電動(dòng)汽車行駛環(huán)境識(shí)別的方法與應(yīng)用研究

摘要：結(jié)合車輛重量、路面傾斜等因素，提出一種改進(jìn)EV換擋規(guī)則的新思路，以改善EV動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性。采用理論推導(dǎo)、仿真分析與實(shí)驗(yàn)等手段，開展基于車身重量與路面斜率識(shí)別的車輛動(dòng)態(tài)斜率識(shí)別精度與實(shí)用化研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的自動(dòng)變速器的控制策略是正確的，而且使用了機(jī)械式變速器，使電動(dòng)車的換檔質(zhì)量良好，為國(guó)內(nèi)新能源汽車的研發(fā)提供先進(jìn)、高效和高穩(wěn)定性的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，促進(jìn)新能源汽車的迅速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；行駛環(huán)境；整車質(zhì)量；道路坡度

中圖分類號(hào)：U471 ?收稿日期：2023-05-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.028

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

本文所涉及的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器、AMT變速箱、驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋組成。從動(dòng)力電池開始，電池中的動(dòng)力通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過AMT變速器、驅(qū)動(dòng)軸傳遞到驅(qū)動(dòng)橋，最后通過驅(qū)動(dòng)橋傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，從而推動(dòng)汽車前進(jìn)?？刂撇考饕姓嚳刂破?、電機(jī)控制器、AMT控制器、電池管理系統(tǒng)等。各控制器之間并非相互隔離，而是采用 CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的交互，這種雙向傳遞的架構(gòu)確保了車輛的安全運(yùn)行［1-2］。

2 電動(dòng)汽車整車質(zhì)量及坡度識(shí)別方法

2.1 基于動(dòng)力學(xué)的坡度識(shí)別

利用縱向動(dòng)力學(xué)方程（1）進(jìn)行道路坡度的辨識(shí)。式中道路坡度為未知的估計(jì)量，其他參數(shù)值均為已知量。

[Fx=mvx+12ρCDAv2x+mgsinθ+fcosθ] ????????（1）

式中，[Fx]為縱向驅(qū)動(dòng)力；[m]為車輛的質(zhì)量；[ρ]為空氣密度；[CD]為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積；[vx]為車輛的縱向速度；g為重力加速度；[θ]為路面坡度；[f]為路面滾阻系數(shù)。

令[y=Fx，u=mvx+12ρCDAv2x，b=mgsinθ+fcosθ]，則式（1）可以轉(zhuǎn)化為：

[y=u+b] ???????????????????????????????（2）

式中，y是汽車驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)功率，由VCU輸出數(shù)據(jù)得到。u是汽車重量與速度之間的關(guān)系，是一個(gè)已經(jīng)知道的數(shù)量。其中，b是車輛重量與斜率之間的關(guān)系，通過計(jì)算得到斜率與斜率之間的關(guān)系式。

用最小二乘法可以得到b的數(shù)值。在現(xiàn)實(shí)生活中，由于道路的斜率是在持續(xù)地改變的，因此這個(gè)數(shù)值也在改變，這一次的研究是在這個(gè)方法的基礎(chǔ)上，加入了一個(gè)忽略系數(shù)，以便得到b的數(shù)值。也就是當(dāng)[Vbk，k]為最小值且呈線性關(guān)系時(shí)，[bk]值被選中。

函數(shù)[Vbk，k]為：

[Vbk，k=12i=1kλk?iyi?ui?bk] ????????（3）

式中，[λ]為遺忘因子。

[λ]越大，精度越高，收斂速度越慢。綜合考慮精度和收斂速度，選擇合理的[λ]。

為取得極小值，[bk]滿足：

[bk=i=1kλk?i?1i=1kλk?iyi?ui] ????????（4）

為保證估計(jì)結(jié)果的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，采用帶[λ]的 RLS估計(jì)方法。

