搭載機電控制CVT電動汽車再生制動變速策略*

葉 明，謝佳佳，葉 心

(重慶理工大學,汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

前言

電動汽車以其超低的排放和可再生電能成為理想的新能源汽車。國家在電動汽車的研發(fā)方面給予了大量的投入和支持，特別是2012年4月，國務院通過了《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》，明確提出電動驅動為汽車工業(yè)轉型的主要戰(zhàn)略取向，表明了國內未來汽車的發(fā)展方向。

由于成本和使用特性等原因，搭載到電動汽車的變速器大多為減速器或少擋變速器[1-3]，在復雜的車輛運行工況中，難以全面滿足轉速、轉矩和效率的要求。無級變速器(continuously variable transmission, CVT)的連續(xù)調速功能，具有很好的系統(tǒng)工作區(qū)域調節(jié)能力。但在電動汽車中，持續(xù)保證傳統(tǒng)電液控制CVT的系統(tǒng)油壓比較困難，使CVT在電動汽車中的應用受到約束。機電控制CVT(electric-mechanical continuously variable transmission, EMCVT)采用電機驅動調速，完全脫離了對液壓系統(tǒng)的依賴，對其制造水平的要求也大大降低。與傳統(tǒng)電液控制CVT相比，EMCVT的成本下降30%以上，整機傳動效率提高10%。EMCVT不需要液壓油源，將其搭載到車輛上，傳動系統(tǒng)結構和控制都大大簡化，特別適合于具有純電動工況的新能源車輛。因此，EMCVT是一種電動車理想的無級變速器。

文獻[4]中對裝備不同傳動系統(tǒng)(減速器、有級變速器和CVT)的純電動汽車進行了能耗對比分析，結果表明，裝備CVT的能耗比裝備減速器的能耗降低5%～12%，但沒有給出CVT與電動汽車的匹配控制方法。文獻[5]中發(fā)明了一種用于純電動工況下使用的CVT速比調節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將CVT的液壓油泵替換為電動油泵，但仍然采用電液控制。文獻[6]中研究了傳統(tǒng)電液控制CVT與電動汽車的匹配調速策略。另外，國內外還對裝備CVT的混合動力汽車的匹配做了大量研究，但關于搭載CVT的電動汽車再生制動能量回收的研究還比較少。EMCVT是一項全新技術，國內外尚未開展搭載EMCVT電動汽車的再生制動研究。

本文中將以搭載EMCVT的電動汽車為對象，綜合考慮電機、電池、EMCVT和整車特性，對再生制動調速策略進行研究，為研制裝備EMCVT的電動汽車提供相關理論和試驗依據。

1 系統(tǒng)結構

EMCVT結構如圖1所示。它由調速機構、夾緊機構和金屬帶傳動裝置構成。調速機構采用直流電機提供動力，通過齒輪減速機構降低轉速，增加轉矩；通過絲桿螺母機構，將旋轉運動轉換為直線運動。夾緊機構采用碟簧，通過其彈性變形實現對帶輪的夾緊。金屬帶傳動裝置和傳統(tǒng)的電液控制CVT相同，由鋼帶和金屬塊組成，通過夾緊帶輪，傳遞動力。通過控制調速電機，調節(jié)CVT主動帶輪的夾緊力，改變主動帶輪動盤的軸向位移，從而實現CVT速比的調節(jié)。

由于沒有液壓系統(tǒng)，EMCVT的控制性能不受液壓油溫度、壓力以及電磁閥響應速度的影響，而主要取決于電機的響應速度和控制精度。由于采用脈寬調制(pulse width modulation, PWM)控制的直流電機具有良好的控制性能，同時絲桿螺母機構具有自鎖功能，因此EMCVT具有令人滿意的速比響應速度和控制精度。全速比響應時間可控制在3.6s以內，調速誤差可控制在4%以內。由于EMCVT采用碟簧夾緊，無須等待液壓系統(tǒng)建立壓力，可以瞬間進入調速狀態(tài)。

