純電動汽車兩擋AM T換擋策略研究

劉文光，畢善汕，徐 暢

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212000）

為了降低純電動汽車對電池和驅動電機性能的要求，一般為其匹配多擋自動變速器，其中兩擋AMT具有結構簡單、成本低且傳動效率高等優點，是目前研究的熱點。

為了兼顧車輛的經濟性和動力性，保證驅動電機始終高效率工作，需要為兩擋AMT設計合理的換擋策略。圍繞這一問題，國內外專家學者進行了大量的研究。肖力軍等［1］提出包含驅動電機的綜合協調控制方法，采用PID和有限狀態切換的控制策略對電機調速，仿真和臺架試驗結果顯示驅動電機參與換擋，其換擋過程更快速。劉拂曉等［2］分別以加速時間最短和驅動電機效率最高為目標，制定了動力性和經濟性換擋策略，基于模糊理論設計了切換控制器，仿真結果顯示該方法能夠保證車輛的經濟性和動力性。FU Jiangtao等［3］建立了一種最佳能量消耗模型，并引入了2種附加成本函數，以防止頻繁換擋。仿真和試驗結果顯示：該策略有效降低了車輛百公里能量消耗。李聰波等［4］提出了一種低能量損耗的經濟性模式換擋策略，并制定了驅動電機轉矩計算方法。仿真及試驗結果表明，該換擋規律不僅逼近最佳動力性換擋規律，同時表現出良好的經濟性。

目前，常見換擋策略的制定僅分析了驅動電機的特性及其效率變化，或以最小能量消耗為目標計算當前驅動電機的最小輸出扭矩，雖然一定程度上提高了車輛的經濟性，但會極大地犧牲車輛動力性［5－6］。純電動汽車動力系統中動力電池效率和變速器效率同樣是影響車輛續航里程的關鍵因素。同時，當前廣泛使用的換擋策略是一種離線擋位選擇方法，無法針對行駛工況的不同進行動態調整。針對上述問題，本文中通過搭建驅動電機、電池和變速器效率模型，分析各行駛工況下系統效率的變化情況，以系統效率最高為目標制定最佳經濟性換擋策略。為了保證車輛的動力性，又以加速度最大為目標，制定最佳動力性換擋策略。最后，基于模糊理論設計了一種動力需求因數計算方法，通過動力需求因數判斷此時車輛應采用何種換擋策略。仿真和試驗結果顯示：設計的換擋策略能夠保證車輛滿足駕駛員的動力需求，同時也能增加純電動汽車的續航里程。

1 傳動系統結構

本研究以某型匹配了兩擋AMT的純電動汽車為研究對象。該型車輛的傳動系統由動力電池、永磁同步電機、兩擋AMT和差速器等部分組成，如圖1所示。其中動力傳動一體化控制器負責將控制信號傳遞給電池、電機和兩擋AMT，電池與永磁同步電機之間是電能的相互傳遞，電機、兩擋AMT和差速器之間是機械能的傳遞。

圖1 傳動系統結構簡圖

由于驅動電機具有快速響應的特性，因此兩擋AMT采用無離合器結構，如圖2所示。

2 換擋策略設計

2．1 傳動系統效率分析

制定經濟性換擋策略時，需要充分考慮動力傳動系統各部件的效率變化。由于其他部件在車輛各行駛工況下，效率較高且變化不明顯，因此本文中僅分析驅動電機、動力電池和變速器的效率變化情況［7］。

圖2 兩擋AMT結構框圖

1）驅動電機效率模型

建立永磁同步電機模型主要有理論分析和試驗建模2種方法。理論分析建模是指通過分析永磁同步電機各部分受力情況和電氣原理，建立描述電機特性的微分方程。但由于電機內部電磁耦合關系復雜且部分參數難以測量，因此采用試驗建模的方式分析驅動電機的效率變化［8］。通過采集不同負載下，電機的轉速、功率、扭矩等數據，建立能夠描述電機實際動態特性的數據表，采用查表和插值的方式得到不同工況下電機的工作效率。

