楊寶成，趙海新，張真忠

(承德石油高等專科學(xué)校 汽車工程系，河北　承德　067000)

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純電動(dòng)汽車與無級(jí)變速器匹配控制策略的建模與仿真

楊寶成，趙海新，張真忠

(承德石油高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河北承德067000)

摘要：為了更好地節(jié)約電動(dòng)汽車電池能量、增加其續(xù)航里程及滿足電動(dòng)汽車在不同工況下的行駛要求。通過對機(jī)械電子式無級(jí)變速器的速比控制目標(biāo)與要求進(jìn)行分析，將駕駛員加速踏板的變化解釋為瞬時(shí)的功率需求。利用MATLAB/Simulink和Cruise兩種軟件的各自優(yōu)勢，在MATLAB/Simulink環(huán)境中設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性折衷的速比PID控制器以實(shí)現(xiàn)速比控制；在Cruise中搭建了整車模型，將Simulink中的模型以API形式導(dǎo)入并進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。最后得出搭載EMCVT應(yīng)用本文速比控制策略的電動(dòng)汽車比搭載固定速比減速器的電動(dòng)汽車加速時(shí)間短，爬坡能力更強(qiáng)，節(jié)約電池能量，續(xù)駛里程更長。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；無級(jí)變速器；匹配控制；MATLAB與Cruise；建模與仿真

電動(dòng)汽車以良好的環(huán)保效果、噪音低、熱效率高、使用多種能源、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制多樣化等特點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。傳動(dòng)系統(tǒng)及控制是電動(dòng)汽車行駛中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)效率及特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動(dòng)汽車的重要部件。因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿足車輛行駛過程中的各種工況要求，并具有良好的耐用性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等特點(diǎn)的傳動(dòng)方式顯得尤為重要。而搭載無級(jí)變速器的純電動(dòng)汽車，由于無級(jí)變速器的傳動(dòng)比可以連續(xù)變化，從而使電動(dòng)機(jī)在其最佳效率區(qū)工作，減少了蓄電池的電能消耗，增加了車輛的續(xù)航里程。然而要達(dá)到上述的目的，就需要對無級(jí)變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行合理的控制。

1電動(dòng)汽車與EMCVT匹配控制策略

無級(jí)變速器控制系統(tǒng)就是要根據(jù)駕駛員對加速踏板和制動(dòng)踏板等操作，使電動(dòng)機(jī)與變速器之間達(dá)到設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)，使車輛的電動(dòng)機(jī)輸出功率和行駛阻力之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的最佳匹配，從而使車輛具有良好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。裝有EMCVT電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和動(dòng)力性主要取決于下面兩個(gè)條件[1]：

1)駕駛員采取動(dòng)力性或者經(jīng)濟(jì)性的駕駛意圖時(shí)，無級(jí)變速器的目標(biāo)速比應(yīng)滿足電動(dòng)機(jī)對傳動(dòng)比的要求。

2)在確定了目標(biāo)傳動(dòng)比之后，需選擇合適的速比控制算法使無級(jí)變速器的變化能夠跟隨目標(biāo)傳動(dòng)比而改變，而且要相應(yīng)迅速，穩(wěn)定性好。

為了很好地解決這兩個(gè)問題，就需要確定無級(jí)變速器的速比控制策略，它是無級(jí)變速器控制的核心，對整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車搭載有級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的區(qū)別是，無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車匹配是面工況。當(dāng)汽車車速和負(fù)荷一定時(shí)，對于裝有無級(jí)變速的車輛，由于速比可以連續(xù)變化，結(jié)合模型實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的目標(biāo)控制。無級(jí)變速器的速比控制策略就是選擇合適的速比，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速維持在給定的目標(biāo)點(diǎn)，如圖1所示。

速比控制比較容易達(dá)到的控制策略在假設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的任意轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都可以在瞬時(shí)達(dá)到的前提下，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作點(diǎn)根據(jù)駕駛意圖保持在最佳經(jīng)濟(jì)性曲線或最佳動(dòng)力性曲線上。如果使用這種速比控制策略，當(dāng)駕駛員改變加速踏板的開度時(shí)，增加扭矩提升動(dòng)力時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器首先控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使其盡可能工作在最佳動(dòng)力曲線上，然后再改變無級(jí)變速器的速比使電機(jī)的轉(zhuǎn)速帶到其目標(biāo)的工作點(diǎn)上[2]。

