純電動汽車無離合器式AMT換檔控制研究

汪斌

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純電動汽車無離合器式AMT換檔控制研究

汪斌

（東風(fēng)汽車股份有限公司，湖北 武漢 430057）

介紹了無離合器式AMT在純電動汽車上的應(yīng)用，詳細描述AMT系統(tǒng)的換擋控制及換擋控制策略的制定。通過某純電動環(huán)衛(wèi)車實車道路搭載試驗，驗證了系統(tǒng)的有效性。

純電動汽車；無離合器；AMT；換檔控制

前言

機械式自動變速器（AMT，atuomated mechanical trans -mission）換擋過程控制是動力總成控制的核心技術(shù)之一。車輛換檔控制要求平穩(wěn)、快捷。目前電動汽車采用驅(qū)動電機系統(tǒng)作為其驅(qū)動力的來源，驅(qū)動電機系統(tǒng)的機械特性與發(fā)動機系統(tǒng)完全不一樣。為了滿足需求，需要研究純電動車輛AMT的換檔過程，包括動態(tài)協(xié)調(diào)控制，換檔規(guī)律，執(zhí)行機構(gòu)的控制等等關(guān)鍵技術(shù)[1]。

1 現(xiàn)狀

AMT是通過在固定軸式手動變速箱上加裝離合器、選換檔執(zhí)行機構(gòu)及其相應(yīng)的電子控制單元來實現(xiàn)自動換檔過程，不需要駕駛員手動操作離合器和換檔撥叉，降低了對駕駛員技術(shù)的要求。

國外開始研究AMT技術(shù)源于二十世紀七十年代中期，并在八十年代中期取得了一些進展。1985年，日本五十鈴公司在ASKA轎車上裝上了 NAVI-5型全自動機械式變速器，此后，美國福特公司、法國雷諾公司及意大利的菲亞特公司都相繼制造出此類變速器[2]。

中國從上世紀80年代初開始了AMT技術(shù)的研究工作"目前在理論研究上已接近國際水平"部分變速器生產(chǎn)廠家已具備了量產(chǎn)能力“但大部分研究工作都針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機車”。傳統(tǒng)汽車AMT系統(tǒng)由發(fā)動機、離合器、變速器本體、自動換檔執(zhí)行機構(gòu)組成。其換檔過程可分為5步：分離離合器——摘擋——選檔——掛檔——結(jié)合離合器[3-4]。離合器控制技術(shù)的效果直接影響AMT換檔過程的沖擊度和摩擦功的大小[5]。對于傳統(tǒng)車輛，采用AMT具有以下優(yōu)點[6]：

（1）它可比普通手動檔變速器節(jié)油約5%—7%，并較低CO2的排放，與裝備自動變速器的車相比，燃油經(jīng)濟性和排放的改善可達10%；

（2）其次是操作簡單：無需操縱離合器踏板，換檔時無需操縱加速踏板，即可實現(xiàn)快速換檔并使得發(fā)動機在最佳轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)工作，在城市交通日益擁堵的今天該優(yōu)點顯得格外突出，是經(jīng)濟型車的主要發(fā)展方向；

（3）再者，由于AMT可以安裝在各種結(jié)構(gòu)的手動變速器內(nèi)，比其它類型的自動變速更能降低生產(chǎn)及維修成本。

對純電動車用的AMT研究尚處于起步階段，且多集中于電動客車用AMT的研究[1，7-10]。

2 無離合器AMT系統(tǒng)組成與工作原理

該車的動力總成由驅(qū)動電機、AMT變速器和控制器組成（圖1），動力電池提供電源。在傳統(tǒng)裝備AMT的車輛上，發(fā)動機與AMT之間是通過離合器連接的，其AMT的換檔過程由控制系統(tǒng)模仿熟練駕駛員手動換檔的操作方式，離合器的分離和結(jié)合控制是重點和難點。而在本車上，驅(qū)動電機和AMT是通過聯(lián)軸器直接連接的，利用控制的快速響應(yīng)和精確控制，實現(xiàn)無離合器的換檔控制。則純電動車輛正常換檔完全依賴于驅(qū)動電機與AMT的配合，如何通過控制來實現(xiàn)快速、平穩(wěn)換檔是控制策略中的基本問題之一。

