某純電動(dòng)汽車兩檔自動(dòng)變速箱換擋規(guī)律的制定及品質(zhì)研究

鐘君思 毛征宇 席守軍 蔡志華

摘 要：文章給匹配了兩擋自動(dòng)變速器的某小型純電動(dòng)汽車制定了一種兼顧動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的換擋策略并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。利用Matlab/simulink建模仿真，對(duì)比了優(yōu)化前后NEDC電耗和百公里加速時(shí)間，來評(píng)價(jià)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能。搭建了二分之一純電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用優(yōu)化后的換擋策略進(jìn)行換擋臺(tái)架實(shí)驗(yàn)來獲得沖擊度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制定的換擋策略所執(zhí)行的換擋過程中，沖擊度在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，換擋品質(zhì)良好;同時(shí)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性都有所提高，制定的換擋策略合理有效，對(duì)于未來多擋位電動(dòng)車的發(fā)展具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;換擋策略;換擋沖擊;換擋品質(zhì)

中圖分類號(hào)：U463.212 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-01-07

Abstract： In this paper， a small pure electric vehicle matched with a two-speed automatic transmission is formulated and optimized for a shift strategy that takes into account both power and economy. Using cruise modeling and simulation， the power consumption and economic performance of NEDC before and after optimization are compared to evaluate the power and economic performance. A half-pure electric vehicle experiment platform was built， and the optimized shift strategy was used to conduct the shift bench experiment to obtain the impact degree. The experimental results show that during the shifting process performed by the developed shifting strategy， the impact degree is within the range of national standards and the shifting quality is good; at the same time， the power economy is improved， and the developed shifting strategy is reasonable and effective The development of multi-speed electric vehicles has certain significance.

Keywords： Pure electric vehicle; Shift strategy; Shift shock; Shift quality

CLC NO.： U463.212 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-01-07

引言

在全球主張未來新能源汽車代替純?nèi)加推嚨拇蟊尘跋?，純電?dòng)汽車的技術(shù)發(fā)展還存在一些難題。現(xiàn)出現(xiàn)在市面上的純電動(dòng)汽車基本都是固定擋位，固定擋位的純電動(dòng)汽車無法將電機(jī)的特性發(fā)揮更好，也無法更大范圍的調(diào)整車速。針對(duì)這一缺點(diǎn)，很多車企、高校開始了對(duì)純電動(dòng)汽車匹配多擋變速器的研究，動(dòng)力系統(tǒng)多擋位化將成為未來一個(gè)趨勢(shì)[1]。搭載變速器后，制定合理的換擋策略，才能使變速器與電機(jī)、整車的性能達(dá)到最優(yōu)。

對(duì)于電動(dòng)汽車的多擋位的研究，向陽(yáng)總結(jié)了包括混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車在內(nèi)的變速箱的發(fā)展歷史，它可以分為四個(gè)方面：換擋策略，換擋控制，換擋質(zhì)量評(píng)估和實(shí)驗(yàn)研究四個(gè)層面[2]。部分高校已經(jīng)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。英國(guó)薩里大學(xué)的Arash M. Gavgani 等人以一組通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的車輛模型進(jìn)行模擬換檔，對(duì)混合動(dòng)力電汽車進(jìn)行了最佳換擋控制[3]。Sorniotti教授等設(shè)計(jì)了新型雙速傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械布局，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)最佳換擋[4]?，F(xiàn)普遍基于兩參數(shù)制定換擋策略，也有少數(shù)基于三參數(shù)制定換擋策略[5]，但該技術(shù)、理論不成熟，基本都采用兩參數(shù)換擋策略。合肥工業(yè)大學(xué)的江昊等人針對(duì)經(jīng)濟(jì)性換擋做出研究[6]，重慶大學(xué)李聰波將動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性考慮其內(nèi)面向更低能耗制定了換擋策略[7]，整車經(jīng)濟(jì)性都得到提高。胡建軍等人對(duì)AMT換擋控制方面提出了控制方法，該方法經(jīng)過了樣車試制，能夠進(jìn)行有效的平順的換擋[8]。陳淑江，秦大同以不同負(fù)荷下ECE能耗制定了兼顧動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的換擋策略[9]，北京理工大學(xué)宋強(qiáng)利用多目標(biāo)遺傳算法制定了AMT綜合性換擋策略[10]，兩者都提升了換擋整體性能。南昌大學(xué)黃菊花等人利用Adams軟件對(duì)無離合器機(jī)械式自動(dòng)變速器做了換擋仿真研究，詳細(xì)的分析了影響換擋品質(zhì)的因素[11]。葉杰等人對(duì)一種無動(dòng)力中斷的二擋變速器考慮沖擊度和磨滑功制定了綜合性換擋策略[12]。吉林大學(xué)的高炳朝對(duì)一種離合器、AMT反置的變速箱實(shí)現(xiàn)了無扭矩孔平滑換擋控制[13]。馮天設(shè)計(jì)并測(cè)試了電動(dòng)汽車多齒輪變速箱的變速控制系統(tǒng)，他設(shè)計(jì)了變速箱控制單元以改變變速箱的變速質(zhì)量[14]。辛立研究了縮短手動(dòng)兩速變速器轉(zhuǎn)矩中斷時(shí)間的控制方法，提高了換擋質(zhì)量[15]。但是以上論文都沒有以換擋時(shí)刻沖擊度作出獨(dú)立的品質(zhì)驗(yàn)證，缺乏針對(duì)性。