圖3給出了電機效率ηm隨電機轉速ωm和轉矩Tm變化的曲面。

圖3 電機效率變化曲面

為方便分析電機效率的變化情況，將圖3向電機轉矩－轉速平面投影，可得圖4所示的電機效率的等高線圖。從圖4可以看出：當電機轉速低于2 000 r／min且輸出轉矩低于150 N·m時，電機效率較低。因此，在設計換擋策略時，應避免驅動電機工作在這一區間內。

圖4 電機效率等高線圖

2）動力電池效率模型

磷酸鐵鋰電池是目前廣泛應用的一種車載動力電池，其工作性能受溫度、端電壓、單體電池SOC等因素影響。由于電池的工作過程是一個復雜的化學反應過程，同樣難以通過理論分析建立準確的數學模型。因此，本文中采用試驗結合數值擬合的方式建立電池的效率模型。

由于本研究僅涉及純電動汽車的升擋策略，在此僅建立動力電池放電效率模型。具體的方法如下：試驗采用CKHF 500V500A智能放電儀，參考純電動汽車正常行駛時電池的工作溫度，將試驗溫度設定在（35±2）℃范圍內。在車輛行駛過程中，動力傳動一體化控制器會對駕駛員的駕駛意圖進行解讀，計算電機需輸出的扭矩，并向電池管理系統發出功率請求。采集不同放電功率下，電池效率和SOC數據，并進行擬合，可得如圖5所示的電池效率圖。

圖5 電池效率變化曲面

3）變速器效率模型

變速器的功率損失主要有齒輪嚙合功率損失、軸承摩擦功率損失和攪油功率損失3部分組成。根據本文選用的某型兩擋AMT的具體結構給出各功率損失的計算公式如下［9－12］：

式中：Pc為齒輪嚙合功率損失；Ph為齒輪滑動摩擦功率損失；Pr為齒輪滾動摩擦功率損失；f（s）為瞬時摩擦因數；Fn為齒面法向載荷；vh（s）為嚙合出的損失滑動速度；h為彈性動力油膜厚度；vg為平均滾動速度；b為齒輪有效齒寬；β為齒輪分度圓螺旋角。

式中：Pz為軸承摩擦損失功率；M為SKF模型軸承摩擦力矩；n為軸承旋轉速度。

式中：Pj為攪油損失功率；Tchurn為攪油力矩［13－14］。

2．2 系統效率最優的最佳經濟性換擋策略

根據車輛的行駛方程，可得驅動工況下車輛的輸出功率，如式（4）所示。

而輸入功率可表示為

結合式（4）（5）可得整車系統效率為

式中：ηsys為系統總效率；μ為路面附著系數；m為整車質量；α為坡道角度；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；δ為質量換算系數；v為車速；ηm和ηb分別為電機、電池效率；Tm為電機輸出轉矩；ωm為電機角速度。

在不考慮坡道阻力的情況下，從式（6）中可得，系統效率與車速、加速度、電池效率、電機效率等因素有關［15］。同時結合本文中3．1節的分析結果可得：為了保證行駛過程中車輛系統效率最高，控制器需要控制車輛在不同的加速踏板開度和車速下選擇合理的擋位，才能保證整車系統效率最高。基于AVL Cruise中的整車模型，結合上文給出的計算方法，分別計算電池SOC為0．9時，1擋和2擋的系統效率，如圖6、7所示。

