CN111486230B - 一种车辆、动力系统及换挡动力不中断的换挡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆、动力系统及换挡动力不中断的换挡方法，当整车辅助换挡点到来时，根据当前挡位调节第二电机的转速至第一转速阈值；当整车换挡点到来时，控制与换挡机构对应的第一电机减小输出扭矩，控制第二电机增大输出扭矩以补充整车动力；当第一电机的输出扭矩减小到第一扭矩阈值时，控制换挡机构摘挡；换挡机构摘挡完成后，根据目标挡位调节第一电机的转速；当第一电机的转速调节到第二转速阈值时，控制换挡机构挂挡；换挡机构挂上挡后，根据目标挡位对应的需求扭矩控制第一电机增大输出扭矩，控制第二电机减小输出扭矩。本发明利用第二电机在换挡过程中补充动力，实现了整车换挡动力不中断，提升了整车平顺性与驾驶员体验。

Description

一种车辆、动力系统及换挡动力不中断的换挡方法
技术领域
本发明涉及一种车辆、动力系统及换挡动力不中断的换挡方法，属于车辆换挡控制技术领域。
背景技术
现有的双电机纯电动动力系统的常规结构为：第一电机的输出轴通过两挡变速机构连接系统输出轴，第二电机的输出轴通过相应的传动机构或者也通过变速机构(比如行星排)连接系统输出轴。但是，现有的这种系统结构的换挡方法在换挡过程中不可避免的存在动力中断的情况，影响整车平顺性。
发明内容
本发明的目的是提供一种车辆、动力系统及换挡动力不中断的换挡方法，用于解决现有的换挡方法在换挡过程中存在动力中断的情况，影响整车平顺性的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种换挡动力不中断的换挡方法，包括以下步骤：
(1)当整车辅助换挡点到来时，根据当前挡位调节第二电机的转速至第一转速阈值；
(2)当整车换挡点到来时，控制与换挡机构对应的第一电机减小输出扭矩，控制第二电机增大输出扭矩以补充整车动力，其中，整车辅助换挡点对应的时刻早于整车换挡点对应的时刻；
(3)当第一电机的输出扭矩减小到第一扭矩阈值时，控制换挡机构摘挡；
(4)换挡机构摘挡完成后，根据目标挡位调节第一电机的转速；
(5)当第一电机的转速调节到第二转速阈值时，控制换挡机构挂挡；
(6)换挡机构挂上挡后，根据目标挡位对应的需求扭矩控制第一电机增大输出扭矩，控制第二电机减小输出扭矩。
本发明的有益效果是：当整车辅助换挡点到来时，控制第二电机进行调速，以在整车换挡点到来前做好准备；整车换挡点到来后，在摘挡之前，当第一电机的输出扭矩减小时，通过控制增大第二电机的输出扭矩来补充整车动力，可以有效防止整车动力由于第一电机的输出扭矩减小而变小，在摘挡完成后，根据目标挡位调节第一电机的转速以实现顺利换挡，并在挂上挡后，当第一电机的输出扭矩增大时，控制第二电机的输出扭矩减小，有效保证了整车换挡过程中动力不中断，提升了整车平顺性与驾驶员体验。
作为方法的进一步改进，为了准确判断整车换挡点是否到来，所述步骤(1)中，利用车速和油门踏板开度判断整车换挡点是否到来，当车速到达第一换挡设定速度阈值时，判定整车换挡点到来，第一换挡设定速度阈值的计算公式为：
Figure BDA0001962178500000021
其中，αhigh表示设定的油门踏板经济性开度上限值，αlow表示设定的油门踏板经济性开度下限值，αreal表示当前油门踏板开度，β表示换挡判断系数，v表示第一换挡设定速度阈值；vpow表示设定的动力性换挡车速，veff表示设定的经济性换挡车速。
作为方法的进一步改进，为了保证在整车换挡点到来前车辆已经做好了换挡准备，所述步骤(1)中，当第二电机的转速调节至第一转速阈值后，控制第二电机零扭矩输出并进入随转状态。
