黃 石

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黨政辦公室,四川 遂寧 629000)

目前純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)形式主要有三種:驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車輪之間加裝固定速比減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車輪間加裝變速器.對(duì)于電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的形式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是對(duì)電機(jī)要求很高且效率不高,在低速運(yùn)行時(shí)動(dòng)力性較差.加裝固定速比減速器后對(duì)電機(jī)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(wèn)題.目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上純電動(dòng)汽車大多數(shù)采用電機(jī)加裝固定速比減速器,最主要的原因是該結(jié)構(gòu)更容易控制成本、降低系統(tǒng)體積和質(zhì)量.然而對(duì)于固定速比減速器的純電動(dòng)汽車,其整車性能很大程度上取決于電機(jī)的性能,但電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的效率存在較大差異.研究表明,搭載變速器的電動(dòng)汽車,可通過(guò)擋位的變更擴(kuò)寬動(dòng)力源的工作區(qū)域,且通過(guò)改變換擋時(shí)機(jī)獲得更高的效率,提高整車的經(jīng)濟(jì)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(dòng)力性差的問(wèn)題.

而自動(dòng)變速器主要有液力機(jī)械式自動(dòng)變速器(AT)、無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器(CVT)、雙離合自動(dòng)變速器(DCT)和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)四種.AT造價(jià)較高、傳動(dòng)平均效率較低,同時(shí)存在工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷;CVT采用鋼帶傳動(dòng),效率低的同時(shí)具有易打滑的缺陷;DCT由于具有兩個(gè)離合器,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,與MT和AMT相比較,重量、價(jià)格和空間都處于弱勢(shì).AMT具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì),研究表明,其適合用于目前的電動(dòng)汽車上[1].

電動(dòng)汽車的動(dòng)力源為電機(jī),目前國(guó)內(nèi)外主流的電機(jī)為永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī),由于電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍,高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過(guò)10000rpm,所以目前電動(dòng)汽車通常采用單擋變速器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要進(jìn)行復(fù)雜的控制,變速器的成本較低,但是高速電機(jī)的成本卻比普通低速電機(jī)高很多,并且高速電機(jī)的效率只有在額定工作點(diǎn)附近才有較高值,而在其他區(qū)域的效率相對(duì)較低,在峰值功率和峰值轉(zhuǎn)速工作區(qū)域附近其效率只有0.7[2].所以純電汽車用兩擋AMT傳動(dòng)系統(tǒng),其換擋控制策略能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平順換擋,且換擋時(shí)間短和AMT換擋過(guò)程簡(jiǎn)單,無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的離合器協(xié)調(diào)操作,因此以兩擋AMT作為研究對(duì)象.

1 計(jì)算兩擋AMT傳動(dòng)比

目前常見(jiàn)的電動(dòng)汽車以固定擋位為主,固定擋位無(wú)法在更加廣闊的范圍內(nèi)對(duì)車速進(jìn)行靈活調(diào)整,影響駕駛員的駕駛體驗(yàn),對(duì)于純電動(dòng)汽車性能的提升產(chǎn)生了限制作用.為了解決這一問(wèn)題,文中對(duì)電動(dòng)汽車變速箱進(jìn)行升級(jí),利用多擋位動(dòng)力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定擋位動(dòng)力系統(tǒng),圍繞兩擋AMT變速裝置開(kāi)展換擋協(xié)調(diào)控制仿真.

對(duì)兩擋AMT純電動(dòng)汽車進(jìn)行換擋協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程中,要保障汽車電池、電機(jī)等參數(shù)不變,依據(jù)純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)要求,匹配適宜的兩擋傳動(dòng)比.本文對(duì)電動(dòng)汽車的性能要求如表1所示.

表1 電動(dòng)汽車性能要求

純電動(dòng)汽車的主減速比是一個(gè)固定值,因此其搭載的變速箱只需要確定兩個(gè)擋位的傳動(dòng)比.確定變速箱的最大傳動(dòng)比是關(guān)鍵,影響變速箱最大傳動(dòng)比的因素是車輛與地面的附著力,以及在最大爬坡?tīng)顟B(tài)下汽車電機(jī)的扭矩,要確保驅(qū)動(dòng)力始終大于阻力,傳動(dòng)比數(shù)值越高車輛的爬坡能力越強(qiáng).同時(shí),為了避免純電動(dòng)汽車出現(xiàn)打滑問(wèn)題,要確保驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車在最大爬坡?tīng)顟B(tài)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(dòng)阻力(Ff)以及最低通過(guò)速度風(fēng)阻(Fw)三個(gè)部分組成.即:Fαmax=Fi+Ff+Fw.Tmax代表電機(jī)在設(shè)定轉(zhuǎn)速下的最大扭矩參數(shù),變量η為機(jī)械效率,FN表示汽車驅(qū)動(dòng)輪的垂直反饋力.其中,計(jì)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(dòng)比,將參數(shù)代入公式之后,得到二擋傳動(dòng)比(i2)范圍[0.39,0.85],一擋傳動(dòng)范圍為[0.85,2.43].