本文研究針對(duì)配備兩速AMT的小型純電動(dòng)汽車開發(fā)了針對(duì)歐洲城市工作條件（NEDC）的綜合換擋策略。然后使用MATLAB / Simulink建立純電動(dòng)汽車模型，搭建動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，分析換擋過程中的換擋沖擊，并通過與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較來評(píng)估換擋質(zhì)量。同時(shí)，利用巡航軟件模擬了制定變速策略前后的經(jīng)濟(jì)和動(dòng)態(tài)性，驗(yàn)證了所開發(fā)變速策略的可行性和實(shí)用性。

1 研究對(duì)象

本論文以某小型純電動(dòng)A0級(jí)單機(jī)減速器轎車為研究對(duì)象，匹配自動(dòng)變速器后，主要研究如何讓純電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)、安全、高效的自動(dòng)換擋。通過給變速器控制器制定一套換擋策略來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。該車在前期進(jìn)行完動(dòng)力匹配后，主要參數(shù)如下表所示。

2 換擋策略的制定與優(yōu)化

自動(dòng)換擋的原理如圖1所示，AMT變速器與電機(jī)都有各自的控制器，他們通過CAN總線共享信息，電機(jī)控制器采集駕駛員架示意圖，如：踏板信息，制動(dòng)信息等。變速器控制器通過CAN采集到了這些信息，適合于所制定好的換擋策略自動(dòng)換擋，這就是自動(dòng)換擋的原理。因此，換擋策略的制定是關(guān)鍵一步。

2.1 以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的換擋策略

該純電動(dòng)汽車主要工作區(qū)域?yàn)槌鞘新窙r，對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，對(duì)于動(dòng)力性要求并不高，追求更多的是經(jīng)濟(jì)性，提出使電機(jī)能夠較高效工作的經(jīng)濟(jì)性換擋策略。電機(jī)效率沒有具體表達(dá)公式，不同擋位及不同踏板開度下的電機(jī)工作效率可通過電機(jī)效率map圖來一一對(duì)應(yīng)。圖2為該純電動(dòng)汽車的電機(jī)效率map圖，紅色區(qū)域是效率大于94%的高效區(qū)，越往外緣區(qū)域電機(jī)效率越低，電機(jī)工作時(shí)，盡可能使其工作在效率高的紅色區(qū)域。圖3是踏板開度在0.2開度時(shí)兩個(gè)擋位的電機(jī)工作效率曲線圖，交點(diǎn)H是兩個(gè)擋位下電機(jī)工作效率相等的點(diǎn)，交點(diǎn)之前一擋的工作效率大于二擋，隨著車速增大，交點(diǎn)之后，二擋的效率大于一擋，這時(shí)候應(yīng)該換擋，進(jìn)入高擋位行駛，此時(shí)換擋點(diǎn)為H點(diǎn)，保證電機(jī)高效率工作，換擋車速為52.1km/h。

如圖4所示，該圖是不同踏板開度下的電機(jī)效率，A、B、C、D、E點(diǎn)分別是踏板開度在0.2，0.4，0.6，0.8，1下的兩擋電機(jī)工作效率的交點(diǎn)，交點(diǎn)分別是52.1km/h，54.2km/h，51.9km/h，50.8km/h，58.3km/h，同有：在這些交點(diǎn)之前電機(jī)工作在一擋時(shí)效率較高，之后二擋效率超過一擋，代表著在此時(shí)換擋汽車可以保持在電機(jī)工作效率較高的情況下行駛，以這些點(diǎn)為升擋點(diǎn)。選擇用10km/h的速度差作為降擋點(diǎn)，圖5便是不同踏板開度下經(jīng)濟(jì)性換擋曲線，黑線為升擋曲線，紅線為降擋曲線。

2.2 以動(dòng)力性為目標(biāo)的換擋策略

雖然經(jīng)濟(jì)性是電動(dòng)汽車主要考慮的因素，但是一臺(tái)汽車的動(dòng)力性也是人們重視的一項(xiàng)購(gòu)車性能。為了獲得更大的動(dòng)力性，提出動(dòng)力性換擋。動(dòng)力性換擋以加速度為換擋目標(biāo)，在二擋加速度大于一擋時(shí)的速度點(diǎn)進(jìn)行換擋。下圖6是不同踏板開度下電機(jī)輸出扭矩圖，該電機(jī)最大扭矩為150N/m，在額定轉(zhuǎn)速下，扭矩保持著不變，超過額定轉(zhuǎn)速后，隨著轉(zhuǎn)速增大，扭矩慢慢變小;加速度變化趨勢(shì)與扭矩變化相對(duì)應(yīng)，在某一車速前，加速度保持不變，隨著速度越來越大，加速度慢慢變小。根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)公式，整車加速度為：