为了实现上述的换挡动力不中断的换挡方法，本发明还提供了一种动力系统，包括第一电机、第二电机、换挡机构和传动机构，所述第一电机的输出轴连接换挡机构的动力输入轴，所述换挡机构的动力输出轴用于传动连接系统输出轴，所述第二电机的输出轴连接传动机构的动力输入轴，所述传动机构的动力输出轴用于传动连接所述系统输出轴。
为了实现上述的换挡动力不中断的换挡方法，本发明还提供了一种车辆，包括第一电机、第二电机、换挡机构和传动机构，所述第一电机的输出轴连接换挡机构的动力输入轴，所述换挡机构的动力输出轴用于传动连接系统输出轴，所述第二电机的输出轴连接传动机构的动力输入轴，所述传动机构的动力输出轴用于传动连接所述系统输出轴。
本发明的有益效果是：当整车辅助换挡点到来时，控制第二电机进行调速，以在整车换挡点到来前做好准备；整车换挡点到来后，在摘挡之前，当第一电机的输出扭矩减小时，通过控制增大第二电机的输出扭矩来补充整车动力，可以有效防止整车动力由于第一电机的输出扭矩减小而变小，在摘挡完成后，根据目标挡位调节第一电机的转速以实现顺利换挡，并在挂上挡后，当第一电机的输出扭矩增大时，控制第二电机的输出扭矩减小，有效保证了整车换挡过程中动力不中断，提升了整车平顺性与驾驶员体验。
作为系统和车辆的进一步改进，为了实现可靠换挡，所述换挡机构为二挡换挡机构，所述换挡机构包括常啮合齿轮、一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮，常啮合齿轮能够与一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮中的其中一个选择性啮合以实现换挡，所述一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮连接所述换挡机构的动力输入轴，所述常啮合齿轮连接所述换挡机构的动力输出轴，所述常啮合齿轮与一挡换挡齿轮结合时输出的扭矩与所述常啮合齿轮与二挡换挡齿轮结合时输出的扭矩大小不相等。
作为系统和车辆的进一步改进，为了实现传动功能，所述传动机构为行星排，所述行星排的太阳轮连接传动机构的动力输入轴，所述行星排的行星架通过锁止器连接壳体，通过改变锁止器的状态控制是否将行星排的行星架锁止在壳体上从而控制第二电机通过连接的太阳轮进行动力输出，所述行星排的齿圈连接所述传动机构的动力输出轴。
附图说明
图1是本发明动力系统的结构示意图；
图2是本发明升挡过程中和降挡过程中车速和油门踏板开度之间的关系图；
图3是本发明换挡动力不中断的换挡方法的流程图；
附图中：1是驱动电机，2是作业电机，3是自动变速控制器，4是电磁离合器，5是作业装置，6是驱动电机端齿轮，7是变速箱结合套，8是传动齿轮，9是齿圈，10是行星架，11是太阳轮，12是行星排结合套，13是转向惰轮，14是作业电机端齿轮，15是一挡换挡齿轮，16是常啮合齿轮，17是二挡换挡齿轮，18是锁止位置，19是锁止器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
动力系统实施例：
本实施例提供了一种动力系统，包括驱动电机1、作业电机2、换挡机构和传动机构。其中，驱动电机(可称为第一电机)1的输出轴连接换挡机构的动力输入轴，换挡机构的动力输出轴用于传动连接系统输出轴(换挡机构的动力输出轴可以直接连接系统输出轴，也可以通过传动齿轮等结构间接连接系统输出轴)以进行动力输出，作业电机(可称为第二电机)2的输出轴连接传动机构的动力输入轴，传动机构的动力输出轴用于传动连接系统输出轴以进行动力输出。
该动力系统中的驱动电机1、作业电机2、换挡机构和传动机构相互配合，可以实现一种换挡动力不中断的换挡方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)当整车辅助换挡点到来时，根据当前挡位调节第二电机的转速至第一转速阈值；
