王 灿

（泉州师范学院 交通与航海学院，福建 泉州 362000）

汽车的发展为人们的出行带来了极大的便利，人们对于汽车的需求量也逐年增加，汽车保有量持续提升.［1］纯电动汽车是以蓄电池中的电能作为汽车能源，与燃油汽车相比，纯电动汽车可实现零污染、节能、降低噪声和成本.［2］纯电动汽车驱动形式由内燃机的驱动方式转变为电机驱动，机械式自动变速器（AMT）使用最为广泛.［3］在纯电动车上，一般使用的是两挡AMT，这种传动方式可以提高电动汽车的经济性，降低车辆行驶过程中路面状况对于变速器性能的要求.两挡AMT存在一些缺点，如遇到快速加速或者需要上升的路面时，两挡AMT的换挡较为困难，且对于变速器的冲击较大，对变速器的损害较大，影响其使用寿命.因此针对纯电动汽车提出了四挡AMT.四挡AMT的研究仍然处于研发阶段.四挡AMT在电动汽车的经济性和动力性方面有较大的改善，可有效延长变速器的使用寿命，对于其参数设计以及后续的换挡过程、换挡规律仍然需要进一步研究.本文基于四挡AMT参数设计，对纯电动汽车的换挡控制进行优化.

纯电动汽车的控制系统主要包括控制器、动力系统、传动系统、传感器和整车控制系统.

1.1 控制器

控制器是整个纯电动汽车的最核心控制部分，对电动汽车各系统之间进行协调管理、能源的合理分配和利用以及对汽车整体的控制；
对整车进行安全管理，对带电部件和人员进行安全防护.在电动汽车行驶过程中，相关的车辆行驶信息通过CAN总线传输至控制器，由控制器进行综合分析以后，对车辆的行驶状态以及能源的分布状态进行快速调整，从而实现对电动汽车的实时控制.

1.2 动力系统

动力系统为纯电动汽车提供能源，主要包括电池组、充电器、空调装置和能源管理装置.电池组为整个电动车提供能源.为了保证电动车的性能，电池组需要满足快速充放电、高储能、较长的使用寿命等要求.［4］为了使电池组能够驱动电动车上的其他系统（如空调、转向控制等），在进行电池组设计时，其电压应大于电动车上所有驱动电机的使用电压.根据以上要求，电池组选择采用磷酸铁锂电池组.充电器为车载型充电器，用于为电池组充电.空调装置为汽车行驶过程中加热或制冷使用.能源管理装置与电池组相连，用于对电池组的使用情况进行实时监控，回收制动过程产生的能量，同时对电池组电量的协调使用进行控制.

1.3 传动系统

传动系统主要包括驱动电机、驱动电机控制装置和传动装置，用于驱动电动车行驶.驱动电机是传动系统的关键部分，对于纯电动汽车来说，为了使车辆能够正常行驶，驱动电机需要具备较高的瞬时输出功率、较快的响应速率、高能量转换率等.［5］目前，可应用于纯电动汽车的驱动电机类型主要包括感应电机、永磁同步电机等，其中永磁同步电机在转速小于基础速率时，转矩恒定，转速大于基础速率，功率恒定.［6］这种特性非常适合纯电动汽车的行驶.传动装置用于驱动电机的转矩传递至车轮的轴承，使车辆行驶，主要包括变速器、减速器、差速器以及车轮等.变速器是传动装置的最关键部件，目前自动变速器主要包括液力自动变速器（AT）、无级自动变速器（CVT）、双离合自动变速器（DCT）和电控机械式自动变速器（AMT）.其中电控机械式自动变速器（AMT）相对于其他类型大的变速器，具有自动变速、反应速率快、油耗低等优点，且制造成本较低［7］，尤其适用于我国的纯电动汽车.

1.4 整车控制系统

整车控制系统用于实现整个电动汽车的性能，该系统主要包括CAN总线、显示器、加速和制动踏板，这些装置通过电气、信号线或者机械装置连接.为了便于对电动汽车功能的管理，降低功能之间的电磁干扰，整车控制系统采用分层控制.

系统的第一层为监控层，用于监控车辆的行驶状态、路面状况和驾驶员的行驶意图.第二层为控制层，通过对管理层的信号进行分析，确定各系统的作业参数，通过CAN总线传递至执行层的各系统.第三层为执行层，用于执行控制层的指令，同时将执行结果反馈至管理层.

电控机械式自动变速器（AMT）对机械式手动变速器进行改装，增加了电子控制单元，使变速器可以实现自动换挡.这种变速器既具有机械式手动变速器制造简单、成本低以及效率高的优点，又具有自动变速器自动控制和经济性的优点.AMT的主要包括电控单元、传感器和换挡装置.

2.1 电控单元

电控单元是电控机械式自动变速器（AMT）的大脑，电控单元实时接收传感器传递的信息并处理，对电动汽车的行驶状态进行监控，判断驾驶员的行驶意图，综合分析后向电动汽车相关系统发送指令，及时调整行驶状态.电动汽车的换挡控制机制由电控单元进行操控，电控单元的主要硬件包括STM32微处理器、电机驱动电路和信号输入、输出电路.

