摘要：本文通過對裝配自動變速器的電動汽車的優(yōu)點和背景進行分析，引出自動變速器的分類及作用，接著對自動變速器的關鍵技術進行詳細闡述。其中包括電動汽車換擋規(guī)律、換擋過程控制策略、機械結構中傳動比的優(yōu)化方法、數(shù)字仿真和硬件在環(huán)仿真技術等方面。最后，總結出電動汽車自動變速器的發(fā)展趨勢是多擋化、智能化，通過優(yōu)化換擋規(guī)律和結構來達到更好性能。

關鍵詞：電動汽車;自動變速器;現(xiàn)狀;趨勢

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的大幅上升，能源危機和環(huán)境污染等問題越發(fā)嚴重，使研究人員開始研究純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池汽車。而電動汽車因其環(huán)境友好性和驅(qū)動效率高等優(yōu)點成為研究熱點。變速器是電動汽車動力傳動系統(tǒng)的重要部件，其性能對電動汽車整車的動力性經(jīng)濟性、舒適性等有著重要的影響。裝載自動變速器的車輛，可以使駕駛員不再像駕駛手動變速器汽車那樣頻繁地使用離合器踏板，且具有操縱簡單、起步平穩(wěn)、乘坐舒適性好等許多優(yōu)點。

目前，小型電動汽車多采用固定速比的單擋減速器，這種傳動方式結構簡單、制造成本低。但是，采用固定速比的單擋減速器不利于驅(qū)動電機發(fā)揮最大效率，同時可能在高速區(qū)時有噪聲，并且容易使驅(qū)動電機產(chǎn)生大量熱量，以及對減速器本身的齒輪副加工要求高。為了保證汽車的最高車速，減速器速比往往選擇得比較小，這就使牽引電機長期處于高轉(zhuǎn)矩大電流的工作狀態(tài)下，電機效率比較低，從而使續(xù)駛里程減小。而裝配了自動變速器則可以通過較少改變電機的工作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩來適應整車的動力性、經(jīng)濟性要求，大大提高效率和節(jié)約能源，增加續(xù)駛里程，并且還可以在低速擋增大爬坡能力。

2 電動汽車自動變速器分類

電動汽車使用電機取代了傳統(tǒng)燃油車中的汽、柴油發(fā)動機，但就傳動系統(tǒng)而言是通用的，目前國際上自動變速器主要有以下4種：液力機械式自動變速器（Automatic Transmission，AT）、電控機械式自動變速器（Automated Mechanical Transmission，AMT ）、機械無級式自動變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）、雙離合器式自動變速（Dual Clutch Transmission，DCT）。

AT由液力變矩器、行星齒輪箱和電液控制系統(tǒng)組成。這種自動變速技術在沃爾沃混合動力版垃圾處理車FE和日野混合動力大巴Selega上有所應用。其換擋平穩(wěn)，操縱容易，在一定范圍內(nèi)有無級變速、變矩的能力，對負載變化有較好適應性，但是傳動效率較低，經(jīng)濟性較差，機構復雜，設計、制造困難，成本較高。

AMT是在傳統(tǒng)固定軸式變速器的基礎上加裝電控單元及相應的執(zhí)行機構構成的。對傳統(tǒng)手動變速器改動較小，成本低，能傳遞較大轉(zhuǎn)矩，傳動效率高，冷卻、潤滑方式簡單，油液污染少，但是換擋過程中難以避免會產(chǎn)生沖擊和動力中斷，控制方法需要進一步改進。典型的車型有中通客車V10K，蘇州金龍海格KLQ6129GHEV，奧運會純電動客車，福田歐輝純電動城市客車 BJ6123。

CVT結構簡單、體積小，主要由主動輪組、從動輪組和金屬帶組成，通過主、從動輪中可動盤的移動來改變主、從動輪與金屬帶的嚙合半徑，從而實現(xiàn)變速機構傳動比的連續(xù)變化，實現(xiàn)無級變速。CVT在混合動力汽車上得到了廣泛應用，代表車型有日產(chǎn)公司的TINO、本田公司的CIVIC以及INSIGHT等。但CVT能夠傳遞的轉(zhuǎn)矩有限，故目前多用在中、小排量的乘用車上。