(2)当整车换挡点到来时，控制与换挡机构对应的第一电机减小输出扭矩，控制第二电机增大输出扭矩以补充整车动力，其中，整车辅助换挡点对应的时刻早于整车换挡点对应的时刻；
(3)当第一电机的输出扭矩减小到第一扭矩阈值时，控制换挡机构摘挡；
(4)换挡机构摘挡完成后，根据目标挡位调节第一电机的转速；
(5)当第一电机的转速调节到第二转速阈值时，控制换挡机构挂挡；
(6)换挡机构挂上挡后，根据目标挡位对应的需求扭矩控制第一电机增大输出扭矩，控制第二电机减小输出扭矩。
在本实施例中，动力系统中的换挡机构为二挡换挡机构，该二挡换挡机构具体为自动机械变速器(Automatic Mechanical Transmission，AMT)，传动机构为行星排。当然，作为其他的实施方式，该换挡机构也可以为三挡、四挡以及设置更多挡位的变速箱或者换挡机构；该传动机构也可以是其他的减速机构或者仅仅是传动轴。而且，为了便于布设，如图1所示，本实施例中，二挡换挡机构和行星排设置在一个壳体内，将该壳体定义为机构壳体。
如图1所示，该二挡换挡机构包括常啮合齿轮16、一挡换挡齿轮15和二挡换挡齿轮17，常啮合齿轮16能够与一挡换挡齿轮15和二挡换挡齿轮17中的其中一个选择性啮合以实现换挡，一挡换挡齿轮15和二挡换挡齿轮17连接该二挡换挡机构的动力输入轴，常啮合齿轮16连接该二挡换挡机构的动力输出轴，常啮合齿轮16与一挡换挡齿轮15结合时输出的扭矩与常啮合齿轮16与二挡换挡齿轮17结合时输出的扭矩大小不相等。如图1所示，在该二挡换挡机构中，6是驱动电机端齿轮，7是变速箱结合套，8是传动齿轮。
如图1所示，该行星排的太阳轮11连接行星排的动力输入轴，行星排的行星架10连接锁止器19，锁止器19与机构壳体上的锁止位置18匹配，通过控制锁止器19是否与锁止位置18结合，能够实现是否将行星排的行星架10锁止在机构壳体上。其中，锁止器19还可以将行星架10锁止在其他的壳体上，比如动力系统壳体、车辆壳体或者车辆底盘上等。在图1中，12是行星排结合套，行星排的齿圈9连接行星排的动力输出轴以实现动力输出。
另外，在图1中，作业电机2通过电磁离合器4连接作业装置5，作业电机2还通过作业电机端齿轮14和转向惰轮13连接太阳轮11。当然，如果车辆是常规的车辆的话，可以不设置作业装置5。
在图1中的动力系统中，还设置有自动变速控制器(Transmission Control Unit，TCU)3。为了实现对驱动电机1和作业电机2的控制以及整个换挡过程的控制，在本实施例中，由整车控制器(Vehicle control unit，VCU)和自动变速控制器3共同来实现。当然，作为其他的实施方式，为了实现对驱动电机1和作业电机2的控制以及整个换挡过程的控制，也可以单独由自动变速控制器3或者整车控制器VCU来实现。
在上述的动力系统中，将作业电机2通过行星排进行动力耦合，可以从结构上实现换挡过程中作业电机2的动力辅助作用，从而控制作业电机2在换挡过程中补充动力，实现整车换挡动力不中断，提升整车平顺性与驾驶员体验。
基于图1中所示的动力系统的具体结构，为了实现上述的换挡动力不中断的换挡方法，整车控制器VCU实时采集整车速度(车速)、油门踏板开度、驱动电机1、作业电机2、电磁离合器4、自动变速控制器3的状态等车辆状态信息。以升挡为例，初始情况下二挡换挡机构挂在1挡，图3给出了换挡动力不中断的换挡方法的一种具体的流程，包括以下步骤：
1)判定整车辅助换挡点是否到来，当整车辅助换挡点到来时，根据当前挡位调节作业电机2的转速至第一转速阈值，当作业电机2的转速调节至第一转速阈值后，使行星排锁止行星架10，控制作业电机2零扭矩输出并进入随转状态(以A、B两个齿轮为例，随转状态是指A、B两个齿轮的转速保持固定速比关系，A齿轮带动B齿轮转动，B齿轮没有对A齿轮进行动力传递)；车辆继续加速，当整车换挡点到来时，控制驱动电机1减小输出扭矩，控制作业电机2增大输出扭矩以补充整车动力。
