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设计和控制一种新颖的双速不间断

电动汽车机械传动

传统的全电动汽车(EV)由于其低成本和简单的建设被广泛地采用与传播。然而,由于采用这种类型的动力传动系统,电动汽车技术的发展导致了日益增长的驱动电机的性能要求。引入多速或双速传动电动汽车为整个动力系统的效率改进提供了可能性。由此提出了一种创新的双速不间断机械传动(城市轨道交通),由一个行星齿轮系统,一个离心式离合器和刹车带组成,使两个齿轮之间能够无缝转移。此外,司机的意图是基于模糊逻辑控制器(方法)来控制系统,利用车辆的速度信号和油门踏板的位置。城市轨道交通能够显示更好的动态视图和舒适指数，同时优化与AMT相似的齿轮比率。比较控制策略与传统驾驶员意图识别两个参数，通过中间层的模拟和分析得到最佳的变速控制详细算法。结果表明,城市轨道交通采用最优控制方法可以使能源利用效率得到重大的提升,汽车开始向动态性能优越和舒适的电动汽车转变。

1. 介绍

随着环境污染、全球变暖和石油资源短缺,政府部门已经颁布更严格的燃油经济性和排放法规。与此同时,电动汽车有着零排放的优势,没有对原油的需求和高能源利用效率,从车辆制造商和消费者那里受到了显著的注意力。

回看电动汽车的发展,其历史包含三个阶段[1 - 3]。自1834年以来,电动汽车被发明时,直到二十世纪初,都是电动汽车的第一个发展的关键时期。在此期间,许多公司在北美和欧洲生产和销售电动汽车,而不是内燃机车辆(ICEV)。然而,电动汽车发展缓慢,由于电池技术的限制,而IECV的技术和制造经历了一个快速发展的时期。出于这个原因,电动汽车自1930年代以来ICEV所取代。直到1970年代早期,当石油危机和环境问题出现时,一些国家开始寻找替代ICEV的产品。因此,电动汽车以及混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池汽车(流量控制阀),回到聚光灯下。

电动车是比传统的化石能源更先进的智能管理的车辆。然而,电动汽车需要提高整体成本效益功能来获得更强的市场竞争力。电动汽车有三个主要问题需要关注,电池性能的优化和管理,提高推进效率和充电设施的分布[4、5]。

为了电动汽车的推进系统优化,做了大量的工作,包括研究专注于能源管理架构和建模,研究先进的电动汽车电力系统[6、7],以及比较不同电机动力传动系统[8]。此外,电动汽车的传动系统的工作在这个问题上能有效解决。在[9-14],目前的研究工作表明,取代了传统与减速器更适用传输系统可以显著提高电动汽车的性能。传统的手动变速器(MT)和(CVT)与无级变速传动系统与减速器通过建模与仿真的几个标准驱动周期的电动汽车。双速自动手动变速器(AMT)介绍了电动汽车的仿真以及在试验台实验[14 - 16],和一个逆AMT研究干式离合器位于后方的传播,传统AMT的牵引中断可以取消[17]。双速双离合变速器(DCT)也是实现的一个手段[18]。除此之外,一个新的双速齿轮箱结构设计通过添加单向超越离合器的传统twospeed MT[19、20]。在电动汽车AMT的实现可以提高能源效率、电力中断在换挡杆时导致舒适性能的限制。因此,一个平滑的换挡杆是必要的,也是电动汽车的传动系统的关键[21]。在本文中,一种新颖的双速传动系统,采取优势的机械构造和实现无缝换挡杆。相对于传输系统由常规MT[19],这部双速传输系统提出了实现更紧凑的包装和更容易控制。

传输控制系统的两个重要问题换挡杆决策和变速控制。换挡杆领域的决策、模糊逻辑技术被用于在推断驾驶员的意图加速[22 - 24]。在AMT,司机的意图,道路负荷估计使用车辆速度、油门踏板位置及其变化的速度通过一个模糊逻辑模块[25- 27],和发动机的扭矩和速度也用来评估[28]的发动机工况。除了上述参数,已经定义了相对油门踏板的位置来帮助评估司机的预期加速性能,综合驾驶条件和驾驶员的意图[29、30]。

在换挡杆的面积控制,研究适用于换挡杆的优化控制进行了各种传输。考虑到司机的不确定性输入和车辆结构[29],H1控制和LMI(线性矩阵不等式)方法引入换挡杆控制器和提供更好的性能[30-33]。最优控制方法应用于车辆的离合器订婚(34-36),也被用于换挡杆命令在混合动力电动汽车[34,37,38]。动态规划方法和最优控制方法被用来推导出控制律以显式的形式通过最小化的性能测量在换挡杆过程在[22]。

