純電動汽車自動同步換擋系統設計
2011-01-01 00:00:00張進沈安文
計算技術與自動化 2011年4期
文章編號：1003-6199(2011)04-0050-05
摘 要：變速器對純電動汽車具有重要意義，可以改善電動汽車的起步性能、加速性能、爬坡性能、高速性能以及提高電動汽車最高續航里程。本文對比分析現有幾種變速器的優缺點，借鑒這幾種變速器系統的基礎上，自行開發設計自動同步換擋變速器系統（AST），文章詳細介紹AST系統的內部結構，結構設計與工作原理，AST系統的實驗平臺以及AST換擋策略和換擋過程實現，通過實驗得到的實驗結果很好的說明AST系統優異性能，具有很高的實用價值。
關鍵詞：純電動汽車；自動同步變速器；同步換擋
中圖分類號： TM351 文獻標識碼：A
Automatic Synchronization Shift of Pure Electric Vehicle System Design and Research
ZHANG Jin ，SHEN Anwen
(Depontment of Control Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074， China)
Abstract:The transmission of the pure electric vehicle has important sense， can improve the electric starting performance and accelerating ability， climbing performance， highspeed performance and improve the maximum mileage of electric vehicle. Through the comparison and analysis of several existing transmission advantages and disadvantages， learn these types of transmission systems based on self5development and design of a synchronous system (AST)，the article describes in detail the internal structure of AST systems， structural design and work principle， AST system experiment platform and gear shift strategy and process to achieve， through experimental results obtained a good description of AST system， excellent performance， with high practical value.
Key words:pure electric vehicles;automatic synchronous transmission;synchronous shift
1 引 言
電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。電動汽車以可再生的電能為電源，功率密度高的電機作動力源，可以實現零排放，降低汽車的噪聲，對環境保護具有重要意義。為了使汽車在更少的能耗，盡可能的增加續航里程，獲得良好的加速，爬坡和高速的性能，使汽車駕駛更舒適性，電動汽車傳動系統應多檔化。AST自動同步變速器能很好的滿足汽車的這些整車性能
2 電動汽車的換擋方式分類及比較
目前電動汽車有幾下幾種換擋方式［1，2］：
一類是液力自動變速器，簡稱AT。AT是由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速變矩。
一類是機械無級自動變速器，簡稱CVT。CVT換擋時通過改變驅動輪和從動輪上傳送帶的接觸半徑進行變速。
一類是電子控制機械式自動變速器，簡稱AMT。AMT在MT變速器原有基礎上進行改造，即在總體傳動結構不變的情況下通過加裝微機控制的自動操縱系統來實現換擋的自動化。
一類是雙離合器變速器，簡稱DCT。DCT主要由雙離合器連接兩根輸入軸實現動力傳送。
以上幾類自動變速器中，AT變速器優點是換擋柔和，適用于各種功率和扭矩級別的車輛，因為是通過液力傳扭，效率比較低。CVT變速器可以實現無極換擋，沒有動力中斷，缺點也很明顯，傳動功率及扭矩比較小，工藝復雜，傳送帶的強度和壽命問題比較突出。AMT變速器最大的好處是不用對現有的MT變速器做出太大改動，技術結構比較簡單，具有AT變速器的優點，又保留了原有MT變速器傳動效率高的特點。DCT變速器效率高，換擋無動力中斷，但價格貴，工藝復雜，現在應用的比較少，但它優勢明顯，是以后發展的趨勢。