具体的：通过设定第二换挡设定速度阈值，用于判断整车辅助换挡点是否到来，当车速到达第二换挡设定速度阈值时，则判定整车辅助换挡点到来。整车辅助换挡点到来后，获取作业电机2在当前挡位1挡所对应的转速，也就是第一转速阈值，调节作业电机2的转速至第一转速阈值。当作业电机2的转速调节至第一转速阈值且此时图1中的电磁离合器4处于解锁状态时，整车控制器VCU发出控制指令，控制自动变速控制器3进入到锁止行星架过程。行星排的太阳轮11、行星架10和齿圈9的公式关系为：ns+Knr＝(1+K)npc，其中ns表示太阳轮11的转速，nr表示齿圈9的转速，npc表示行星架10的转速，K表示行星排传动比。
其中，第一转速阈值是与当前的挡位1相匹配的转速阈值，通过将作业电机2的转速调节至第一转速阈值，可以使作业电机2驱动车辆的时候，保持车辆运行平稳。当整车辅助换挡点到来时，控制作业电机2进入调速过程，将作业电机2的转速至该第一转速阈值。当作业电机2达到第一转速阈值且行星架10的转速在合理范围内，则表明作业电机2调速完成，整车控制器VCU撤去对作业电机2的控制，此时自动变速控制器3控制锁止器19对行星架10进行锁止，锁止成功后则返回锁止状态。若因作业电机2的转速跌落过快而引起行星架10的转速过高导致锁止失败，则进入重新调速过程。
在行星排锁止行星架10成功后，利用整车速度和油门踏板开度来判断整车换挡点是否到来，当整车速度到达第一换挡设定速度阈值时，则判定整车换挡点到来，整车控制器VCU控制驱动电机1降扭，同时控制作业电机2升扭，以保持整车动力稳定。若因整车速度下降或油门踏板开度较小而不满足换挡临界值，则自动变速控制器3控制行星排解除锁止。其中，第一换挡设定速度阈值的计算公式为：
Figure BDA0001962178500000081
其中，αhigh表示设定的油门踏板经济性开度上限值；αlow表示设定的油门踏板经济性开度下限值；αreal表示当前油门踏板开度；β表示换挡判断系数，驾驶员踩油门踏板开度越大则取值越大，表明驾驶员对动力性需求更迫切，反之则以经济性需求为主；v表示第一换挡设定速度阈值；vpow表示设定的动力性换挡车速，即根据动力系统构型计算出动力性最优的换挡车速；veff表示设定的经济性换挡车速，即根据动力系统构型计算出整体效率最高时的换挡车速。
另外，需要说明的是，整车辅助换挡点的设置原则是：相对换挡点提前，即整车辅助换挡点对应的时刻早于整车换挡点对应的时刻，保证车辆满足换挡点条件时，车辆已经完成行星排的锁止或解锁过程；同时整车辅助换挡点也应避免车辆行车过程中频繁进入锁止、解锁过程。此时，由于是升挡过程，应当有第二换挡设定速度阈值小于第一换挡设定速度阈值。另外，作为其他的实施方式，当在降挡过程中，应当有第二换挡设定速度阈值大于第一换挡设定速度阈值，同样相当于整车辅助换挡点对应的时刻早于整车换挡点对应的时刻。
2)当驱动电机1的输出扭矩减小到第一扭矩阈值时，控制换挡机构摘挡。
也就是，当驱动电机1的输出扭矩减小到第一扭矩阈值时，驱动电机1降扭完成，自动变速控制器3控制二挡换挡机构摘到空挡，并返回二挡换挡机构状态信息给整车控制器VCU。此时，单独由作业电机2协助驱动。
3)换挡机构摘挡完成后，根据目标挡位调节驱动电机1。
也就是，当二挡换挡机构的挡位变为空挡后，整车控制器VCU根据目标挡位计算出驱动电机1的相应转速，也就是第二转速阈值，并控制驱动电机1进行调速，调整到第二转速阈值。
4)当驱动电机1的转速调节到第二转速阈值时，控制换挡机构挂挡。
也就是，在驱动电机1调速完成后，整车控制器VCU撤去对作业电机2的控制，自动变速控制器3控制二挡换挡机构挂挡，并返回二挡换挡机构的状态信息给整车控制器VCU。
5)换挡机构挂上挡后，根据目标挡位对应的需求扭矩控制驱动电机1增大输出扭矩，控制作业电机2减小输出扭矩。
