兼顧動力性與經(jīng)濟性的純電動汽車AMT綜合換擋策略

陳淑江 秦大同 胡明輝 胡建軍

重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400044

0 引言

目前，小型純電動汽車多采用固定速比的一擋減速器，這種傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。但是，采用固定速比的一擋減速器，對牽引電機提出了較高的要求，牽引電機既要在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時轉(zhuǎn)矩，又要在恒功率區(qū)提供較高的運行轉(zhuǎn)速，滿足車輛的加速性能和最高車速的設計要求。為了使電動汽車能更好地滿足其動力性能，同時降低其對牽引電機和電池的要求，電動汽車傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨于兩擋或多擋化。國內(nèi)外在電動汽車兩擋或多擋化方面都有相關(guān)的研究，意大利Oerlikon Graziano公司開發(fā)出了匹配小型電動汽車的兩擋變速器，仿真結(jié)果表明可以明顯降低電池能耗［1］。在國內(nèi)，北京理工大學針對北京奧運電動客車開發(fā)了三擋機械式自動變速器，使整車的經(jīng)濟性提高了9%，0～50km／h的加速時間縮短了18%［2］。多擋變速器通過對傳動速比的控制可使牽引電機工作在理想的區(qū)域，從而提高整車的動力性、經(jīng)濟性等指標［3］。

然而，目前關(guān)于純電動汽車AMT換擋規(guī)律的研究工作卻較少。文獻［4－5］對純電動汽車動力性換擋規(guī)律進行了研究。文獻［6］對純電動汽車經(jīng)濟性換擋規(guī)律進行了研究。本文以純電動汽車兩擋AMT為研究對象，對動力性與經(jīng)濟性換擋的差異進行了研究，在此基礎上，提出了一種兼顧動力性與經(jīng)濟性的綜合換擋策略。在MATLAB／Simulink仿真平臺上對綜合換擋規(guī)律與動力性、經(jīng)濟性換擋規(guī)律進行了仿真對比。仿真結(jié)果表明，綜合換擋規(guī)律既具有動力性換擋規(guī)律的動力性，又具有接近經(jīng)濟性換擋規(guī)律的經(jīng)濟性。

1 動力性與經(jīng)濟性換擋的差異

1.1 換擋規(guī)律獲取方法的差異

動力性換擋規(guī)律與經(jīng)濟性換擋規(guī)律獲取方法的差異源于其目的不同。動力性換擋規(guī)律的目的是最大限度的利用汽車牽引力，因此它根據(jù)相鄰兩擋的驅(qū)動力曲線獲取；經(jīng)濟性換擋規(guī)律目的是充分利用電機的高效區(qū)域，因此它根據(jù)相鄰兩擋的電機效率曲線獲取。

1.1.1 動力性換擋規(guī)律的獲取方法

純電動汽車動力性換擋規(guī)律的制定與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛有所不同［7］，純電動汽車為了保證整車驅(qū)動力的連續(xù)性，在傳動比參數(shù)匹配時便保證了相鄰兩擋的驅(qū)動力曲線相交，如圖1所示，實線從下往上分別為10%，20%，…，100%加速踏板開度（間隔為10%）的1擋驅(qū)動力曲線，虛線從下往上分別為10%，20%，…，100%加速踏板開度（間隔為10%）的2擋驅(qū)動力曲線。因此，純電動汽車的動力性換擋規(guī)律的制定可以采用以下策略：

圖1 不同擋位和加速踏板開度下的驅(qū)動力曲線

（1）在同一加速踏板開度下，取相鄰兩擋的驅(qū)動力特性曲線的交線（或交點）為換擋點集，各加速踏板開度下的換擋點集可構(gòu)成一個矩形換擋區(qū)域，該區(qū)域為動力性換擋區(qū)域，從圖1中可以看出，只有換擋曲線處于該區(qū)域中才能保證整車驅(qū)動力具有連續(xù)性。

（2）在圖1中的動力性換擋區(qū)域中，任取兩條車速間隔為2～8km／h的垂直于車速軸的直線作為動力性換擋的降擋和升擋曲線（為了避免循環(huán)換擋，一般使降擋曲線與升擋曲線之間的車速差在2～8km／h之內(nèi)［8］）。

1.1.2 經(jīng)濟性換擋規(guī)律的獲取方法

如圖2所示，純電動汽車經(jīng)濟性換擋規(guī)律的制定與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛基本相同［9］，可以采用以下策略：

（1）在同一加速踏板開度α下，若相鄰兩擋的效率曲線相交，則取該交點為換擋點。

（2）在同一加速踏板開度下，若相鄰兩擋的效率曲線不相交，則取低擋效率曲線的末端為換擋點。

（3）各加速踏板開度下相鄰兩擋的換擋點可構(gòu)成一條換擋曲線，以這條換擋曲線為中心分別向左右平移1～4km／h可得到降擋與升擋曲線（為了避免循環(huán)換擋，一般使降擋曲線與升擋曲線之間的車速差在2～8km／h之內(nèi)［8］）。

