CN110296186A - 一种两挡纯电动变速***、纯电动工程车辆及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆领域，具体公开了一种两挡纯电动变速***、纯电动工程车辆及其控制方法，本发明提供的两挡纯电动变速***，能够实现不同行驶条件下的动力输出调整和变化，在大负载情况下将制动器与齿圈分离且离合器结合，以一挡运行，实现大扭矩输出；在轻载情况下将制动器与齿圈结合且离合器分离，以二挡运行，以提高转速；而且在换挡过程中，由于离合器和制动器中始终有一个处于结合状态，能够实现换挡过程中无动力中断。本发明提供的纯电动工程车辆，包括上述的两挡纯电动变速***，能够根据纯电动工程车辆的最佳动力性进行挡位切换，实现电机尽可能地在高效转速区运行，从而降低损耗、提高机械作业效率。

Description

一种两挡纯电动变速***、纯电动工程车辆及其控制方法
技术领域
本发明涉及车辆领域，尤其涉及一种两挡纯电动变速***、纯电动工程车辆及其控制方法。
背景技术
现有的装载机均采用传统发动机动力输出，具体为发动机飞轮输出动力到变矩器再由超离合器到直接挡，再从直接挡到输出轴、传动轴、压包、半轴最后输出动力到轮边。随着电池储能材料的发展、充电基础设备发展建设和电控技术的突破，在工程机械上应用纯电动驱动已经具备条件。由于发动机的合理转速区间较窄(一般1000-4000rpm),转速过低时无法输出转矩，而转速过高则会处于低效工作状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两挡纯电动变速***、纯电动工程车辆及其控制方法，能够实现不同行驶条件下的动力输出调整和变化，使电机尽可能地在高效转速区运行。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种两挡纯电动变速***，其特征在于，包括电机、壳体及设于所述壳体内的换挡机构，所述换挡机构包括：
行星轮系，其包括连接于所述电机输出轴的中心轮，套设于所述中心轮外的齿圈，设于所述中心轮和所述齿圈之间的多个行星轮，及行星架；所述行星架的一端伸入每个所述行星轮内且能够相对于所述行星轮转动，所述行星架的另一端连接有输出轴；
制动器，所述制动器能够通过与所述齿圈的结合或分离使所述齿圈能够相对于所述壳体固定或转动；
离合器，所述离合器结合或分离能够使所述电机的输出端与所述齿圈连接或分离，所述离合器和所述制动器中至多有一个处于结合状态。
本发明还提供了一种纯电动工程车辆，包括上述的两挡纯电动变速***。
本发明还提供了一种上述纯电动工程车辆的控制方法，包括以下步骤：
在满足目标挡位对应的换挡条件时，将所述制动器与所述齿圈分离且所述离合器结合，或将所述制动器与所述齿圈结合且所述离合器分离，同时将当前车速作为目标车速，调节所述电机的转速使实际车速等于目标车速。
作为上述纯电动工程车辆的控制方法的一种优选技术方案，所述满足目标挡位对应的换挡条件指的是车速在目标挡位对应的换挡车速范围内且收到换挡信号且油门开度保持不变。
作为上述纯电动工程车辆的控制方法的一种优选技术方案，在换挡过程中，采用分数阶PID控制调节所述电机的转速。
作为上述纯电动工程车辆的控制方法的一种优选技术方案，在采用分数阶PID控制计算出的所述电机的转速对应的电流小于等于预设电流极限值时，采用分数阶PID控制调节所述电机的转速；
在采用分数阶PID控制计算出的所述电机的转速对应的电流大于所述预设电流极限值时，将所述电机的转速调节至与所述预设电流极限值对应的转速。
作为上述纯电动工程车辆的控制方法的一种优选技术方案，在换挡完毕时，根据负载大小匹配目标车速，调节所述电机的电流使实际车速达到目标车速。
作为上述纯电动工程车辆的控制方法的一种优选技术方案，收到所述制动器与所述齿圈已完全分离的信号且收到所述离合器已完全结合的信号，或收到所述制动器与所述齿圈已完全结合的信号且收到所述离合器已完全分离的信号，则换挡完毕。