參數(shù)[bk]為：

[bk=bk?1+Lkyk?uk] ???????????（5）

最小二乘增益為：

[Lk=Pk?1/λ+Pk?1] ???????????????（6）

誤差協(xié)方差為：

[Pk=1?Lk?kPk?1] ???????????????（7）

基于動(dòng)力學(xué)方法的路面坡度估計(jì)值[θd]為：

[θd=sin?1b?fm2g21+f2?b21+f2mg] ????????????????（8）

2.2 基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的道路坡度辨識(shí)

汽車運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試采用了一種新型的汽車加速傳感器，其測(cè)量值[ax]受汽車加速方向、路面斜率等因素的影響。它們的關(guān)系符合：

[ax=vx+gsinθ] ????????????????????????????（9）

基于運(yùn)動(dòng)學(xué)方法的坡度估計(jì)值滿足：

[θk=sin?1ax?vxg] ??????????????????????（10）

2.3 基于動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方法融合的坡度辨識(shí)

為了克服汽車模型中的高頻噪音干擾，并改善路面動(dòng)態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性，利用低頻濾波器將[θd]中的高頻成分剔除掉。針對(duì)靜止誤差對(duì)ax影響很大的問題，提出了一種新的高通濾波器來(lái)去除k中的低頻分量，以達(dá)到改善測(cè)量結(jié)果的目的［3-6］。

它的坡度估算值滿足：

[θ=1τs+1θd+τsτs+1θk] ???????????????????????（11）

式中，[τ]為時(shí)間常數(shù)。

此方法有效兼顧路面坡度穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種條件，保證了坡度估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 電動(dòng)汽車換擋規(guī)律

3.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

3.1.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力性換擋規(guī)律

最佳動(dòng)力性換擋法則是指以車輛運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)特性為優(yōu)化指標(biāo)，以最大限度地挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)的功率潛能和增加車輛的平均車速為基本準(zhǔn)則而確定的一種換擋法則。在這種情況下，一般以傳動(dòng)裝置處于鄰近擋位時(shí)的車輛驅(qū)動(dòng)力曲線的交叉點(diǎn)或加速曲線的交叉點(diǎn)為換擋點(diǎn)。本文研究的電動(dòng)汽車使用加速度曲線的交點(diǎn)作為AMT的換擋點(diǎn)。為了確定電動(dòng)汽車的最佳動(dòng)態(tài)換擋規(guī)律，需要找出變速箱各檔位在不同車速下、不同油門踏板開度下的加速度，兩擋位與車輛加速度曲線的交點(diǎn)是最佳動(dòng)態(tài)換檔點(diǎn)。通過試驗(yàn)得知當(dāng)加速器踏板打開50%時(shí)，變速器第一擋和第二擋之間的車輛加速度曲線的交點(diǎn)，這是第一擋到第二擋的最佳動(dòng)力換擋點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)油門開啟程度、車輛摩擦系數(shù)等參數(shù)，得出了一組不同的擋位選擇值，也就是最優(yōu)的擋位選擇值。

3.1.2 電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

在電動(dòng)汽車中，動(dòng)力電池是一種能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，由動(dòng)力電池所提供的電能變成了機(jī)械能，從而推動(dòng)汽車進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，在提高汽車的續(xù)航里程和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)效率方面，都有著非常重要的意義。在此基礎(chǔ)上，提出了以傳動(dòng)馬達(dá)的效能為最優(yōu)的換擋法則，并以其為最優(yōu)的目的。利用圖解方法，找出了車輛在不同工況下，最優(yōu)的節(jié)能率。要想決定一輛電動(dòng)汽車的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)換擋規(guī)則，就必須找出每一個(gè)擋位在每一輛車的速度下，在每一個(gè)擋位上，都有相應(yīng)的傳動(dòng)馬達(dá)的效能，而兩個(gè)檔位上的傳動(dòng)馬達(dá)效能曲線的交叉點(diǎn)，就是汽車的最佳經(jīng)濟(jì)換擋點(diǎn)。通過試驗(yàn)可以看出，第一擋至第二擋的最優(yōu)切換點(diǎn)（以最大的經(jīng)濟(jì)性）是在油門踏板的打開程度是50%時(shí)的這兩個(gè)擋位電動(dòng)機(jī)的效率的交叉點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)汽車節(jié)油擋位進(jìn)行了優(yōu)化，得出了汽車節(jié)油擋位的最佳節(jié)油擋位曲線。在圖1中給出了電動(dòng)車的最優(yōu)能效換擋規(guī)律。