若按照這種速比控制方式，在加速或減速過程的任一時(shí)刻，都要使電機(jī)工作在最佳動(dòng)力或經(jīng)濟(jì)曲線上。但是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按這種方式運(yùn)行時(shí)，由于在汽車急加速過程中電動(dòng)機(jī)的后備功率不足，將會(huì)出現(xiàn)汽車的加速不良的現(xiàn)象。在這種情況下，就必須要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)迅速提高，使電動(dòng)機(jī)的輸出功率與加速踏板要求的目標(biāo)功率相適應(yīng)。而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增大時(shí)，其大部分轉(zhuǎn)矩用來提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)和無級(jí)變速器輸入軸的轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致汽車的速度減小，造成沖擊。

需要選擇一種對經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性折衷的速比控制方法，充分利用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩余量，提高車輛瞬時(shí)的動(dòng)力性能，在改善汽車驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，還可以減少電池的能量消耗，這樣既保證了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性又兼顧了其行駛的經(jīng)濟(jì)性，延長電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

這種對經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性折衷的速比控制策略以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最佳工作曲線作為穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)的工作點(diǎn)，而瞬時(shí)工況卻與驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿著最佳經(jīng)濟(jì)性或最佳動(dòng)力性工作軌跡不同。為了充分利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的儲(chǔ)備的后備轉(zhuǎn)矩，這種速比控制方式是控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速沿著加速踏板開度確定的目標(biāo)功率的等功率曲線工作。如圖2所示，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和無級(jí)變速器的速比來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果電動(dòng)機(jī)原來在工作點(diǎn)P1，加速踏板的位置改變后，控制器應(yīng)該使其沿著目標(biāo)功率的等功率曲線移動(dòng)，直到與最佳功率線相交的目標(biāo)工作點(diǎn)P2。顯然，這有時(shí)會(huì)受到電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩曲線的限制。在這種情況下，控制電機(jī)的工作點(diǎn)沿著最大扭矩曲線移動(dòng)，直到達(dá)到目標(biāo)功率曲線[3]。

2EMCVT與整車模型的建立與仿真

MATLAB/Simulink是一個(gè)用以進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模、仿真和分析的軟件包。系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的模型庫，能夠幫助用戶在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建新的模型庫，描述、模擬、評價(jià)和細(xì)化系統(tǒng)的行為，從而達(dá)到系統(tǒng)分析的目的。在Matlab中建立一個(gè)整車模型對使用者來說是十分困難，且精度難以得到保證。Cruise是由奧地利著名的AVL公司開發(fā)，用于研究汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動(dòng)性能的高級(jí)模擬分析軟件，其靈活的模塊化理念使其可以對任意結(jié)構(gòu)形式的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真[4]。本文采用這兩種軟件的優(yōu)勢，利用Cruise搭建了整車模型，在MATLAB/Simulink中設(shè)計(jì)了EMCVT的PID速比控制策略，并通過與Matlab(API)的接口，便捷地對速比控制策略和整車性能進(jìn)行研究分析。

2.1EMCVT PID控制器模型的建立

應(yīng)用MATLAB軟件建立電控式無級(jí)變速器速比控制器模型如圖3所示，模型中的兩個(gè)輸入分別連接到Cruise軟件用戶桌面的信號(hào)輸入端，與其對應(yīng)的輸出端分別為駕駛艙的加速踏板信號(hào)和車速信號(hào)。輸出端對應(yīng)的是傳動(dòng)比信號(hào)輸出給無級(jí)變速器效率模塊的信號(hào)輸入端。Matlab/Simulink的輸入速比PID控制器為目標(biāo)速比和實(shí)際速比之差，經(jīng)過負(fù)反饋的PID控制器控制無級(jí)變速器的速比，模型輸出為無級(jí)變速器的實(shí)際速比。

2.2整車模型

在分析EMCVT速比控制原理的基礎(chǔ)上，在MATLAB環(huán)境中設(shè)計(jì)了速比PID控制器，在Cruise中搭建了整車模型，將Simulink中模型以API形式導(dǎo)入并進(jìn)行聯(lián)合仿真。在選定各子系統(tǒng)模塊后，根據(jù)汽車整車的配置方案和各部件之間的連接關(guān)系，用connect建立模塊之間的機(jī)械連接和電氣連接，如圖4所示。

3仿真結(jié)果分析

為了能夠比較EMCVT的控制策略的優(yōu)劣，這里將固定速比減速器(FGR)和搭載EMCVT的電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較。對純電動(dòng)汽車建立的經(jīng)濟(jì)性能任務(wù)Cycle Run和動(dòng)力性能任務(wù)Full Load Acceleration和Climbing Performance三個(gè)計(jì)算任務(wù)進(jìn)行仿真。

3.1循環(huán)工況仿真結(jié)果分析

目前國內(nèi)研制開發(fā)的純電動(dòng)汽車主要是用于城區(qū)和市郊的居民上下班使用。為此，本文選擇了歐洲測試工況NEDC(由4個(gè)市區(qū)循環(huán)和1個(gè)市郊循環(huán)程序組成)作為循環(huán)行駛工況。