作为上述纯电动工程车辆的控制方法的一种优选技术方案，在正常作业过程中，采用分数阶PID控制调节所述电机的电流。
作为上述纯电动工程车辆的控制方法的一种优选技术方案，在采用分数阶PID控制计算出的所述电机的电流对应的转速小于等于预设转速极限值时，采用分数阶PID控制调节所述电机的电流；
在采用分数阶PID控制计算出的所述电机的电流对应的转速大于所述预设转速极限值时，将所述电机的电流调节至与所述预设转速极限值对应的电流。
本发明的有益效果：本发明提供的两挡纯电动变速***，能够实现不同行驶条件下的动力输出调整和变化，在大负载情况下将制动器与齿圈分离且离合器结合，以一挡运行，实现大扭矩输出；在轻载情况下将制动器与齿圈结合且离合器分离，以二挡运行，以提高转速；而且在换挡过程中，由于离合器和制动器中始终有一个处于结合状态，能够实现换挡过程中无动力中断。
本发明提供的纯电动工程车辆，包括上述的两挡纯电动变速***，根据纯电动工程车辆的最佳动力性进行挡位切换，实现电机尽可能地在高效转速区运行，从而降低损耗、提高机械作业效率。
本发明提供的纯电动工程车辆的控制方法，在满足目标挡位对应的换挡条件时，将制动器与齿圈分离且离合器结合或将制动器与齿圈结合且离合器分离，同时将开始换挡时的车速作为目标车速，调节电机的转速使实际车速等于目标车速。由于离合器和制动器的状态发生变化后，两挡纯电动变速***的传动比会发生变化，若是电机转速保持不变，会导致换挡前后车速发生较大的变化，继而造成较大换挡冲击，在换挡过程中通过调节电机的转速能够降低实际车速的变化，从而保证换挡的平顺性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的两挡纯电动变速***的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的整车传动示意图；
图3是本发明实施例提供的上述两挡纯电动变速***的控制关系示意图；
图4是本发明实施例提供的上述纯电动工程车辆的控制方法的流程图。
图中：
1、行星架；2、行星轮；3、齿圈；4、离合器；5、电机；6、车轮；7、制动器；8、车轮半轴；9、差速器；10、中心轮；11、离合驱动机构；12、制动驱动机构；13、整车控制器；14、换挡机构。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
图1是本实施例提供的两挡纯电动变速***的结构示意图，图2是本实施例提供的整车传动示意图，如图1和图2所示，本实施例提供了一种两挡纯电动变速***，主要应用于纯电动工程车辆，如推土机、平地机、装载机等，本实施例以装载机为例。该两挡纯电动变速***包括电机5、壳体及设于壳体内的换挡机构14，电机5输出的动力通过换挡机构14传递至差速器9，再由差速器9通过车轮半轴8驱动装载机的车轮6行驶，电机5反转即可实现倒挡，上述车轮6与差速器9之间的动力传输为现有技术，在此不再赘叙。
其中，换挡机构14包括行星轮系、制动器7和离合器4，其中行星轮系包括连接于电机5输出轴的中心轮10，套设于中心轮10外的齿圈3，设于中心轮10和齿圈3之间的多个行星轮2，及行星架1；行星架1的一端伸入每个行星轮2内且能够相对于行星轮2转动，行星架1的另一端连接有输出轴，输出轴连接于差速器9。其中制动器7设于壳体上，制动器7能够通过与齿圈3的结合或分离使齿圈3能够相对于壳体固定或转动；离合器4结合或分离能够使电机5的输出端与齿圈3连接或分离。
由于离合器4结合且制动器7与齿圈3结合的情况下，齿圈3既在离合器4的作用下被电机5驱动而转动，又在制动器7的作用下被限制其相对于壳体转动，因此本实施例限定离合器4和制动器7中至多有一个处于结合状态，即离合器4和制动器7不可同时处于结合状态。
