集成扭矩传感器和两挡变速箱的电驱动桥的优点

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摘要

电动车渗透率在全球范围内迅速增加，目标是碳中和。电动车是环保的，但在续驶里程上低于传统的燃油车。在电动车中引入双速变速器可以提高巡航范围（动力系统高效区）和驾驶性能。与典型的自动变速器相比，电动车的变速器需要更大的减速比，因为电动机具有更广泛的高效率。电动车中的双速传输有两个要求：1）大速比以最大化巡航范围和2）紧凑性，可与固定比率减速器的轻松安装性相媲美。大减速比传输的变化可能导致严重的移位冲击，恶化乘坐舒适性。

本文说明了具有用于鲁棒无缝移位的磁致伸缩扭矩传感器的大减速比的两速传输。使用输出扭矩传感器进行反馈控制，无需调整控制器参数即可实现无缝移位。此外，我们还为紧凑型两挡电驱动桥引入了使用单个电动执行器的多功能换档装置。通过采用低扭矩技术，换档装置效率高，可提高巡航范围。通过无缝移位实验验证了双速传输的优点。

简介

由于温室气体排放法规的收紧，对电动车的需求正在迅速扩大。然而，没有变速器的电动车在驾驶性能和续驶里程方面低于传统燃油车辆。在电动车中引入2速传输可以增强加速和最高速度性能，如图1所示。

此外，通过2速变速器扩展电动机的有效操作区域扩展了续驶里程，如图2所示。

图1.通过双速变速器提高驾驶性能

图2.通过2速变速器扩展巡航范围

电机的高效运行范围比发动机要广泛得多。因此，电动车中的双速变速器的减速比需要大，以便有效地改善巡航范围。图3显示了全球协调轻型车辆测试周期(WLTC)中巡航范围相对于步进比的改进的模拟结果。最佳比率约为2.5，是传统燃油车典型减速比的两倍多。然而，众所周知，大速比传输的变化会引起大冲击并降低乘坐舒适性。

图3.WLTC模拟中巡航范围与双速传动减速比的改进关系

电动车中的传输有两个要求；1）大减速比，以最大化巡航范围和2）紧凑性，可与固定速比减速器的轻松安装性相媲美。为了克服电动车的挑战，我们正在开发一种新型的双速变速器，该变速器集成了多功能变速装置。所提出的换档装置紧凑，因为它只需要一个电动机来实现双速换档功能和停车锁功能。正在开发的变速器还在输出轴上具有磁致伸缩扭矩传感器，可实现稳健的无缝换档。

本文说明了具有输出扭矩反馈(FB)控制的无缝移位方法以及所提出的移位装置的概述。此外，通过实验评估了无缝换档性能。

功率流量切换装置(PFSD)

2.1概述

在图4中示出的双速传动装置中。离合器和制动器必须同步操作以进行换档操作。虽然液压制动器广泛用于操作这些接合元件，但它们需要大量液压元件，例如泵和阀门，但是可以将一个电动制动器应用于每个离合器和制动器操作，但是成本根据使用的电机数量而增加。

为了解决这些问题，我们正在开发一种名为Power Flow Switching Device(PFSD)的变速装置，该装置通过单个电动机实现双速变速功能。图7显示了PFSD的结构。它主要由换挡电机，控制环，离合器组和TSD（制动器）组成。

图4.功率流量切换装置(PFSD)。

换挡电机通过蠕动齿轮旋转控制环。控制环配备有用于将旋转运动转换为平移运动的凸轮，并且可以通过凸轮驱动的活塞控制盘弹簧的位移。盘弹簧的受控力被传递到离合器。也就是说，离合器扭矩容量可以由换挡电机控制。控制环还通过引脚连接到千模式开关板。该结构通过单挡电机的操作实现离合器力控制和千模式切换。通过两个接合元件与一个电机的同步操作，实现了缩小尺寸和降低成本。

2.2扭矩可选装置(TSD)

如图5所示，TSD是一款多功能OWC，具有三种模式：OWC，锁定和自由模式。在OWC模式下，一侧的爪子接合以允许仅在一个方向上旋转，并且在锁定模式下，两侧的爪子接合以禁止旋转。锁定模式启用低模式下的再生和反向操作，这是传统OWC所不可能实现的。在自由模式下，两侧的爪子被搁置以避免棘轮噪音，这可以显着减少拖曳损失。通过旋转连接到控制环的模式切换板来执行通过升高或降低这些爪子进行的模式切换。