STM32微处理器是ARM Cortex-M3芯片作为内核的处理器，具有低成本、处理速度快和低能耗等优点，尤其是对Thumb的指令执行速度快.

2.2 传感器

传感器用于实时采集电动汽车行驶过程中的速度、油耗等信息，将采集到的信息通过CAN总线实时传递至电控单元.在AMT的挡位处安装有位置传感器，用于采集电动汽车行驶过程中的挡位选择或变化［8］；
在驱动电机处和输出轴处安装速度传感器，用于监测行驶过程中的电机和输出轴的转速；
在车轮轴处安装速度和加速度传感器，用于监测汽车行驶过程中的速度和加速度.

2.3 换挡装置

换挡装置用于实现对汽车的换挡，主要包括选、换挡电机和选、换挡驱动结构.当需要进行换挡时，由电控单元发出指令，控制换挡电机驱动换挡驱动机构旋转，实现挡位的变化.当需要选挡时，选挡电机驱动选挡驱动机构以换挡轴为中心旋转，实现挡位的选择.

纯电动汽车在行驶过程中，由AMT中的电控单元根据获取的汽车实时行驶状态以及驾驶员意图，分析后向相关系统发出指令，从而对换挡过程进行控制.换挡过程中，汽车的相关参数随时间的变化规律既是换挡规律.换挡规律极大地影响汽车的动力性和经济性，是AMT进行换挡控制的核心和基础.

汽车在行驶过程中，会遇到各种突发的、复杂多变的工况，为了保证汽车在行驶过程中的性能，需要根据不同工况制定不同的换挡规律.在进行换挡规律制定时，将其分为两大类，分别是常规换挡规律和特殊工况换挡规律.常规换挡规律是汽车在一般工况即平地行驶时的换挡规律，特殊工况换挡规律是汽车在爬坡、制动以及其他特殊工况的换挡规律.

3.1 常规换挡规律设计

从控制参数的数量来说，电动汽车在行驶时最常用的换挡规律是双参数换挡规律，即以车速、加速时候的踏板开度这两个参数对行驶过程进行控制.也有少部分研究选择其中一个参数进行控制，或者在双参数基础上增加加速度进行三参数控制，但是这两种方式由于控制精度不高或者行驶时易出现循环换挡的状况，因此应用不多，仍然以双参数换挡规律为主.

根据电动汽车在换挡时要求达到的性能划分，可以分为经济性和动力性换挡规律，即以降低电池能耗或者以获得最大动力作为目标，对电动汽车进行控制.本文采用双参数方法分别对经济性和动力性换挡规律进行设计，采用PD控制器对换挡过程进行控制.

（1）对经济性换挡规律进行设计.电动汽车在行驶时，会受到空气对汽车的阻力、地面对汽车的摩擦力等［9］，其行驶过程中的数学模型为：式（1）中，Tq为驱动电机对传动系统的转矩；
ib，iz分别为变速器和减速器的总传动比；
ηc为汽车传动系统的传动效率；
r为汽车轮胎半径；
G为汽车的重力；
f为行驶路面对轮胎滚动时的阻力系数；
α为行驶路面与水平面夹角；
Cf为风对汽车的阻力系数；
v为汽车行驶的速度；
m为汽车的总质量；
δ为汽车旋转行驶时的质量换算系数.电动汽车的驱动电机在作业时的效率为：

驱动电机在作业时的转矩为：

式（3）中，a为行驶过程中踏板的开度.结合以上各式，可以得到驱动电机作业时的效率曲线关系为：

简化后可以得到：

（5）式即为驱动电机的作业效率与踏板开度、汽车行驶速度、挡位的关系.经济性换挡规律是以降低电池能耗为目标，即电机的效率需要持续保持高效率，也就是当踏板开度一样时，取相邻两个挡位驱动电机效率曲线的交点作为换挡位置，可以表示为：

汽车在降挡时，选择适当的速度差即可，最终得到汽车的升挡和降挡曲线（图1）.

图1 纯电动汽车在经济换挡规律下的升挡和降挡曲线

（2）对汽车的动力性换挡规律进行设计.通过对电动汽车行驶时的数学模型转换，可以得到汽车在行驶过程中的加速度为：

将驱动电机作业时的转矩代入（6）式可得：

动力性换挡规律是以获得最大动力为目标，即汽车在行驶时的加速过程的时间达到最小，也就是踏板开度一样时，相邻挡位的速度曲线的交点作为换挡位置，可通过（8）式表示：

（8）式中，i为汽车的挡位，取1～3.汽车行驶过程的降挡曲线通过合理选择挡速差即可，由此可以得到汽车的升挡和降挡规律曲线（图2）.

图2 纯电动汽车在动力性换挡规律下的升挡和降挡曲线

3.2 特殊工况换挡规律设计

目前，最常用到的特殊工况包括爬坡和制动过程，主要对这两种工况进行换挡规律设计.在爬坡过程中，若仍然使用常规换挡规律，可能会造成循环换挡.为了平衡爬坡时的阻力，驱动电机需要始终维持高负荷运转才能保持行驶速度.若此时挡位由低挡升入高挡，则驱动电机的负荷以及电池组的电流均会进一步增加，会破坏电动汽车相应部件的性能，降低电动汽车的寿命.为了延长电动汽车各部件的使用寿命，在爬坡时挡位应保持在低挡，以增加行驶时牵引力.