圖2不同擋位和加速踏板開度下的電機效率曲線

1.2 換擋規(guī)律的差異

根據(jù)上述動力性換擋規(guī)律與經(jīng)濟性換擋規(guī)律的獲取方法，可以獲得純電動汽車的動力性與經(jīng)濟性換擋規(guī)律，如圖3所示。

圖3 動力性與經(jīng)濟性換擋規(guī)律

由圖3可以看出，經(jīng)濟性換擋規(guī)律與動力性換擋規(guī)律間存在明顯的差異：①動力性與經(jīng)濟性換擋規(guī)律在低負荷區(qū)與高負荷區(qū)差別較大，中等負荷區(qū)差別相對較小；②動力性換擋曲線在動力性換擋區(qū)域中，因此可以保證整車驅(qū)動力的連續(xù)性，經(jīng)濟性換擋曲線上大部分換擋點處于動力性換擋區(qū)域之外，將導致整車驅(qū)動力不連續(xù)。

1.3 經(jīng)濟性差異

由于純電動汽車多工作于城市工況，所以選用ECE循環(huán)工況下整車能量消耗量作為經(jīng)濟性的評價指標。本文采用后向建模方法，建立了ECE能耗的計算模型，計算流程如圖4所示。

圖4 純電動汽車ECE能耗計算流程

由圖可4知，純電動汽車ECE能耗計算可分為4步：

（1）根據(jù)給定的NEDC循環(huán)工況，可以得到循環(huán)工況t時刻車輪處的轉(zhuǎn)矩Tw（t）、轉(zhuǎn)速分別為nw（t）：

式中，m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動摩擦因數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；u（t）為循環(huán)工況t時刻的車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；r為車輪滾動半徑。

（2）根據(jù)當前速比（循環(huán)開始時默認為1擋速比）查變速器工作效率圖（圖5）獲得當前傳動系統(tǒng)的效率，并通過計算得到循環(huán)工況t時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩Tm（t）、轉(zhuǎn)速nm（t）分別為

式中，ηT為傳動系統(tǒng)的工作效率；i（t）為循環(huán)工況t時刻的傳動系統(tǒng)速比。

圖5 各擋位下傳動系統(tǒng)的工作效率

此時，換擋控制策略模塊根據(jù)電機輸出轉(zhuǎn)矩Tm（t）、轉(zhuǎn)速nm（t）查電機工作特性表獲得加速踏板開度，然后根據(jù)動力性換擋規(guī)律或經(jīng)濟性換擋規(guī)律獲得傳動系統(tǒng)的目標速比，并將此目標速比更新為當前速比，用于下一個周期的計算。

（3）根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，查電機工作效率圖（圖6）獲得電機效率，當電機扭矩為正時處于驅(qū)動工況，可以求得循環(huán)工況t時刻的動力電池輸出功率Pbout（t）為

圖6 電機工作效率

式中，ηc為電機控制器效率。

當電機輸出轉(zhuǎn)矩為負時處于再生制動工況，可以求得循環(huán)工況t時刻的電機再生制動扭矩Treg（t）和動力電池輸入功率Pbin（t）分別為

式中，Tbmax為最大再生制動轉(zhuǎn)矩。

（4）循環(huán)工況t時刻的動力電池消耗功率Pb（t）為

式中，ηdis為電池放電效率；ηin為電池充電效率。

對動力電池消耗功率進行積分，可獲得整個ECE循環(huán)工況的能耗WECE：

根據(jù)ECE能耗計算模型分別對動力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟性換擋規(guī)律進行仿真計算，可以得到其ECE能耗曲線，同時還可以求得動力性換擋與經(jīng)濟性換擋的ECE能耗差值、加速踏板開度曲線以及擋位切換曲線，如圖7所示。

由圖7可以看出，經(jīng)濟性換擋比動力性換擋的ECE能耗少10kJ，占動力性換擋ECE能耗454.7kJ的2.2%；動力性換擋與經(jīng)濟性換擋之間10kJ的ECE能耗差值由圖中標記出的3個區(qū)域的能耗差值組成，分別為5.4kJ、0.9kJ、3.7kJ，其他區(qū)域內(nèi)兩者的能耗相同。結(jié)合圖7中的加速踏板、開度曲線可以看出，第1、3區(qū)域為中低負荷區(qū)，其能耗差值占ECE能耗總差值的91%；第2區(qū)域為中高負荷區(qū)，其能耗差值僅占ECE能耗總差值的9%。因此，可以得到如下結(jié)論：

（1）動力性與經(jīng)濟性換擋的ECE能耗在中低負荷區(qū)域差距較明顯；

圖7 兩種換擋規(guī)律的ECE能耗仿真結(jié)果

（2）動力性與經(jīng)濟性換擋的ECE能耗在中高負荷區(qū)域差距較小。

1.4 動力性差異

本文建立了純電動汽車動力性能仿真模型，仿真流程如圖8所示。然后，分別對動力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟性換擋規(guī)律進行了動力性能仿真，結(jié)果如圖9所示。