圖1 AMT純電動車輛系統(tǒng)框圖

電動車輛上存在眾多的控制系統(tǒng)，在本車上直接涉及換檔控制的就有整車控制器（VCU），電機控制器（MCU），和AMT控制器（TCU）。為實現(xiàn)上述控制目標，需要控制系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)配合，這樣就需要大量的信息交換和快速的控制響應(yīng)。為此需要采用高速的CAN總線實現(xiàn)控制系統(tǒng)間的控制信息交互，工作原理是：駕駛員通過加速踏板、制動踏板和換檔手柄施加車輛操控，VCU接收駕駛員的操作指令，解析成駕駛員的操作意圖，根據(jù)傳感器和CAN總線得到的車輛車速、電機轉(zhuǎn)速，當前檔位等車輛狀態(tài)信息，確定是否需要改變檔位并根據(jù)換檔規(guī)律得到目標檔位。當需要改變時，VCU發(fā)出換檔指令，控制MCU和TCU完成自動換檔的過程[10]。

3 驅(qū)動電機的工作模式

在AMT的換檔過程中，在不同的換檔階段，需要驅(qū)動電機處于不同的運行狀態(tài)，使得換檔平順。在電動汽車中，驅(qū)動電機一般有3種工作模式：力矩模式、自由運行模式和速度模式。電動汽車處巡航等特殊工況外，一般采用力矩控制策略，力矩模式是驅(qū)動電機最常使用的，在此模式下，整車控制器（VCU）根據(jù)加速踏板等駕駛員的操作，計算目標扭矩，并通過CAN總線發(fā)送給電機控制器（MCU），控制驅(qū)動電機發(fā)出相應(yīng)的扭矩驅(qū)動車輛行駛。自由運行模式下，電機力矩T=0，電機克服摩擦和電磁阻力自由運行，不施加控制。在需要精確控制電機轉(zhuǎn)速的工況下，需要使用速度模式，給MCU發(fā)送目標轉(zhuǎn)速，控制電機快速、平穩(wěn)的達到這個轉(zhuǎn)速。

除工作模式外，在純電動車上，為滿足加速、倒車及能量回饋的要求，驅(qū)動電機需要四象限工作的工作能力，即①前向驅(qū)動②前向制動③反向驅(qū)動④反向制動狀態(tài)。圖2給出了驅(qū)動電機第一象限的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-效率特性，圖中，紅色粗點畫線是驅(qū)動電機系統(tǒng)的外特性曲線。

圖2 驅(qū)動電機萬有特性

4 換檔過程控制

4.1 變速器簡介

本文中的AMT采用手動5檔變速箱通過Add-on方式改造而來，即在原有手動變速器的本體上，加裝選、換檔執(zhí)行機構(gòu)，該執(zhí)行機構(gòu)由變速器控制器TCU分別控制選檔和換檔電機，驅(qū)動選換檔機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動作。變速器的各檔速比為：5.015，2.543，1.536，1.000，0.789。

4.2 AMT的工作模式

AMT具有自動控制模式和手動控制模式。手動模式，就是有駕駛員控制變速器的加減檔操作，駕駛員通過手柄發(fā)出指令之后，控制器判斷是否處于最高或最低檔，若不是，則強制執(zhí)行駕駛員的加減檔指令。

在自動模式下，變速器所處的狀態(tài)和檔位是有VCU根據(jù)整車工況決定的，同時，在駕駛員換檔手柄上還存在P、R、N、D四種狀態(tài)，狀態(tài)之間的切換也關(guān)系到車輛的行駛安全。圖3和表1 給出了變速器狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系與條件。

圖3 檔位狀態(tài)轉(zhuǎn)換

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

4.3 AMT的換檔規(guī)律

為簡化換檔規(guī)律，使之有較強的適應(yīng)性，在自動換檔模式下，根據(jù)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速確定是否需要變換檔位。各檔轉(zhuǎn)速的工作范圍定義如表2：