根据人们的生活状况，目前汽车主要的行驶路况为城市，在行驶过程中需要不断地启停，会造成电能的浪费.为了提高能量的利用效率，可以采用驱动电机在汽车制动时，将动能转化为电池的电能并储存；
将挡位变为低挡，以有效提升制动力.汽车在下坡时，也可以采用同样的方式进行控制.

3.3 换挡过程控制

在汽车行驶过程中，驱动电机的转速和挡位的一致性严重影响了汽车的换挡效果，为了精确的使驱动电机达到目标转速，采用PD控制器对换挡位置和速度进行闭环控制.［10］控制流程见图3.

图3 驱动电机的换挡控制流程图

图（3）中的e（t）为当前挡位与目标挡位的驱动电机转速的偏差，该偏差与驱动电机的当前电压U（t）的关系为：

PD控制器采用双输入，即驱动电机的转速和加速度这两个参数作为输入；
双输出，即比例Kp和微分系数Kd这两个参数作为控制器的输出.通过不断调整控制器的输出值，直到偏差达到要求，则驱动电机的转速和挡位达到目标值.

为了验证该纯电动汽车的性能，对其进行相关试验.本文主要针对汽车的换挡控制进行优化，因此主要进行参数调试试验和换挡过程试验.

4.1 参数调试试验

根据系统的设计要求，将系统的硬件和软件按照设计要求安装，为了保证系统在后续作业过程中的稳定性，需要找出系统软硬件的缺陷.

将系统的电源、控制器、驱动电机、相关支架以及AMT等硬件连接在一起，并在控制器上将相关程序安装完成.开启开关，使系统可以正常运行.

试验时驱动电机关闭，仅开启换挡装置，分别将挡位从空挡、1挡、2挡和3挡换至其他的任何挡位；
其后，驱动电机和换挡装置均开启，分别将挡位从空挡、1挡、2挡和3挡换至其他的任何挡位.观察驱动电机在关闭和开启后，驱动电机和变速器的作业状态，确定驱动电机可以进行正常作业时的相关参数.

在试验过程中发现，无论驱动电机开启或关闭，设备换挡均较为顺利，在换挡过程中无异响和冲击等状况发生.基本可以确定驱动电机的参数，如表1所示.

表1 试验确定的驱动电机参数

4.2 换挡过程试验

在Labview软件环境设计相关程序，将换挡规律和PD控制器输入，对换挡过程进行验证.试验开始后，在固定时间向AMT的电控单元发送是否需要换挡的信号，若需要换挡，则电控单元向电机发送指令进行换挡.为保证试验结果，共进行2次换挡试验.最终得到换挡过程的试验结果如表2所示.

表2 换挡过程试验结果

由表（2）可知，AMT可以在电控单元的控制下实现换挡，在实验中还发现目标挡位和最终的挡位有一定的时间差，但是时间差很短，几乎可以忽略.说明该AMT可以完成对纯电动汽车换挡的控制.

（1）对纯电动汽车的控制系统进行设计，纯电动汽车的主要组成包括控制器、动力系统、传动系统、传感器和整车控制系统.

（2）对纯电动汽车的AMT传动系统的结构和参数进行了设计，主要包括电控单元、传感器和换挡装置.

（3）为了保证汽车的动力性和经济性，对纯电动汽车的经济性和动力性换挡规律进行了设计，对行驶过程中可能出现的特殊工况进行了换挡规律设计.考虑驱动电机的挡位和一致性对换挡过程的影响，采用PD控制器对换挡的速度和挡位进行闭环控制.

（4）为了验证纯电动汽车的性能，采用参数调整试验确定驱动电机的参数，采用换挡过程试验验证挡位一致性.试验结果表明，纯电动汽车可以精确地对换挡过程进行控制.

猜你喜欢 挡位电控变速器 上汽通用VT40E变速器简介(一)汽车维修与保养(2020年11期)2020-06-09现代名图偶尔无挡位显示汽车维修技师(2017年6期)2017-11-18ECAS空气悬架电控系统介绍汽车实用技术(2015年8期)2015-12-26多挡电热器的挡位变换原理与方法试题与研究·中考物理(2014年3期)2015-05-11东风雪铁龙C5各电控系统电路图解析(九)——ESP电控系统上篇汽车维修与保养(2015年12期)2015-04-18英菲尼迪QX60无级变速器保养和诊断汽车维修与保养(2015年6期)2015-04-17从挡位发展历程分析自动变速器动力流汽车维修与保养(2015年2期)2015-04-17电控发动机点火控制系统的原理与诊断汽车维修与保养(2015年2期)2015-04-17涡轮增压发动机与双离合变速器的使用汽车维护与修理(2015年6期)2015-02-28雷克萨斯ES350车在各行驶挡位均不走车汽车维护与修理(2015年5期)2015-02-28