NEDC道路工況的速度、路程與時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。圖6是該循環(huán)工況下搭載EMCVT和搭載FGR的電動(dòng)汽車電池的SOC曲線與時(shí)間的關(guān)系。

由圖6可以看出，在NEDC循環(huán)工況下，搭載EMCVT的電動(dòng)汽車比搭載FGR的電動(dòng)汽車的電池SOC節(jié)約能量為0.7%。

3.2全負(fù)荷加速性能仿真結(jié)果分析

在AVL CRUISE的Full Load Acceleration仿真任務(wù)中，忽略了坡道阻力，同時(shí)該計(jì)算任務(wù)必須在車輛滿載的條件下運(yùn)算。

圖7表示車速變化曲線，搭載EMCVT的純電動(dòng)汽車的加速性能為：0～50 km/h的加速時(shí)間7.9 s，50～80 km/h的加速時(shí)間9.36 s，搭載固定速比減速器的電動(dòng)汽車加速性能為：0～50 km/h的加速時(shí)間9.0 s，50～80 km/h的加速時(shí)間10.0 s。EMCVT的傳動(dòng)比連續(xù)變化，因此可以在PID控制器的控制下，隨著車速和加速踏板開度的改變獲得最佳的傳動(dòng)比，各區(qū)段加速時(shí)間都要優(yōu)于FGR。

3.3最大爬坡度性能仿真結(jié)果分析

在AVL CRUISE的Climbing Performance仿真任務(wù)中，設(shè)定車輛的載荷狀態(tài)為空載+100 kg的附加質(zhì)量，得到的最大爬坡度仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，空載+100 kg的附加質(zhì)量搭載EMCVT的純電動(dòng)汽車在車速為20 km/h時(shí)，其最大爬坡度為27.9%，搭載FGR的純電動(dòng)汽車在車速為20 km/h時(shí)，其最大爬坡度為24.4%，搭載EMCVT的電動(dòng)汽車比搭載FGR的電動(dòng)汽車的爬坡能力在車速超過34 km/h時(shí)兩者相差不多，而在車速小于 27 km/h 時(shí)提高了3.5%。

4結(jié)論

本文對EMCVT的速比控制目標(biāo)和要求進(jìn)行分析，采用一種經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性折衷的速比控制策略。在MATLAB中建立PID的速比控制模型，在Cruise中建立整車模型，然后將Simulink中模型以API形式導(dǎo)入Cruise中進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真得出搭載EMCVT的電動(dòng)汽車比搭載固定速比減速器的電動(dòng)汽車節(jié)約電池能量0.7%，全負(fù)荷時(shí)的加速性能0～50 km/h 的加速時(shí)間減少1.1s，50～80 km/h的加速時(shí)間減少0.64 s，車速小于27 km/h的時(shí)最大爬坡性能提高了3.5%。本文的數(shù)據(jù)得出搭載EMCVT應(yīng)用本文的控制策略比搭載FGR的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程更長，加速時(shí)間更短，爬坡能力更強(qiáng)。本文的控制策略為電控?zé)o級(jí)變速器在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)匹配上奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周云山，鐘勇.汽車電子控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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[3]翟麗.電動(dòng)轎車機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配與仿真[J]，北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(10)：3-4.

[4]楊超. 基于Cruise純電動(dòng)轎車動(dòng)力學(xué)仿真研究[J]，上海汽車，2006，20(10)：2-3.

Modeling and Simulation of Match Control Strategy of Pure Electric Vehicle with Continuously Variable Transmission

YANG Bao-cheng, ZHAO Hai-xin, ZHANG Zhen-zhong

(Department of Automotive Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Abstract:In order to better conserve battery energy of electric vehicle, increase its driving distance and meet with the requirements in different driving conditions of electric vehicle, the paper analyzes the speed ratio control objectives and requirements of the continuously variable transmission. The driver’s accelerator pedal will be interpreted as the instantaneous power requirements. Taking advantage of their respective strengths of both MATLAB/Simulink and Cruise software, in the MATLAB/Simulink environment we designed a compromise speed ratio control strategy between power and economic PID controller of speed ratio, taking into account their respective advantage of MATLAB and Cruise software, in Cruise environment built a vehicle model, put the Simulink model through API interface into Cruise to complete co-simulation. The result of simulation is the vehicle with continuously variable transmission has better performance in terms of better acceleration, climbing ability stronger, more battery power saving, longer driving distance than the vehicle with fixed gear reducer.

Key words:electric vehicle; continuously variable transmission; match control; Matlab & Cruise; modeling & simulation

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：楊寶成(1961-)，男，河北豐寧人，承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系工程師，主要從事汽車檢測與維修方面的教學(xué)研究。

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9446(2016)03-0028-05