DCT基于手動變速箱基礎之上。而與手動變速箱所不同的是，DCT中的兩幅離合器與二根輸入軸相連，換擋和離合操作都是通過集成電子和液壓元件的機械電子模塊來實現(xiàn)，即這種變速箱形式就有兩個離合器，一個控制奇數(shù)擋，一個控制偶數(shù)擋。交替使用，換擋時間大大縮短。

3 電動汽車自動變速器關鍵技術

3.1 電動汽車的換擋規(guī)律

根據(jù)控制參數(shù)的不同可以分為單參數(shù)換擋規(guī)律，雙參數(shù)換擋規(guī)律以及動態(tài)三參數(shù)換擋規(guī)律。汽車用單參數(shù)換擋規(guī)律一般選擇相對穩(wěn)定的車速作為控制參數(shù)，二參數(shù)換擋規(guī)律克服了單參數(shù)換擋規(guī)律的缺點，其控制參數(shù)類型有車速與油門開度、液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速、車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等，但當前采用最多的形式仍為車速與油門開度。葛安林將更能反映車輛實際工作狀態(tài)的重要動態(tài)參數(shù)——加速度引入換擋控制，形成動態(tài)三參數(shù)換擋規(guī)律。

以制定方法為分類依據(jù)的換擋規(guī)律，使用得較多的一類是在選定換擋控制參數(shù)之后，按照某些性能指標最優(yōu)的原則求換擋規(guī)律，根據(jù)制定方法的不同還可以分為動力性換擋規(guī)律，經(jīng)濟性換擋規(guī)律;另一類則是利用優(yōu)秀駕駛員的駕駛經(jīng)驗及領域?qū)＜业闹R形成智能換擋控制規(guī)則。

李偉等提出了基于最佳效率的換擋規(guī)律優(yōu)化方法并制定了最佳效率換擋規(guī)律，同時與最佳動力性換擋規(guī)律進行性能比較，著重研究基于電機效率的換擋規(guī)律優(yōu)化方法，制定了換擋規(guī)律;晏偉清按照燃油汽車換擋規(guī)律制定方法根據(jù)驅(qū)動電機的效率建立了傳統(tǒng)的雙參數(shù)換擋規(guī)律，并在靜態(tài)換擋規(guī)律的基礎上進行動態(tài)換擋規(guī)律的制定及修正。

3.2 換擋過程控制策略

換擋品質(zhì)是指在保證汽車動力性與動力傳動系統(tǒng)壽命的前提下，能夠迅速而平穩(wěn)換擋的程度，集中體現(xiàn)為舒適性。換擋品質(zhì)的評價指標主要有滑磨功，沖擊度，換擋時間，這幾個評價指標相互制約，如果追求換擋時間短，則會造成沖擊度大，如果想要降低沖擊度，則又會造成滑磨功增大，因此需要對這幾個量進行綜合控制，以達到最佳的換擋品質(zhì)。

對于電動汽車換擋過程，主要研究電機和變速器的協(xié)調(diào)控制，常采用建模仿真與臺架或?qū)嵻囋囼炏嘟Y合的方法，首先建立電機，發(fā)動機，自動變速器的數(shù)學模型，然后將控制過程中的影響因素作為仿真參數(shù)，按設定的目標進行仿真計算，最后通過試驗對仿真結果進行驗證。任剛分析了直流有刷電機驅(qū)動的AMT換擋過程中離合器結合過程的控制算法對換擋品質(zhì)的影響，提出了一種以發(fā)動機主從動輪的轉(zhuǎn)速差、發(fā)動機輸出扭矩為基礎的離合器控制策略。柴本本等針對換擋過程不同階段同步器動力學模型的復雜性和不確定性，提出了一種最優(yōu)控制策略對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩進行反饋補償和采用非線性時間最優(yōu)控制對換擋電機進行位置控制，以優(yōu)化整個換擋過程。

3.3 傳動比優(yōu)化方法

電動汽車傳動比的優(yōu)化方法主要是根據(jù)優(yōu)化的目標，利用一些算法進行優(yōu)化。常用的算法有粒子群算法，遺傳算法，最優(yōu)控制等算法。楊耀先等針對整車傳動系統(tǒng)速比選擇和優(yōu)化的問題，提出了一種基于粒子群優(yōu)化算法的速比優(yōu)化設計方法。張抗抗等采用多目標遺傳算法對優(yōu)化問題進行求解，提出一種基于多目標優(yōu)化的純電動車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配方法。方圣楠等通過動力學建模與仿真，對基于最優(yōu)控制的變速器換擋控制進行分析和優(yōu)化，對普通分段控制方法和最優(yōu)控制方法進行對比。

