電動(dòng)汽車自動(dòng)變速器技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘要：本文通過對(duì)裝配自動(dòng)變速器的電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)和背景進(jìn)行分析，引出自動(dòng)變速器的分類及作用，接著對(duì)自動(dòng)變速器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。其中包括電動(dòng)汽車換擋規(guī)律、換擋過程控制策略、機(jī)械結(jié)構(gòu)中傳動(dòng)比的優(yōu)化方法、數(shù)字仿真和硬件在環(huán)仿真技術(shù)等方面。最后，總結(jié)出電動(dòng)汽車自動(dòng)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(jié)構(gòu)來達(dá)到更好性能。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;自動(dòng)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(jī)和環(huán)境污染等問題越發(fā)嚴(yán)重，使研究人員開始研究純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池汽車。而電動(dòng)汽車因其環(huán)境友好性和驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。變速器是電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，其性能對(duì)電動(dòng)汽車整車的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性、舒適性等有著重要的影響。裝載自動(dòng)變速器的車輛，可以使駕駛員不再像駕駛手動(dòng)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(diǎn)。

目前，小型電動(dòng)汽車多采用固定速比的單擋減速器，這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)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(dòng)電機(jī)發(fā)揮最大效率，同時(shí)可能在高速區(qū)時(shí)有噪聲，并且容易使驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生大量熱量，以及對(duì)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?fàn)恳姍C(jī)長期處于高轉(zhuǎn)矩大電流的工作狀態(tài)下，電機(jī)效率比較低，從而使續(xù)駛里程減小。而裝配了自動(dòng)變速器則可以通過較少改變電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩來適應(yīng)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(dòng)汽車自動(dòng)變速器分類

電動(dòng)汽車使用電機(jī)取代了傳統(tǒng)燃油車中的汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，但就傳動(dòng)系統(tǒng)而言是通用的，目前國際上自動(dòng)變速器主要有以下4種：液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automatic Transmission，AT）、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission，AMT ）、機(jī)械無級(jí)式自動(dòng)變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）、雙離合器式自動(dòng)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(dòng)變速技術(shù)在沃爾沃混合動(dòng)力版垃圾處理車FE和日野混合動(dòng)力大巴Selega上有所應(yīng)用。其換擋平穩(wěn)，操縱容易，在一定范圍內(nèi)有無級(jí)變速、變矩的能力，對(duì)負(fù)載變化有較好適應(yīng)性，但是傳動(dòng)效率較低，經(jīng)濟(jì)性較差，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造困難，成本較高。

AMT是在傳統(tǒng)固定軸式變速器的基礎(chǔ)上加裝電控單元及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)變速器改動(dòng)較小，成本低，能傳遞較大轉(zhuǎn)矩，傳動(dòng)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(huì)產(chǎn)生沖擊和動(dòng)力中斷，控制方法需要進(jìn)一步改進(jìn)。典型的車型有中通客車V10K，蘇州金龍海格KLQ6129GHEV，奧運(yùn)會(huì)純電動(dòng)客車，福田歐輝純電動(dòng)城市客車 BJ6123。

CVT結(jié)構(gòu)簡單、體積小，主要由主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組和金屬帶組成，通過主、從動(dòng)輪中可動(dòng)盤的移動(dòng)來改變主、從動(dòng)輪與金屬帶的嚙合半徑，從而實(shí)現(xiàn)變速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。CVT在混合動(dòng)力汽車上得到了廣泛應(yīng)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(dòng)變速箱基礎(chǔ)之上。而與手動(dòng)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(jī)械電子模塊來實(shí)現(xiàn)，即這種變速箱形式就有兩個(gè)離合器，一個(gè)控制奇數(shù)擋，一個(gè)控制偶數(shù)擋。交替使用，換擋時(shí)間大大縮短。

3 電動(dòng)汽車自動(dòng)變速器關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電動(dòng)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(dòng)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(duì)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(diǎn)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等，但當(dāng)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(shí)際工作狀態(tài)的重要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)——加速度引入換擋控制，形成動(dòng)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(biāo)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(dòng)力性換擋規(guī)律，經(jīng)濟(jì)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(yàn)及領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)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(shí)與最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律進(jìn)行性能比較，著重研究基于電機(jī)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(dòng)電機(jī)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(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)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(dòng)力性與動(dòng)力傳動(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)主要有滑磨功，沖擊度，換擋時(shí)間，這幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相互制約，如果追求換擋時(shí)間短，則會(huì)造成沖擊度大，如果想要降低沖擊度，則又會(huì)造成滑磨功增大，因此需要對(duì)這幾個(gè)量進(jìn)行綜合控制，以達(dá)到最佳的換擋品質(zhì)。

