一種純電動手動擋汽車換擋抖動問題優化研究

高潔，王金橋，倪紹勇

(奇瑞新能源汽車有限公司研究院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

面對日益嚴峻的能源短缺和環境污染的問題，研究并開發具有低排放、低噪聲、高能源利用率的新能源汽車具有與時俱進的意義[1]。隨著科技的進步及人們生活水平的提高，消費者對汽車的駕駛性及舒適性也提出了更高的要求[2]。

電機驅動的手動擋汽車與傳統發動機驅動的汽車相比，由于電機與發動機之間的結構差異，在換擋時電機轉速變化相比于發動機轉速變化要小，所以在相同條件下換擋，電機轉速不能與新的變速箱速比和車速相匹配，產生比發動機驅動的手動擋汽車換擋頓挫感更明顯、頓挫持續時間更長。

對于手動擋汽車，換擋過程應能平穩過渡，不應有過高的瞬間加速度和瞬間減速度，以減少動力系統的沖擊和載荷，延長零件使用壽命，減輕駕駛員的勞動強度[3]。

1 換擋抖動產生的原因

本文作者研究的對象是某款純電動手動擋汽車，該車型在低擋位間升擋操作時車輛抖動明顯，隨著擋位逐漸升高，換擋過程中的抖動逐漸減小。而與此車型共用相同變速箱、底盤和車身的發動機驅動車，無明顯換擋抖動。經試驗對比發現燃油車在踩下離合換擋時，發動機轉速能快速下降，而該電動手動擋汽車在換擋時電機的轉速下降很緩慢。所以要優化該電動手動擋汽車的換擋抖動問題，重點考慮優化整車VCU控制策略對電機轉速進行快速調節。

手動擋汽車在某一擋位平穩行駛時，當前的電機轉速、變速箱傳動比與車速之間達到平衡狀態，電機轉速與汽車行駛速度之間的關系為

Ua=0.377rn/(ig·i0)

(1)

式中：Ua為車速；n為電機轉速；r為車輪半徑；ig為變速箱傳動比；i0為主減速器傳動比。

表1 某車型變速箱各擋位傳動比

由表1可知：該車型變速箱低擋位間傳動比差值較大、高擋位間傳動比差值較小，所以在低擋位間換擋操作時車輛抖動明顯，隨著擋位逐漸升高、換擋過程的抖動逐漸減小。針對該車型，擋位從1擋升至2擋后，變速箱傳動比減小了1.6，在車速幾乎不變的情況下，根據公式(1)轉速需降至換擋前轉速的約一半才能達到新的平衡；而此時電機由于慣性實際轉速變化較小，所以換擋后就會產生電機轉速和車速不匹配互相反拖的情況，產生整車加速度的波動(見圖1)，造成換擋抖動的問題。

圖1 某車型換擋時車速、轉速與加速度變化

目前學術界普遍將縱向加速度對時間的導數，作為客觀指標來評價沖擊對人體的影響，稱之為沖擊度[3]。沖擊度作為換擋品質的評價指標，不僅和人體的感覺同步，而且可以把因道路條件引起的顛簸加速度以及非換擋因素的影響排除在外，從而真實反映換擋品質[4]。沖擊度是指車輛行駛過程中縱向加速度在單位時間內的變化率，其公式為

j=da/dt

(2)

式中：j為沖擊度(m/s3)；a為車輛縱向加速度(m/s2)；t為時間(s)。

大量實驗表明：在沖擊度大約為5 m/s3以下時，基本感受不到沖擊的影響；沖擊度大約為10 m/s3時，乘員能夠分辨不同的沖擊度[3]。從圖1可以看出：該車型在1擋升2擋、2擋升3擋過程中沖擊度較大，其中沖擊度最大值達到9.4 m/s3，乘員感覺有明顯沖擊、頓挫感。該車型換擋頓挫問題明顯，需優化解決。

2 電機轉速調節

2.1 換擋能量回收策略

要解決換擋抖動的問題，就需要在換擋過程中使電機轉速能主動快速變化，避免在換擋完成后與車速不匹配互相反拖，產生換擋抖動的問題。電機具有很好的調速性能，其調速模式可以在很短時間內將電機轉速調整到電機轉速范圍內的任一轉速[4]。在升擋時需快速降低電機轉速，參考電動汽車滑行能量回收工況時、VCU控制器對電機施加負扭矩調節可快速降低電機轉速的經驗，提出一種換擋能量回收方式，對電機施加負扭矩調節起到快速調節電機轉速的效果，同時又能將換擋沖擊過程損失的部分能量進行回收再利用，提高能源再生利用率。VCU控制換擋能量回收策略見圖2。

圖2 VCU控制換擋能量回收策略示意

VCU控制器根據換擋前油門踏板開度、轉速變化趨勢及剎車信號等特征預判識別駕駛員的換擋意圖；結合換擋過程中變速箱擋位、加速踏板、離合踏板、車速、電機轉速、剎車信號等變化特征，來判斷控制換擋能量回收功能是否使能。同時根據當前換擋車速計算出，換擋后電機轉速目標值，設置電機轉速下限條件，防止換擋能量回收持續工作將電機轉速降至目前轉速以下。

