四擋AMT參數(shù)設(shè)計的純電動汽車換擋控制優(yōu)化

王 燦

（泉州師范學院 交通與航海學院，福建 泉州 362000）

汽車的發(fā)展為人們的出行帶來了極大的便利，人們對于汽車的需求量也逐年增加，汽車保有量持續(xù)提升.［1］純電動汽車是以蓄電池中的電能作為汽車能源，與燃油汽車相比，純電動汽車可實現(xiàn)零污染、節(jié)能、降低噪聲和成本.［2］純電動汽車驅(qū)動形式由內(nèi)燃機的驅(qū)動方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C驅(qū)動，機械式自動變速器（AMT）使用最為廣泛.［3］在純電動車上，一般使用的是兩擋AMT，這種傳動方式可以提高電動汽車的經(jīng)濟性，降低車輛行駛過程中路面狀況對于變速器性能的要求.兩擋AMT存在一些缺點，如遇到快速加速或者需要上升的路面時，兩擋AMT的換擋較為困難，且對于變速器的沖擊較大，對變速器的損害較大，影響其使用壽命.因此針對純電動汽車提出了四擋AMT.四擋AMT的研究仍然處于研發(fā)階段.四擋AMT在電動汽車的經(jīng)濟性和動力性方面有較大的改善，可有效延長變速器的使用壽命，對于其參數(shù)設(shè)計以及后續(xù)的換擋過程、換擋規(guī)律仍然需要進一步研究.本文基于四擋AMT參數(shù)設(shè)計，對純電動汽車的換擋控制進行優(yōu)化.

1 純電動汽車控制系統(tǒng)

純電動汽車的控制系統(tǒng)主要包括控制器、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、傳感器和整車控制系統(tǒng).

1.1 控制器

控制器是整個純電動汽車的最核心控制部分，對電動汽車各系統(tǒng)之間進行協(xié)調(diào)管理、能源的合理分配和利用以及對汽車整體的控制；對整車進行安全管理，對帶電部件和人員進行安全防護.在電動汽車行駛過程中，相關(guān)的車輛行駛信息通過CAN總線傳輸至控制器，由控制器進行綜合分析以后，對車輛的行駛狀態(tài)以及能源的分布狀態(tài)進行快速調(diào)整，從而實現(xiàn)對電動汽車的實時控制.

1.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)為純電動汽車提供能源，主要包括電池組、充電器、空調(diào)裝置和能源管理裝置.電池組為整個電動車提供能源.為了保證電動車的性能，電池組需要滿足快速充放電、高儲能、較長的使用壽命等要求.［4］為了使電池組能夠驅(qū)動電動車上的其他系統(tǒng)（如空調(diào)、轉(zhuǎn)向控制等），在進行電池組設(shè)計時，其電壓應大于電動車上所有驅(qū)動電機的使用電壓.根據(jù)以上要求，電池組選擇采用磷酸鐵鋰電池組.充電器為車載型充電器，用于為電池組充電.空調(diào)裝置為汽車行駛過程中加熱或制冷使用.能源管理裝置與電池組相連，用于對電池組的使用情況進行實時監(jiān)控，回收制動過程產(chǎn)生的能量，同時對電池組電量的協(xié)調(diào)使用進行控制.

1.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制裝置和傳動裝置，用于驅(qū)動電動車行駛.驅(qū)動電機是傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對于純電動汽車來說，為了使車輛能夠正常行駛，驅(qū)動電機需要具備較高的瞬時輸出功率、較快的響應速率、高能量轉(zhuǎn)換率等.［5］目前，可應用于純電動汽車的驅(qū)動電機類型主要包括感應電機、永磁同步電機等，其中永磁同步電機在轉(zhuǎn)速小于基礎(chǔ)速率時，轉(zhuǎn)矩恒定，轉(zhuǎn)速大于基礎(chǔ)速率，功率恒定.［6］這種特性非常適合純電動汽車的行駛.傳動裝置用于驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩傳遞至車輪的軸承，使車輛行駛，主要包括變速器、減速器、差速器以及車輪等.變速器是傳動裝置的最關(guān)鍵部件，目前自動變速器主要包括液力自動變速器（AT）、無級自動變速器（CVT）、雙離合自動變速器（DCT）和電控機械式自動變速器（AMT）.其中電控機械式自動變速器（AMT）相對于其他類型大的變速器，具有自動變速、反應速率快、油耗低等優(yōu)點，且制造成本較低［7］，尤其適用于我國的純電動汽車.