3.2 整車質(zhì)量對(duì)換擋規(guī)律的修正

在保證汽車在正常運(yùn)行時(shí)，在保證整車質(zhì)量不發(fā)生變化的情況下，提出了基于動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性的換擋法則。在低負(fù)荷情況下，若將高擋位設(shè)定在高擋位，將會(huì)使車輛的動(dòng)力損失增大，從而使車輛的續(xù)航能力下降。在重載條件下，若將擋位設(shè)定得過低，就會(huì)出現(xiàn)擋位周期，從而嚴(yán)重影響整車的動(dòng)力性能和乘坐舒適性。為此，在對(duì)汽車重量進(jìn)行了評(píng)價(jià)之后，由于汽車重量、路面傾斜等因素的影響，必須對(duì)原來(lái)的換擋規(guī)則進(jìn)行修改，因此該汽車的動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能得到了有效改善。

3.3 道路坡度對(duì)換擋規(guī)律的修正

3.3.1 上坡時(shí)的換擋規(guī)律

當(dāng)車輛在上坡時(shí)，由于有坡道的阻尼作用下，車輛的加速系數(shù)會(huì)比平緩道路的加速系數(shù)小。在此情況下，若仍采用平路上車輛的換擋規(guī)則，則將出現(xiàn)車輛功率比公路斜坡小，車輛速度下降的現(xiàn)象。當(dāng)車輛速度下降到下降的變化曲線下面時(shí)，車輛開始打滑。這個(gè)時(shí)候必須換擋，這個(gè)時(shí)候速度就會(huì)隨著牽引力的增大而增大。當(dāng)車輛速度大于車輛上升線時(shí)，車輛就會(huì)重新上升，這就是周期移動(dòng)的現(xiàn)象。這不僅會(huì)給乘客帶來(lái)不便，而且還會(huì)消耗車輛的能量，降低車輛的使用壽命。

為此，本文將車輛在上坡時(shí)的阻力改變做為一項(xiàng)設(shè)計(jì)要素，以此為基礎(chǔ)做此項(xiàng)設(shè)計(jì)，可有效地改善車輛在上坡時(shí)所產(chǎn)生的周而復(fù)始的移動(dòng)，讓車輛在坡道上仍能保持較好的駕駛狀態(tài)及優(yōu)良的駕駛感受。圖2所示為車輛從第一擋切換到第二擋時(shí)，沿任何斜率的變速曲線。由圖2可以看出，與平路上的變速曲線相比較，在某一斜坡時(shí)，變速曲線上的變速滯后相對(duì)較大。此外，當(dāng)車輛行駛在較高的斜坡時(shí)，換擋滯后也會(huì)增大。

3.3.2 下坡時(shí)的換擋規(guī)律

當(dāng)車輛在山坡路上運(yùn)行時(shí)，由于車輛在山坡路上受到的摩擦力比車輛在山坡路上所受的摩擦力要小，所以車輛的車速就會(huì)增大。這時(shí)也要借助平緩路面上車輛的變速曲線，使車輛的擋位逐步上升。在車輛行駛過程中，由于行車安全的需要，司機(jī)往往通過剎車來(lái)操縱車輛的速度。如果車輛在較長(zhǎng)的下坡路上持續(xù)地踩下剎車，則有可能導(dǎo)致剎車受熱，導(dǎo)致剎車失效。因此，在下坡的時(shí)候，內(nèi)燃機(jī)汽車需要降低擋位，這樣就可以在下坡的時(shí)候，通過發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)來(lái)達(dá)到對(duì)速度的控制，但是對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，不可以這樣做。