圖8 純電動汽車動力性能仿真模型

圖9 兩種換擋規(guī)律的動力性能仿真結(jié)果

由圖9可以看出，動力性換擋和經(jīng)濟性換擋的0～50km／h加速時間分別為5.15s和5.6s，動力性換的0～50km／h加速時間比經(jīng)濟性換擋短8%；動力性換擋和經(jīng)濟性換擋的50～80km／h加速時間分別為8.05s和8.05s。因此，可以得到如下結(jié)論：

（1）動力性與經(jīng)濟性換擋的0～50km／h加速性能差距較明顯；

（2）動力性與經(jīng)濟性換擋的50～80km／h加速性能差距較小。

2 兼顧動力性與經(jīng)濟性的綜合換擋策略

根據(jù)上文對動力性換擋與經(jīng)濟性換擋差異研究的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)動力性換擋與經(jīng)濟性換擋的ECE能耗在中低負荷區(qū)差距較明顯，中高負荷區(qū)差距較小，這正好符合駕駛員“中低負荷注重經(jīng)濟性，中高負荷注重動力性”的心態(tài)。基于此，本文提出一種兼顧動力性與經(jīng)濟性的綜合換擋策略，其原則是：中低負荷時主要考慮經(jīng)濟性，中高負荷時主要考慮動力性。根據(jù)此策略可以按照如下步驟制定出如圖10所示的綜合換擋規(guī)律：

（1）根據(jù)經(jīng)濟性換擋規(guī)律的獲取方法求得經(jīng)濟性換擋曲線，根據(jù)動力性換擋規(guī)律的獲取方法求得動力性換擋區(qū)域。

（2）若經(jīng)濟性升擋曲線與動力性換擋區(qū)域有重合部分，則取重合部分最高負荷點的負荷作為分界點，此負荷以下采用經(jīng)濟性換擋曲線，此負荷以上采用動力性換擋曲線。

（3）若經(jīng)濟性升擋曲線與動力性換擋區(qū)域無重合部分，則取經(jīng)濟性升擋曲線上最接近動力性換擋區(qū)域的換擋點處的負荷作為分界點，此負荷以下采用經(jīng)濟性換擋曲線，此負荷以上采用動力性換擋曲線。

圖10 兼顧動力性與經(jīng)濟性的綜合換擋規(guī)律

3 仿真研究

本文采用ECE能耗為經(jīng)濟性評價指標，0～50km／h和50～80km／h加速時間為動力性評價指標，在MATLAB／Simulink平臺上對綜合換擋規(guī)律與動力性、經(jīng)濟性換擋規(guī)律進行了仿真對比，仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。仿真中用到的車輛參數(shù)如表1所示。

圖11 三種換擋規(guī)律的ECE能耗仿真結(jié)果

圖12 三種換擋規(guī)律的加速性能仿真結(jié)果

表1 車輛參數(shù)

由圖11可以看出，采用綜合換擋規(guī)律換擋的ECE能耗比經(jīng)濟性換擋的能耗多0.9kJ，僅占經(jīng)濟性換擋ECE總能耗454.7kJ的0.2%；比動力性換擋ECE能耗少9.1kJ，僅占動力性換擋ECE總能耗464.7kJ的2%。因此，可以得到結(jié)論：綜合換擋規(guī)律的經(jīng)濟性能要明顯好于動力性換擋規(guī)律，并且與經(jīng)濟性換擋規(guī)律非常接近。

由圖12可以看出，動力性換擋規(guī)律和綜合換擋規(guī)律的0～50km／h加速時間均為5.15s，50～80km／h加速時間均為8.05s；經(jīng)濟性換擋規(guī)律的0～50km／h加速時間均為5.6s，50～80km／h加速時間均為8.05s。其中，動力性換擋規(guī)律與綜合換擋規(guī)律均比經(jīng)濟性換擋規(guī)律0～50km／h加速時間短0.45s，占經(jīng)濟性換擋規(guī)律0～50km／h加速時間的8%。因此，可以得到結(jié)論：綜合換擋規(guī)律的加速性能要好于經(jīng)濟性換擋規(guī)律，并且與動力性換擋規(guī)律相當。

以上結(jié)論同時也驗證了本文對經(jīng)濟性換擋規(guī)律與動力性換擋規(guī)律差異性的研究結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）本文對動力性與經(jīng)濟性換擋的差異進行了研究，結(jié)果表明：①動力性與經(jīng)濟性換擋規(guī)律在低負荷區(qū)與高負荷區(qū)差別較大，中等負荷區(qū)差別相對較小；②動力性與經(jīng)濟性換擋的ECE能耗在中低負荷區(qū)域差距較明顯，中高負荷區(qū)域差距較小；③動力性與經(jīng)濟性換擋的0～50km／h加速性能差距較明顯，50～80km／h加速性能差距較小。

（2）在動力性與經(jīng)濟性差異研究的基礎上，提出了一種兼顧動力性與經(jīng)濟性的綜合換擋策略。仿真結(jié)果表明，綜合換擋規(guī)律既有動力性換擋規(guī)律的動力性，又具有接近經(jīng)濟性換擋規(guī)律的經(jīng)濟性。

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