1.4 整車控制系統(tǒng)

整車控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)整個電動汽車的性能，該系統(tǒng)主要包括CAN總線、顯示器、加速和制動踏板，這些裝置通過電氣、信號線或者機械裝置連接.為了便于對電動汽車功能的管理，降低功能之間的電磁干擾，整車控制系統(tǒng)采用分層控制.

系統(tǒng)的第一層為監(jiān)控層，用于監(jiān)控車輛的行駛狀態(tài)、路面狀況和駕駛員的行駛意圖.第二層為控制層，通過對管理層的信號進行分析，確定各系統(tǒng)的作業(yè)參數(shù)，通過CAN總線傳遞至執(zhí)行層的各系統(tǒng).第三層為執(zhí)行層，用于執(zhí)行控制層的指令，同時將執(zhí)行結(jié)果反饋至管理層.

2 AMT傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計

電控機械式自動變速器（AMT）對機械式手動變速器進行改裝，增加了電子控制單元，使變速器可以實現(xiàn)自動換擋.這種變速器既具有機械式手動變速器制造簡單、成本低以及效率高的優(yōu)點，又具有自動變速器自動控制和經(jīng)濟性的優(yōu)點.AMT的主要包括電控單元、傳感器和換擋裝置.

2.1 電控單元

電控單元是電控機械式自動變速器（AMT）的大腦，電控單元實時接收傳感器傳遞的信息并處理，對電動汽車的行駛狀態(tài)進行監(jiān)控，判斷駕駛員的行駛意圖，綜合分析后向電動汽車相關(guān)系統(tǒng)發(fā)送指令，及時調(diào)整行駛狀態(tài).電動汽車的換擋控制機制由電控單元進行操控，電控單元的主要硬件包括STM32微處理器、電機驅(qū)動電路和信號輸入、輸出電路.

STM32微處理器是ARM Cortex-M3芯片作為內(nèi)核的處理器，具有低成本、處理速度快和低能耗等優(yōu)點，尤其是對Thumb的指令執(zhí)行速度快.

2.2 傳感器

傳感器用于實時采集電動汽車行駛過程中的速度、油耗等信息，將采集到的信息通過CAN總線實時傳遞至電控單元.在AMT的擋位處安裝有位置傳感器，用于采集電動汽車行駛過程中的擋位選擇或變化［8］；在驅(qū)動電機處和輸出軸處安裝速度傳感器，用于監(jiān)測行駛過程中的電機和輸出軸的轉(zhuǎn)速；在車輪軸處安裝速度和加速度傳感器，用于監(jiān)測汽車行駛過程中的速度和加速度.

2.3 換擋裝置

換擋裝置用于實現(xiàn)對汽車的換擋，主要包括選、換擋電機和選、換擋驅(qū)動結(jié)構(gòu).當需要進行換擋時，由電控單元發(fā)出指令，控制換擋電機驅(qū)動換擋驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)擋位的變化.當需要選擋時，選擋電機驅(qū)動選擋驅(qū)動機構(gòu)以換擋軸為中心旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)擋位的選擇.

3 AMT換擋規(guī)律設(shè)計

純電動汽車在行駛過程中，由AMT中的電控單元根據(jù)獲取的汽車實時行駛狀態(tài)以及駕駛員意圖，分析后向相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出指令，從而對換擋過程進行控制.換擋過程中，汽車的相關(guān)參數(shù)隨時間的變化規(guī)律既是換擋規(guī)律.換擋規(guī)律極大地影響汽車的動力性和經(jīng)濟性，是AMT進行換擋控制的核心和基礎(chǔ).

汽車在行駛過程中，會遇到各種突發(fā)的、復雜多變的工況，為了保證汽車在行駛過程中的性能，需要根據(jù)不同工況制定不同的換擋規(guī)律.在進行換擋規(guī)律制定時，將其分為兩大類，分別是常規(guī)換擋規(guī)律和特殊工況換擋規(guī)律.常規(guī)換擋規(guī)律是汽車在一般工況即平地行駛時的換擋規(guī)律，特殊工況換擋規(guī)律是汽車在爬坡、制動以及其他特殊工況的換擋規(guī)律.