圖6 SOC＝0．9時，1擋系統效率隨加速度踏板開度 和車速變化曲面

圖7 SOC＝0．9時，2擋系統效率隨加速度踏板開度 和車速變化曲面

將圖6、7合并可得圖8，從圖8可以看出：只要在兩曲面交匯處換擋，即可保證換擋前后系統效率始終最高。

圖8 SOC＝0．9時，系統效率隨加速踏板開度 和車速變化曲面

由于系統效率最高時，車輛經濟性最佳，因此將圖8中的曲面交匯線向加速度踏板開度－車速平面投影，即可得到最佳經濟性升擋曲線，如圖9所示。

圖9 最佳經濟性升擋曲線

電池SOC變化對整車系統效率影響很大，通過分析不同SOC下最佳經濟性升擋曲線，可得不同SOC下純電動汽車最佳經濟性換擋曲面，如圖10所示。

圖10 不同SOC時，最佳經濟性升擋曲面

從圖10可以看出：當電池SOC低于0．4時，最佳經濟性升擋曲線有較明顯的變化，其原因是電池SOC過低時電池效率下降劇烈。

2．3 最佳動力性換擋策略

在不考慮坡道阻力的情況下，通過式（4）可知：車輛加速度越大，驅動功率越大。分析不同擋位下車輛加速度隨加速踏板開度和車速的變化關系，可得如圖11所示的各擋加速度變化情況。

圖11 SOC＝0．9時，加速度隨加速踏板開度 和車速變化曲面

為了獲取足夠的動力性，需要保證換擋前后加速度均最大，從圖11中可以看出：在1擋和2擋加速度曲面交匯處換擋，能夠保證換擋前后加速度始終最大?；谏鲜鲈瓌t，可得最佳動力性升擋曲線，如圖12所示。

圖12 SOC＝0．9時，最佳動力性升擋曲線

同理，分析不同SOC情況下最佳動力性升擋曲線的變化情況，如圖13所示。從圖13可以看出：隨著SOC的變化，最佳動力性升擋曲線變化不明顯。

圖13 不同SOC下最佳動力性升擋曲面

3 換擋策略切換控制器設計

上文分別設計了最佳經濟性和動力性換擋策略，但在實際行駛過程中動力性和經濟性是一對相互矛盾的指標。駕駛員在追求動力性時，如果采用不合理的經濟性換擋策略會導致換擋點動力輸出降低，造成換擋頓挫，影響乘坐舒適性，反之亦然。因此，為了避免這一問題的發生，需要識別駕駛員的駕駛意圖，并切換合理的換擋策略。

3．1 駕駛意圖識別

駕駛員模型是根據車輛當前行駛狀態和期望狀態的差值計算出加速或制動踏板開度，因此通過加速踏板開度及其變化率結合當前車速能夠反推出駕駛員的駕駛意圖。

為了能夠量化駕駛員的駕駛意圖，提出綜合性能指標E和動力需求因數λ，具體的計算方法如下：

式中：cb為量綱為一化后的平均百公里電耗；ta為量綱為一化后達到期望車速的加速時間。

動力需求因數越大，表示駕駛員需要更多的動力性，此時應選擇最佳動力性換擋策略，以獲得更短的加速時間。若動力需求因數越小，表示駕駛員更追求經濟性，此時應選擇最佳經濟性換擋策略，以獲得更小的平均百公里電耗。通過分析加速踏板開度及其變化率，推理得到合理的動力需求因數，并選擇相應的換擋策略，使得綜合性能指標最小，即代表選擇的換擋策略最佳。

3．2 基于模糊理論的動力需求因數確定

動力因數的確定涉及因素較多，且非線性關系復雜，難以建立準確的數學模型。模糊控制理論不依賴精確的數據模型，且魯棒性強，能夠根據輸入準確推導出合理的動力需求因數［16－20］。本文中選擇加速踏板開度及其變化率作為模糊控制器的輸入，選擇動力需求因數增量為模糊控制器的輸出，系統的結構如圖14所示。

圖14 切換控制器系統結構簡圖

從圖14可知：當動力需求因數經過模糊控制器優化后小于0．5，切換控制器認為當前的駕駛意圖為獲取更好的經濟性，反之則認為駕駛員需要更強的動力輸出。采用上述切換邏輯能夠保證行駛過程中綜合性能最優。

