兩擋AMT純電動汽車換擋協調控制及試驗研究

肖力軍 王明 鐘志華 張邦基 徐衛東

摘 ???要：為提高兩檔AMT純電動汽車的換擋平順性及減少換擋時間，建立了詳細的純電動汽車動力傳動系統的數學模型，制定驅動電機參與換擋過程的綜合協調控制方法，從允許的最大換擋沖擊度出發得出轉矩相階段電機扭矩控制律，慣性相階段采用PID和有限狀態切換的控制策略進行電機調速.最后搭建純電動汽車傳動系統試驗臺架，對升擋和降擋過程中換擋協調控制策略進行仿真分析與試驗驗證.仿真結果顯示：0～100 km/h全加速的升擋時間為0.5 s，縱向沖擊度在8.0 m/s3以內，NEDC市區工況升降擋時間均在0.6 s以內，最大沖擊度未超過7.8 m/s3;試驗結果顯示：驅動電機在固定轉速下的升降擋時間分別為0.6 s和0.8 s，輸出軸轉速變化平滑.傳統AMT車輛的換擋時間為0.8～1.0 s，上述結果表明該換擋綜合協調控制策略能夠實現快速、平穩換擋.

關鍵詞：電動汽車;兩檔AMT;換擋平順性;綜合協調控制策略;試驗驗證

中圖分類號：U463.212 ????????????????????????????文獻標志碼：A

Coordinated Shift Control and Experimental Study

of Two-speed AMT for Pure Electric Vehicle

XIAO Lijun1，WANG Ming1，ZHONG Zhihua1，ZHANG Bangji1，XU Weidong2

（1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. XEMC Light Electric Co ?LTD，Xiangtan 411100，China）

Abstract： In order to improve the shifting smoothness and to reduce the shifting time of the two-speed Automated Manual Transmission（AMT） equipped on the pure electric vehicle， the mathematical model of the powertrain system was developed， and the comprehensive coordinated control strategies in which the motor participates in the shifting process were designed. The motor torque control law of torque phase was derived from the maximum allowable shift impact，and the PID and finite state switching control strategy were adopted to regulate motor speed during the inertia phase. Additionally， a test rig of the pure electric vehicle transmission system was built for the up-shift and down-shift test. The simulation results show that the up-shift time of 0～100 km/h full acceleration is 0.5 s， the longitudinal impact is within 8.0 m/s3， and the up-shift and down-shift time in the NEDC urban conditions are both within 0.6 s， and the maximum impact does not exceed 7.8 m/s3. The test results show that the up-shift and down-shift time is 0.6 s and 0.8 s，respectively，which is in the condition that the drive motor under fixed speed control， and the output shaft speed changes smoothly. Because the shift time of the traditional AMT vehicle is 0.8～1.0 s， the above results show that the comprehensive coordination shift control strategy can achieve fast and smooth shifting.

Key words： electric vehicles;two-speed AMT;shifting smoothness;coordinated shift control strategy;experimental verification

新能源汽車產業是國家重大戰略布局，純電動汽車是新能源汽車的主要發展方向之一[1-2].目前純電動汽車大多采用的直驅方式存在能耗過高等問題，而多擋化能夠有效利用驅動電機的高效工作區間、降低整車能耗[3-4].電機的高效區遠大于內燃機，因此擋位過多并不能對經濟性有大幅度改善，且會增加控制難度和開發成本.因此，搭載具有傳動效率高、可靠性好和開發成本低等優勢的兩擋AMT（Automated Manual Transmission），是純電動汽車產業的重要發展方向.但兩檔AMT存在換擋平順性不佳，動力中斷時間長等問題.

近年來，AMT在純電動汽車上的應用成為國內外研究熱點.文獻[5-6]分析了兩擋I-AMT在純電動汽車上的應用，通過同步器和離合器的組合或離心式離合器和干式離合器的協調控制完成換擋;文獻[7]提出一種無動力中斷兩擋變速器，設計三種無動力中斷換擋控制策略，仿真對比驗證了不同控制策略的優劣.文獻[8]在單行星排結構基礎上通過干式離合器和制動器兩個執行機構可以實現換擋過程無動力中斷.但是相較于傳統構型的AMT變速器，上述幾種無動力中斷的構型都較為復雜、成本更高，也未經實際檢驗.文獻[9]研究汽車AMT無離合器換擋控制，能顯著提高換擋舒適性.王洪亮等在文獻[10]中分析了換擋過程中掛擋力對換擋品質的影響，但沒有建立詳細的同步器數學模型;文獻[11]在無離合器AMT換擋過程中采用了一種復合轉矩-轉速控制算法，并取得了較好的控制效果，但建模過程中僅將同步器當做開關元件，未考慮同步器動態性能對換擋沖擊的影響.