2.2 電機扭矩修正

由圖3可知：該車型電機轉速在2 700 r/min以下時，為恒扭矩區間、輸出扭矩最大；當電機轉速達到3 000 r/min左右可明顯感覺車輛驅動力開始衰減，所以考慮駕駛人員一般在電機轉速3 000 r/min左右進行升擋操作。基于車輛在每個擋位、電機在3 000 r/min時換擋、換擋時車速變化忽略，根據公式(1)可計算出1擋電機轉速為3 000 r/min升擋至2擋,電機轉速需降低的目標轉速n1：

n1=3 000·i2/i1

式中：i1、i2分別是變速箱1擋、2擋傳動比。據此可計算出由1擋逐次升至5擋，4次升擋過程中電機目標轉速值n1、n2、n3、n4，對應4個目標角速度值w1、w2、w3、w4。

圖3 某車型驅動電機外特性

換擋過程中，電機從升擋時的某一高轉速降低到換擋后的另一低轉速，也伴隨著能量的變化。電機在某一轉速旋轉時當前的能量值是一定的，轉速與能量的關系公式：

E=J·w2/2

(3)

式中：E為能量(kJ)；J為電機轉動慣量(kg·m2)；w為電機旋轉角速度(rad/s)。

對于某一電機其轉動慣量是固定的，根據能量守恒定律，可通過公式(3)計算出由1擋升至2擋過程中電機要達到目標轉速，所需要減少的能量值ΔE1。 由1擋逐次升至5擋，4次升擋過程中電機達到目標轉速，所需減少的能量差值分別為ΔE1、ΔE2、ΔE3、ΔE4。

換擋過程中電機要達到目標轉速所需減小能量，可通過換擋能量回收模式加載負扭矩實現。根據電機的特性，電機扭矩和功率、轉速之間有以下關系公式：

P=T·n/9 550

(4)

式中：P為功率(kW)；T為扭矩(N·m)；n為轉速(r/min)。

經過多次試驗統計，手動換擋操作過程持續時間約為1 s，見表2。

表2 換擋時間統計

在換擋過程中回收能量等于電機達到目標轉速所需的能量差值時，換擋后電機轉速與車速接近平衡。根據表2統計的換擋時間為1 s，結合公式(3)可計算出由1擋升至2擋過程中回收能量加載扭矩絕對值大小為

據此可計算出由1擋逐次升至5擋，4次換擋過程中電機回收能量加載扭矩絕對值T1、T2、T3、T4。這些能量回收扭矩值即作為在換擋過程中，用于調節電機轉速的修正扭矩。隨著擋位的升高，相鄰兩擋位的傳動比差值在逐漸減小、能量差值也在逐次減小，所以所需的能量回收扭矩絕對值T1>T2>T3>T4；這與實車低擋位換擋頓挫比高擋位時更明顯、需更大幅度地調整電機轉速的需求是一致的。

所以換擋能量回收啟動時，可以根據換擋前擋位和轉速來判斷選擇合適大小的回收扭矩。

3 實車測試驗證

將增加換擋能量回收策略的軟件搭載實車，進行測試驗證。經初次驗證發現增加換擋能量回收模式后，換擋頓挫問題有一定改善，但是仍能感受到一定沖擊。經采集數據分析發現，換擋過程中駕駛員松開離合和踩下加速踏板的操作幾乎同時進行，加速踏板信號的變化導致換擋過程未完全結束時換擋能量回收就提前退出工作，換擋能量回收還未將電機轉速調節至目標轉速附近就已退出，所以換擋過程中仍會有一定的沖擊感。

鑒于此原因，在策略中又增加了換擋能量回收延遲退出，同時根據實車路試驗證將換擋能量回收扭矩加、卸載梯度和換擋能量回收延遲退出時間進行了標定優化。

最終優化完成后，換擋頓挫問題得到明顯改善，最大沖擊度約為4.2 m/s3，駕駛過程中基本感受不到明顯的換擋抖動，見圖4。

圖4 優化后換擋時車速、轉速與加速度變化

4 結論

(1)通過對比與燃油車的差異、結合試驗采集數據分析，解析了電動汽車換擋過程中電機轉速變化對換擋沖擊產生的影響。并引入了換擋頓挫評價指標，對該問題量化分析解決提供了理論依據。

(2)提出一種換擋能量回收策略，對電機施加負扭矩實現快速調節電機轉速的同時，又能將換擋沖擊過程損失的部分能量進行回收再利用，提高能源再生利用率。

(3)在后期的驗證過程中，又優化策略增加了換擋能量回收延遲退出，同時根據實車路試驗證將換擋能量回收扭矩加、卸載梯度和換擋能量回收延遲退出時間進行了標定優化，最終有效地改善了某純電動手動擋汽車在換擋抖動的問題。