兩擋AMT純電動汽車的換擋協調控制及仿真研究

黃 石

(四川職業技術學院 黨政辦公室,四川 遂寧 629000)

目前純電動汽車驅動形式主要有三種:驅動電機直接驅動車輪、驅動電機與車輪之間加裝固定速比減速器、驅動電機與車輪間加裝變速器.對于電機直接驅動的形式,系統結構簡單,但是對電機要求很高且效率不高,在低速運行時動力性較差.加裝固定速比減速器后對電機要求有所降低,但是仍然存在爬坡能力和最高車速矛盾的問題.目前國內外市場上純電動汽車大多數采用電機加裝固定速比減速器,最主要的原因是該結構更容易控制成本、降低系統體積和質量.然而對于固定速比減速器的純電動汽車,其整車性能很大程度上取決于電機的性能,但電機在不同轉速下的效率存在較大差異.研究表明,搭載變速器的電動汽車,可通過擋位的變更擴寬動力源的工作區域,且通過改變換擋時機獲得更高的效率,提高整車的經濟性.因此,將固定速比減速器變更為多速變速器后,能有效解決整車效率低與低速動力性差的問題.

而自動變速器主要有液力機械式自動變速器(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)四種.AT造價較高、傳動平均效率較低,同時存在工藝結構復雜的缺陷;CVT采用鋼帶傳動,效率低的同時具有易打滑的缺陷;DCT由于具有兩個離合器,系統結構較為復雜,與MT和AMT相比較,重量、價格和空間都處于弱勢.AMT具有傳動效率高、結構簡單緊湊、造價低等優勢,研究表明,其適合用于目前的電動汽車上[1].

電動汽車的動力源為電機,目前國內外主流的電機為永磁同步電機和交流異步電機,由于電機具有較寬的調速范圍,高速電機的轉速已經超過10000rpm,所以目前電動汽車通常采用單擋變速器,結構簡單,不需要進行復雜的控制,變速器的成本較低,但是高速電機的成本卻比普通低速電機高很多,并且高速電機的效率只有在額定工作點附近才有較高值,而在其他區域的效率相對較低,在峰值功率和峰值轉速工作區域附近其效率只有0.7[2].所以純電汽車用兩擋AMT傳動系統,其換擋控制策略能實現自動平順換擋,且換擋時間短和AMT換擋過程簡單,無需進行復雜的離合器協調操作,因此以兩擋AMT作為研究對象.

1 計算兩擋AMT傳動比

目前常見的電動汽車以固定擋位為主,固定擋位無法在更加廣闊的范圍內對車速進行靈活調整,影響駕駛員的駕駛體驗,對于純電動汽車性能的提升產生了限制作用.為了解決這一問題,文中對電動汽車變速箱進行升級,利用多擋位動力系統代替傳統的固定擋位動力系統,圍繞兩擋AMT變速裝置開展換擋協調控制仿真.

對兩擋AMT純電動汽車進行換擋協調設計過程中,要保障汽車電池、電機等參數不變,依據純電動汽車設計要求,匹配適宜的兩擋傳動比.本文對電動汽車的性能要求如表1所示.

表1 電動汽車性能要求

純電動汽車的主減速比是一個固定值,因此其搭載的變速箱只需要確定兩個擋位的傳動比.確定變速箱的最大傳動比是關鍵,影響變速箱最大傳動比的因素是車輛與地面的附著力,以及在最大爬坡狀態下汽車電機的扭矩,要確保驅動力始終大于阻力,傳動比數值越高車輛的爬坡能力越強.同時,為了避免純電動汽車出現打滑問題,要確保驅動力不高于汽車輪胎與地面的附著力[3].

(1)

公式(1)中Fαmax表示純電動汽車在最大爬坡狀態下的行駛阻力,在不考慮加速阻力的前提下,Fαmax主要由爬坡阻力(Fi)、滾動阻力(Ff)以及最低通過速度風阻(Fw)三個部分組成.即:Fαmax=Fi+Ff+Fw.Tmax代表電機在設定轉速下的最大扭矩參數,變量η為機械效率,FN表示汽車驅動輪的垂直反饋力.其中,計算FN、Fw的公式為:

(2)

(3)

上述公式中,r為車輪半徑,u為車輛行駛速度,i表示擋位傳動比,將參數代入公式之后,得到二擋傳動比(i2)范圍[0.39,0.85],一擋傳動范圍為[0.85,2.43].

