呂志榕

引言

電機(jī)具有零轉(zhuǎn)速起步，可無(wú)級(jí)變速、轉(zhuǎn)速范圍廣和連續(xù)扭矩輸出等特點(diǎn)， 因此電動(dòng)汽車(chē)通常采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)直驅(qū)的方式。 但不增設(shè)變速器的電動(dòng)汽車(chē)在起步、高速巡航和坡道起步等方面，性能會(huì)存在劣勢(shì)[1]。 對(duì)于需求扭矩較大的電動(dòng)商用車(chē)，反而可以通過(guò)增加變速器大大降低電機(jī)的峰值扭矩需求，降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本，并達(dá)到更優(yōu)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 換擋控制策略的制定是實(shí)現(xiàn)變速器和整車(chē)控制相匹配的關(guān)鍵，基于此目的，本文進(jìn)行了電動(dòng)汽車(chē)換擋控制策略設(shè)計(jì)和仿真研究。

研究基礎(chǔ)

本文以一款配備三擋自動(dòng)變速器的8.5m 電動(dòng)商用車(chē)為例展開(kāi)研究，車(chē)輛的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)輛基本參數(shù)

換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性云圖(map)及外特性

經(jīng)匹配， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)選擇為額定功率48kW，峰值功率為85kW，峰值扭矩600N·m。 最高轉(zhuǎn)速3000r/min。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和發(fā)電效率及外特性，分別見(jiàn)圖1 和圖2，其中map 圖臨界線(xiàn)為電機(jī)的外特性曲線(xiàn)。

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電特性

2.負(fù)荷特性設(shè)計(jì)

和燃油車(chē)一樣， 電動(dòng)車(chē)也是通過(guò)整車(chē)控制器感知加速踏板開(kāi)度進(jìn)行扭矩控制輸出， 只是驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以從零轉(zhuǎn)速開(kāi)始輸出扭矩。 不過(guò)，動(dòng)力源輸出扭矩tm同樣可由加速踏板開(kāi)度α 和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速nm來(lái)確定，同時(shí)為了防止過(guò)于敏感，加速踏板可預(yù)留一段自由行程αΔ，踏板開(kāi)度大于αΔ時(shí)，輸出扭矩應(yīng)滿(mǎn)足克服行進(jìn)中阻力之和tres（假設(shè)道路坡度為0），以上可用式組（1）進(jìn)行表達(dá)[2]。

通過(guò)式（1）并結(jié)合圖1 中電機(jī)的特性數(shù)據(jù)可繪制出電機(jī)的負(fù)荷特性圖，見(jiàn)圖3。

圖3 電機(jī)的負(fù)荷特性

3.換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

目前常用的換擋規(guī)律是基于兩參數(shù)換擋，即根據(jù)當(dāng)前加速踏板開(kāi)度和車(chē)速確定換擋時(shí)機(jī)。 換擋規(guī)律按照目標(biāo)劃分， 可分為動(dòng)力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。 本文以動(dòng)力性為目標(biāo)設(shè)計(jì)換擋規(guī)律， 動(dòng)力性換擋規(guī)律是以最小加速時(shí)間為目標(biāo)來(lái)確定不同擋位的切換時(shí)機(jī)。 由汽車(chē)?yán)碚摽芍猍3]，電機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速存在固有的數(shù)學(xué)關(guān)系見(jiàn)式（2），車(chē)輛行駛過(guò)程中的阻力可簡(jiǎn)化為式（3），因此結(jié)合式組（1），不同擋位下的加速度、加速踏板開(kāi)度與車(chē)速的關(guān)系可表示為式（4）。

其中引入?yún)?shù)，u 為車(chē)輛車(chē)速，β 為道路坡度角度，g 為重力加速度常數(shù)。

結(jié)合式（4）并利用圖（3）電機(jī)負(fù)荷特性中有關(guān)數(shù)據(jù)，采用圖解法，利用醞atlab 工具可繪制出不同擋位、 不同加速踏板開(kāi)度下的車(chē)輛加速性能曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4[4]，其中圖線(xiàn)簇從左至右分別為1、2、3擋的加速度曲線(xiàn)，每個(gè)擋位中，從上至下加速踏板開(kāi)度逐漸減小。