對于搭載EMCVT的電動汽車，驅動電機與EMCVT輸入軸剛性連接，動力通過EMCVT傳遞到差速器，驅動車輪旋轉。

2 系統(tǒng)建模

2.1 電機電池聯(lián)合工作建模

交流異步電機可靠性好、技術成熟、性能穩(wěn)定，是電動汽車驅動電機較好的選擇之一。圖2為本研究采用的20kW交流異步電機效率特性圖。通過效率特性圖，采用插值的方式，可得電機轉矩Tm與電機發(fā)電功率Pmg和電機轉速nm的關系：

Tm=Pmg/(ηmnm)

(1)

式中ηm為電機效率。

車輛制動過程中，在不考慮導線損失的情況下，電機的發(fā)電功率等于電池的充電功率。電池的充電功率隨電池荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)改變而變化。因此，要得到車輛在制動過程中的能量回收特性，必須了解電池充電功率與荷電狀態(tài)的關系。

本文中以336V、60A·h磷酸鐵鋰電池為對象進行研究，其充電特性如圖3所示。根據電池放電功率與電動勢、電流關系的推導[7-8]，可以類似得到電池充電功率與電動勢、電流和電阻的關系：

Pbc=(Es+IbcRs)Ibc

(2)

式中：Pbc為電池充電功率，W；Ibc為電池充電電流，A；Es為隨SOC變化的電池電動勢，V；Rs為隨SOC變化的電池內阻，Ω。

可以看出，電池的充電功率隨SOC變化而改變。同時電池的充電電流不能大于電池最大開路電壓所對應的充電電流：

Ibc≤(Ubmax-Es)/Rs

(3)

式中Ubmax為電池最大開路電壓，V。

由式(2)和式(3)，并考慮電池充電特性，可得電池最大充電功率Pbcmax與SOC的關系，如圖4所示。

而電池的充電功率限制著電機的發(fā)電功率。由電機效率圖，可以得到不同SOC下，電機電池聯(lián)合工作所能提供的制動轉矩Tbg。考慮速比和傳動效率，可以獲得整車的再生制動力Fbg。

Fbg=Tbgici0ηt/(rwδic)

(4)

式中：Fbg為當EMCVT速比為ic時，系統(tǒng)再生制動力，N；Tbg為電機電池聯(lián)合工作的制動轉矩，N·m；ic為EMCVT速比；i0為主減速比；rw為車輪半徑，m；δic為EMCVT速比為ic時汽車旋轉質量換算系數；ηt為傳動系統(tǒng)機械效率。

2.2 EMCVT模型

在制動過程中，要盡量使系統(tǒng)工作在效率最高的區(qū)域，才能最大程度地回收制動能量。而EMCVT作為傳動系統(tǒng)中的重要總成，其效率對整個系統(tǒng)有較大影響。因此，須建立EMCVT在電動車制動工況下的效率模型。根據EMCVT效率試驗，可得在不同輸入轉矩條件下，EMCVT效率隨速比和輸入轉速變化的關系，從而建立其效率模型，如圖5所示。

在制動過程中，EMCVT應快速精確地響應目標速比，使系統(tǒng)工作在最佳效率區(qū)域。因此，須建立EMCVT的調速模型，研究速比控制策略。由圖1可知，EMCVT調速模型主要由兩部分組成：調速電機模型和速比變化模型。調速電機采用永磁直流電機，通過PWM信號進行控制。直流電機的建模與控制是一項比較成熟的技術，不再詳述。CVT速比變化模型由夾緊機構模型和速比變化率模型構成。夾緊機構主要部件為碟簧，其非線性的彈性特性如圖6所示。

根據系統(tǒng)傳遞的最大轉矩以及主從動帶輪夾緊力比關系，可計算得到EMCVT主從動帶輪的目標夾緊力。根據目標夾緊力，選取碟簧彈性特性的線性部分(圖6中OB段)作為從動帶輪碟簧工作區(qū)域。選取碟簧彈性特性的非線性部分(圖6中BC段)作為主動帶輪碟簧工作區(qū)域。最終得到主從動帶輪實際夾緊力Fc和碟簧彈力Fd，如圖7所示。