本实施例提供的两挡纯电动变速***，能够实现不同行驶条件下的动力输出调整和变化，在大负载情况下将制动器7与齿圈3分离且离合器4结合，以一挡运行，实现大扭矩输出；在轻载情况下将制动器7与齿圈3结合且离合器4分离，以二挡运行，以提高转速；而且在换挡过程中，由于离合器4和制动器7中始终有一个处于结合状态，能够实现换挡过程中无动力中断。本实施例根据纯电动转载机最佳动力性进行挡位切换，在空载行驶时可以人工切换到二挡提高速度输出，在带载作业时可以人工降至一挡提高扭矩输出，继而提高装载机的动力性能，实现电机5尽可能地在高效转速区运行，使纯电动装载机具有良好的装载以及加速性能，从而降低损耗、提高机械作业效率。
图3是本实施例提供的上述两挡纯电动变速***的控制关系示意图，如图1和图3所示，本实施例提供的两挡纯电动变速***还包括离合驱动机构11和制动驱动机构12，其中离合驱动机构11驱动离合器4动作以使离合器4结合或分离，制动驱动机构12驱动制动器7与齿圈3结合或分离使齿圈3能够相对于壳体固定或转动。上述离合驱动机构11和制动驱动机构12均连接于装载机的整车控制器13，装载机的整车控制器13通过CAN总线与电机控制器连接，电机控制器通过电机控制算法输出PWM信号控制电机5的转速。离合驱动机构11采用现有技术中控制离合器4结合和分离的结构，制动驱动机构12也采用现有技术中控制制动器7动作的结构，在此不再具体限定。在本实施例中，整车控制器13和电机控制器均可以是集中式或分布式的控制器，比如，控制器可以是一个单独的单片机，也可以是分布的多块单片机构成，单片机中可以运行控制程序，进而控制电机5、离合驱动机构11和制动驱动机构12实现其功能。
进一步地，本实施例采用电池包为电机控制器供电，优选地，上述电机5采用永磁同步电机。
本实施例还提供了一种纯电动工程车辆，包括上述的两挡纯电动变速***，根据纯电动工程车辆的最佳动力性进行挡位切换，实现电机5尽可能地在高效转速区运行，从而降低损耗、提高机械作业效率。
本实施例还提供了一种上述纯电动工程车辆的控制方法，以控制纯电动工程车辆行驶，下面以由一挡切换至二挡为例对，结合图4对上述纯电动工程车辆的控制方法进行具体描述。
S1、在满足目标挡位对应的换挡条件时，将制动器7与齿圈3分离且离合器4结合，同时将当前车速作为目标车速，调节电机5的转速使实际车速等于目标车速。
其中进行换挡的首要条件是收到换挡信号，装载机上设有与整车控制器13电连接的换挡按键或其他可发送换挡信号的结构，装载机上采用按压换挡按键发送换挡信号；其次为了避免出现换挡冲击，要求车速在目标挡位对应的车速范围内；由于油门一旦调整会在一定程度上造成车速发生变化，也会造成换挡冲击，要求换挡前及换挡过程中油门开度均保持不变。在上述三个条件均满足时，整车控制器13将会控制离合驱动机构11和制动驱动机构12动作，以改变离合器4和制动器7的状态。综上，满足目标挡位对应的换挡条件指的是车速达到目标挡位对应的换挡车速范围内且收到换挡信号且油门开度保持不变。
整车控制器13在控制离合驱动机构11和制动驱动机构12动作的同时，会控制电机5工作以调节电机5的转速使实际车速等于目标车速。由于离合器4和制动器7的状态发生变化后，上述两挡纯电动变速***的传动比会发生变化，若是电机5转速保持不变，会导致换挡前后车速发生较大的变化，继而造成较大换挡冲击，为此，在换挡过程中需要调节电机5的转速使实际车速等于目标车速，从而保证换挡的平顺性。
如图2所示，纯电动工程车辆上设有车速传感器，通过车速传感器实时测量车速。电机5的转速通过角位移传感器测量，上述车速传感器和角位移传感器均电连接于整车控制器13，至于车速传感器和角位移传感器分别如何与整车控制器13电连接均为现有技术，在此不再赘叙。
本实施例所定义的油门开度保持不变指的是油门开度在一个预设范围内，该预设范围的最大值和最小值的差值较小，即允许油门开度存在微小的变化。该预设范围是通过多次重复试验确定的已知值。
S2、在换挡完毕时，根据负载大小匹配目标车速，调节电机5的电流使实际车速达到目标车速。
