某单轴并联混合动力客车换挡规律的解析

胡宇辉，杨 林，席军强，陈慧岩

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

前言

国内关于混合动力客车换挡规律的正向研究较多，通常选择油门开度、车速和电池SOC作为换挡参数［1-3］;也有在升挡和驱动模式下选择发动机转矩、电机转矩、车速和在制动模式下选择电机制动转矩、机械制动转矩和车速作为换挡参数［4］，普遍存在坡道和弯道循环换挡等问题。为提升混合动力换挡规律的设计能力，展开了对国外某先进混合动力系统换挡规律的逆向试验解析研究，设计了一种换挡规律的试验解析流程和测试方法，通过实车道路试验解析系统的换挡规律。

1 试验平台

本次试验选取某中度单轴并联气电混合动力客车为试验平台，进行换挡规律试验解析测试，各总成布置情况见图1。为测试需要，安装了加速度和AMT输出轴端转矩传感器;测试采用Vector公司的CANoe软硬件和自制数据采集系统。该车换挡操纵面板上有两种行驶模式，LOW柄位行驶时1挡起步，挡位在1～5挡之间变化;D柄位行驶时2挡起步，挡位在2～6挡之间变化。

2 换挡参数假设

混合动力车辆在不同模式下动力输出不一样，换挡规律的设计必须考虑发动机和电机转矩分配对整车性能的影响。当车辆行驶于纯电动、行车充电和混合驱动模式时，存在换挡与模式切换的协调控制，发动机转矩、电机转矩和电池SOC都可能是换挡参数;同时整车加速度、发动机与电机合成转矩对换挡决策可能也存在影响。

根据对该车的摸底测试，系统采用逻辑门限控制策略，换挡参数可能为油门开度、车速、电池SOC、整车加速度、发动机转矩、电机转矩、发动机与电机合成输出转矩中几个参数的组合，如图2所示。

进行上述假设时，部分参数不能直接获取准确值，如整车加速度、发动机转矩、发动机与电机合成输出转矩。判断其是否为换挡参数，只能分析在不同工况和行驶条件下换挡时刻其它相关参数的变化情况，如果有一致性变化趋势说明可能是换挡参数，再通过辅助试验测试，最终判断其是否为换挡参数;如果没有一致性变化趋势且变化范围大则说明不是换挡参数。

换挡参数如果是几个参数的组合，如油门开度、车速和整车加速度，在不同的路况下加速度是变化的，那么在相同挡位换挡时油门开度和车速也是变化的。如果在不同的路面上进行换挡测试，但是换挡时的油门开度和车速是不变的，那么可以间接说明加速度不是换挡参数。其余参数测试分析原理类似。

3 换挡参数试验解析

根据换挡参数的关联性，各参数的解析有先后次序。先进行油门开度和车速测试分析，其次是电池SOC值，之后是整车加速度，最后是发动机转矩、电机转矩和合成输出转矩，具体试验解析流程如图3所示。

试验过程中设计了油门限位机构对油门进行精确控制;采取上位机过滤转发报文的方式将电池SOC控制在任意值，进行不同SOC值换挡测试。

3.1 油门开度和车速分析

为分析油门开度和车速是否为换挡参数，进行如下试验:同一平直路面，LOW和D柄位，90%油门，任意SOC值恒定行驶和随机油门干预换挡测试。随着车速的增大，挡位发生变化，出现了油门干预升挡和降挡，进而得知油门开度和车速可能是换挡参数。

3.2 电池SOC值分析

为分析电池SOC是否为换挡参数，进行如下试验:同一平直路面，LOW和D柄位，分别固定油门开度为70%和100%，以20%、30%、50%、60%、80%、100%初始SOC和恒定SOC进行升、降挡测试。通过试验数据分析得知，换挡测试过程中，电池SOC值可以连续上升或下降(图4)、先下降再上升或恒定在某个值(图5)，由此证明电池SOC值不是影响换挡的参数;然而相同挡位换挡点的参数(如油门开度和车速)非常接近。

3.3 整车加速度分析

为分析整车加速度是否为换挡参数，在车上安装了加速度传感器。进行如下试验:相同路段，LOW和D柄位，分别固定油门开度50%、70%、100%，在平路、下坡、上坡和弯道上进行升降挡测试。图6和图7为以70%油门开度分别在平路和长下坡(加速度不同)工况的升挡测试，相同挡位换挡时加速度值变化大且没有一致性变化趋势，说明加速度不是换挡参数，但是在相同挡位换挡时的油门开度和车速非常接近。

3.4 电机转矩和发动机转矩分析

为分析电机转矩和发动机转矩是否为换挡参数，进行如下试验:LOW和D柄位，同一水平路面，固定油门开度80%，以30%、40%、90%和100%初始SOC恒定行驶换挡测试，见图8。

从图8(a)可知，车辆处于行车充电模式完成2升3挡，纯发动机模式完成3升4挡;从图8(b)可知，车辆处于纯发动机模式完成2升4挡;从图8(c)可知，车辆处于混合驱动模式完成2升5挡;从图8(d)可知，车辆处于纯电动模式完成2升4挡。各种行驶条件下换挡请求时刻的电机转矩和发动机转矩百分数如表1所示。

表1 请求换挡时电机转矩和发动机转矩百分数

从表1可知，请求换挡时刻的电机转矩可以为负值、0和正值，发动机转矩百分数可以为任意值(对应的发动机转矩为任意值)，可以在下坡路面纯电动行驶至5挡，二者都没有一致性变化趋势，说明电机转矩和发动机转矩不是换挡参数。但是上述各种行驶模式下换挡时的油门开度和车速非常接近。