2 搭建兩擋AMT純電汽車系統(tǒng)模型

確定變速箱一擋與二擋的傳動(dòng)范圍之后,開(kāi)始搭建傳動(dòng)系統(tǒng)模型.如圖1所示,本文中的電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)主要由AMT、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)變速控制器以及主減速器組成,車輛行駛過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)責(zé)提供驅(qū)動(dòng)力,通過(guò)兩擋AMT變速器將驅(qū)動(dòng)力傳遞給車輪以及主減速器,令駕駛員可以根據(jù)實(shí)際駕駛需求靈活調(diào)整車速,并優(yōu)化車速變化曲線[4].

圖1 兩擋AMT汽車傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.1 搭建電池模型

本文中的電池系統(tǒng)使用內(nèi)阻模型,明確電池溫度、SOC(電池荷載狀態(tài))與開(kāi)路電壓、內(nèi)阻之間的關(guān)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(kāi)路電壓,Voc-cell(Temp,SOC)則代表電池組件單體開(kāi)路電壓,Bcell為電池組內(nèi)串聯(lián)電池實(shí)際數(shù)量.Rdisc表示電池放電內(nèi)阻,Rdisc-cell(Temp,SOC)則為電子組件的單體內(nèi)阻.

2.2 搭建驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

油門開(kāi)度以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,主要由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩決定,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為:

(6)

公式(6)中,T0表示電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,ωm表示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速,f(ωm,Tm)則為電機(jī)工作效率,變量ηc表示驅(qū)動(dòng)變速一體化控制裝置的工作效率.

電動(dòng)機(jī)模型主要是對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和輸入轉(zhuǎn)矩進(jìn)行判斷,判斷目標(biāo)轉(zhuǎn)矩是否大于輸入轉(zhuǎn)矩,以保證電動(dòng)機(jī)輸出特性.電動(dòng)機(jī)模型如圖2所示.

圖2 電動(dòng)機(jī)模型

2.3 整車行駛阻力矩

電機(jī)驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由AMT變速箱形成輸出轉(zhuǎn)矩,再經(jīng)過(guò)主減速器、半軸傳遞至車輪,則車輪行駛阻力計(jì)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(shù),v表示車輛實(shí)際速度,f為車輪與地面的摩擦系數(shù),r為車輪的半徑,i0表示主減速器的傳動(dòng)比,δm代表旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù).

根據(jù)汽車?yán)碚?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(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言,其變速箱換擋控制可以分為慣性相與轉(zhuǎn)矩相兩個(gè)階段,其中轉(zhuǎn)矩相控制的主要作用是提升轉(zhuǎn)矩跟蹤調(diào)節(jié)反應(yīng)效率,減少變速箱處于轉(zhuǎn)矩相階段所承受的換擋沖擊,根據(jù)實(shí)際的沖擊參數(shù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率.

(8)

公式(8)中Je表示AMT變速箱換擋轉(zhuǎn)矩垂直向沖擊力,J1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,J2為齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),Je≤10m·s-3,在滿足沖擊量要求的前提下,在電機(jī)轉(zhuǎn)矩處于最大變化率的狀態(tài)下進(jìn)行摘擋操作,汽車的電機(jī)力矩模式發(fā)生變化,轉(zhuǎn)為自由模式,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐步降低,直至歸零.

電機(jī)進(jìn)入慣性相階段之后,其控制目標(biāo)發(fā)生變化,由提升轉(zhuǎn)矩跟蹤調(diào)節(jié)反應(yīng)效率,轉(zhuǎn)變?yōu)榭s短轉(zhuǎn)速同步時(shí)間.車輛行駛過(guò)程中,AMT變速箱受到的沖擊度以及換擋時(shí)間,與轉(zhuǎn)速差控制緊密相關(guān).本次設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員使用PID控制裝置,并搭配有限狀態(tài)切換控制模式,實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié).