在由一挡切换至二挡的过程中，制动器7将由与齿圈3结合的状态切换至与齿圈3分离状态，并在制动器7与齿圈3完全分离时发送信号至整车控制器13；离合器4将由结合状态切换至分离状态，并在离合器4完全结合时发送信号至整车控制器13。在收到制动器7与齿圈3已完全分离的信号且收到离合器4已完全结合的信号时，则认为换挡完毕。
正常行驶过程中，为了使电机5尽可能地在高效转速区运行，根据负载大小匹配目标车速，再调节电机5的电流以调节电机5的输出扭矩，继而调节实际车速，使实际车速达到目标车速。负载大小与目标车速之间存在对应关系，该对应关系是根据多次重复试验确定的已知对应关系，被提前嵌入整车控制器13内。
由二挡切换至一挡的区别仅在于，此时将制动器7与齿圈3由分离状态切换至结合状态，同时将离合器4由结合状态切换至分离状态，其他方式与由一挡切换至二挡相同，在此不再限定。
进一步地，在换挡过程中，采用分数阶PID控制调节电机5的转速。采用分数阶PID控制调节电机5的转速的具体方法如下：
(1)、计算目标车速与实际车速的差值。
其中目标车速为r(t)，实际车速y(t)，目标车速与实际车速的差值为e(t)。
e(t)＝r(t)-y(t) (a)
将公式(a)转变为离散时间序列tm(m＝1，2，3...)上的离散序列：
em(t)＝rm(t)-ym(t) (b)
(2)、采用分数阶PID控制计算公式(a)对应的电机5转速调整量的时域微分方程。
u(t)＝KPe(t)+KII-λe(t)+KDDμe(t) (c)
利用Grunwald-Letnicov定义将公式(c)转化为离散时间序列tm(m＝1，2，3，...)的离散方程：
根据运算效率，在精度允许范围内设定微分算子的记忆长度L，其中h为采样周期，将时域微分方程(d)离散化为：
其中，λ、μ分别表示积分阶数和微分阶数去整后的数值，KP、KI和KD均表示分数阶PID计算时比例积的系数，q-λ表示D-λ进行离散化之后的微积分算子。将目标车速与实际车速的差值em与换挡后对应的行星轮系传动比的比值代入公式(e)中即可得出分数阶PIλDμ控制的输出值um，即电机转速调整量，根据上述电机转速调整量对电机5转速进行调整即可。
本发明的其他实施例中也可以采用分数阶PID控制调节电机5的转速使电机的实际转速等于目标转速，其中目标转速等于根据目标车速与换挡后对应的行星轮系传动比的比值，在理论情况下，若是电机5的转速等于目标转速，那么实际车速也就等于目标车速。
进一步地，在采用分数阶PID控制调节电机5转速的过程中，电机5的转速增大则会使电机5的电流增大，而电机5的电流存在预设电流极限值，在根据计算出的电机转速调整量得出的将要调节至的电机5转速对应的电流小于等于预设电流极限值时，按照分数阶PID控制调节电机5转速即可；在根据计算出的电机5转速调整量得出的将要调节至的电机5转速对应的电流大于预设电流极限值时，将电机5转速调整至与预设电流极限值对应的转速。上述预设电流极限值是根据经验确定的已知值。
进一步地，在正常作业过程中，采用分数阶PID控制调节电机5的转速，实现对电机5扭矩的调节，称为扭矩PID控制，以满足负载的需求。采用分数阶PID控制调节电机5的转速的方法与上述采用分数阶PID控制调节电机5电流的方法的基本原理相同，在此不再重复赘叙。
进一步地，在采用分数阶PID控制调节电机5电流的过程中，电机5的电流增大会使电机5的转速增大，而电机5的转速存在预设转速极限值，在根据计算出的电机5电流调整量得出的将要调节至的电机5电流对应的转速小于等于预设转速极限值时，按照分数阶PID控制调节电机5电流即可；在根据计算出的电机5电流调整量得出的将要调节至的电机5电流对应的转速大于预设转速极限值时，将电机5电流调整至与预设转速极限值对应的转速。上述预设转速极限值是根据经验确定的已知值。
本实施例实现在换挡过程中采用分数阶PID控制限制电流的方式调节电机5的转速，在正常作业过程中采用分数阶PID控制限制转速的方式调节电机5的电流。采用分数阶PID控制比传统的增量式PID算法控制、位置式PID算法控制具有更快的响应速度，与目标值之间的差值波动更小，可进一步地降低转速脉动和转速波动，尤其在换挡时能够实现转矩PID控制和转速PID控制的平滑过渡，实现整车换挡过程的可靠性和稳定性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

