劉成強(qiáng)，徐海港*，張建武，林連華

(1. 山東時(shí)風(fēng)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山東 聊城 252800；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

電動(dòng)汽車憑借其零排放以及容易控制等優(yōu)點(diǎn)成為目前汽車行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，如何提高純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、動(dòng)力性及舒適性成為目前急需解決的重要問(wèn)題之一。

為了使研發(fā)的電動(dòng)車擁有良好的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性，本文對(duì)電驅(qū)動(dòng)兩檔自動(dòng)機(jī)械式變速器(electric automated mechanical transmission,e-2AMT)的參數(shù)與換擋策略進(jìn)行深入研究。針對(duì)汽車AMT變速箱自動(dòng)換擋策略，學(xué)者進(jìn)行過(guò)廣泛的研究。Meng等[1]提出了一種基于高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)的智能換擋策略，實(shí)現(xiàn)了上坡的動(dòng)態(tài)換擋、下坡的安全換擋以及緩坡的綜合經(jīng)濟(jì)性換擋；Li等[2]基于駕駛員意圖設(shè)計(jì)了平穩(wěn)換擋的動(dòng)態(tài)控制算法；Guo等[3]設(shè)計(jì)了一種多速電動(dòng)汽車在線換擋算法；李聰波等[4]總結(jié)了一種基于粒子群算法的綜合性換擋規(guī)律，用于解決經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性之間的矛盾；高子茵等[5]和李大偉等[6]提出利用加速度得到修正的汽車速度，并結(jié)合換擋延遲可以顯著減少循環(huán)換擋現(xiàn)象;研究人員[7-9]使用模糊控制算法，對(duì)加速踏板開度和車速進(jìn)行模糊化處理，并使用專家經(jīng)驗(yàn)建立模糊推理規(guī)則，進(jìn)行了仿真計(jì)算，提高了液力變矩器傳動(dòng)效率，模糊控制算法避免了樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練的過(guò)程，更加遵循專家經(jīng)驗(yàn)；鄢挺等[10]提出一種自適應(yīng)智能控制策略，通過(guò)雙閉環(huán)控制使同步器位移緊密跟隨目標(biāo)位移軌跡，與常規(guī)PID(proportion integral differental)相比，該方法響應(yīng)更快、跟隨目標(biāo)軌跡精度更高且控制量更加平穩(wěn)。

時(shí)風(fēng)D102車型搭載的e-2AMT自動(dòng)變速器有2個(gè)擋位，只需考慮升擋和降擋的相關(guān)決策條件，為此引入模糊控制算法提高換擋的適應(yīng)性。為使電動(dòng)汽車綜合性能優(yōu)秀，本文引入駕駛風(fēng)格這一參數(shù)，與加速踏板開度和車速相結(jié)合，使用基于模糊控制的三參數(shù)換擋規(guī)律對(duì)換擋策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。在整車Simulink模型基礎(chǔ)上，加入駕駛風(fēng)格識(shí)別模塊，形成整車傳動(dòng)系統(tǒng)模型。數(shù)值仿真中，采用NEDC(new European driving circle)和WTLC(cworld test light circle)兩種駕駛循環(huán)工況，分別進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)算其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。

1 現(xiàn)有換擋規(guī)律分析

目前時(shí)風(fēng)D102的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

(1)

其中，T為輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)，P為輸出功率(kW)，α為加速踏板開度，nmot為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。兩種擋位下輪邊驅(qū)動(dòng)力和車速的關(guān)系如圖1所示，圖中各實(shí)線表示1擋ig1時(shí)不同加速踏板開度下輪邊驅(qū)動(dòng)力隨車速變化的曲線，以各虛線表示對(duì)應(yīng)的2擋ig2時(shí)的曲線。由圖1可知，動(dòng)力性換擋區(qū)域施加換擋可使得車輛的輪邊驅(qū)動(dòng)力最大，擁有良好的動(dòng)力性。由此制定出相應(yīng)的換擋曲線，如圖2所示。

圖1 不同擋位和加速度踏板開度與車速的關(guān)系Fig.1 Relationship between different gears, acceleration pedal opening, and vehicle speed

圖2 動(dòng)力性換擋規(guī)律Fig.2 The dynamic shift schedule

時(shí)風(fēng)D102的驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率脈譜如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率脈譜圖Fig.3 Drive motor efficiency MAP