3.4 純數(shù)字仿真與硬件在環(huán)仿真開發(fā)技術

自動變速器開發(fā)過程中，有兩種仿真方式：純數(shù)字仿真與硬件在環(huán)仿真。此外，很多軟件公司也在不斷開發(fā)適應于不同領域的高集成度模塊，方便用戶開展建模和仿真工作。仿真技術可以減小電動車開發(fā)的成本，提高開發(fā)效率，通過仿真和分析，可為電動汽車的參數(shù)選擇以及結構優(yōu)化提供依據(jù)。對于純數(shù)字仿真軟件主要有MATLAB、ADVISOR和CRUISE等。

陳剛等針對純電動汽車存在的技術瓶頸，以動力性能指標和續(xù)駛里程為設計目標，對增程式電動汽車動力參數(shù)進行計算匹配，基于ADVISOR和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真平臺建立整車仿真模型，選用包括城市道路行駛和市郊道路行駛的ECE_EUDC車輛行駛循環(huán)工況，對匹配后的動力系統(tǒng)進行了動力性、排放性和續(xù)駛里程的仿真分析。結果表明增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理。張強等通過Optimum Lap進行賽道建模和試驗工況設定，利用AVL CRUISE對賽車進行動力性能仿真分析，驗證了驅(qū)動電機，動力電池，傳動系統(tǒng)，驅(qū)動半軸等設計的合理性，得到了賽車動力性與經(jīng)濟性的關系圖。

與純數(shù)字仿真開發(fā)模式相比，HiLs開發(fā)模式可以實時觀測系統(tǒng)中硬件的動作情況，更貼近于實車環(huán)境。目前，應用較為廣泛的有基于xPC和dSPACE平臺等開發(fā)模式。

王悅新等采用時下流行的V型開發(fā)流程，基于dSPACE開發(fā)出電子駐車常規(guī)控制和智能控制系統(tǒng)，并針對電子駐車系統(tǒng)進行半實物仿真。結果顯示系統(tǒng)可以全面準確地進行電子駐車控制，提高車輛行駛安全性。張新等利用MATLAB/Simulink進行串聯(lián)混合動力整車控制主要策略的建模仿真，并在MicroAutoBox上進行策略模型的基本驗證，利用TargetLink工具生成16位單片機為核心的產(chǎn)品級代碼，下載到設計開發(fā)的整車控制器中進行整車控制器（VCU）的硬件在環(huán)以及裝車的驗證，后期在樣車上進行關鍵參數(shù)的標定，完成了混合動力客車整車控制器的開發(fā)。

4 電動汽車自動變速器發(fā)展趨勢

在今后幾年的發(fā)展中，純電動汽車傳動系統(tǒng)多擋化將會越來越普及，采用多擋變速器，可以降低整車油耗并且降低了對電機參數(shù)的選取，而且還可以使電機工作在高效區(qū)域，增加電動汽車的續(xù)駛里程;控制策略更加智能化，自動變速控制系統(tǒng)將向綜合考慮駕駛員意圖（主動干預）、車輛狀態(tài)（包括運動狀態(tài)和裝載/乘員質(zhì)量的變化等）、以及道路環(huán)境（如坡度、彎道、路面附著條件、周圍車輛和行人狀態(tài)等）等多種因素在內(nèi)的更加人性化和智能化的方向發(fā)展，模糊控制、最優(yōu)控制、魯棒控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進理論越來越多應用于自動變速器，使控制更加精確;在傳統(tǒng)自動變速器的基礎上，通過優(yōu)化換擋規(guī)律和變速器結構，使電動汽車獲得更佳的性能。

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基金項目：西華大學研究生創(chuàng)新基金項目“電動汽車驅(qū)動電機與變速器換擋控制技術研究”（編號：ycjj2018099）。

作者簡介：陳橋松（1994—），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向：電動汽車動力傳動系統(tǒng)控制技術。

（作者單位：西華大學汽車與交通學院）