汽車在行駛時(shí)，要克服滾動(dòng)阻力Ff，坡道阻力Fi，空氣阻力Fw，在城市道路行駛時(shí)，忽略坡道阻力，即θ=0。利用加速度公式，畫出在不同踏板開度下兩個(gè)擋位的加速度--速度曲線，找到兩擋曲線的交點(diǎn)，即為換擋點(diǎn)，或者兩曲線是一段交線，可以任意選擇交線段的某一點(diǎn)作為換擋點(diǎn)，但盡量選擇離扭矩剛好變化的點(diǎn)，避免造成沖擊性大。如圖6（b）所示，兩曲線所包圍的區(qū)間是最佳換擋區(qū)域，從x點(diǎn)開始，二擋的加速度開始大于一擋，此時(shí)采用二擋工作，加速性性能更好，動(dòng)力性更高。直到y(tǒng)點(diǎn)，兩條線段開始重疊，即兩個(gè)擋位加速度相同。如圖6（c）所示，踏板開度從0一直到1的不同踏板開度，兩擋交點(diǎn)相差不大，交點(diǎn)分別為（44.0， 2.18），（47.8，1.74），（51.4，1.26），（52.1， 0.35），（54.2，0.27）。重疊的線速度段區(qū)域幾乎也是一致的，從60km/h開始重疊，直到速度達(dá)到一擋工作最大值74.8km/h時(shí)結(jié)束。即考慮在區(qū)域[31.2km/h，60km/h]范圍內(nèi)換擋。綜合考慮選擇速度為41km/h作為升擋點(diǎn)，31km/h作為降擋點(diǎn)。如圖6（d），即為動(dòng)力性換擋曲線，同樣，黑線為升擋曲線，紅線為降擋曲線。

2.3 綜合性換擋策略

以上分別針對(duì)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性換擋都考慮的是單方面因素，為了兼顧兩者，使車輛在整個(gè)行駛過程中保持最優(yōu)擋位狀態(tài)，將經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性換擋相結(jié)合，制定一個(gè)綜合性換擋策略。根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)，在中低載荷的時(shí)候，選擇經(jīng)濟(jì)性換擋，進(jìn)入高負(fù)荷區(qū)時(shí)，選擇動(dòng)力性換擋。在踏板開度在0至40%時(shí)選用經(jīng)濟(jì)性換擋，開度為40%到100%時(shí)選用動(dòng)力性換擋，綜合性換擋曲線如圖7所示，換擋曲線為中實(shí)線。

綜合性換擋策略具體車速如表3所示：

2.4 優(yōu)化換擋策略

在上述換擋策略基礎(chǔ)上進(jìn)行換擋策略的優(yōu)化，本文采用粒子群算法優(yōu)化換擋策略。粒子群算法（PSO）是一種進(jìn)化擇最優(yōu)解計(jì)算技術(shù)（evolutionary computation），該算法時(shí)Eberhart博士和kennedy博士在1995年提出的，他們觀察到鳥類捕食，從中得到啟發(fā)。在鳥類集體活動(dòng)捕食時(shí)，群體合作，隨機(jī)搜索。利用這一原理，建立了數(shù)學(xué)模型，從而演化為現(xiàn)今的粒子群算法。粒子群算法可以優(yōu)化數(shù)學(xué)問題、工程問題，求解過程為：

1）優(yōu)化目標(biāo)的提出。一般分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化，然后根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)分析目標(biāo)需求。

2）本文以汽車駕駛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性為優(yōu)化目標(biāo)，屬于多目標(biāo)優(yōu)化，多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)通過加權(quán)函數(shù)的方法降為單目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定優(yōu)化范圍，確定參數(shù)，設(shè)計(jì)變量。

3）利用計(jì)算機(jī)軟件建立函數(shù)模型，一般使用Matlab、iSIGHT等軟件。

4）計(jì)算得最優(yōu)解。

2.4.1 建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)電動(dòng)汽車一般工作環(huán)境，經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性的權(quán)重分析，在動(dòng)力性達(dá)到基本要求的前提下，追求的更多的是提高續(xù)航里程，經(jīng)濟(jì)性權(quán)重更高。用粒子群算法，選擇合適權(quán)重，優(yōu)化在前文所制定的綜合性換擋策略，在保證動(dòng)力性能的前提下，以降低電耗提高駕駛經(jīng)濟(jì)性，以縮短百公里加速時(shí)間提升動(dòng)力性為優(yōu)化目標(biāo)建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)變量為不同踏板開度下?lián)Q擋車速X。