圖4 不同擋位的加速能力圖解

根據(jù)圖4 所求，將其轉(zhuǎn)化為加速踏板開(kāi)度和當(dāng)前車(chē)速所決定的升擋規(guī)律[5]，并設(shè)定合理的降擋速差，可得出車(chē)輛的換擋規(guī)律，繪制完畢后的車(chē)輛動(dòng)力性換擋規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 動(dòng)力性換擋規(guī)律

仿真研究

1.動(dòng)力性仿真驗(yàn)證

在完成換擋規(guī)律的制定后， 需要將換擋控制策略移植到整車(chē)模型中進(jìn)行驗(yàn)證， 建立電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性仿真模型[6]見(jiàn)圖6，換擋控制策略模型[7]見(jiàn)圖7。 設(shè)定仿真時(shí)間100s，在Driver_pedal 模型中，設(shè)置加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)， 使車(chē)輛進(jìn)行先加速再減速仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的升擋和降擋控制策略，結(jié)果如圖8。 從仿真結(jié)果可得出，車(chē)輛從0 車(chē)速加速到最高車(chē)速（限速70km/h）再減速至0 車(chē)速的過(guò)程中， 變速器可良好的按照設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律進(jìn)行換擋。 另外可根據(jù)仿真結(jié)果得出車(chē)輛滿(mǎn)載狀態(tài)下，0耀50 km/h 全負(fù)荷加速時(shí)間為23s， 最大爬坡度為14%。

圖6 動(dòng)力性仿真模型

圖7 換擋控制策略模型

圖8 車(chē)輛加減速過(guò)程中擋位變化

2.循環(huán)工況仿真研究

除了進(jìn)行動(dòng)力性仿真外， 為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的換擋控制策略，還應(yīng)結(jié)合循環(huán)工況，進(jìn)行換擋工況適應(yīng)性驗(yàn)證和循環(huán)工況下的經(jīng)濟(jì)性分析[8]。

進(jìn)行循環(huán)工況仿真，需要對(duì)圖6 中的仿真模型進(jìn)行改進(jìn)， 一是要增加循環(huán)工況模型和駕駛員模型完成工況循環(huán)， 二是需要增加電機(jī)和電池的功率和效率模型完成整車(chē)的功率限制和電耗統(tǒng)計(jì)。改進(jìn)封裝后的循環(huán)工況仿真模型見(jiàn)圖9。

圖9 循環(huán)工況仿真模型

對(duì)圖9 中模型進(jìn)行仿真， 工況選擇為中國(guó)城市典型公交工況（C-UDC）[9],單個(gè)循環(huán)工況下的擋位切換結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 循環(huán)工況下加速踏板開(kāi)度和擋位變化

從圖10 中可以看出，車(chē)輛可以按照設(shè)計(jì)的換擋策略完整地完成整個(gè)循環(huán)工況， 并且單個(gè)循環(huán)工況過(guò)程中，升擋16 次，降擋16 次，頻繁度較小。此外，整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，可統(tǒng)計(jì)出電機(jī)的工作效率見(jiàn)圖11。

圖11 循環(huán)工況下電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和發(fā)電效率

從圖11 中可以看出， 在變速箱的作用下，電機(jī)可以更多地在較高轉(zhuǎn)速工作， 拓寬了電機(jī)的高效區(qū)工作范圍， 查看仿真結(jié)果可得出百公里折算電耗為65.6L/100km。 但是由于本文是基于動(dòng)力性設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律，因此，犧牲一部分動(dòng)力性，進(jìn)一步優(yōu)化換擋控制策略， 整車(chē)經(jīng)濟(jì)性還有很大的優(yōu)化空間[10]。

結(jié)論

本文以8.5m 商用車(chē)為例設(shè)計(jì)了三擋自動(dòng)變速器的換擋規(guī)律， 詳細(xì)描述了其設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。 利用Matlab 仿真技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的換擋控制策略進(jìn)行了動(dòng)力性和循環(huán)工況下的適應(yīng)性仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律可以滿(mǎn)足在道路工況下使用， 并且為下一步優(yōu)化整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性提供了基礎(chǔ)。