從圖中可以看出，從動帶輪的夾緊力和碟簧彈力大小一樣，主動帶輪夾緊力和碟簧彈力隨速比變化存在差異。速比穩(wěn)定時，主動帶輪夾緊力和碟簧彈力的差由絲桿螺母機構補償；調速時，調速電機克服主動帶輪夾緊力和碟簧彈力的差，改變主從動帶輪夾緊力比，從而實現調速。由帶輪實際夾緊力，可最終獲得EMCVT轉矩傳遞能力隨速比變化的關系，如圖8所示。速比變化率模型與普通電液控制CVT模型一致。EMCVT的速比變化機理和控制參閱文獻[9]～文獻[11]。

3 再生制動速比控制策略

3.1 制動力控制策略

由前面所分析的電機電池聯(lián)合工作制動力特性，同時考慮制動的安全性，可制定出電動汽車再生制動時的制動力控制策略如下：

(1) 整車需求制動力Fbr小于行駛阻力Fw時，電機不參與制動工作，便能滿足整車制動需求；

(2) 當Fbr大于Fw而小于Fbg與Fw之和時，電機參與制動工作，提供部分制動力；

(3) 當Fbr大于Fbg與Fw之和時，再生制動不能完全滿足整車制動需要，剩余制動力由摩擦制動力提供；

(4) 當制動力需求很大(制動強度大于0.7)時，考慮車輛制動的安全性，再生制動不參與工作，制動力全部由摩擦制動提供。

3.2 調速規(guī)律

通過前面的分析，當車速、整車需求制動力、電池SOC和EMCVT速比已知時，可以確定再生制動力。從而計算出再生制動時電池充電功率。在車速、整車需求制動力、電池SOC確定的情況下，EMCVT速比的變化將改變EMCVT和電機的工作點，導致系統(tǒng)效率發(fā)生變化，從而影響到電池充電功率[12]。裝備EMCVT的電動汽車，在制動過程中，可以通過調節(jié)速比，最大限度地回收車輛動能。

在不同車速和制動力條件下，找到回收制動能量最大時所對應的EMCVT速比，從而得到再生制動時EMCVT最佳調速曲面。考慮SOC對電池充電功率的影響，最終獲取EMCVT速比ic與車速vc、需求制動力Fbr以及SOC的關系，如圖9所示。

由圖可見，當需求制動力很小時，EMCVT速比較小，這是由于電機在小轉矩工作時效率很低。為了提高電機效率，采用較小的目標速比，提高電機制動轉矩；隨著需求制動轉矩的增加，在低車速區(qū)，EMCVT速比較大，這是由于電機在低轉速時的效率較低。采用較大的速比，可提高電機的工作轉速；隨著車速和轉矩進一步增大，電池充電功率受SOC影響，使得EMCVT的速比在不同SOC時，出現差異。當SOC較小時，充電功率不受電池限制，目標速比主要系統(tǒng)效率確定；當SOC較大時，充電功率受電池限制，即使系統(tǒng)工作在最佳效率區(qū)，也不能回收更多的能量。

4 仿真分析

采用查表和微分方程相結合的方法，搭建基于MATLAB/Simulink的EMCVT電動汽車再生制動性能仿真模型。主要仿真參數見表1。

表1 仿真參數

圖10為兩擋調速再生制動仿真結果。需求制動力2kN，制動初始車速為80km/h，終止車速為10km/h。整個過程耗時9.6s。在此過程中，EMCVT速比從0.8階躍上升至2.0(圖10(b))，以保證電機處于正常工作轉速范圍內。由于變速器只有兩個速比，電機工作轉速不穩(wěn)定(圖10(c))，電池充電電流下降較快(圖10(e))，不能保證系統(tǒng)始終工作在高效區(qū)域內。整個過程回收能量167.38kJ，能量回收率為45%。

圖11為連續(xù)調速策略再生制動仿真結果。初始條件與圖10相同，此時EMCVT速比根據控制策略從0.8上升至2.0(圖11(b))。由于是連續(xù)調速，電機在相當長的范圍內，轉速維持在3 300r/min左右(圖11(c))，電池充電電流下降較慢(圖11(e))，使系統(tǒng)具有較高的效率，以最大限度回收能量。整個過程回收能量190.80kJ，能量回收率為53%。與兩擋調速策略相比，能量回收率增加16.9%。