3.1 常規(guī)換擋規(guī)律設(shè)計

從控制參數(shù)的數(shù)量來說，電動汽車在行駛時最常用的換擋規(guī)律是雙參數(shù)換擋規(guī)律，即以車速、加速時候的踏板開度這兩個參數(shù)對行駛過程進行控制.也有少部分研究選擇其中一個參數(shù)進行控制，或者在雙參數(shù)基礎(chǔ)上增加加速度進行三參數(shù)控制，但是這兩種方式由于控制精度不高或者行駛時易出現(xiàn)循環(huán)換擋的狀況，因此應用不多，仍然以雙參數(shù)換擋規(guī)律為主.

根據(jù)電動汽車在換擋時要求達到的性能劃分，可以分為經(jīng)濟性和動力性換擋規(guī)律，即以降低電池能耗或者以獲得最大動力作為目標，對電動汽車進行控制.本文采用雙參數(shù)方法分別對經(jīng)濟性和動力性換擋規(guī)律進行設(shè)計，采用PD控制器對換擋過程進行控制.

（1）對經(jīng)濟性換擋規(guī)律進行設(shè)計.電動汽車在行駛時，會受到空氣對汽車的阻力、地面對汽車的摩擦力等［9］，其行駛過程中的數(shù)學模型為：式（1）中，Tq為驅(qū)動電機對傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩；ib，iz分別為變速器和減速器的總傳動比；ηc為汽車傳動系統(tǒng)的傳動效率；r為汽車輪胎半徑；G為汽車的重力；f為行駛路面對輪胎滾動時的阻力系數(shù)；α為行駛路面與水平面夾角；Cf為風對汽車的阻力系數(shù)；v為汽車行駛的速度；m為汽車的總質(zhì)量；δ為汽車旋轉(zhuǎn)行駛時的質(zhì)量換算系數(shù).電動汽車的驅(qū)動電機在作業(yè)時的效率為：

驅(qū)動電機在作業(yè)時的轉(zhuǎn)矩為：

式（3）中，a為行駛過程中踏板的開度.結(jié)合以上各式，可以得到驅(qū)動電機作業(yè)時的效率曲線關(guān)系為：

簡化后可以得到：

（5）式即為驅(qū)動電機的作業(yè)效率與踏板開度、汽車行駛速度、擋位的關(guān)系.經(jīng)濟性換擋規(guī)律是以降低電池能耗為目標，即電機的效率需要持續(xù)保持高效率，也就是當踏板開度一樣時，取相鄰兩個擋位驅(qū)動電機效率曲線的交點作為換擋位置，可以表示為：

汽車在降擋時，選擇適當?shù)乃俣炔罴纯桑罱K得到汽車的升擋和降擋曲線（圖1）.

圖1 純電動汽車在經(jīng)濟換擋規(guī)律下的升擋和降擋曲線

（2）對汽車的動力性換擋規(guī)律進行設(shè)計.通過對電動汽車行駛時的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換，可以得到汽車在行駛過程中的加速度為：

將驅(qū)動電機作業(yè)時的轉(zhuǎn)矩代入（6）式可得：

動力性換擋規(guī)律是以獲得最大動力為目標，即汽車在行駛時的加速過程的時間達到最小，也就是踏板開度一樣時，相鄰擋位的速度曲線的交點作為換擋位置，可通過（8）式表示：

（8）式中，i為汽車的擋位，取1～3.汽車行駛過程的降擋曲線通過合理選擇擋速差即可，由此可以得到汽車的升擋和降擋規(guī)律曲線（圖2）.

圖2 純電動汽車在動力性換擋規(guī)律下的升擋和降擋曲線

3.2 特殊工況換擋規(guī)律設(shè)計

目前，最常用到的特殊工況包括爬坡和制動過程，主要對這兩種工況進行換擋規(guī)律設(shè)計.在爬坡過程中，若仍然使用常規(guī)換擋規(guī)律，可能會造成循環(huán)換擋.為了平衡爬坡時的阻力，驅(qū)動電機需要始終維持高負荷運轉(zhuǎn)才能保持行駛速度.若此時擋位由低擋升入高擋，則驅(qū)動電機的負荷以及電池組的電流均會進一步增加，會破壞電動汽車相應部件的性能，降低電動汽車的壽命.為了延長電動汽車各部件的使用壽命，在爬坡時擋位應保持在低擋，以增加行駛時牽引力.

根據(jù)人們的生活狀況，目前汽車主要的行駛路況為城市，在行駛過程中需要不斷地啟停，會造成電能的浪費.為了提高能量的利用效率，可以采用驅(qū)動電機在汽車制動時，將動能轉(zhuǎn)化為電池的電能并儲存；將擋位變?yōu)榈蛽酰杂行嵘苿恿?汽車在下坡時，也可以采用同樣的方式進行控制.