2 搭建兩擋AMT純電汽車系統模型

確定變速箱一擋與二擋的傳動范圍之后,開始搭建傳動系統模型.如圖1所示,本文中的電動汽車傳動系統主要由AMT、驅動電機、驅動變速控制器以及主減速器組成,車輛行駛過程中,驅動電機負責提供驅動力,通過兩擋AMT變速器將驅動力傳遞給車輪以及主減速器,令駕駛員可以根據實際駕駛需求靈活調整車速,并優化車速變化曲線[4].

圖1 兩擋AMT汽車傳動系統示意圖

2.1 搭建電池模型

本文中的電池系統使用內阻模型,明確電池溫度、SOC(電池荷載狀態)與開路電壓、內阻之間的關系.

Voc=Voc-cell(Temp,SOC)×Bcell

(4)

Rdisc=Rdisc-cell(Temp,SOC)×Bcell

(5)

公式(4)與公式(5)中,變量Voc代表電池組件的開路電壓,Voc-cell(Temp,SOC)則代表電池組件單體開路電壓,Bcell為電池組內串聯電池實際數量.Rdisc表示電池放電內阻,Rdisc-cell(Temp,SOC)則為電子組件的單體內阻.

2.2 搭建驅動電機模型

油門開度以及驅動電機的轉速,主要由電機輸出轉矩決定,電機輸出轉矩計算公式為:

(6)

公式(6)中,T0表示電機的輸出轉矩,ωm表示電機實際轉速,f(ωm,Tm)則為電機工作效率,變量ηc表示驅動變速一體化控制裝置的工作效率.

電動機模型主要是對目標轉矩和輸入轉矩進行判斷,判斷目標轉矩是否大于輸入轉矩,以保證電動機輸出特性.電動機模型如圖2所示.

圖2 電動機模型

2.3 整車行駛阻力矩

電機驅動力經由AMT變速箱形成輸出轉矩,再經過主減速器、半軸傳遞至車輪,則車輪行駛阻力計算公式為:

(7)

公式(7)中,變量m代表整車的重量,g為重力加速度,α表示路面坡度,Cd表示空氣阻力系數,v表示車輛實際速度,f為車輪與地面的摩擦系數,r為車輪的半徑,i0表示主減速器的傳動比,δm代表旋轉質量轉換系數.

根據汽車理論,搭建車輛模型如圖3所示.

圖3 車輛模型

3 制定換擋控制策略

就目前電動車產業發展而言,其變速箱換擋控制可以分為慣性相與轉矩相兩個階段,其中轉矩相控制的主要作用是提升轉矩跟蹤調節反應效率,減少變速箱處于轉矩相階段所承受的換擋沖擊,根據實際的沖擊參數調整驅動電機轉矩變化率.

(8)

公式(8)中Je表示AMT變速箱換擋轉矩垂直向沖擊力,J1為驅動電機轉動慣量,J2為齒輪轉動慣量.根據現有的國際標準,Je≤10m·s-3,在滿足沖擊量要求的前提下,在電機轉矩處于最大變化率的狀態下進行摘擋操作,汽車的電機力矩模式發生變化,轉為自由模式,此時電機轉矩逐步降低,直至歸零.

電機進入慣性相階段之后,其控制目標發生變化,由提升轉矩跟蹤調節反應效率,轉變為縮短轉速同步時間.車輛行駛過程中,AMT變速箱受到的沖擊度以及換擋時間,與轉速差控制緊密相關.本次設計中,設計人員使用PID控制裝置,并搭配有限狀態切換控制模式,實現對于轉速的快速調節.

(9)

公式(9)中,n1表示電機目標轉速,n2為AMT變速裝置中間轉數,n3為AMT轉速.在AMT變速箱由轉矩相切換為慣性相的過程中,電機的轉速會出現一定程度的降低.因此,在換擋時要為變速箱設定修正值,由一擋換到二擋時轉速修正值為100r/min,由二擋切換至一擋轉速修正值為80r/min[5].