图5.TSD的三种模式（OWC，锁定和自由）

2.3常闭式布局减少损失

为了扩大巡航范围，需要减少变速器中的损耗。图6显示了一种新的离合器布局，以提高效率。这是一种通常封闭的布局，其中离合器与未加载的凸轮接合。

图6.通常关闭布局以减少损失

传递换档电机旋转的控制环配备有凸轮。盘弹簧的位移，即盘弹簧的力可以通过凸轮的冲程来控制。在低冲程状态下，盘弹簧的负载被施加到离合器，使得凸轮处于无负载状态。另一方面，在高冲程状态下，盘弹簧被凸轮压缩，释放离合器负载，这导致低模式。由于凸轮被加载，轴承在图中以红色旋转。图6已加载。在低模式下，离合器被释放，太阳齿轮侧由Tsd固定。因此，在负载下的轴承中不会发生相对旋转，这可以减少轴承损耗。另一方面，在高模式下，凸轮处于低冲程状态，盘弹簧载荷施加到离合器。由于太阳齿轮侧由于离合器的接合而旋转，因此轴承具有相对旋转。但是，由于轴承上没有负载，因此可以抑制轴承的损失。这种结构可以在低模式和高模式下有效地降低轴承损耗。

2.4换挡和驻车锁功能

图7显示了离合器和TSD关于控制环角度的操作时间表。控制环上的凸轮轮廓平均分为三个（即时间表在120度左右）。图中的上图。10显示凸轮冲程的离合器操作。如上所述，离合器在高冲程状态下释放，离合器在低冲程状态下接合。下图显示了TSD模式。锁定模式启用低模式下的再生和反向操作。在移位过程中，OWC模式用于在移位期间平滑地切换扭矩流量。在高模式下，可以通过自由模式避免棘轮声音。

图7.换挡和停车锁时间表

离合器和TSD的同步控制实现了可靠的驻车锁功能，无需额外的驻车锁制动器。停车锁通过离合器接合状态和TSD锁模式实现。在驾驶过程中防止车辆意外锁定至关重要。通过设计停车锁程序，使停车锁通过将TSD模式从OWC模式切换到具有离合器接合状态的锁定模式来激活，TSD的防爪设计可防止驾驶时意外停车。此外，还实施了额外的机制以防止意外离合器模式从低到停车。

另一方面，通过使用TSD锁模式拆卸离合器来释放停车锁。如果通过换档TSD模式释放驻车锁，则需要换档电机的大扭矩，特别是当车辆停放无花果时。图6通常关闭布局以减少损失。图7换挡和停车锁时间表。停车释放和锁定功能通过用于TSD的模式切换板和离合器的控制凸轮的集成设计来实现。

无缝换挡

3.1系统配置

正在开发的变速器主要包括行星齿轮，功率流量切换装置(PFSD)，换挡电机和磁致伸缩扭矩传感器。PFSD有两个接合元件：湿式多板离合器和扭矩可选装置(TSD)，这是一种具有多种操作模式的多功能单向离合器(OWC)。这两个元件的同步操作通过单个电动机实现换挡功能和驻车锁功能。图8示出了传动的扭矩流程图。在低模式下，OWC作为制动器固定太阳齿轮，而在高模式下，离合器接合连接载体和太阳齿轮。离合器组由摩擦板组成，摩擦板传递取决于其上力的扭矩。

图8.双速传动中的扭矩流程图

此外，在图9中示出的磁致伸缩扭矩传感器。连接到传动输出轴上。磁致伸缩扭矩传感器不需要测量轴的任何特殊材料或加工。由于扭矩传感器薄且无接触，因此可以轻松安装在一般传动轴上。当扭矩施加到轴上时，磁导率取决于由于逆磁致伸缩效应引起的应力而变化。传感器通过线圈电感的变化检测应力并将其转换为扭矩^[1]。测量的扭矩有效地用于FB控制，以实现稳健的无缝移位。

图9.磁致伸缩扭矩传感器

3.2无缝换档概述

在本文中，无缝移位被定义为具有恒定输出扭矩的移位。图10示出了参考文献^[2]和^[3]中提出的无缝换档方法（Upshift）中的速度，扭矩和离合器容量的轮廓。假设车辆的惯性足够大，导致输出旋转速度不变。变换过程分为两个阶段，扭矩阶段，其中扭矩比变化，惯性阶段，其中速度比变化。对于无缝移位，需要在每个阶段更改控制方法。