計算技術與自動化2011年12月
第30卷第4期張 進等：純電動汽車自動同步換擋系統設計
與上述幾種自動變速器相比較，AST變速器有以下幾點優勢：
1.AST變速器沒有離合器和機械式同步器，結構簡單，工件少，故障率低，價格便宜。
2.AST變速器繼承了MT變速器傳動效率高的優點，比AT，AMT，CVT，DCT的傳動效率都要高。
3.AST變速器相比MT變速器，沒有離合器，實現主動同步，電驅動換擋機構執行換擋。
3 AST系統原理及技術要求
31 AST系統原理
圖1所示為AST自動同步變速器系統原理圖。AST系統是手動、自動換擋一體的變速器，以變速器控制器為核心，接收油門踏板、剎車踏板、手動換擋傳感器信號、電機轉速信號、車輪速度信號，根據一定的換擋規律發出指令，使換擋執行機構進行換擋。
AST變速器由PMSM電機、電機控制器、操作機構（油門踏板、剎車踏板、手動換擋機構）、換擋執行機構、變速箱等。圖2是具有3檔變速的變速箱內部結構圖，其由電動機軸（輸入軸）、中間軸、齒輪、電磁鐵、結合塊、車輪速度傳感器（裝在輸出軸上某個傳動齒輪上，三個檔位共用一個速度傳感器，這樣可以減少速度傳感器的個數）、變速箱軸（輸出軸）［3，4］。與其他的自動變速器相比，沒有離合器，換擋執行機構是電驅動（由電磁鐵吸和與分離結合塊來實現），每個檔位都是由相對應的驅動機構執行（即獨立的電磁鐵和結合塊），電磁鐵都不吸和時為空擋，任何時候至多只允許一個電磁鐵吸合，一檔電磁鐵吸合即為一檔，以此類推。
AST變速器系統換擋原理：當從1檔換到2檔時（低速檔換到高速檔時），1檔的電磁鐵斷電，結合塊與齒輪分離，進入空擋狀態，將實時的車輪速度根據目標檔位折算為電機目標速度，控制電機速度在一定時間內達到目標速度，當速度誤差小于一定轉速實現主動同步，給2檔電磁鐵吸合信號，實現換擋，高速檔換到低速檔也是如此。
AST系統換擋時需要控制電機速度與車輪速度差在一個很小的范圍內，才能順利的進行換擋，這就需要很精準的控制電機速度與車輪實時速度的匹配，這是AST變速器的核心。
32 AST系統技術要求
AST系統是主動同步換擋，不同于AT、AMT、 CVT、DCT的被動同步換擋，要求電機速度和車速誤差很小的情況下（自動同步）進行換擋，因此要求電機速度控制很精準，速度誤差在15rpm，汽車速度檢測誤差在10rpm。AST系統動力中斷時間短，要求在任意轉速下換擋的時間小于200ms，因此電機速度響應速度必須很快。
裝有AST系統的純電動小轎車，最大爬坡度要大于25°，最高速度是100Km/h，速度從0-100Km/h加速時間小于15s，最大續航里程大于180Km，起步平穩，能實現手動換擋與自動換擋。
4 AST系統實現
根據AST系統的技術要求，核心是驅動電機速度控制精度和響應速度以及換擋控制策略。AST系統驅動電機采用PMSM電機，采用FOC雙閉環控制方式［5-9］，實現定子電流中勵磁分量和轉矩分量的解耦，獲得類似直流電機的調速性能。
圖3所示是永磁同步電機FOC控制框圖，介紹了FOC控制方式的各個模塊。包括定子電流檢測、電機位置檢測、電機轉速檢測、Clark變換、Park變換，d軸電流控制器、q軸電流控制器、速度控制器、Park逆變換、SVPWM調制等環節。
電流內環對提高系統控制精度，響應時間、提高控制性能起到關鍵性作用，電流內環的頻率響應必須能跟上隨速度變化的交流電流的頻率。電流環控制是通過d軸電流控制器、q軸電流控制器（本質是PI調節器），實現dq軸解耦控制，并需要編碼器實時反饋位置θe來進行坐標變換。
速度外環其實也是PI調節控制器，輸入是速度誤差，輸出為電流控制器的輸入，速度環要具有高精度，響應速度快，調速范圍寬。
AST系統中，電流采樣頻率是12K，電流環響應頻率為1K，速度環控制頻率為1K，設置合適的PI參數，就能得到很好的速度響應。電機速度的控制精度和響應時間快的條件下，AST系統換擋才能很好的換擋。
AST系統是手-自一體變速器系統，即換擋分為手動換擋（被動換擋模式）、自動換擋（主動換擋模式），手動換擋模式的目標檔位是由整車控制器決定，AST換擋控制器通過整車控制器獲得目標檔位信息，從而控制換擋執行機構進行換擋操作。自動換擋的目標檔位信息是通過AST控制器決定，AST控制器通過油門踏板、剎車踏板、電機效率曲線、駕駛員意圖、路面情況等通過換擋決策算法計算出最佳目標檔位，控制換擋執行機構進行換擋操作，換擋決策流程見圖4。
通過換擋決策可以獲得目標檔位，AST是控制換擋執行機構進行換擋的，圖5詳細的說明了換擋執行機構換擋過程。5 實驗及結果