由圖3可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最優(yōu)效率分布于額定轉(zhuǎn)速與額定功率區(qū)域，即3000 r/min與18 kW附近。而在低轉(zhuǎn)速、低扭矩以及峰值功率處，電機(jī)效率相對(duì)較低。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，而轉(zhuǎn)速與車速有以下關(guān)系：

(2)

其中，Veh為車速(km/h)，i0為主減速器傳動(dòng)比，ix為e-2AMT第x擋(x=1或2)傳動(dòng)比，rwheel為車輪滾動(dòng)半徑(m)。

根據(jù)式(2)，不同加速踏板開度驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率隨e-2AMT擋位、加速踏板開度和車速變化曲線如圖4所示，其中各實(shí)線表示1擋ig1時(shí)不同加速踏板開度下驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率隨車速變化的曲線，各虛線表示對(duì)應(yīng)的2擋ig2時(shí)曲線。

圖4 車速和加速踏板開度關(guān)系Fig.4 Relationship between vehicle speed and the acceleration pedal opening

在各個(gè)加速踏板開度下，可找到1擋曲線與2擋曲線的交點(diǎn)，即為換擋點(diǎn)。將各個(gè)交點(diǎn)前后連接起來(lái)即組成換擋曲線，如圖5所示。利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行求解，得出該工況下最優(yōu)的換擋規(guī)律[11-12]。采用NEDC工況和WTLC工況進(jìn)行計(jì)算，得出最優(yōu)換擋曲線如圖6所示。對(duì)比圖2中動(dòng)力性換擋規(guī)律和圖5中經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，圖6中的換擋規(guī)律綜合兩者特點(diǎn)，曲線整體位置接近動(dòng)力性換擋規(guī)律，大致位于45 km/h，而形態(tài)接近經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。動(dòng)態(tài)規(guī)劃換擋規(guī)律雖然提前適應(yīng)了循環(huán)工況的綜合性能需求，但脫離實(shí)時(shí)駕駛環(huán)境。顯然，若采用模糊控制換擋規(guī)律，其在駕駛環(huán)境中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)適應(yīng)，將會(huì)得到更加優(yōu)異的綜合性能。

圖5 經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律Fig.5 Shift rule formulated to maintain fuel economy

圖6 動(dòng)態(tài)規(guī)劃換擋規(guī)律Fig.6 Shift rule of dynamic planning

2 模糊控制換擋規(guī)律設(shè)計(jì)

引入駕駛風(fēng)格的意義在于涉及駕駛員與車輛的非傳統(tǒng)關(guān)系，變速器控制單元(TCU)可以依據(jù)識(shí)別出的駕駛風(fēng)格切換換擋規(guī)律曲線。當(dāng)駕駛員在一段時(shí)間內(nèi)駕駛風(fēng)格較為激進(jìn)，則使用動(dòng)力性換擋規(guī)律；當(dāng)駕駛員駕駛風(fēng)格較為平緩時(shí)，則使用經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為只需使用兩種非?；厩乙椎玫膿Q擋規(guī)律曲線，就可以讓車輛具有較為良好的綜合性能，且在各種路況下均能有穩(wěn)定的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)控制邏輯簡(jiǎn)單可行。

本文使用專家經(jīng)驗(yàn)建立了模糊推理邏輯[13]，利用一段時(shí)間內(nèi)的平均加速度和加速度均方差，識(shí)別駕駛風(fēng)格，相關(guān)隸屬函數(shù)如圖7～9所示。圖中分別標(biāo)注出了不同模糊狀態(tài)在對(duì)應(yīng)自變量下的隸屬度曲線，在每個(gè)自變量節(jié)點(diǎn)處，所有模糊狀態(tài)的隸屬度加起來(lái)等于1，隸屬度的實(shí)際物理意義為動(dòng)力需求。其中圖7中加速度均值絕對(duì)值越大，動(dòng)力需求越大；圖8中加速度均方差越大，動(dòng)力需求越大。

注：NB為負(fù)最?。籒M為負(fù)中；S為小；PM為正中；PB為正大。圖7 加速度均值隸屬函數(shù)Fig.7 Membership function of the mean acceleration

注：M為中，B為大。圖8 加速度均方差隸屬函數(shù)Fig.8 Membership function of the mean square variance of acceleration

圖9 駕駛風(fēng)格隸屬函數(shù)Fig.9 Membership function of the driving style

在Simulink中搭建整車模型如圖10所示，包括駕駛意圖識(shí)別模塊、駕駛員模塊、動(dòng)力電池模塊、車身模塊、TCU和MCU控制器模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、e-2AMT自動(dòng)變速器模塊。時(shí)風(fēng)D102具體技術(shù)參數(shù)包括:

