的转矩和转速控制更容易。因此，无离合器AMT更多适合电动汽车。实际测试表明，换挡时间长和同步器磨齿是换档过程中的主要问题。Wang Y.研究了同步器齿磨削的机理，并提出了一种换档过程控制策略，通过降低同步器轴向移动速度，但以牺牲换档时间为代价来防止同步器齿磨削.为了解决纯电动车因使用AMT而出现降挡困难的问题，Chen Y.D.提出一种换档过程控制策略。在他的策略中，驱动电机的目标速度被设置为高于理论速度，以便同步和摩擦转矩在相同的方向上，从而减少换档时间。然而，在上述策略中，没有考虑同步器的齿磨削问题。在本文中，配备双速无离合器AMT的纯电动车换档时间长和齿磨的问题得到了研究。为了实现平稳，可靠，快速的换档，定量分析换挡过程。研究了造成换挡时间长和同步器齿磨削的原因，基于并行协调控制，纯电动车的换档控制策略方法得到了开发。同时也进行了换挡实验。预期目标在实验中实现，显示出双速无离合器AMT的良好实际效果，这可能对未来的实际应用有帮助。
1-换挡电机；2-蜗轮蜗杆机构；3-换挡凸轮；4-换挡拨叉；5-同步器
图 2换挡执行器结构
图 3凸轮换挡槽平面展开图
换挡过程
纯电动车的双速无离合器AMT的结构示意图如图1所示。无离合器的双速AMT采用电子控制的电机驱动系统，由变速电机，蜗轮减速器，换档凸轮，换挡拨叉和同步器组成。同步器与常规MT中使用的同步器相同，并安装在输出轴上，如图2所示。换档凸轮中的换档槽用于将换档凸轮的旋转运动转换成换档拨叉的轴向运动，以实现齿轮脱离和啮合，如图3所示。
在图3中，theta;1表示齿轮1的面积，theta;2表示齿轮2的面积，theta;N表示中性齿轮区域，theta;1-N是1-N过渡区域，theta;2-N是2-N过渡区域。如图3所示，换档凸轮的旋转运动将不会转换为齿轮1，齿轮2和空档区域中的换档叉的轴向运动。 然而，换档凸轮的旋转运动将在齿轮1和空档区域之间的过渡区域中或在空档齿轮和齿轮2区域之间的过渡区域中转换成换档拨叉的轴向运动。
无离合器AMT的换档过程涉及换档和驱动电动机的复杂协调控制过程。它通常采用串联协调控制方法用于控制换档和驱动电机。也就是说，在换档过程中交替地控制换档和驱动电机。根据串联协调控制方法，换挡过程可以分为6个阶段：（1）电源中断，（2）齿轮脱开，（3）电机调速，（4）同步，（5）齿轮啮合，和（6）功率恢复。
如上所述，当双速AMT在齿轮1，齿轮2或空档齿轮区域中时，换档凸轮轴的旋转将不会引起同步器套筒的轴向移动。基于该特性，提出了用于换档和驱动电机的并联协调控制方法，以便缩短换档时间。就像串联协调控制一样，并行协调控制策略也可以分为6个阶段。然而，与串行控制不同，换档电动机在换档过程期间总是在工作状态（如图4所示）。
换档凸轮轴角位移/角度
动力恢复
齿轮啮合
同步
电机调速
齿轮脱开
动力中断
换挡电机
驱动电机
图 4换挡过程图
在图4中，必须注意，Skk表示保证升档或降档操作的行程。 如果拨叉处于M1-M5阶段，则齿轮不在齿轮上，并且扭矩不能很好地通过AMT传递。 换句话说，在电力中断（M0-M1）和电力恢复（M5-M6）的阶段中，车辆的驱动电机仍然工作，而不管变速电动机的状态如何。
3换挡时间分析
基于换档过程，换档时间可以类似地分为6个阶段。 这里，齿轮啮合的换档时间可以分为两部分：由驱动电机确定的时间和由换档电机确定的时间。由于换档电动机在整个换档过程中工作，换档时间的减少主要取决于驱动电动机的控制。 然而，电动机速度调节由固有特性确定而不是驱动电机控制。电源中断/恢复过程的移动时间以及同步时间将在以下部分中讨论。
3.1动力中断恢复时间
Jerk是加速度的变化率，并且可以通过当同步器在齿轮上时应用车辆动力学方程式可以得出：
(1)