(9)

公式(9)中,n1表示電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速,n2為AMT變速裝置中間轉(zhuǎn)數(shù),n3為AMT轉(zhuǎn)速.在AMT變速箱由轉(zhuǎn)矩相切換為慣性相的過(guò)程中,電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)一定程度的降低.因此,在換擋時(shí)要為變速箱設(shè)定修正值,由一擋換到二擋時(shí)轉(zhuǎn)速修正值為100r/min,由二擋切換至一擋轉(zhuǎn)速修正值為80r/min[5].

當(dāng)變速箱由一擋切換至二擋的時(shí)候,變速箱控制單元(TCU)在接收到整車電控系統(tǒng)(VCU)發(fā)送的擋位切換指令之后,開(kāi)始執(zhí)行換擋操作,此時(shí)安裝在純電動(dòng)汽車上的微型控制單元(MCU)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,將輸出轉(zhuǎn)矩逐漸降為0,此時(shí)電機(jī)切換至自由模式,AMT變速箱在自由模式下調(diào)整撥叉完成換擋操作,此時(shí)AMT變速箱由轉(zhuǎn)矩相切換至慣性相.隨后,微型控制單元將電機(jī)調(diào)整為轉(zhuǎn)矩模式,提升電機(jī)轉(zhuǎn)速直至達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,待電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)數(shù)之后,將電機(jī)切換至自由模式,完成撥叉的撥動(dòng)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(jī)模型、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略、AMT換擋控制策略、車輛模型有機(jī)地結(jié)合起來(lái),最終形成電動(dòng)汽車系統(tǒng)仿真模型如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)仿真模型

4 仿真驗(yàn)證

基于電動(dòng)汽車系統(tǒng)仿真模型,運(yùn)行控制系統(tǒng)可得出電動(dòng)汽車在城市循環(huán)工況(US06)下的運(yùn)行情況,圖6為US06工況下速度和車輛仿真速度對(duì)比曲線.

圖6 US06工況車速和仿真車速曲線

經(jīng)過(guò)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(yàn)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(wù)要求.

在US06工況下再對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率進(jìn)行仿真,繪制其曲線如圖7、圖8、圖9所示.

圖7 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線

圖8 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線

圖9 電機(jī)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(dòng)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(dòng)踏板強(qiáng)度變化曲線

通過(guò)以上仿真曲線可以看出,仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求.完成設(shè)計(jì)工作之后,嘗試對(duì)二擋AMT換擋協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行有效性驗(yàn)證.采用升降擋測(cè)試的方式,在VCU發(fā)出升擋/降擋指令之后,電機(jī)切換至卸扭狀態(tài)并撥動(dòng)撥叉使AMT變速箱處于空擋狀態(tài),再根據(jù)目標(biāo)擋位參數(shù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨近目標(biāo)擋位轉(zhuǎn)速之后進(jìn)行掛擋,并依靠同步器保持轉(zhuǎn)速同步[6].

本文設(shè)置NEDC(新歐洲駕駛周期)市區(qū)路況以及0～100km/h兩種駕駛場(chǎng)景進(jìn)行仿真,以觀察兩擋AMT換擋協(xié)調(diào)控制策略有效性.通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),在0～100km/h加速實(shí)驗(yàn)中,兩擋AMT的換擋時(shí)間始終保持在0.5s以內(nèi),最大沖擊度始終沒(méi)有超過(guò)8.0m/s3.在NEDC市區(qū)路況場(chǎng)景下,升擋/降擋的時(shí)間未超過(guò)0.6s,最大沖擊度為7.8m/s3.此外,對(duì)安裝的兩擋AMT變速箱的純電動(dòng)汽車進(jìn)行換擋實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AMT變速箱升擋和降檔時(shí)間合理,且換擋過(guò)程較為平滑,車輛速度變化不存在明顯波動(dòng),駕駛體驗(yàn)較好,由此證明本次換擋協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)符合要求.

5 結(jié)論

在努力實(shí)現(xiàn)“碳中和”以及“碳達(dá)峰”目標(biāo)這一宏觀背景下,新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了越來(lái)越多的關(guān)注.受到技術(shù)條件的制約,大部分新能源汽車依舊采用單級(jí)減速器,其傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速比為固定值,無(wú)法進(jìn)一步激發(fā)純電動(dòng)汽車的潛能.為了妥善處理這一問(wèn)題,積極嘗試?yán)脙蓳魽MT變速箱令傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)駕駛需求自由變化,在確定兩擋AMT變速箱轉(zhuǎn)速比的基礎(chǔ)上,構(gòu)建傳動(dòng)系統(tǒng)模型并制定換擋控制策略,經(jīng)仿真驗(yàn)證了兩擋AMT變速箱換擋協(xié)調(diào)策略的有效性,為純電動(dòng)汽車的發(fā)展提供技術(shù)支持.