電動汽車換擋規(guī)律設(shè)計與仿真

呂志榕

引言

電機具有零轉(zhuǎn)速起步，可無級變速、轉(zhuǎn)速范圍廣和連續(xù)扭矩輸出等特點， 因此電動汽車通常采用驅(qū)動電機直驅(qū)的方式。 但不增設(shè)變速器的電動汽車在起步、高速巡航和坡道起步等方面，性能會存在劣勢[1]。 對于需求扭矩較大的電動商用車，反而可以通過增加變速器大大降低電機的峰值扭矩需求，降低驅(qū)動系統(tǒng)成本，并達到更優(yōu)的動力性和經(jīng)濟性。 換擋控制策略的制定是實現(xiàn)變速器和整車控制相匹配的關(guān)鍵，基于此目的，本文進行了電動汽車換擋控制策略設(shè)計和仿真研究。

研究基礎(chǔ)

本文以一款配備三擋自動變速器的8.5m 電動商用車為例展開研究，車輛的基本參數(shù)見表1。

表1 車輛基本參數(shù)

換擋規(guī)律設(shè)計

1.驅(qū)動電機的特性云圖(map)及外特性

經(jīng)匹配， 驅(qū)動電機的參數(shù)選擇為額定功率48kW，峰值功率為85kW，峰值扭矩600N·m。 最高轉(zhuǎn)速3000r/min。驅(qū)動電機的驅(qū)動和發(fā)電效率及外特性，分別見圖1 和圖2，其中map 圖臨界線為電機的外特性曲線。

圖1 驅(qū)動電機驅(qū)動特性

圖2 驅(qū)動電機發(fā)電特性

2.負荷特性設(shè)計

和燃油車一樣， 電動車也是通過整車控制器感知加速踏板開度進行扭矩控制輸出， 只是驅(qū)動電機可以從零轉(zhuǎn)速開始輸出扭矩。 不過，動力源輸出扭矩tm同樣可由加速踏板開度α 和驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速nm來確定，同時為了防止過于敏感，加速踏板可預留一段自由行程αΔ，踏板開度大于αΔ時，輸出扭矩應滿足克服行進中阻力之和tres（假設(shè)道路坡度為0），以上可用式組（1）進行表達[2]。

通過式（1）并結(jié)合圖1 中電機的特性數(shù)據(jù)可繪制出電機的負荷特性圖，見圖3。

圖3 電機的負荷特性

3.換擋規(guī)律設(shè)計

目前常用的換擋規(guī)律是基于兩參數(shù)換擋，即根據(jù)當前加速踏板開度和車速確定換擋時機。 換擋規(guī)律按照目標劃分， 可分為動力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟性換擋規(guī)律。 本文以動力性為目標設(shè)計換擋規(guī)律， 動力性換擋規(guī)律是以最小加速時間為目標來確定不同擋位的切換時機。 由汽車理論可知[3]，電機轉(zhuǎn)速和車速存在固有的數(shù)學關(guān)系見式（2），車輛行駛過程中的阻力可簡化為式（3），因此結(jié)合式組（1），不同擋位下的加速度、加速踏板開度與車速的關(guān)系可表示為式（4）。

其中引入?yún)?shù)，u 為車輛車速，β 為道路坡度角度，g 為重力加速度常數(shù)。

結(jié)合式（4）并利用圖（3）電機負荷特性中有關(guān)數(shù)據(jù)，采用圖解法，利用醞atlab 工具可繪制出不同擋位、 不同加速踏板開度下的車輛加速性能曲線，見圖4[4]，其中圖線簇從左至右分別為1、2、3擋的加速度曲線，每個擋位中，從上至下加速踏板開度逐漸減小。

圖4 不同擋位的加速能力圖解

根據(jù)圖4 所求，將其轉(zhuǎn)化為加速踏板開度和當前車速所決定的升擋規(guī)律[5]，并設(shè)定合理的降擋速差，可得出車輛的換擋規(guī)律，繪制完畢后的車輛動力性換擋規(guī)律見圖5。

圖5 動力性換擋規(guī)律

仿真研究

1.動力性仿真驗證

在完成換擋規(guī)律的制定后， 需要將換擋控制策略移植到整車模型中進行驗證， 建立電動汽車動力性仿真模型[6]見圖6，換擋控制策略模型[7]見圖7。 設(shè)定仿真時間100s，在Driver_pedal 模型中，設(shè)置加速踏板和制動踏板信號， 使車輛進行先加速再減速仿真，驗證所設(shè)計的升擋和降擋控制策略，結(jié)果如圖8。 從仿真結(jié)果可得出，車輛從0 車速加速到最高車速（限速70km/h）再減速至0 車速的過程中， 變速器可良好的按照設(shè)計的換擋規(guī)律進行換擋。 另外可根據(jù)仿真結(jié)果得出車輛滿載狀態(tài)下，0耀50 km/h 全負荷加速時間為23s， 最大爬坡度為14%。

圖6 動力性仿真模型

圖7 換擋控制策略模型

圖8 車輛加減速過程中擋位變化

2.循環(huán)工況仿真研究

除了進行動力性仿真外， 為了進一步驗證所設(shè)計的換擋控制策略，還應結(jié)合循環(huán)工況，進行換擋工況適應性驗證和循環(huán)工況下的經(jīng)濟性分析[8]。

進行循環(huán)工況仿真，需要對圖6 中的仿真模型進行改進， 一是要增加循環(huán)工況模型和駕駛員模型完成工況循環(huán)， 二是需要增加電機和電池的功率和效率模型完成整車的功率限制和電耗統(tǒng)計。改進封裝后的循環(huán)工況仿真模型見圖9。

圖9 循環(huán)工況仿真模型

對圖9 中模型進行仿真， 工況選擇為中國城市典型公交工況（C-UDC）[9],單個循環(huán)工況下的擋位切換結(jié)果見圖10。

圖10 循環(huán)工況下加速踏板開度和擋位變化

從圖10 中可以看出，車輛可以按照設(shè)計的換擋策略完整地完成整個循環(huán)工況， 并且單個循環(huán)工況過程中，升擋16 次，降擋16 次，頻繁度較小。此外，整個循環(huán)過程中，可統(tǒng)計出電機的工作效率見圖11。

圖11 循環(huán)工況下電機的驅(qū)動和發(fā)電效率

從圖11 中可以看出， 在變速箱的作用下，電機可以更多地在較高轉(zhuǎn)速工作， 拓寬了電機的高效區(qū)工作范圍， 查看仿真結(jié)果可得出百公里折算電耗為65.6L/100km。 但是由于本文是基于動力性設(shè)計的換擋規(guī)律，因此，犧牲一部分動力性，進一步優(yōu)化換擋控制策略， 整車經(jīng)濟性還有很大的優(yōu)化空間[10]。

結(jié)論

本文以8.5m 商用車為例設(shè)計了三擋自動變速器的換擋規(guī)律， 詳細描述了其設(shè)計思想和設(shè)計方法。 利用Matlab 仿真技術(shù)，對設(shè)計的換擋控制策略進行了動力性和循環(huán)工況下的適應性仿真驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計的換擋規(guī)律可以滿足在道路工況下使用， 并且為下一步優(yōu)化整車的燃油經(jīng)濟性提供了基礎(chǔ)。