也就是，二挡换挡机构挂挡完成后，整车控制器VCU根据目标挡位计算新的目标力矩并控制驱动电机1升扭，同时控制作业电机2降扭(最终0扭矩输出)。驱动电机1和作业电机2调扭完成后，自动变速控制器3控制行星排解除锁止。行星排解锁完成后，自动变速控制器3控制驱动电机1进入发电制动状态进行能量回收，此时整个换挡过程结束。
上述步骤1)-步骤5)是以升挡过程为例，对换挡动力不中断的换挡方法进行介绍的，而降挡过程与该升挡过程类似，此处不再赘述。其中，在1挡到2挡位的升挡过程中，换挡规律即车速和油门踏板开度的关系如图2中的升档曲线所示，不同车速、油门踏板开度以及挡位之间的数据对应关系如表1所示，不同车速、油门踏板开度以及行星排解锁状态之间的数据对应关系如表2所示。而在降挡过程中，比如2挡到1挡，换挡规律即车速和油门踏板开度的关系如图2中的降挡曲线所示，不同车速、油门踏板开度以及挡位之间的数据对应关系如表3所示，不同车速、油门踏板开度以及行星排解锁状态之间的数据对应关系如表4所示。
表1
Figure BDA0001962178500000091
Figure BDA0001962178500000101
表2
Figure BDA0001962178500000102
表3
Figure BDA0001962178500000103
表4
Figure BDA0001962178500000104
车辆实施例：
本实施例提供了一种车辆，该车辆包括动力系统，由于该动力系统的结构以及工作过程已经在上述的动力系统实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。
换挡动力不中断的换挡方法实施例：
本实施例提供了一种换挡动力不中断的换挡方法，包括以下步骤：
(1)当整车辅助换挡点到来时，根据当前挡位调节第二电机的转速至第一转速阈值；
(2)当整车换挡点到来时，控制与换挡机构对应的第一电机减小输出扭矩，控制第二电机增大输出扭矩以补充整车动力，其中，整车辅助换挡点对应的时刻早于整车换挡点对应的时刻；
(3)当第一电机的输出扭矩减小到第一扭矩阈值时，控制换挡机构摘挡；
(4)换挡机构摘挡完成后，根据目标挡位调节第一电机的转速；
(5)当第一电机的转速调节到第二转速阈值时，控制换挡机构挂挡；
(6)换挡机构挂上挡后，根据目标挡位对应的需求扭矩控制第一电机增大输出扭矩，控制第二电机减小输出扭矩。
由于该换挡动力不中断的换挡方法已经在上述的动力系统实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。另外，需要说明的是，该换挡动力不中断的换挡方法并不局限于图1中给出的动力系统，也可以适用于其他的动力构型，比如双电机+行星排+变速箱的多种动力系统构型中，应用范围较广。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种换挡动力不中断的换挡方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)当整车辅助换挡点到来时，根据当前挡位调节第二电机的转速至第一转速阈值；所述第一转速阈值为第二电机在当前挡位所对应的转速；
(2)当整车换挡点到来时，控制与换挡机构对应的第一电机减小输出扭矩，控制第二电机增大输出扭矩以补充整车动力，其中，整车辅助换挡点对应的时刻早于整车换挡点对应的时刻；
(3)当第一电机的输出扭矩减小到第一扭矩阈值时，控制换挡机构摘挡；
(4)换挡机构摘挡完成后，根据目标挡位调节第一电机的转速；
(5)当第一电机的转速调节到第二转速阈值时，控制换挡机构挂挡；
(6)换挡机构挂上挡后，根据目标挡位对应的需求扭矩控制第一电机增大输出扭矩，控制第二电机减小输出扭矩；
