兩擋AMT純電動汽車換擋控制研究

龔俊杰，谷金良，龔莎，蔡志華

（411201 湖南省 湘潭市 湖南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

電動汽車能夠較好地解決石油短缺問題[1]和環(huán)境污染問題，因此，一直是近年來車輛研究的熱點。而減小換擋沖擊度[2]則一直是電動車熱門研究方向之一。近年來研究人員對減小電動汽車換擋沖擊度做了許多研究[3]。文獻[4]以AMT 變速箱系統(tǒng)為研究對象，對換擋沖擊的產(chǎn)生原因做了系統(tǒng)的研究，將整個換擋過程重新進行劃分，并對換擋電機進行了拉格朗日建模，有效減小了換擋時的沖擊度；文獻[5]以提升電機工作效率為研究目標(biāo)，開展了基于驅(qū)動電機的換擋控制方法和整車綜合換擋規(guī)律等相關(guān)技術(shù)的研究，比較好地提升了電動汽車的換擋品質(zhì)，減小了換擋沖擊度。文獻[6]設(shè)計出了一種基于速度指令前饋補償和狀態(tài)反饋控制器的速度控制算法，實現(xiàn)了無沖擊的高效換擋效果。文獻[7]對永磁同步電機控制技術(shù)和綜合換擋決策進行了深入的理論研究，設(shè)計了一款基于模糊滑模的SVPWM-DTC 的PMSM 控制策略，實驗結(jié)果表明這種控制策略能較好地減小沖擊度。文獻[8]設(shè)計出了一套電機和變速箱一體化方案和可靠性驗證的實驗方法，實現(xiàn)了AMT 電動汽車平穩(wěn)、快速換擋；文獻[9]對動力系統(tǒng)建立起了一套動力學(xué)模型，通過研究換擋過程中齒輪的角速度變化的規(guī)律，得到了換擋傳動機構(gòu)角速度的軌跡，對減小換擋沖擊具有積極意義。文獻[10]利用ADAMS 和dSPACE 軟件來進行數(shù)據(jù)的采集，通過Meca 軟件標(biāo)定控制參數(shù)，最終確定了最優(yōu)的PWM 指令,從而減小了換擋時的沖擊。文獻[11]提出并用實驗驗證了機電耦合控制的變模沖擊抑制方法。文獻[12]基于駕駛員意圖設(shè)計出了一種平穩(wěn)換擋的動態(tài)控制算法，結(jié)果表明，能較好地提升換擋品質(zhì)。文獻[13]針對雙模耦合驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),采用加裝扭轉(zhuǎn)減振器的方式以減小沖擊度；文獻[14]通過采用驅(qū)動電機補償?shù)姆绞綔p小了換擋沖擊。文獻[15]以純電動汽車為研究對象，對具有固定速比的兩擋變速器的換擋平順性進行了較為深入的研究；同時，設(shè)計了一種新型兩擋變速系統(tǒng)，以實現(xiàn)改善換擋平順性的目的。文獻[16]詳細分析了換擋各階段沖擊度產(chǎn)生的機理，并提出了利用驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩清零與轉(zhuǎn)矩恢復(fù)的控制方法減小換擋沖擊度，實車實驗表明，所制定的控制方法能夠避免沖擊度過大。

本文以減小兩檔AMT 電動汽車換擋時的沖擊度為目標(biāo)。基于MATLABb/Simulink 對整車建立模型：包括駕駛員模型、換擋電機模型、整車模型、AMT 傳動系統(tǒng)模型及驅(qū)動電機模型，實現(xiàn)了汽車AMT 系統(tǒng)的仿真。分別給定上坡路面和下坡路面兩種工況進行仿真。仿真結(jié)果表明：換擋時的沖擊度在國家允許范圍17 m/s3之內(nèi)，這驗證了本文中所設(shè)計的換擋控制器的正確性。

1 數(shù)學(xué)模型

汽車動力系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，為驗證所設(shè)計的控制器的有效性和正確性，采用MATLAB/Simulink 工具對汽車AMT 系統(tǒng)進行建模仿真分析。本文對整車模型做了一定的簡化處理，從而使得仿真在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下能夠快速驗證換擋策略的正確性和有效性。對整個模型做出了以下的具體假設(shè)：（1）汽車各零部件的質(zhì)量集中；（2）不考慮整個系統(tǒng)中的彈性阻尼；（3）不考慮橫向受力情況；（4）不考慮汽車行駛中振動和擺振的影響。

1.1 整車模型

根據(jù)對汽車行駛過程中驅(qū)動力和行駛阻力的分析，可以得到汽車的行駛方程為

式中：Ff——滾動阻力；Fw——空氣阻力；Fi——坡道阻力；G——汽車重力；θ——坡度角；M——汽車質(zhì)量；g——重力加速度，一般取9.8 m/s2；f——滾動阻力系數(shù)；f——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；ρ——空氣密度；u——汽車速度。

車輛基本參數(shù)見表1。

表1 車輛基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of vehicle

1.2 傳動系統(tǒng)模型

傳動系統(tǒng)在整車中的作用是傳遞電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，本文在對傳動系統(tǒng)建模的過程中，忽略傳動系統(tǒng)的機械特性，只考慮傳動系統(tǒng)的機械效率，其關(guān)系如下：