其中j是加加速度，m是车辆质量，delta;是的旋转质量的转换系数，Tm是电机转矩，ig是变速器传动比，i0是主传动比，r是车轮半径。
由于电源中断和恢复的时间很短，假定道路条件和车辆速度短时间内保持恒定。 因此，车辆运动方程可以是简化如下：
(2)
假设电源中断和恢复的执行时间相对于换挡时间具有线性比例关则|dTm/dt|是常数。因此，可以得到电源的中断和恢复换档时间：
(3)
其中ig1和ig2分别是齿轮1和齿轮2的传动，T1是结束换挡时的齿轮1的转矩（或者开始换挡时的扭矩），T2是结束换挡时轮2的转矩（或齿轮2开始时换挡时的扭矩）。可以得出结论,电源中断和恢复的执行时间取决于驱动电机的扭矩的变化率，其直接影响换档抖动。
3.2同步时间
根据牛顿的第二定律，同步器的动态模型可以定义为：
(4)
(5)
其中Delta;omega;是同步器两端的转速差， 是同步器驱动端角速度，JV是同步器驱动端的等效惯性矩,MS是摩擦力矩（其中使用“ ”用于升档，“ - ”用于降档），MV是同步器驱动端的阻力力矩。
根据等式(5),汽车的加加速度可以得到如下等式：
(6)
联立方程(4)(5)(6)，可以得到下面的等式。换挡时间可以表示为加加速度的符号函数。
(7)
(8)
通过方程(3)和(8)，可知换挡时间与换挡抖动直接相关.随着换挡时间的增加，换档抖动减小。然而，换档时间和换挡冲击是换挡的重要体现，因此电机应有良好的控制策略。
- 同步器齿环磨损分析
同步器锁止故障是同步器齿磨削的主要原因。当同步器套筒在进入正确的锁定位置之前先与目标齿轮直接啮合时，发生同步器锁止故障。
对于在输出轴上安装同步器的传统AMT轴，降档过程中，锁环可以进入正确的锁定位置，而在升档过程中，在进入正确的锁定位置前，锁环必须相对于同步器套筒前进一个齿宽，电动车辆上的AMT也有同样的现象出现。 因此，对于输出轴装有同步器的双速AMT的纯电动车辆来说，同步器齿磨损不会发生在降档过程，但是有可能在升档过程中发生。
待同步齿轮
同步器套筒
同步环
在升档过程中，在同步器套筒越过定位滑块间隙之后，锁定环开始相
对于同步器套筒转动，如图5所示。为了确保锁定环进入正确的锁定位置，在同步器套筒越过套筒间隙之前，它必须向前运动一个相对于同步器套筒的齿宽宽度。 这可以被定义为：
图 5同步器轴向视图
(9)
其中vjht是同步器套筒的轴向移动速度，是同步器驱动和待驱动之间的速度差部分，z表示锁环齿数，delta;1是定位滑块间隙，delta;2是套筒间隙，如图5所示。
将等式(9)变形得到如下：
(10)
显然，传统AMT的较大，且锁环可以快速进入正确的锁定位置，因为允许轴向同步器套筒的运动速度更大。然而，纯电动车的双速AMT的由于速度较小，因此驱动电机可以快速调节，从而限制了同步器套筒的轴向运动许用速度。因此，锁环必须慢慢进入正确的锁定位置，这一点要求降低了电机速度调节的优势并延长换档时间。
总之，对于纯电动车的AMT，齿磨削通常不会发生在降档过程中，并且可以通过延长换档时间在升档过程避免磨损。
5.1电源中断和恢复控制算法
在电源中断和恢复过程中，核心问题是第一次换挡冲动问题。根据驱动电机的扭矩变化率的控制策略，只要驱动电机的扭矩变化率满足公式(3)的约束条件，在电源中断和恢复期间，车辆振动可以限制在合理的参考范围内。
5.2驱动电机调速控制算法
电机调速可以快速降低同步器驱动和从动部件之间的速度差，从而降低同步负载，延长同步器寿命，减少换档时间。
驱动电机的调速控制算法的核心是同步速度的计算。根据降档策略，锁环的速度应该低于同步器套筒的速度。 升档和降档速度调节的同步速度分别表示如下：
(11)
(12)
其中ntar1是升档速度调节的目标速度，ntar2是降档调速的
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