5 試驗分析

在仿真模型的基礎上，利用D2P快速原型系統(tǒng)，開發(fā)了測試和控制軟件，實現對電動汽車動力傳動系統(tǒng)的控制，并驗證了再生制動控制策略的有效性。搭載EMCVT的電動汽車試驗臺架原理如圖12所示。各部件名稱及參數見表2(序號同圖12)。

編號名稱型號及參數1驅動電機20kW2轉速轉矩傳感器轉速0～6000r/min，最大轉矩500N·m3EMCVT輸入轉矩250N·m4快速控制原型D2P5轉速轉矩傳感器轉速0～3000r/min，最大轉矩3000N·m6慣性飛輪組345kg·m27加載電機額定轉速1480r/min，額定轉矩581N·m8動力電池20kW·h，336V9電池能量管理系統(tǒng)(BCM)與電池配套10驅動電機控制器與電機配套11CVT驅動電路12V與CVT配套12加載電機控制器與加載電機配套13工業(yè)控制計算機CPU：i3，內存：2GB14筆記本電腦CPU：i3，內存：2GB

試驗系統(tǒng)由驅動電機、EMCVT、加載裝置和數據采集與控制系統(tǒng)組成。驅動電機為交流異步電機，由動力電池組提供電能；EMCVT自主設計開發(fā)；加載裝置為電機；數據采集與控制系統(tǒng)由傳感器和多個控制器組成。驅動電機控制器將電機轉速、轉矩、電壓和電流等信號通過CAN總線傳送給快速控制原型，電池能量管理系統(tǒng)將動力電池組的電壓、電流、SOC和溫度等信號通過CAN總線傳送給快速控制原型。快速控制原型還采集EMCVT帶輪位置，輸入/輸出軸轉速等信號，根據控制策略計算EMCVT目標速比、電機目標轉矩等參數，并通過CAN總線將電機控制信號發(fā)送給驅動電機控制器，同時發(fā)出PWM信號，控制CVT調速電機，實現CVT速比控制。快速控制原型的所有參數通過筆記本電腦監(jiān)視和標定。工控機采集轉速、轉矩信號，并根據要求將控制信號發(fā)送給加載電機控制器，控制加載電機轉矩，實現載荷調節(jié)。

圖13為兩擋調速策略再生制動試驗結果。再生制動需求制動力為1kN，初速度為60km/h。由圖可見，隨著車速的下降，EMCVT速比由0.8躍變至2.0，電機轉速隨之發(fā)生較大的波動。電機轉矩也隨速比變化出現躍變，總制動力維持在1kN左右。當電機轉速下降至1 000r/min，停止再生制動。60～10km/h制動共耗時13.4s，回收能量80.5kJ，能量回收率為39%。

圖14為連續(xù)調速再生制動試驗結果。初始條件與圖13相同。從圖中可以看出，EMCVT速比實時調節(jié)，使電機轉速維持在較高水平。當車速進一步下降，EMCVT速比達到最大值，無法再調節(jié)電機轉速，電機轉速隨著車速的減小迅速下降，當電機轉速下降至1 000r/min，停止再生制動。電機制動轉矩隨EMCVT速比變化，使總制動力維持在1kN左右。60～10km/h制動共耗時13.5s，回收能量90kJ，能量回收率為44%。再生制動能量回收變化趨勢與仿真結果基本吻合。

6 結論

(1) 由于工況范圍和效率等原因，電動汽車應當安裝變速器。EMCVT取消了液壓系統(tǒng)，并具有連續(xù)調速功能，是一種較理想的電動汽車變速系統(tǒng)。

(2) 搭載EMCVT的電動汽車再生制動性能與電機、電池和EMCVT調速規(guī)律密切相關。在車輛制動過程中，可通過調節(jié)EMCVT速比提高車輛制動能量的回收。

(3) 綜合考慮電機效率、電池SOC、EMCVT效率和整車性能，制定了電動汽車再生制動過程的制動力控制策略和EMCVT調速策略。仿真結果表明，所提出的連續(xù)調速策略與傳統(tǒng)的兩擋調速策略相比，前者能更有效地回收制動能量。試驗結果驗證了仿真分析的有效性。

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