本文针对在换挡杆改善动态性能,确保转变点更合适的选择和减少能源消耗,驾驶员意图识别的基于模糊逻辑的方法控制和最优控制算法实现换挡杆的电动汽车的传动控制系统。

在接下来的两个部分,机械布局和传输系统的数学模型,包括两个齿轮和换档过程的状态。在第四节中,传输系统控制器与三层开发,和控制方法在换挡杆原则详细讨论。最后,提出了控制系统的性能提出了小说的传播在第五节通过一组模拟结果。

2传输系统的结构及工作原理

2.1 传动结构

自动变速器设计的三个关键因素,包括动态、经济和舒适性能,它是达成妥协的关键和难点。双速城市轨道交通的发展旨在实现更高的效率和更好的动态性能以及提高质量转变,通过应用一种改进的控制方法与新结构传输。在本节中,详细描述了城市轨道交通的机械结构。

城市轨道交通采用单级行星齿轮系统和连续换档系统。传输的结构是相似的传统,但有两个显著差异。变矩器通常是在常规使用,但不采用城市轨道交通,由于其相对较低的效率。此外,城市轨道交通的换挡杆系统采用电动执行机构,在常规使用液压致动器。前者的优点是结构简单、容易部署和快速反应。

基于两个自由度行星齿轮系统,齿轮比的两个步骤可以实现在一个紧凑的封装里面。为了确保连续性而改变齿轮,一个不间断的换挡杆系统应用,有着低成本和容易控制的优点。离心式离合器和刹车带组合变速系统。配合刹车带,离心式离合器使双速传播完成无缝变速排档,实现优秀质量转变,这使得它与普通单级传动电动汽车竞争。

单级行星齿轮系统由一个太阳齿轮、齿圈、两个行星齿轮载体上。太阳齿轮作为输入,并使用由一个输入转矩驱动电动机,而载波传送输出转矩微分。离心式离合器的结构图见图2(1),这是一些类似传统的鼓式制动器,但离合器可旋转离合器董事会和回位弹簧可以调整伺服电机。通过调整之间的相对角回位弹簧的轴离合器,返回扭矩弹簧可以改变,因此离合器鞋之间的接触力和离合器鼓是改变。当相对角度设置为零,返回力矩变成零,离心式离合器的摩擦力矩达到最大值。相反,返回力矩较大,离合器摩擦力矩小。换挡杆的制动闸系统通常是关闭,由电动机控制使用螺母副,就像在图2(2)。

2.2 工作过程

如图1所示,刹车带的环形齿轮固定在第一个齿轮。同时张力的力量下的离合器鞋内的复位弹簧提供的离心式离合器系统,没有接触离合器鼓系统和无摩擦力矩。因此,齿轮传动比由牙齿的数量在每一个齿轮是大于1。离心式离合器不会开始进行直到离合器鞋的转速达到指定值,和制动带释放在第二档,引起的综合运动的传动齿轮传动比的传动。

基于转速之间的比例的输入和输出轴传动,齿轮传动比,传动的工作过程可分为三种状态:

第一档齿轮,刹车带,在零转矩离合器和齿轮传动比等于第一个齿轮传动比;

第二档,离合器和刹车在零转矩,以及齿轮传动比等于1;

第三档换挡杆

换挡杆过程见图3,在电动汽车分别通过加速和减速。

扭矩阶段的部分(1)在图3中,离合器转矩逐渐上升为了启动加速,制动转矩引起的减少。如图表所示,离合器转矩仍在正常工作过程中零在第一齿轮。当一个加速第二齿轮是必需的,离心力的离合器鞋克服复位弹簧的作用在离心式离合器。与承运人的旋转速度的增加,车辆的速度成正比,离合器的扭矩导致二次增加,引起相应的减少制动带的静态摩擦力矩。齿轮传动比之间的输入和输出轴的转速传输不变和环形齿轮的转速为零,而环形齿轮的转速仍然是零,直到制动带转矩下降为零。

然后,制动转矩达到零惯性的开始阶段的一部分(1)在图3中,因此导致环形齿轮旋转。在此影响下产生的摩擦力矩离心式离合器,环形齿轮之间的转速差和承运人减少。结束时的惯性阶段加速,转速的行星齿轮传动系统的每个组件成为统一的离合器转矩的作用下