對(duì)于電動(dòng)汽車換擋過程，主要研究電機(jī)和變速器的協(xié)調(diào)控制，常采用建模仿真與臺(tái)架或?qū)嵻囋囼?yàn)相結(jié)合的方法，首先建立電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)，自動(dòng)變速器的數(shù)學(xué)模型，然后將控制過程中的影響因素作為仿真參數(shù)，按設(shè)定的目標(biāo)進(jìn)行仿真計(jì)算，最后通過試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。任剛分析了直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的AMT換擋過程中離合器結(jié)合過程的控制算法對(duì)換擋品質(zhì)的影響，提出了一種以發(fā)動(dòng)機(jī)主從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩為基礎(chǔ)的離合器控制策略。柴本本等針對(duì)換擋過程不同階段同步器動(dòng)力學(xué)模型的復(fù)雜性和不確定性，提出了一種最優(yōu)控制策略對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反饋補(bǔ)償和采用非線性時(shí)間最優(yōu)控制對(duì)換擋電機(jī)進(jìn)行位置控制，以優(yōu)化整個(gè)換擋過程。

3.3 傳動(dòng)比優(yōu)化方法

電動(dòng)汽車傳動(dòng)比的優(yōu)化方法主要是根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)，利用一些算法進(jìn)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(duì)整車傳動(dòng)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(shè)計(jì)方法。張抗抗等采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，提出一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配方法。方圣楠等通過動(dòng)力學(xué)建模與仿真，對(duì)基于最優(yōu)控制的變速器換擋控制進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)普通分段控制方法和最優(yōu)控制方法進(jìn)行對(duì)比。

3.4 純數(shù)字仿真與硬件在環(huán)仿真開發(fā)技術(shù)

自動(dòng)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(yīng)于不同領(lǐng)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(shù)可以減小電動(dòng)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(dòng)汽車的參數(shù)選擇以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。對(duì)于純數(shù)字仿真軟件主要有MATLAB、ADVISOR和CRUISE等。

陳剛等針對(duì)純電動(dòng)汽車存在的技術(shù)瓶頸，以動(dòng)力性能指標(biāo)和續(xù)駛里程為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算匹配，基于ADVISOR和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)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(duì)匹配后的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力性、排放性和續(xù)駛里程的仿真分析。結(jié)果表明增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配合理。張強(qiáng)等通過Optimum Lap進(jìn)行賽道建模和試驗(yàn)工況設(shè)定，利用AVL CRUISE對(duì)賽車進(jìn)行動(dòng)力性能仿真分析，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力電池，傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)半軸等設(shè)計(jì)的合理性，得到了賽車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)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(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)中硬件的動(dòng)作情況，更貼近于實(shí)車環(huán)境。目前，應(yīng)用較為廣泛的有基于xPC和dSPACE平臺(tái)等開發(fā)模式。

王悅新等采用時(shí)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(duì)電子駐車系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真。結(jié)果顯示系統(tǒng)可以全面準(zhǔn)確地進(jìn)行電子駐車控制，提高車輛行駛安全性。張新等利用MATLAB/Simulink進(jìn)行串聯(lián)混合動(dòng)力整車控制主要策略的建模仿真，并在MicroAutoBox上進(jìn)行策略模型的基本驗(yàn)證，利用TargetLink工具生成16位單片機(jī)為核心的產(chǎn)品級(jí)代碼，下載到設(shè)計(jì)開發(fā)的整車控制器中進(jìn)行整車控制器（VCU）的硬件在環(huán)以及裝車的驗(yàn)證，后期在樣車上進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的標(biāo)定，完成了混合動(dòng)力客車整車控制器的開發(fā)。

4 電動(dòng)汽車自動(dòng)變速器發(fā)展趨勢

在今后幾年的發(fā)展中，純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)多擋化將會(huì)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(duì)電機(jī)參數(shù)的選取，而且還可以使電機(jī)工作在高效區(qū)域，增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程;控制策略更加智能化，自動(dòng)變速控制系統(tǒng)將向綜合考慮駕駛員意圖（主動(dòng)干預(yù)）、車輛狀態(tài)（包括運(yùn)動(dòng)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(luò)控制等先進(jìn)理論越來越多應(yīng)用于自動(dòng)變速器，使控制更加精確;在傳統(tǒng)自動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化換擋規(guī)律和變速器結(jié)構(gòu)，使電動(dòng)汽車獲得更佳的性能。

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基金項(xiàng)目：西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目“電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速器換擋控制技術(shù)研究”（編號(hào)：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(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)。

（作者單位：西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院）