圖10 整車模型Fig.10 Vehicle model

(1)整車參數(shù)：整車整備質(zhì)量1200 kg、車輪半徑0.27 m、承載質(zhì)量300 kg、風(fēng)阻系數(shù)0.4、空載時(shí)0～50 km/h的加速時(shí)間≤5 s、最高車速為110 km/h，變速器兩擋傳動(dòng)比及主減速器傳動(dòng)比分別為3.056、1.517以及3.292；

(2)交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)：額定功率18 kW，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，峰值轉(zhuǎn)矩175 N·m，峰值功率42 kW，基速2290 r/min，最高轉(zhuǎn)速6000 r/min；

(3)動(dòng)力電池組參數(shù)：標(biāo)稱容量100 A·h，額定電壓352 V，儲(chǔ)電量35.2 kW·h。

圖11為駕駛風(fēng)格識(shí)別模塊，車輛速度經(jīng)微分后得到加速度，濾波后輸入到模糊控制器中。駕駛識(shí)別模塊最后輸出駕駛風(fēng)格到TCU和MCU(microcontroller unit)控制器模塊，從而實(shí)現(xiàn)換擋規(guī)律模糊控制，為減少循環(huán)換擋現(xiàn)象的發(fā)生概率，延遲換擋時(shí)間設(shè)定為0.1 s。通過(guò)改變輸入的循環(huán)工況，駕駛風(fēng)格模型可以對(duì)不同情況下的車輛性能進(jìn)行仿真，得到車輛的耗電量[14]。本文中仿真運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)均設(shè)置為2000 s，仿真步長(zhǎng)為0.02 s，通過(guò)對(duì)比經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律、動(dòng)力性換擋規(guī)律、模糊控制換擋規(guī)律的耗電量，以及加速踏板開度最終確定經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性控制換擋策略，通過(guò)觀察擋位圖和駕駛風(fēng)格識(shí)別圖評(píng)判駕駛員駕駛感受，若出現(xiàn)循環(huán)換擋或駕駛風(fēng)格識(shí)別過(guò)于靈敏現(xiàn)象，則說(shuō)明駕駛員的駕駛感受較差。

圖11 駕駛風(fēng)格識(shí)別模塊Fig.11 Module for the driving style identification

3 仿真結(jié)果

時(shí)風(fēng)D102電動(dòng)乘用車的理論最高速度為110 km/h，循環(huán)工況仿真時(shí)取最高速度為100 km/h，在仿真時(shí)將NEDC工況中超過(guò)100 km/h的部分全部設(shè)置為100 km/h，將新修訂的循環(huán)工況命名為NEDC100循環(huán)工況，如圖12所示。

圖12 NEDC100循環(huán)工況Fig.12 NEDC100 cycle condition

按NEDC100計(jì)算百公里電能消耗，最終得到3種換擋規(guī)律的耗電量如表1所示。

表1 NEDC100循環(huán)工況百公里耗電量Table 1 Power consumption under the NEDC100 cycle condition

經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律和模糊控制換擋規(guī)律的動(dòng)力性可與動(dòng)力性換擋規(guī)律的加速踏板開度比較得出。當(dāng)實(shí)現(xiàn)相同的速度變化所需要的加速踏板開度更大時(shí)，駕駛員對(duì)車輛動(dòng)力性的感受會(huì)更差，從而使駕駛員產(chǎn)生該車輛動(dòng)力性不好的感覺。經(jīng)濟(jì)型換擋規(guī)律和模糊控制換擋規(guī)律動(dòng)力性如圖13所示。

由圖13和圖14可以看到模糊控制換擋規(guī)律的加速踏板開度與動(dòng)力性的換擋規(guī)律幾乎一致，可認(rèn)為其動(dòng)力性相對(duì)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律有了明顯改善。在耗電量方面，采用模糊控制換擋規(guī)律的能耗要比動(dòng)力性換擋規(guī)律的更少。

圖13 經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性換擋規(guī)律下加速踏板開度Fig.13 The accelerator pedal opening under the law of economy and power shift

圖14 模糊控制和動(dòng)力性換擋規(guī)律下加速踏板開度Fig.14 Fuzzy control and accelerator pedal opening under dynamic shifting law