所述步骤(1)中，利用车速和油门踏板开度判断整车换挡点是否到来，当车速到达第一换挡设定速度阈值时，判定整车换挡点到来，第一换挡设定速度阈值的计算公式为：
Figure FDA0003308975470000011
其中，αhigh表示设定的油门踏板经济性开度上限值，αlow表示设定的油门踏板经济性开度下限值，αreal表示当前油门踏板开度，β表示换挡判断系数，v表示第一换挡设定速度阈值；vpow表示设定的动力性换挡车速，veff表示设定的经济性换挡车速。
2.根据权利要求1所述的换挡动力不中断的换挡方法，其特征在于，所述步骤(1)中，当第二电机的转速调节至第一转速阈值后，控制第二电机零扭矩输出并进入随转状态。
3.一种实施权利要求1-2中任一项所述的换挡动力不中断的换挡方法的动力系统，其特征在于，包括第一电机、第二电机、换挡机构和传动机构，所述第一电机的输出轴连接换挡机构的动力输入轴，所述换挡机构的动力输出轴用于传动连接系统输出轴，所述第二电机的输出轴连接传动机构的动力输入轴，所述传动机构的动力输出轴用于传动连接所述系统输出轴。
4.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述换挡机构为二挡换挡机构，所述换挡机构包括常啮合齿轮、一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮，常啮合齿轮能够与一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮中的其中一个选择性啮合以实现换挡，所述一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮连接所述换挡机构的动力输入轴，所述常啮合齿轮连接所述换挡机构的动力输出轴，所述常啮合齿轮与一挡换挡齿轮结合时输出的扭矩与所述常啮合齿轮与二挡换挡齿轮结合时输出的扭矩大小不相等。
5.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述传动机构为行星排，所述行星排的太阳轮连接传动机构的动力输入轴，所述行星排的行星架通过锁止器连接壳体，通过改变锁止器的状态控制是否将行星排的行星架锁止在壳体上从而控制第二电机通过连接的太阳轮进行动力输出，所述行星排的齿圈连接所述传动机构的动力输出轴。
6.一种实施权利要求1-2中任一项所述的换挡动力不中断的换挡方法的车辆，其特征在于，包括第一电机、第二电机、换挡机构和传动机构，所述第一电机的输出轴连接换挡机构的动力输入轴，所述换挡机构的动力输出轴用于传动连接系统输出轴，所述第二电机的输出轴连接传动机构的动力输入轴，所述传动机构的动力输出轴用于传动连接所述系统输出轴。
7.根据权利要求6所述的车辆，其特征在于，所述换挡机构为二挡换挡机构，所述换挡机构包括常啮合齿轮、一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮，常啮合齿轮能够与一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮中的其中一个选择性啮合以实现换挡，所述一挡换挡齿轮和二挡换挡齿轮连接所述换挡机构的动力输入轴，所述常啮合齿轮连接所述换挡机构的动力输出轴，所述常啮合齿轮与一挡换挡齿轮结合时输出的扭矩与所述常啮合齿轮与二挡换挡齿轮结合时输出的扭矩大小不相等。
8.根据权利要求6所述的车辆，其特征在于，所述传动机构为行星排，所述行星排的太阳轮连接传动机构的动力输入轴，所述行星排的行星架通过锁止器连接壳体，通过改变锁止器的状态控制是否将行星排的行星架锁止在壳体上从而控制第二电机通过连接的太阳轮进行动力输出，所述行星排的齿圈连接所述传动机构的动力输出轴。
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