刹车带逐步开始的扭矩阶段(2)在图3中,一部分开始放缓,而离合器转矩随载波转速降低。在这个阶段,称为转矩阶段,增加制动带的定量值的滑动摩擦转矩组成的减少静态离心式离合器的摩擦力矩,因此传输的比例保持不变。

当离合器转矩为零,惯性阶段的部分(2)在图3开始和环形齿轮减速由于制动转矩。惯性阶段结束时,环形齿轮停止。

3动力传动系统的系统动力学建模

为了估计这部小说速城市轨道交通的动态性能和设计适当的控制系统,仿真模型是建立描述整个电动汽车的动力系统。实现仿真模型包括驱动模块,电机,电池,传输和车辆纵向动力学,与图3所示。简化序列(1)加速马达转矩不变的情况下,(2)在再生制动减速以恒定的制动转矩马达。图4所示。动力传动系统的框图系统仿真模型。考虑运动时间常数,电池SOC估计,以及半轴扭转动态的影响。在本节中,指定的动力传动系统的模型系统。

动力传动系统系统由电动机、传动系统、主减速器和车辆纵向动力学,如图4所示。输入和输出轴传动的弹性被建模为双速系统。此外,动力传动系统模型的其他组件视为刚体,通过刚性元素连接到对方。

3.1 电动马达

电动机是建模为旋转刚体,忽视的高频振动和转动惯量电机。电动机的转矩TM可以从一个查找表插值函数的油门踏板位置alpha;P和发动机转速omega;M

(1)

电动机的效率可以从测量特征地图内插如图5所示,电动机转速的函数omega;M和电动机转矩TM。轴连接发动机和传动系统建模为springdamp kS弹簧系数和阻尼系数cS。轴弹性方程可以给出

(2)

在角轴的扭转角,和在下一节中解释。

3.2 传输系统

在稳定阶段条件下,行星系统的动力学可以定义如下:

(3)

omega;S,omega;R和omega;C太阳齿轮的转动速度,环形齿轮和承运人。第一个齿轮传动比的传动和i1表示。iSP的负值齿轮传动比之间的行星齿轮和太阳齿轮,和知识产权之间的传动比是环形齿轮和行星齿轮。传输系统的总体方程如下:

(4)

(5)

这儿为J1,J2,J3和阁下的速记惯量计算从太阳齿轮惯量JS,承运人惯性JC,环形齿轮惯量小,单一行星齿轮惯量摩根大通和大规模的国会议员,如下所示。是太阳的中心之间的距离齿轮和行星齿轮。n是小齿轮的数量

(6)

(7)

(8)

(9)

离合器扭矩TCL离合器鞋速度的功能,也就是承运人速度omega;C回位弹簧之间的相对角度和离合器鞋gamma;CL,可以写成

(10)

在制程的质量是每个离合器鞋,RCL和拼箱是等价的半径和手臂的力量计算离心力和离合器鞋的时刻,FS和LS是力和回位弹簧的长度,和mu;CL库仑摩擦系数。制动力矩为被假定为线性正比于电动作用力FBR[40]。因此,制动转矩可以写成

(11)

3.2.1 第一个齿轮

传输系统在刹车的时候不会旋转,这意味着环形齿轮的转速omega;R是零,离合器扭矩TCL是零和的齿轮传动比等于i1。因此,承运人加速度方程omega;C在第一个齿轮

(12)

从方程我们可以看到,承运人加速度可以完全由车辆电动机转矩特定负载条件下。刹车的最低静摩擦转矩要求需要满足如下:

(13)

3.2.2 第二档

当制动转矩为零,离合器完全静止,转速之间的比例的输入和输出轴传输等于1,这意味着传输系统在第二档。因此载体加速度omega;C第二齿轮可以计算为:

(14)

类似于第一个齿轮,承运人在某些车辆加速度完全取决于电动机转矩负载条件。离心式离合器转矩的最小值需要达到如下推导 （15）

3.2.3 加速

转矩的加速阶段,传输系统需要满足的条件是环形齿轮的转速等于零。承运人加速度方程在扭矩阶段加速过程如下:

(16)

可以看出电动机转矩和离合器转矩确定载体角加速度的值。因为没有发生相对滑动和环形齿轮之间的制动闸,制动转矩的实际上是一个静态摩擦力矩应大于以下价值派生

(17)

当刹车带的静态摩擦力矩要求降低

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