從圖15和圖16中的比較可以看出，WLTC100工況中不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)換擋現(xiàn)象，駕駛風(fēng)格靈敏度適中，不會(huì)讓駕駛員在短時(shí)間內(nèi)頻繁地在兩種狀態(tài)間切換。

圖15 WLTC100循環(huán)工況模糊控制換擋規(guī)律擋位圖Fig.15 Fuzzy control shift rule under WLTC100 cycle condition

圖16 WLTC100循環(huán)工況駕駛風(fēng)格識(shí)別圖Fig.16 Driving style identification chart under WLTC100 cycle condition

與NEDC的修訂工況類似，WLTC的循環(huán)工況也需要根據(jù)時(shí)風(fēng)D102的最高車速進(jìn)行調(diào)整。將WLTC工況中所有超過(guò)100 km/h的速度設(shè)置為100 km/h，得到WLTC100循環(huán)工況，如圖17所示。

圖17 WLTC100循環(huán)工況Fig.17 WLTC100 cycle condition

對(duì)于輕型轎車，WLTC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況相比NEDC工況更具有代表性[7]，故對(duì)于時(shí)風(fēng)D102來(lái)說(shuō)，使用WLTC100循環(huán)工況進(jìn)行仿真測(cè)試尤為重要，其測(cè)試結(jié)果更具有參考價(jià)值。3種換擋規(guī)律在WLTC100循環(huán)工況下的耗電量由表2給出。

表2 WLTC100循環(huán)工況百公里耗電量Table 2 Power consumption under the WLTC100 cycle condition

加速踏板開度的時(shí)域響應(yīng)如圖18所示，模糊控制和動(dòng)力性換擋規(guī)律加速踏板開度如圖19所示，擋位圖如圖20所示，駕駛風(fēng)格識(shí)別如圖21所示。WLTC100循環(huán)工況的速度變化比NEDC100更加劇烈，也更趨于無(wú)序，對(duì)于駕駛風(fēng)格識(shí)別，其靈敏度仍處于可接受的范圍內(nèi)，且全程幾乎沒(méi)有出現(xiàn)循環(huán)換擋情況。

圖18 經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性換擋規(guī)律下加速踏板開度Fig.18 The opening of the accelerator pedal under the law of economy and power shift

圖19 模糊控制和動(dòng)力性換擋規(guī)律加速踏板開度Fig.19 Fuzzy control and dynamic shift law accelerator pedal opening

圖20 WLTC100循環(huán)工況模糊控制換擋規(guī)律擋位圖Fig.20 Fuzzy control shift rule under the WLTC100 cycle condition

圖21 WLTC100循環(huán)工況駕駛風(fēng)格識(shí)別圖Fig.21 Driving style identification chart under the WLTC100 cycle condition

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和動(dòng)態(tài)規(guī)劃換擋規(guī)律的基礎(chǔ)下，設(shè)計(jì)和開發(fā)了模糊控制器，并對(duì)車輛在一段時(shí)間內(nèi)的加速度進(jìn)行了整理和識(shí)別，通過(guò)提取其平均值和均方差，在TCU和MCU控制器引入了駕駛風(fēng)格參數(shù)，以解決經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律、動(dòng)力性換擋規(guī)律中車輛綜合性能不高以及動(dòng)態(tài)規(guī)劃換擋規(guī)律過(guò)于復(fù)雜、適應(yīng)性能較差的問(wèn)題，并利用Simulink搭建整車模型，通過(guò)NEDC100循環(huán)工況和WLTC100循環(huán)工況對(duì)設(shè)計(jì)的模糊控制換擋規(guī)律進(jìn)行了仿真驗(yàn)算。

從NEDC100和WLTC100的循環(huán)工況仿真結(jié)果比較可以看出，本文所設(shè)計(jì)的模糊控制換擋規(guī)律能夠在減少耗電量的同時(shí)兼顧汽車動(dòng)力性，使其具有較好的綜合性能。同時(shí)，也能夠避免循環(huán)換擋現(xiàn)象的產(chǎn)生，駕駛員駕駛體驗(yàn)幾乎不受影響。WLTC100循環(huán)工況基本能夠代表實(shí)際使用過(guò)程中遇到的較為復(fù)雜的工作情況，故該換擋規(guī)律能夠適應(yīng)大部分工作情況，其適用范圍不會(huì)受到限制，總的來(lái)說(shuō)，這是一種非常有效的換擋規(guī)律。