AST系統實驗平臺是一臺經汽油小橋車改裝成的純電動汽車，將汽車的發動機，變速箱等動力部分更換為AST系統，電源是由8塊12V的鉛酸蓄電池組成，驅動電機為額定電壓96V，功率35KW，額定轉速為5000rpm的PMSM電機。該實驗平臺測試AST系統的軟硬件，電動汽車啟動性能，加速性能，換擋性能，爬坡性能，變速器的各檔位速比的合理性，電機效率等測試，測試過程中數據采集及對電機速度，電機輸出轉矩，汽車速度，變速器檔位，電磁鐵的工作狀態的監測。
AST系統具有3個檔位：低速檔（1檔）、中速檔（2檔）、高速檔（3檔），低速檔的速比關系到汽車啟動性能、加速性能及爬坡性能，根據電機輸出轉矩，爬坡時所需轉矩，加速所需轉矩，選擇合適的速比，高速檔的速比關系到電動汽車的最高速度及高速性能，通過整車試驗驗證所選速比的合理性，并根據試驗數據進一步優化。
圖6中橫軸為時間軸（單位為ms），縱軸為速度軸（單位是轉/分鐘），紅色曲線是將汽車速度根據當前檔位折算后與電機速度相匹配的速度（因為在我們當前這套系統中，不是直接測量汽車速度，是測的中間軸的轉速），藍色曲線是電機速度曲線。從圖5中可以看到整個換擋過程電機速度與汽車速度匹配曲線圖，從0時刻到50時刻是脫檔過程，可以很明顯的看到電機速度和汽車的速差越來越大，在50時刻脫檔完全成功，將汽車速度根據2檔速比折算到電機目標速度，在50點到170時刻的過程即為電機調速過程，實時檢測汽車速度，根據當前汽車速度來調整電機速度，使電機速度與汽車速度誤差在很小的誤差范圍內時，給換擋執行機構的電磁鐵信號，使電磁鐵吸和，順暢的換到2檔，可以看到170點后電機的速度和汽車速度基本一致，說明換擋成功，整個換擋過程不超過200ms。
圖7中橫軸為時間軸（單位為ms），縱軸為速度軸（單位是轉/分鐘），紅色曲線是將汽車速度根據當前檔位折算后與電機速度相匹配的速度，藍色曲線是電機速度（單位是轉/分鐘）。圖7的換擋過程可以看做是圖6換擋過程的逆過程，換擋流程基本上一致，只不過是降檔升速。0-50點也是脫檔過程，之后將汽車速度按1檔速度折算為電目標轉速，50-120時刻是電機速度調整過程，將電機速度控制到與目標速度很小誤差范圍內時，給電磁鐵進檔信號，換擋機構執行換擋，可以看到120時刻后電機速度與汽車速度基本上一致。從這兩幅圖可以類推2檔換到3檔，3檔換到2檔的過程，還可以看到整個換擋過程所需用時很短，從圖中可以電機速度與汽車速度誤差非常小時進行換擋，換擋快捷而且換擋沖擊力小。
6 總 結
AST系統目前是專門為純電動汽車研發的自動同步變速器，其是在AMT變速器改造而來的，但是又與AMT變速器很不一樣的變速器，它改變了現有變速器基于摩擦被同步原理［10］，是由電力電子技術，運動控制技術，機械傳動技術在AMT系統上實現電驅動的主動同步原理，AST系統繼承了結構簡單，傳動效率高，傳動功率及扭矩高的優點。
AST系統在不斷的發展和完善中。未來的發展方向有以下幾方面：
1.是不斷的優化換擋過程，盡可能的縮短整個換擋過程時間，這樣動力中斷的時間會更短。
2.是增加換擋檔位，現在AST系統是3檔位，增加到5檔位、6檔位，這樣換擋更加柔和，并且可以使電機經常工作在高效率工作段，提高電源利用率，這對提高汽車續航里程具有重大意義。
3.是繼續優化變速箱，將變速箱輕型化，小型化，模塊化，使安裝，維修和控制更加方便。
參考文獻
［1］ 周保華.電動汽車傳動系統參數設計及換擋控制研究［D］.重慶:重慶大學 ，2005.
［2］ 賀彥峰.電動汽車驅動控制系統的設計與實現 ［D］.北京:北京工業大學 ，2005.
［3］ 曾虎，黃菊花.純電動汽車的電機與變速器匹配 ［J］.裝備制造技術，2010，5(2): 40-42.
［4］ 文明.CVT電動汽車驅動系統優化設計［D］.武漢:武漢理工大學，2009.
［5］ 盧絡先.基于永磁同步電機的電動汽車調速系統研究生［D］.武漢:武漢理工大學，2009.
［6］ 張春梅，劉賀平，馬保柱，等.一種減少永磁同步電機轉矩脈動方法［J］.北京工業大學學報，2009，29（1）：87-89.
［7］ 黃菊花，徐仕華，謝世坤.電動汽車自動變速器設計研究 ［J］.井岡山大學學報，2009，32（1）：100-103.
［8］ 魯盼.純電動汽車控制器設計與開發 ［D］.西安:長安大學，2010.
［9］ 李珂.電動汽車高效快響應電驅動系統控制策略研究 ［D］.山東:山東大學，2007.
［10］張毅.純電動汽車動力總成控制系統的研究 ［D］.上海:上海交通大學，2007.
收稿日期：2011-09-16
作者簡介：張 進（1987—），男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：純電動汽車自動同步換擋系統設計、電力電子(E-mail：zhangjin_0802@163.com)；沈安文（1967—），男，湖北武漢人，教授，博士生導師，研究方向：功率電子變換與運動控制。