图10.理想的无缝上移

由于离合器在扭矩阶段滑动，离合器传递的扭矩等于离合器扭矩容量。在扭矩阶段，输出扭矩由离合器传递扭矩（=离合器扭矩容量），输入电机扭矩和减小比决定。在上移时，离合器扭矩容量通过增加离合器力而增加。扭矩流量逐渐从低模式转变为高模式（图10(Ⅰ)）。如果模式在输入电机扭矩恒定的情况下切换到高模式，则输出扭矩按减小比减小。为了执行无缝移位，有必要根据扭矩比的变化来控制输入电机扭矩（图6(II)）。由于OWC用作制动器，因此当扭矩流量变化时，制动器传递的扭矩自然变为零。

由于离合器也在惯性阶段滑动，因此离合器传递的扭矩等于离合器扭矩容量。在惯性阶段，输出扭矩近似等于离合器扭矩容量。因此，通过保持离合器力恒定以保持离合器扭矩容量，输出扭矩保持几乎恒定（图10(III)）。通过吸收由输入的旋转速度的变化引起的惯性扭矩，可以通过控制电动机的速度来减少输入电动机扭矩来缩短移位时间（图10(iv)）。

3.3鲁棒无缝移位

如前一节所述，输出扭矩取决于扭矩和惯性阶段的离合器扭矩容量。离合器扭矩容量由摩擦板的摩擦系数和离合器力决定。由于摩擦板的摩擦系数根据滑动速度，温度，润滑状态等而波动^[4][5]，因此很难准确估计和控制离合器扭矩容量。此外，由于每个机械部件的摩擦，个体差异和各种弹簧的下垂，很难精确控制离合器上的力。因此，补偿参数波动影响的FB控制对于稳健的无缝移位是必要的。输出扭矩FB控制使用连接到输出轴的磁致伸缩扭矩传感器实现，旨在实现稳健的无缝移位。

无缝移位实验

4.1设置

为了使用扭矩传感器评估无缝换档性能，我们开发了如图所示的测试箱。图11减速比为2.5。图12显示了包括测试框的系统的示意图。根据扭矩传感器的输出，控制器在扭矩阶段计算电动马达的扭矩命令值和换挡马达的角度命令值，同时在惯性阶段计算电动马达的速度命令值和换挡马达的扭矩命令值。速度控制发电机连接到变速器输出轴以模拟车辆的运行状态。此外，扭矩计安装在变速器的输入侧和输出侧，用于测量输入扭矩并验证输出轴上的磁致伸缩扭矩传感器值。磁致伸缩扭矩传感器的有效性具有通过输出侧的扭矩计提前确认。请注意，用于FB控制的扭矩值和实验结果中显示的值是磁致伸缩扭矩传感器测量的值。

图11.测试箱

图12.实验系统配置

4.2实验结果

无缝移位的实验结果如图13所示。上移按低模式，A和B之间的扭矩相，B和C之间的惯性相和高模式进行。图的顶部图。图13分别以蓝色实心线和红色实心线显示输入扭矩（即电机扭矩）和输出扭矩。中间图分别以蓝色实心线和红色实心线显示输入（即载体/电机）和输出（即环形齿轮/发电机）的旋转速度。下图表示凸轮角度通过变速电机通过蠕动齿轮旋转。凭借蜗轮组的齿轮比和设计的凸轮轮廓，凸轮冲程控制离合器接合力。然后，可以通过盘弹簧特征和返回弹簧特征计算离合器力。

在扭矩阶段，离合器力通过换挡电机角度控制线性增加，以将扭矩流量从低模式转换为高模式。电机扭矩也根据离合器力增加而增加，以补偿扭矩流量变化引起的输出扭矩减小。电机扭矩由两度Offreedom控制器控制。FF控制器增加扭矩，而FB控制器在大约0.21秒后快速增加扭矩以补偿错误。

在惯性阶段，控制电机速度以缩短换挡时间。通过变速电机的输出扭矩FB控制，输出扭矩保持恒定。FB控制器补偿建模误差，例如湿多板离合器中摩擦板的摩擦系数的波动。转换阶段时间约为0.44 s。采用PFSD和扭矩传感器开发的双速变速器实现了无缝换档。

结论

需要具有大减速比的变速器来扩大电动车的巡航范围，但行驶性能可能会恶化。为了解决这个问题，我们为电动车引入了一种双速传动系统，该系统集成了磁致伸缩扭矩传感器和多功能移位器件PFSD。PFSD不仅实现了换挡功能，还实现了带有单个电动机的停车锁功能。我们还证明，通过有效利用输出轴上的扭矩传感器信息，即使在大参数波动的情况下，也可以实现稳健的无缝移位。有关稳健性的详细评估，请参阅参考文献^[6]。作为未来的工作，我们将继续努力减少传动损耗，以进一步扩大巡航范围。

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