在同步器建模及控制研究方面，文獻[12-13]建立了同步器詳細的數學模型，分析了換擋過程各階段同步器的工作狀態，但僅針對與雙電機純電動汽車和傳統燃油車，未分析兩擋AMT純電動汽車換擋過程同步器的工作模式.文獻[14-15]建立了詳細的換擋執行機構數學模型，同時分析了同步器工作的各個階段力的傳遞路徑，并且通過臺架試驗進行驗證，但并沒有給出在整車控制邏輯上進行驗證.在兩檔AMT換擋平順性的研究上，存在一些不足，大都未考慮同步器對換擋平順性的影響.

本文建立包含電池與同步器的兩擋AMT純電動汽車動力傳動系統模型，設計換擋過程中驅動電機參與換擋過程的綜合協調控制方法，并通過仿真和試驗驗證該協調換擋控制策略的有效性.

1 ??動力傳動系統模型的建立

純電動汽車動力系統結構如圖1所示，動力傳動系統由驅動電機、兩擋AMT變速箱和車輪等組成，驅動過程中動力由驅動電機經兩擋變速箱傳遞給車輪，最終驅動汽車平穩行駛[16].

1.1 ??電池模型

電池系統采用內阻模型，建立開路電壓和內阻與電池SOC與溫度的關系[17-18]，即：

Voc = Voc-cell（Temp，SOC） × BCell ??（1）

Rdisc = Rdisc-cell（Temp，SOC） × BCell ??（2）

式中：Voc為電池開路電壓;Voc-cell（Temp，SOC）為電池單體開路電壓，是關于電池溫度與SOC的函數; BCell為電池串聯數量;Rdisc為電池放電內阻;Rdisc-cell（Temp，SOC）為電池單體內阻，是關于電池溫度與SOC的函數，如圖2所示.

1.2 ??驅動電機模型

驅動電機的輸出轉矩取決于油門開度與驅動電機轉速，可表示為：

To = ?= （3）

Pm = ηcTm ωm ???（4）

式中：To為電機輸出轉矩;ωm為電機轉速;f（ωm，Tm）為電機效率;ηc為電機控制器的效率.效率MAP如圖3所示.

電機轉矩傳遞到變速器，動力傳遞方程表示為：

（Jm i2t + Jt）?= Tt it ?- dt ?- Tf （5）

式中： Jm和Jt分別表示電機轉動慣量和變速器等效轉動慣量;it為變速器傳動比;θ為輸出軸轉角;dt為變速器等效轉動阻尼;Tf 為車輛行駛阻力矩;Tt為變速器輸入轉矩.

Tsleeve = Tt·it（6）

式中：Tsleeve為同步器傳遞扭矩.

1.3 ??同步器動力學模型

同步器采用如圖4所示鎖環式結構.

當同步器撥桿處于中間位置和同步器處于分離或空行程位置時，此時同步器傳遞轉矩為零，結合套軸向運動的加速度可表示為：

acc = ? ?（7）

式中： Fsleeve為結合套上的作用力;c1為作用于結合套的粘滯系數;vsleeve為結合套軸向速度;Msleeve為結合套質量.

當轉矩作用于結合套時，結合套輸出轉矩可表示為：

Tsleeve = Tsyn·tan2? ? （8）

式中：Tsyn為作用于撥叉上的力矩;ωrel為同步器結合齒與輸出軸的相對轉速;dω為同步器結合齒和輸出軸轉速差預設閥值，若轉速差低于該閥值，同步器將無法結合.

Tsyn = Fsleeve·? ? （9）

式中：R為鎖環椎體的有效半徑;μ為平均動態阻力系數;α為鎖環錐角.

當結合套進入結合階段時，結合套的輸出轉矩可表示為：

Tsleeve = sign（ωref）··Rd ??（10）

式中： β為結合套錐角.

當結合套處于結合完成或快速分離時，結合套的輸出轉矩可表示為：

Tsleeve = K·θ + c1ωref ??（11）

式中：K為結合套結合時的剛度;θ為結合套與結合齒圈的相對轉角.

1.4 ??整車行駛阻力矩

變速器輸出轉矩經主減速器、差速器和半軸傳遞至車輪，整車行駛阻力矩為：

Tf = i0 r（mgfcos α + mgsin α + v2 + δm）

（12）

式中：m為整車質量;g為重力加速度;α為路面坡度;ρ為空氣密度;Cd為空氣阻力系數;v為車速;f為地面滾動摩擦系數;r為輪胎半徑;i0為主減速器傳動比;δm為質量轉換系數.

2 ??換擋控制策略

純電動汽車變速器的換擋控制過程可分為轉矩相和慣性相，升擋和降擋過程協調控制策略分別如圖5和圖6所示.