3.3 換擋過程控制

在汽車行駛過程中，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和擋位的一致性嚴重影響了汽車的換擋效果，為了精確的使驅(qū)動電機達到目標轉(zhuǎn)速，采用PD控制器對換擋位置和速度進行閉環(huán)控制.［10］控制流程見圖3.

圖3 驅(qū)動電機的換擋控制流程圖

圖（3）中的e（t）為當前擋位與目標擋位的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的偏差，該偏差與驅(qū)動電機的當前電壓U（t）的關(guān)系為：

PD控制器采用雙輸入，即驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和加速度這兩個參數(shù)作為輸入；雙輸出，即比例Kp和微分系數(shù)Kd這兩個參數(shù)作為控制器的輸出.通過不斷調(diào)整控制器的輸出值，直到偏差達到要求，則驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和擋位達到目標值.

4 試驗結(jié)果

為了驗證該純電動汽車的性能，對其進行相關(guān)試驗.本文主要針對汽車的換擋控制進行優(yōu)化，因此主要進行參數(shù)調(diào)試試驗和換擋過程試驗.

4.1 參數(shù)調(diào)試試驗

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，將系統(tǒng)的硬件和軟件按照設(shè)計要求安裝，為了保證系統(tǒng)在后續(xù)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，需要找出系統(tǒng)軟硬件的缺陷.

將系統(tǒng)的電源、控制器、驅(qū)動電機、相關(guān)支架以及AMT等硬件連接在一起，并在控制器上將相關(guān)程序安裝完成.開啟開關(guān)，使系統(tǒng)可以正常運行.

試驗時驅(qū)動電機關(guān)閉，僅開啟換擋裝置，分別將擋位從空擋、1擋、2擋和3擋換至其他的任何擋位；其后，驅(qū)動電機和換擋裝置均開啟，分別將擋位從空擋、1擋、2擋和3擋換至其他的任何擋位.觀察驅(qū)動電機在關(guān)閉和開啟后，驅(qū)動電機和變速器的作業(yè)狀態(tài)，確定驅(qū)動電機可以進行正常作業(yè)時的相關(guān)參數(shù).

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，無論驅(qū)動電機開啟或關(guān)閉，設(shè)備換擋均較為順利，在換擋過程中無異響和沖擊等狀況發(fā)生.基本可以確定驅(qū)動電機的參數(shù)，如表1所示.

表1 試驗確定的驅(qū)動電機參數(shù)

4.2 換擋過程試驗

在Labview軟件環(huán)境設(shè)計相關(guān)程序，將換擋規(guī)律和PD控制器輸入，對換擋過程進行驗證.試驗開始后，在固定時間向AMT的電控單元發(fā)送是否需要換擋的信號，若需要換擋，則電控單元向電機發(fā)送指令進行換擋.為保證試驗結(jié)果，共進行2次換擋試驗.最終得到換擋過程的試驗結(jié)果如表2所示.

表2 換擋過程試驗結(jié)果

由表（2）可知，AMT可以在電控單元的控制下實現(xiàn)換擋，在實驗中還發(fā)現(xiàn)目標擋位和最終的擋位有一定的時間差，但是時間差很短，幾乎可以忽略.說明該AMT可以完成對純電動汽車換擋的控制.

5 結(jié)論

（1）對純電動汽車的控制系統(tǒng)進行設(shè)計，純電動汽車的主要組成包括控制器、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、傳感器和整車控制系統(tǒng).

（2）對純電動汽車的AMT傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行了設(shè)計，主要包括電控單元、傳感器和換擋裝置.

（3）為了保證汽車的動力性和經(jīng)濟性，對純電動汽車的經(jīng)濟性和動力性換擋規(guī)律進行了設(shè)計，對行駛過程中可能出現(xiàn)的特殊工況進行了換擋規(guī)律設(shè)計.考慮驅(qū)動電機的擋位和一致性對換擋過程的影響，采用PD控制器對換擋的速度和擋位進行閉環(huán)控制.

（4）為了驗證純電動汽車的性能，采用參數(shù)調(diào)整試驗確定驅(qū)動電機的參數(shù)，采用換擋過程試驗驗證擋位一致性.試驗結(jié)果表明，純電動汽車可以精確地對換擋過程進行控制.