式中：Tin，Tout——傳動系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩；nin，nout——傳動系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速；ig——傳動比；ηT——傳動效率。

傳動系統(tǒng)所用基本參數(shù)見表2。

表2 傳動系統(tǒng)基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of transmission system

1.3 驅(qū)動電機模型

驅(qū)動電機既是電動汽車的核心，又是AMT系統(tǒng)的核心組成部分，本文所選用的永磁同步電機，峰值扭矩為145 N·m,峰值功率為60 kW。其轉(zhuǎn)矩、功率和頻率圖如圖1 所示。

圖1 電機輸出特性曲線Fig.1 Motor output characteristic curve

驅(qū)動電機消耗的功率通過式（6）計算：

式中：p——電機功率，T——電機輸出轉(zhuǎn)矩，n——電機轉(zhuǎn)速，η——效率。

表3 驅(qū)動電機主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of drive motor

1.4 換擋電機建模

在AMT 換擋過程控制中，換擋電機的控制與換擋品質(zhì)有著密切的關(guān)系，本文所選的換擋電機是直流有刷電機。從本質(zhì)上說，對換擋電機的控制即直流有刷電機的控制，因此對換擋電機控制是至關(guān)重要的。原理圖如圖2 所示。

圖2 換擋電機原理圖Fig.2 Schematic diagram of shift motor

根據(jù)基爾霍夫電壓定律和牛頓第二定律，建立關(guān)于換擋執(zhí)行器電壓的平衡方程和運動基本方程

式中：J——電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量；D——電機的阻尼；Tl——電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩；U——電機電樞電壓；T——電機輸出力矩；θ——電動機角位移；I——電樞電流；R——電樞電路電阻；L——電樞回路電感；k——反電動勢系數(shù)；kt——轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

其中

式中：Fl——換擋阻力；r ——齒輪的半徑；ig——蝸輪蝸桿傳動比；iw——換擋機構(gòu)齒輪傳動比；ηg——蝸輪蝸桿傳動效率；ηw——換擋執(zhí)行機構(gòu)齒輪效率。

換擋電機的參數(shù)如表4 所示，聯(lián)立式（8）和式（9）可得

表4 換擋電機基本參數(shù)Tab.4 Basic parameters of shift motor

1.5 駕駛員模型

影響換擋的因素很多，本文以油門開度和驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)速建立駕駛員模型。

駕駛員的輸出信號：

式中：α——油門開度；T——電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

2 控制策略

以電機扭矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速比和換擋電機狀態(tài)為輸入，將升擋條件設(shè)為：n>=4 000&&i==i1，降擋條件設(shè)為：n=<2 500 &&i==i2。其中，n 為電機轉(zhuǎn)速；i 為當(dāng)前擋位；i1 為1 擋；i2 為2 擋。如圖3 所示，借助MATLAB 中s-function模塊編寫控制代碼。

圖3 換擋控制器Fig.3 Shift controller

3 仿真與分析

MATLAB/Simulink 具有適用面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論的復(fù)雜仿真和設(shè)計。將以上所建立的數(shù)學(xué)模型用MATLAB/Simulink進行建模，如圖4所示，

圖4 整車模型Fig.4 Vehicle model

為了驗證模型的正確性，采用100%的油門開度作為輸入信號，即在全加速命令下行駛，將路面坡度分別設(shè)置為20°和-20°二種工況（上坡路面和下坡路面）下進行測試。

3.1 上坡路面仿真

以100%油門開度作為輸入，在上坡路面進行換擋。

如圖5 所示，在第4 s 開始換擋。由于撥叉的滑動，出現(xiàn)短暫的動力中斷，但是外界的阻力依然存在，所以會產(chǎn)生一個向下的沖擊度，持續(xù)時間大約為0.2 s，當(dāng)擋位從1 擋升至2 擋時，由于電機的突然加載，此時會產(chǎn)生一個較大的沖擊度，大小約為15 m/s3。

圖5 上坡路面沖擊度Fig.5 Jerk of uphill road

3.2 下坡路面仿真

以100%油門開度作為輸入，在下坡路面進行換擋。

如圖6 所示，在3.1 s 處開始換擋，仿真結(jié)果與上一種情況類似。由于撥叉的作用也出現(xiàn)了短暫的動力中斷，也產(chǎn)生了向下的沖擊度，在3.5 s時，由于電機的突然加載，也產(chǎn)生了一個加大的沖擊。

圖6 下坡路面沖擊度Fig.6 Jerk of downhill road

4 總結(jié)

本文圍繞減小電動汽車換擋時的沖擊度這一目標(biāo)，基于兩擋AMT 電動汽車設(shè)計出一種控制策略。分別在上坡路面和下坡路面進行仿真實驗，仿真結(jié)果表明，在不同工況下，換擋期間，最大的換擋沖擊度為15 m/s3，皆小于 17 m/s3的國家標(biāo)準(zhǔn)，證明該換擋策略的可行性和有效性。