轉矩相的控制目標主要是實現轉矩的快速跟蹤調節.為盡量減少轉矩相階段的換擋沖擊，根據沖擊度要求設定驅動電機的轉矩變化率：

= （13）

式中：Je為換擋轉矩相的縱向沖擊度;J1為電機驅動軸的轉動慣量;J2為齒輪從動軸的轉動慣量.

根據德國標準Je≤10 m·s-3的要求[19]，由式（13）得到滿足沖擊度要求的驅動電機轉矩最大變化率.摘擋前，驅動電機在由力矩模式切換至自由模式時，按照滿足沖擊度要求的驅動電機轉矩變化率將驅動電機轉矩逐漸降低為零.

轉矩相結束后，將電機調至自由模式，快速實現摘擋，換擋過程進入慣性相.

慣性相的主要控制目標是快速實現轉速同步.研究表明換擋過程中的轉速差控制對換擋時間和沖擊度都有較大影響[20].為快速實現轉速調節，采用PID控制器和有限狀態切換的控制策略[18]，具體控制思路可表示為：

n1 = n2·ig ?????????????n2 ≥ 200或n2 ≤ -200n1 = n2·ig + n3 ??????0 ≤ n2 ?< -200n1 = n2·ig - n3 ??????-200 < n2 ≤ 0 （14）

式中：n1為驅動電機目標轉速;n2為變速器中間軸轉速;n3為轉速修正量.

在驅動電機調速完成至同步器開始同步的這一段時間內，驅動電機轉速會有所下降，選取由一擋切換至二擋時的修正值為100 r/min;由二擋切換至一擋時的轉速修正值80 r/min.

當轉速調節完成后，電機進入自由模式，通過換擋撥叉快速實現掛擋.掛擋完成后，根據當前駕駛員意圖確定驅動電機目標轉矩，按照滿足沖擊度要求的電機轉矩變化率將驅動電機轉矩逐漸恢復至目標轉矩.

以變速器一擋升二擋時的控制策略為例進行分析.首先，TCU接收VCU發出的換擋指令，TCU接收控制權開始執行換擋控制，MCU控制驅動電機輸出轉矩目標降為零，控制電機進入自由模式，撥動撥叉完成摘擋，轉矩相結束，進入慣性相.MCU控制驅動電機調至轉矩模式，調節驅動電機轉速到期望的目標轉速.隨后，MCU控制驅動電機調至自由模式，將驅動電機輸出轉矩降為零，控制電機進入自由模式，撥動撥叉完成掛擋，慣性相結束.最后，將驅動電機轉矩恢復至換擋之前的值，將整車控制權交還給VCU，換擋過程結束.升擋控制流程如圖7所示.

3 ??傳動系統臺架搭建

為驗證所設計控制策略的有效性，搭建傳動系統試驗臺架，如圖8所示.該臺架主要由驅動電機及其控制器、兩擋AMT變速器及其控制器、轉矩傳感器、動力電池系統、負載電機及其控制器、冷卻系統等組成.其中驅動電機采用湘電萊特電氣有限公司設計生產的TYC30-8-180型永磁同步電機，峰值功率為60 kW，額定轉速為3 000 r/min，轉矩控制精度為0.125 N·m，轉速控制精度為1 r/min;負載電機采用Tz230XS70B型永磁同步電機，峰值功率為140 kW，額定轉速為4 000 r/min，負載電機控制精度與驅動電機一致;采用 HBM/T12轉矩測試儀，轉矩量程為1 000 N·m.

兩擋AMT變速箱及控制器如圖9所示，一擋和二擋的傳動比分別為2.41和1，主減速比為6.0.

4 ??仿真與試驗研究

為驗證所設計換擋協調控制策略的有效性，分別利用MATLAB/Stateflow進行仿真分析和dSPACE進行試驗測試.車輛相關參數及設計指標如表1所示.

4.1 ??仿真分析

仿真過程分為升擋過程和降擋過程，同步器建模的物理參數如表2所示.升擋過程采用0～100 km/h全加速工況和NEDC市區工況進行驗證，降擋工況采用NEDC市區工況出現的降擋區間進行驗證，其中，0～100 km/h全加速工況采用的換擋規律曲線為最佳動力性換擋曲線，如圖10所示，該曲線是根據兩個擋位在相同油門開度下對應的加速度曲線的交點獲取;NEDC市區工況的換擋規律曲線采用的是最佳經濟性換擋曲線，如圖11所示，該曲線是根據在同一油門開度下兩個擋位在不同車速對應的電機效率曲線的交點獲取.