表2 各檔位電機工作轉(zhuǎn)速范圍

4.4 換檔過程中電機控制

當整車控制器根據(jù)車速及加速踏板（制動踏板）的位置計算出相應(yīng)擋位時，由VCU控制器對換檔過程中電機的狀態(tài)進行控制，TCU根據(jù)VCU確定的目標檔位控制變速器選、換檔電機進行動作，以升檔過程為例，敘述AMT換檔過程中電機的控制策略，具體過程如下[11]：

（1）升檔前，驅(qū)動電機工作在力矩模式，駕駛員踩加速踏板的信號送入VCU，VCU計算相應(yīng)的目標扭矩通過CAN總線發(fā)送給MCU執(zhí)行。當VCU判斷需要換檔時，電機控制器接到VCU控制器發(fā)送的自由模式命令，使電機處于自由工作模式，此時電機輸出力矩為0，電機自由旋轉(zhuǎn)；當TCU控制器接收到電機處于自由模式的信息后，進行摘空檔操作，當換檔位置達到目標位置后，摘空擋過程完成，TCU反饋信息給VCU。

（2）VCU控制器根據(jù)車速和目標擋位計算目標轉(zhuǎn)速，目標轉(zhuǎn)速由式1確定，即電機在新的檔位時的轉(zhuǎn)速加上轉(zhuǎn)速修正量[7]。VCU向電機控制器發(fā)送電機工作于調(diào)速模式的指令和目標轉(zhuǎn)速；電機控制器接到調(diào)速模式命令后，控制電機工作于調(diào)速模式，且電機轉(zhuǎn)速迅速地調(diào)整到與目標轉(zhuǎn)速。同時，TCU進行選檔操作，為完成進檔做準備。

式中，n為目標轉(zhuǎn)速；n換檔車速下新檔位對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速修正量；是換檔時刻的車速，在換檔過程中，設(shè)車速不變；i為新檔位的變速器速比；0為主減速器速比；為車輪滾動半徑；

（3）當VCU接收到電機轉(zhuǎn)速達到目標轉(zhuǎn)速時，VCU控制器向電機控制器發(fā)送電機工作于自由模式的指令，電機輸出力矩為0，自由旋轉(zhuǎn)；當TCU接收到電機處于自由模式之后，進行掛擋操作。

（4）TCU檢測到掛擋完成后，向VCU發(fā)出進檔完成信號，VCU即向MCU發(fā)出恢復(fù)力矩工作模式的指令，使電機對外輸出力矩，正常驅(qū)動車輛行駛。此時，即完成了AMT 在一次換檔過程中對電機的控制。此后，車輛在新的擋位上將根據(jù)加速踏板（制動踏板）的位置繼續(xù)行駛。上述控制流程見圖。

圖4 換擋流程圖

5 實車驗證

搭載本文開發(fā)的電動AMT變速箱總成的純電動環(huán)衛(wèi)車，進過實車實現(xiàn)15000km的可靠性路試試驗，系統(tǒng)零故障，并且實現(xiàn)了優(yōu)化能量利用率，減輕環(huán)衛(wèi)工作強度的設(shè)計目的。

6 全文總結(jié)

本文詳細論述了某純電動環(huán)衛(wèi)車用無離合器式AMT系統(tǒng)的換擋控制過程控制，換擋規(guī)律的設(shè)計，換擋流程等。經(jīng)過實車道路搭載試驗，驗證了設(shè)計系統(tǒng)的有效性和可靠性。

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Research on AMT shift control for the pure electric vehicle without cluctch

Wang Bin

( Dongfeng Automobile Co., Ltd, Hubei Wuhan 430057 )

This paper introduces the application of clutch-less AMT in pure electric vehicle, describes in detail the shift control of AMT system and the formulation of shift control strategy. The effectiveness of the system is verified through a road test of a pure electric vehicle.

pure electric vehicle; clutch-less; AMT; shift control

A

1671-7988(2018)24-21-04

U463.2

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1671-7988(2018)24-21-04

U463.2

汪斌（1979-），男，漢族，湖北武漢人。高級工程師。研究方向為電動汽車和汽車動力學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.007