黃 石

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

目前純電動汽車驅(qū)動形式主要有三種:驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動車輪、驅(qū)動電機(jī)與車輪之間加裝固定速比減速器、驅(qū)動電機(jī)與車輪間加裝變速器.對于電機(jī)直接驅(qū)動的形式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,但是對電機(jī)要求很高且效率不高,在低速運行時動力性較差.加裝固定速比減速器后對電機(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題.目前國內(nèi)外市場上純電動汽車大多數(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.然而對于固定速比減速器的純電動汽車,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,搭載變速器的電動汽車,可通過擋位的變更擴(kuò)寬動力源的工作區(qū)域,且通過改變換擋時機(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力性差的問題.

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

電動汽車的動力源為電機(jī),目前國內(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10000rpm,所以目前電動汽車通常采用單擋變速器,結(jié)構(gòu)簡單,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附近才有較高值,而在其他區(qū)域的效率相對較低,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傳動系統(tǒng),其換擋控制策略能實現(xiàn)自動平順換擋,且換擋時間短和AMT換擋過程簡單,無需進(jìn)行復(fù)雜的離合器協(xié)調(diào)操作,因此以兩擋AMT作為研究對象.

1 計算兩擋AMT傳動比

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

對兩擋AMT純電動汽車進(jìn)行換擋協(xié)調(diào)設(shè)計過程中,要保障汽車電池、電機(jī)等參數(shù)不變,依據(jù)純電動汽車設(shè)計要求,匹配適宜的兩擋傳動比.本文對電動汽車的性能要求如表1所示.

表1 電動汽車性能要求

純電動汽車的主減速比是一個固定值,因此其搭載的變速箱只需要確定兩個擋位的傳動比.確定變速箱的最大傳動比是關(guān)鍵,影響變速箱最大傳動比的因素是車輛與地面的附著力,以及在最大爬坡狀態(tài)下汽車電機(jī)的扭矩,要確保驅(qū)動力始終大于阻力,傳動比數(shù)值越高車輛的爬坡能力越強(qiáng).同時,為了避免純電動汽車出現(xiàn)打滑問題,要確保驅(qū)動力不高于汽車輪胎與地面的附著力[3].

(1)

公式(1)中Fαmax表示純電動汽車在最大爬坡狀態(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)、滾動阻力(Ff)以及最低通過速度風(fēng)阻(Fw)三個部分組成.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)動輪的垂直反饋力.其中,計算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表示擋位傳動比,將參數(shù)代入公式之后,得到二擋傳動比(i2)范圍[0.39,0.85],一擋傳動范圍為[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范圍之后,開始搭建傳動系統(tǒng)模型.如圖1所示,本文中的電動汽車傳動系統(tǒng)主要由AMT、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動變速控制器以及主減速器組成,車輛行駛過程中,驅(qū)動電機(jī)負(fù)責(zé)提供驅(qū)動力,通過兩擋AMT變速器將驅(qū)動力傳遞給車輪以及主減速器,令駕駛員可以根據(jù)實際駕駛需求靈活調(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代表電池組件的開路電壓,Voc-cell(Temp,SOC)則代表電池組件單體開路電壓,Bcell為電池組內(nèi)串聯(lián)電池實際數(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)動電機(jī)模型

油門開度以及驅(qū)動電機(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)實際轉(zhuǎn)速,f(ωm,Tm)則為電機(jī)工作效率,變量ηc表示驅(qū)動變速一體化控制裝置的工作效率.

電動機(jī)模型主要是對目標(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,以保證電動機(jī)輸出特性.電動機(jī)模型如圖2所示.

圖2 電動機(jī)模型

2.3 整車行駛阻力矩

電機(jī)驅(qū)動力經(jīng)由AMT變速箱形成輸出轉(zhuǎn)矩,再經(jīng)過主減速器、半軸傳遞至車輪,則車輪行駛阻力計算公式為:

(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)實際的沖擊參數(shù)調(diào)整驅(qū)動電機(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)動電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量,J2為齒輪轉(zhuǎn)動慣量.根據(jù)現(xiàn)有的國際標(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)速同步時間.車輛行駛過程中,AMT變速箱受到的沖擊度以及換擋時間,與轉(zhuǎn)速差控制緊密相關(guān).本次設(shè)計中,設(shè)計人員使用PID控制裝置,并搭配有限狀態(tài)切換控制模式,實現(xiàn)對于轉(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程中,電機(jī)的轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)一定程度的降低.因此,在換擋時要為變速箱設(shè)定修正值,由一擋換到二擋時轉(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,開始執(zhí)行換擋操作,此時安裝在純電動汽車上的微型控制單元(MCU)對電機(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)動控制策略、AMT換擋控制策略、車輛模型有機(jī)地結(jié)合起來,最終形成電動汽車系統(tǒng)仿真模型如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)仿真模型

4 仿真驗證

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

圖6 US06工況車速和仿真車速曲線

經(jīng)過圖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工況下再對電動機(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 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線

圖8 電動機(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 制動踏板強(qiáng)度變化曲線

通過以上仿真曲線可以看出,仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求.完成設(shè)計工作之后,嘗試對二擋AMT換擋協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行有效性驗證.采用升降擋測試的方式,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.通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),在0～100km/h加速實驗中,兩擋AMT的換擋時間始終保持在0.5s以內(nèi),最大沖擊度始終沒有超過8.0m/s3.在NEDC市區(qū)路況場景下,升擋/降擋的時間未超過0.6s,最大沖擊度為7.8m/s3.此外,對安裝的兩擋AMT變速箱的純電動汽車進(jìn)行換擋實驗,通過實驗發(fā)現(xiàn)AMT變速箱升擋和降檔時間合理,且換擋過程較為平滑,車輛速度變化不存在明顯波動,駕駛體驗較好,由此證明本次換擋協(xié)調(diào)控制設(shè)計符合要求.

5 結(jié)論

在努力實現(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減速器,其傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速比為固定值,無法進(jìn)一步激發(fā)純電動汽車的潛能.為了妥善處理這一問題,積極嘗試?yán)脙蓳魽MT變速箱令傳動系統(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)建傳動系統(tǒng)模型并制定換擋控制策略,經(jīng)仿真驗證了兩擋AMT變速箱換擋協(xié)調(diào)策略的有效性,為純電動汽車的發(fā)展提供技術(shù)支持.