3.5 发动机与电机合成输出转矩分析

为分析发动机与电机合成输出转矩是否为换挡参数，由于实车结构限制，只能在AMT输出轴端安装转矩传感器，测量车辆在请求换挡时刻的变速器输出轴转矩，通过比例换算确定输出的合成转矩。在上述换挡参数的测试中也统计分析了请求换挡时刻的合成输出转矩值，测量值可以为任意值且没有一致性变化趋势，进而说明合成输出转矩不是换挡参数。

3.6 换挡参数分析

通过分析得知，电池SOC、整车加速度、电机转矩、发动机转矩、发动机与电机合成转矩都不是换挡参数。在分析这些参数时统计了相同挡位换挡时刻的油门开度和车速，二者非常接近，再根据对油门开度和车速的分析，可以得知油门开度和车速是该系统AMT的换挡参数。

4 换挡规律控制策略试验解析

正向设计混合动力客车换挡规律时，可采用先进的控制算法对换挡规律进行优化，目前在实车上应用的常见方法有神经网络控制、模糊控制和智能换挡，采用这些方法的本质是让车辆的换挡点动态变化，使车辆行驶于最佳挡位。

神经网络控制能对行驶路况和驾驶员意图有一定的学习功能，根据不同驾驶风格选择不同的换挡点［5］;模糊控制能基于熟练驾驶员手动换挡过程，通过大量试验获得模糊矩阵，经模糊决策选择合理挡位［6］;智能换挡［7］是基于实车行驶环境，融合模糊控制、神经网络控制和自适应等算法而制定的换挡决策，应用于实车较少。

采用控制策略后换挡点是动态变化的，在实车上可以通过相同路况，不同驾驶风格测试和不同道路条件(山区、城市、高速路况)测试，分析换挡点的变化，确定车辆是否采用换挡规律控制策略。经过1500km的实车测试，统计分析了相同挡位换挡点的变化情况，得出在任意工况下相同挡位换挡时的换挡参数值非常接近，说明系统没有采用换挡规律控制方法。

5 换挡规律试验解析

换挡测试路况必须满足车辆能小油门上升到最高挡位和满油门下降到最低挡位，需要“V”字形的大坡度长下坡和长上坡路况。

5.1 LOW柄位升降挡测试

10%油门开度间隔，进行油门开度从30% ～100%升挡和油门开度从20% ～100%降挡测试，各油门升挡数据统计结果见图9，降挡统计结果见图10;为提高测试数据的准确性，进行了随机行驶换挡测试，得出LOW柄位修正升降挡规律。

5.2 D柄位升降挡测试

5.2.1 D柄位升挡测试

10%油门开度间隔，进行油门开度从20% ～100%升挡测试，各油门升挡数据统计结果见图11;为提高测试数据的准确性，进行了随机行驶升挡测试，得出D柄位修正升挡规律。

5.2.2 D柄位降挡测试

经过大量试验数据统计分析得知D柄位降挡规则如下:以当前最高挡位为基准分别对应一组降挡点，使发动机工作在当前最佳经济区域，又保证下一刻进入再生能量回收时电机工作在高效区域。当前最高挡位为6挡、5挡、4挡时分别对应最高6挡、最高5挡、最高4挡降挡规律，当有油门干预时会出现直接6降4挡、6降3挡、6降2挡、5降3挡、5降2挡、4降2挡。

10%油门开度间隔，进行油门开度从20% ～100%最高6挡降挡测试，各油门降挡数据统计结果见图12;为提高测试数据的准确性，进行随机行驶降挡测试，得出D柄位修正最高6挡降挡规律。同理可得最高5挡和4挡降挡规律。

6 结论

本文中解决了油门开度和电池SOC值的准确控制问题，能实现不同油门开度和电池SOC值换挡测试。实车测试结果表明:所设计的换挡参数测试方法、换挡规律测试方法和换挡规律测试需求路况是正确的，解析出了系统的换挡规律，为逆向研究混合动力系统换挡规律提供了一种试验方法，该方法同样适用于其它车辆。

解析结果表明，该系统的换挡参数是油门开度和车速，即两参数换挡规律，换挡优先、模式切换在后，二者协调配合，保证车辆正常行驶。LOW柄位相当于传统的动力型换挡规律，适用于有较大坡度的城市或山区道路;D柄位相当于传统的经济型换挡规律，适合于平坦的城市道路和高速工况。

［1］周国清.混合动力大客车换挡决策研究［D］.上海:上海交通大学，2008.

［2］古艳春.混合动力汽车AMT换挡策略及换挡控制的研究［D］.上海:上海交通大学，2006.

［3］毛起禹.ISG弱混合动力汽车AMT换挡规律研究［D］.上海:同济大学，2007.

［4］王伟华，王庆年，曾小华.并联混合动力汽车的换挡规律［J］.吉林大学学报，2009，39:10-13.

［5］何忠波，陈慧岩.陶刚.自动变速车辆挡位决策方法综述［J］.车辆与动力技术，2002(2):55-59.

［6］罗利鹏.应用于纯电动客车的S4-120AMT换挡策略优化［D］.北京:北京理工大学，2012.

［7］葛安林，金辉，张洪坤.一种汽车智能换挡体系的研究［J］.中国机械工程，2001，12(5):585-589.