該系統(tǒng)采用了一種新型的全電動(dòng)汽車，在遇到大角度的陡坡時(shí)，需要在剎車時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行能量補(bǔ)償。電動(dòng)汽車的負(fù)荷是一個(gè)電池，用于給電池充電，在電池的充電效率與傳動(dòng)擋位有直接的聯(lián)系。較高擋位的換擋，會(huì)使電池更有效地充滿電，從而可以獲得更多的能源。但是，如果擋位太高，則對(duì)車輛的安全運(yùn)行不利。因此，在進(jìn)行下一步的電動(dòng)自行車的換擋規(guī)則的研究時(shí)，不僅要將能源回收的效率考慮進(jìn)去，還要將車輛的運(yùn)行安全也納入其中，它的變速規(guī)則與平路的變速規(guī)則相同［7-8］。

4 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真結(jié)果分析

a.動(dòng)力性能仿真分析。在對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)性能的仿真分析中，假設(shè)電動(dòng)汽車的運(yùn)行狀態(tài)為全程加速，節(jié)氣門全開，比較了考慮動(dòng)態(tài)性能的換擋規(guī)律和綜合換擋規(guī)律。0～80 km/h的加速時(shí)間為7.5 s，在相同條件下動(dòng)態(tài)換擋的加速時(shí)間是7.2 s，加速時(shí)間減少了0.3 s。

b.經(jīng)濟(jì)性能仿真分析。以汽車在城市道路循環(huán)工況（UDDC）下的運(yùn)行能耗為比較，將其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性能模擬。從仿真結(jié)果可以看到，節(jié)流式變速規(guī)則下，能耗略有下降，而在節(jié)流式變速中，要同時(shí)考慮節(jié)流與動(dòng)力性，能耗提高7%。圖3所示為經(jīng)濟(jì)性能仿真曲線。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

4.2.1 基于道路坡度修正的換擋規(guī)律試驗(yàn)

在測(cè)試過程中，車輛保持靜止，然后逐漸加速。測(cè)試車輛的總質(zhì)量初步設(shè)定為3 200 kg。當(dāng)加速1 s時(shí)，速度達(dá)到16.8 km/h。盡管在空載條件下已經(jīng)達(dá)到了從1擋換到2擋的點(diǎn)，但變速器沒有換擋。同樣，在二擋和三擋之間，由于汽車的負(fù)載變化，在相對(duì)無(wú)負(fù)載的情況下，會(huì)有換擋滯后。隨著車輛總重的增加，換擋時(shí)間也隨之延長(zhǎng)，根據(jù)車輛總重的變化來(lái)調(diào)整換擋時(shí)間，這將確保車輛的動(dòng)力輸出，從而達(dá)到最佳擋位。

4.2.2 基于道路坡度修正的換擋規(guī)律試驗(yàn)

為了避免車輛上坡時(shí)頻繁更換1擋和2擋的問題，在測(cè)試中根據(jù)識(shí)別的坡度來(lái)校正換擋點(diǎn)。在平坦的道路上，1擋和2擋的換擋點(diǎn)為C0。然而，當(dāng)車輛上坡時(shí)，如果此時(shí)處于二擋，則可能由于輸出扭矩不足而再次降到一擋，從而影響車輛的乘坐舒適性和動(dòng)力。將其延遲到根據(jù)斜率值調(diào)整的換擋點(diǎn)C1，可以有效防止重復(fù)換擋的發(fā)生，不僅可以提高車輛運(yùn)行的動(dòng)力性能，還可以提高變速器的使用壽命［9-10］。基于道路坡度修正的換擋策略實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

將電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)組合應(yīng)用于電動(dòng)車，可以減少對(duì)電機(jī)和電池的消耗。最后，綜合考慮整車自重和路面坡度等影響，給出電動(dòng)汽車變速規(guī)律的優(yōu)化方案，從而提高電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)特性和經(jīng)濟(jì)性。本文在電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究換擋特性，利用模擬試驗(yàn)，研究基于整車質(zhì)量和坡度調(diào)整的換擋方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)濟(jì)性的換擋。

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作者簡(jiǎn)介：

史婧，女，1987年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)與維修、汽車服務(wù)工程。