Claims (10)

1.一种两挡纯电动变速***，其特征在于，包括电机(5)、壳体及设于所述壳体内的换挡机构(14)，所述换挡机构(14)包括：
行星轮系，其包括连接于所述电机(5)输出轴的中心轮(10)，套设于所述中心轮(10)外的齿圈(3)，设于所述中心轮(10)和所述齿圈(3)之间的多个行星轮(2)，及行星架(1)；所述行星架(1)的一端伸入每个所述行星轮(2)内且能够相对于所述行星轮(2)转动，所述行星架(1)的另一端连接有输出轴；
制动器(7)，所述制动器(7)能够通过与所述齿圈(3)的结合或分离使所述齿圈(3)能够相对于所述壳体固定或转动；
离合器(4)，所述离合器(4)结合或分离能够使所述电机(5)的输出端与所述齿圈(3)连接或分离，所述离合器(4)和所述制动器(7)中至多有一个处于结合状态。
2.一种纯电动工程车辆，其特征在于，包括权利要求1所述的两挡纯电动变速***。
3.一种如权利要求2所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在满足目标挡位对应的换挡条件时，将所述制动器(7)与所述齿圈(3)分离且所述离合器(4)结合，或将所述制动器(7)与所述齿圈(3)结合且所述离合器(4)分离，同时将当前车速作为目标车速，调节所述电机(5)的转速使实际车速等于目标车速。
4.根据权利要求3所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，所述满足目标挡位对应的换挡条件指的是车速在目标挡位对应的换挡车速范围内且收到换挡信号且油门开度保持不变。
5.根据权利要求3所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，在换挡过程中，采用分数阶PID控制调节所述电机(5)的转速。
6.根据权利要求5所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，在采用分数阶PID控制计算出的所述电机(5)的转速对应的电流小于等于预设电流极限值时，采用分数阶PID控制调节所述电机(5)的转速；
在采用分数阶PID控制计算出的所述电机(5)的转速对应的电流大于所述预设电流极限值时，将所述电机(5)的转速调节至与所述预设电流极限值对应的转速。
7.根据权利要求3所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，在换挡完毕时，根据负载大小匹配目标车速，调节所述电机(5)的电流使实际车速达到目标车速。
8.根据权利要求7所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，收到所述制动器(7)与所述齿圈(3)已完全分离的信号且收到所述离合器(4)已完全结合的信号，或收到所述制动器(7)与所述齿圈(3)已完全结合的信号且收到所述离合器(4)已完全分离的信号，则换挡完毕。
9.根据权利要求7所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，在正常作业过程中，采用分数阶PID控制调节所述电机(5)的电流。
10.根据权利要求9所述的纯电动工程车辆的控制方法，其特征在于，在采用分数阶PID控制计算出的所述电机(5)的电流对应的转速小于等于预设转速极限值时，采用分数阶PID控制调节所述电机(5)的电流；
在采用分数阶PID控制计算出的所述电机(5)的电流对应的转速大于所述预设转速极限值时，将所述电机(5)的电流调节至与所述预设转速极限值对应的电流。
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