由于車輛處于制動工況時，需要盡可能回收更多的能量，選擇經濟性降擋策略。因此，本研究僅設計驅動工況下，純電動汽車的換擋策略切換控制器。

具體分析駕駛員意圖和加速踏板開度及其變化率的關系，如下：當駕駛員有更強的動力需求時，會踩下加速踏板，加速踏板開度越大，表示駕駛員此時的動力需求越強，反之亦然。同時，加速踏板開度變化率能夠反映駕駛員對動力性需求的迫切程度，變化率越大表示駕駛員迫切需要更強的動力輸出，反之亦然。

結合以上規律，選擇加速踏板開度的模糊論域為［0，6］，加速踏板開度變化率的模糊論域為［－6，6］，動力需求因數增量的模糊論域為［－6，6］，制定合理的隸屬度函數和模糊控制規則表，可得如圖15所示的模糊控制曲面。

圖15 模糊控制曲面

將模糊控制器輸出的動力需求因數增量與當前動力需求因數相加即可確定采用何種換擋策略。當動力需求因數λ≥0．5時，駕駛員對車輛動力性需求較大，采用最佳動力性換擋策略，反之當λ＜0．5時，則采用最佳經濟性換擋策略。

4 仿真與試驗

為了驗證所設計的換擋策略是否有效，將該控制策略與僅基于電機效率最優的傳統換擋策略進行對比仿真驗證。仿真參數如表1所示，電池初始SOC值設定為0．9，仿真工況選擇NEDC城市循環工況。

表1 整車、電機、電池組、兩擋AMT參數

仿真結果如圖16～19所示。

圖16 系統效率隨時間變化曲線

圖17 電池SOC隨時間變化曲線

圖18 百公里電耗隨時間變化曲線

圖19 加速度隨時間變化曲線

由表2仿真結果可知：相較于傳統換擋策略，本文中設計的綜合換擋策略可有效提升系統效率，平均效率提升達到11．19%，電池SOC提升約10 37%，平均百公里電耗可降低9．97%，平均加速度略有惡化，約3．96%。由此可見采用綜合換擋策略能夠有效提升純電動汽車經濟性，延長續航里程，同時保證車輛動力性滿足駕駛員駕駛需求。

表2 優化前后性能對比

為了驗證換擋策略的有效性和應用效果，采用如圖20所示的兩擋AMT試驗平臺進行試驗。試驗結果如圖21、22所示。

圖20 兩擋自動變速器試驗臺架

圖21 試驗與仿真SOC值變化

圖22 試驗與仿真加速度

由圖21、22可知：試驗數據和仿真數據雖然有一定的差距，但趨勢大致相同，可以證明設計的換擋策略對真實兩擋AMT同樣有效。

5 結論

1）分析了純電動汽車動力電池、驅動電機和變速器效率模型，得到了純電動汽車主要部件的效率變化趨勢及其影響因素。

2）通過分析SOC為0．9時，不同擋位下系統效率隨加速踏板開度和車速的變化關系，以系統效率最高為目標投影得到最佳經濟性換擋曲線。再通過分析不同SOC情況下，最佳經濟性換擋曲線的變化情況，制定了適合車輛各工況的最佳經濟性換擋策略。

3）通過分析不同擋位下加速度隨加速踏板開度和車速的變化關系，以加速度最大為目標設計了最佳動力性換擋曲線。同樣，分析了SOC變化對最佳動力性換擋曲線的影響。

4）將百公里電耗和加速時間組合為綜合性能指標，以加速踏板開度及其變化率為輸入，基于模糊理論設計了一種動力需求因數調節控制器，通過駕駛行為預測車輛對動力的需求情況，進行經濟性換擋策略和動力性換擋策略切換。通過仿真和試驗可知，所設計的純電動汽車換擋策略相較于傳統換擋策略能夠在保證動力性的前提下極大地提升經濟性，延長車輛的續航里程。