圖12和圖13分別為0 ～ 100 km/h升擋工況的實際車速曲線、驅動電機轉矩及整車縱向沖擊度.仿真結果表明，換擋過程從5.75 s開始，至6.30 s結束，換擋時間為0.55 s，最大沖擊度維持在8.0 m/s3以內，換擋控制策略能夠快速平穩實現換擋功能，驗證了在高加速區間段換擋控制策略的有效性.

圖14為制定的換擋控制策略在NEDC市區工況的測試曲線，該曲線表明，制定的換擋控制策略能夠在NEDC市區工況下實現平順換擋，仿真車速能夠準確跟隨目標值，SOC初始值為90%，SOC值變化曲線如圖15所示.

圖16和圖17分別為NEDC市區工況第一次升擋和降擋測試結果.測試結果表明，制定的換擋控制策略能夠快速準確實現換擋，升擋過程從61.55 s開始，至61.91 s結束，降擋過程從91.72 s開始，至92.14 s結束，換擋時間均維持在0.5 s以內;升擋過程轉速無明顯波動，降擋過程轉速略有波動，考慮到換擋過程轉矩較小，換擋沖擊并不大，車輛沖擊度均在7.8 m/s3以內.

圖18和圖19分別為NEDC市區工況第二次升擋和降擋測試結果.測試結果表明，制定的換擋控制策略能夠快速平穩實現換擋功能，升擋過程從142.67 s開始，至142.93 s結束，降擋過程從184.03 s開始，至184.42 s結束，換擋時間均維持在0.5 s以內;升擋過程轉速無明顯波動，降擋過程轉速稍有波動，換擋過程車輛沖擊度均在6.9 m/s3以內.

上述仿真結果表明，所制定的換擋控制策略能夠實現快速、平穩換擋.

4.2 ??試驗驗證

為驗證所設計換擋控制策略的有效性，采用升降擋測試方法，控制器發出換擋指令后，電機首先進入卸扭狀態，當卸扭完成之后控制換擋撥叉使變速器進入空擋，隨后根據當前車速和目標擋位計算出電機目標轉速并進行電機調速，當輸出軸轉速與目標擋位齒輪轉速差值在一定范圍內時開始掛擋，由同步器進行轉速同步，在掛擋完成之后恢復轉矩至目標值，換擋完成.

測試流程：整個測試過程分為升擋和降擋，首先將變速器擋位設為一擋，電機目標轉矩和目標轉速分別設定為20 N·m、500 r·min-1，當電機達到目標狀態后向TCU發出升擋指令，進行升擋測試.當升

擋測試完成后再向TCU發出降擋指令，進行降擋

測試.

圖20為500 r·min-1（20 N·m）工況下測試的升擋試驗結果，在152.40 s 時TCU接收到升擋請求并接管VCU進行升擋控制，同時發送換擋指令給MCU，MCU在152.42 s接收到換擋指令并控制電機實現降扭， 152.46 s時電機驅動轉矩降為零，同步器在換擋執行機構的作用下實現摘擋，在152.60 s時MCU控制電機轉速達到目標轉速（152.72 s），此時同步器結合完成掛擋，同時TCU將控制權轉交于VCU，至153 s電機控制器控制驅動電機轉矩恢復至目標轉矩，升擋時間持續近0.6 s.

圖21表示500 r·min-1（20 N·m）工況下測試的降擋試驗結果，在139.78 s 時TCU接收到升擋請求并接管VCU進行降擋控制， MCU在139.8 s接收到換擋指令并控制電機實現降扭，在139.84 s電機驅動轉矩降為零，同步器在換擋撥叉的作用下實現摘擋，在139.88 s MCU控制驅動電機開始調速，在140.24 s驅動電機轉速達到目標轉速，同步器結合完成掛擋，同時TCU將控制權轉交于VCU，至140.52 s電機控制器控制驅動電機轉矩恢復至目標轉矩.降擋時間持續近0.8?s.

升降擋試驗測試結果表明，所設計換擋控制策略能夠實現快速、平穩換擋.

5 ??結 ??論

1）設計包含電池模型與同步器模型的兩檔AMT純電動汽車換擋控制策略，分析換擋過程中驅動電機和同步器的工作過程，研究換擋過程中驅動電機參與換擋過程的綜合協調控制方法.

2）分別在0～100 km/h和NEDC市區工況下進行仿真分析，結果驗證了所設計換擋協調控制策略的有效性，其中0～100 km/h換擋時間在0.5 s以內，最大沖擊度在8.0 m/s3以內，整個NEDC市區工況升降擋換擋時間均在0.6 s以內，最大沖擊度均未超過7.8 m/s3.

3）搭建純電動汽車傳動系統試驗臺架，進行升降擋試驗測試，結果驗證了所設計的換擋協調控制策略的有效性，升降擋時間分別為0.6 s和0.8 s，換擋過程中轉速變化平滑，無大幅波動.

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