當變速箱由一擋切換至二擋的時候,變速箱控制單元(TCU)在接收到整車電控系統(VCU)發送的擋位切換指令之后,開始執行換擋操作,此時安裝在純電動汽車上的微型控制單元(MCU)對電機輸出轉矩進行控制,將輸出轉矩逐漸降為0,此時電機切換至自由模式,AMT變速箱在自由模式下調整撥叉完成換擋操作,此時AMT變速箱由轉矩相切換至慣性相.隨后,微型控制單元將電機調整為轉矩模式,提升電機轉速直至達到目標轉速,待電機轉速達到目標轉數之后,將電機切換至自由模式,完成撥叉的撥動操作,如圖4所示完成掛擋.

圖4 升擋控制流程圖

將駕駛員模型、電機模型、電機驅動控制策略、AMT換擋控制策略、車輛模型有機地結合起來,最終形成電動汽車系統仿真模型如圖5所示.

圖5 系統仿真模型

4 仿真驗證

基于電動汽車系統仿真模型,運行控制系統可得出電動汽車在城市循環工況(US06)下的運行情況,圖6為US06工況下速度和車輛仿真速度對比曲線.

圖6 US06工況車速和仿真車速曲線

經過圖6所示,車輛仿真車速曲線和US06工況車速擬合度十分地相近,驗證了本文搭建模型的正確性,并且所編的控制策略程序是符合要求的,滿足了本文的任務要求.

在US06工況下再對電動機輸出轉速、轉矩、功率進行仿真,繪制其曲線如圖7、圖8、圖9所示.

圖7 電動機的轉速曲線

圖8 電動機的轉矩曲線

圖9 電機輸出功率曲線

在US06工況下車輛的加速度變化曲線如圖10所示.

圖10 車輛的加速度變化曲線

在US06工況下加速踏板與制動踏板變化曲線如圖11、圖12所示.

圖11 加速踏板變化曲線

圖12 制動踏板強度變化曲線

通過以上仿真曲線可以看出,仿真結果滿足設計要求.完成設計工作之后,嘗試對二擋AMT換擋協調控制方案進行有效性驗證.采用升降擋測試的方式,在VCU發出升擋/降擋指令之后,電機切換至卸扭狀態并撥動撥叉使AMT變速箱處于空擋狀態,再根據目標擋位參數調整電機轉速,當電機轉速趨近目標擋位轉速之后進行掛擋,并依靠同步器保持轉速同步[6].

本文設置NEDC(新歐洲駕駛周期)市區路況以及0～100km/h兩種駕駛場景進行仿真,以觀察兩擋AMT換擋協調控制策略有效性.通過仿真結果發現,在0～100km/h加速實驗中,兩擋AMT的換擋時間始終保持在0.5s以內,最大沖擊度始終沒有超過8.0m/s3.在NEDC市區路況場景下,升擋/降擋的時間未超過0.6s,最大沖擊度為7.8m/s3.此外,對安裝的兩擋AMT變速箱的純電動汽車進行換擋實驗,通過實驗發現AMT變速箱升擋和降檔時間合理,且換擋過程較為平滑,車輛速度變化不存在明顯波動,駕駛體驗較好,由此證明本次換擋協調控制設計符合要求.

5 結論

在努力實現“碳中和”以及“碳達峰”目標這一宏觀背景下,新能源汽車產業的發展受到了越來越多的關注.受到技術條件的制約,大部分新能源汽車依舊采用單級減速器,其傳動系統的轉速比為固定值,無法進一步激發純電動汽車的潛能.為了妥善處理這一問題,積極嘗試利用兩擋AMT變速箱令傳動系統轉速能夠根據駕駛需求自由變化,在確定兩擋AMT變速箱轉速比的基礎上,構建傳動系統模型并制定換擋控制策略,經仿真驗證了兩擋AMT變速箱換擋協調策略的有效性,為純電動汽車的發展提供技術支持.