帶2擋I-AMT純電動(dòng)汽車的換擋控制*

梁 瓊，任麗娜，趙海艷，高炳釗，陳 虹，

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025;2.吉林大學(xué)控制科學(xué)與工程系，長(zhǎng)春 130025)

前言

純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的代表是汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保的重要突破口。關(guān)于電動(dòng)汽車的研究日益增多，例如電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制［1－2］，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制［3－4］等。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)研制出了許多高功率、高轉(zhuǎn)速和高效率的電機(jī)。無(wú)刷永磁同步電機(jī)速度范圍廣、啟動(dòng)迅速、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小;應(yīng)用永磁體，消除了勵(lì)磁損失;并且在同步工作階段沒(méi)有能量損耗和鐵損。因此，無(wú)刷永磁同步電機(jī)在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用比較廣泛［5］。

目前，純電動(dòng)汽車通常采用單電機(jī)和固定傳動(dòng)比的減速裝置，對(duì)電池和電機(jī)的性能要求較高。如果增加一個(gè)2擋變速器可提高純電動(dòng)轎車的低速爬坡能力和高速運(yùn)行時(shí)的效率，從而降低對(duì)電池和電機(jī)的要求。研究表明，采用2擋變速器可顯著提高純電動(dòng)轎車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性［6］。

對(duì)于AMT已經(jīng)提出了很多換擋方法，例如Map圖、模糊控制［7］、非線性估計(jì)［8］和優(yōu)化控制［9］等。AMT換擋控制希望同時(shí)滿足以下要求:(1)離合器鎖止時(shí)間最短;(2)滑摩損失最小;(3)換擋過(guò)程的沖擊度最小;(4)確保汽車平順運(yùn)行。

傳統(tǒng)AMT在換擋過(guò)程中驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)中斷，而且變速器的輸出轉(zhuǎn)矩有較大的動(dòng)態(tài)波動(dòng)，為此本文中采用離合器后置的2擋AMT，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速的快速控制和離合器的滑摩控制能確保變速器的輸出轉(zhuǎn)矩在換擋過(guò)程中保持平順變化。

1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

純電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。對(duì)于裝有AMT的傳統(tǒng)汽車，離合器位于變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間。而在本結(jié)構(gòu)中變速器位于離合器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間，因此，稱之為倒置式機(jī)械自動(dòng)變速器(I-AMT)［10］。

換擋過(guò)程分為轉(zhuǎn)矩相和慣性相。在升擋過(guò)程的轉(zhuǎn)矩相，離合器逐漸接合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩逐漸從同步器傳遞到離合器。當(dāng)同步器傳遞的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，摘下同步器。而后進(jìn)入慣性相，離合器接合程度保持不變，同時(shí)降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速以完成離合器主從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速的同步，然后離合器完全鎖止，完成升擋過(guò)程。降擋過(guò)程與升擋過(guò)程相反，首先是慣性相，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)矩相。在慣性相離合器逐漸分離，同時(shí)升高電機(jī)的轉(zhuǎn)速與1擋主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速一致，此時(shí)同步器實(shí)現(xiàn)同步，掛入1擋。然后進(jìn)入轉(zhuǎn)矩相，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩逐漸從離合器傳遞到同步器直到離合器完全分離。在換擋過(guò)程中，協(xié)調(diào)控制離合器、同步器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)平順換擋并保持變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順變化的關(guān)鍵。

2 控制策略

為了在換擋過(guò)程中保持變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順變化，須精確控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和離合器的滑摩?？刂撇呗园ㄔ谵D(zhuǎn)矩相應(yīng)用線性前饋控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和離合器，而在慣性相應(yīng)用PID控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)使離合器主從動(dòng)盤(pán)的角速度差跟隨期望的曲線。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩相和慣性相時(shí)傳動(dòng)系的動(dòng)力平衡方程和保持變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順變化，以及無(wú)動(dòng)力中斷的需求，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩相和慣性相時(shí)變速器輸出轉(zhuǎn)矩的公式，從而確定了轉(zhuǎn)矩相和慣性相的控制策略［11］。

考慮到駕駛舒適性，離合器的鎖止往往會(huì)引起變速器的輸出轉(zhuǎn)矩突變。為防止在離合器接合時(shí)變速器輸出轉(zhuǎn)矩突變，在離合器主從動(dòng)盤(pán)同步的時(shí)刻，離合器主從動(dòng)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度不僅要相等，而且其旋轉(zhuǎn)加速度也應(yīng)該保持相等。因此期望的離合器主從動(dòng)盤(pán)角速度差時(shí)間歷程曲線應(yīng)滿足以下要求［8］:(1)t2－t1不超過(guò)要求的換擋時(shí)間;(2)在t1、t2時(shí)刻的變化率為零，如圖2所示。

降擋過(guò)程恰好與升擋過(guò)程相反。ωref(t2)=Δω0，ωref(t1)=0，降擋過(guò)程的期望曲線為

為了使離合器主從動(dòng)盤(pán)的角速度差嚴(yán)格跟隨期望曲線，應(yīng)用PID控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，從而完成離合器的平順接合。在仿真條件下，可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩命令為

式中:ε(t)為離合器主從動(dòng)盤(pán)角速度差與期望曲線的差值，kP、kI、kD分別為 PID 的比例、積分和微分系數(shù)。

降擋過(guò)程從慣性相開(kāi)始，須提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之與1擋主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速一致，從而完成同步器的同步。然后進(jìn)入轉(zhuǎn)矩相，離合器逐漸分離并逐漸減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩到目標(biāo)值，直到離合器完全分離。降擋過(guò)程的控制方法與升擋過(guò)程類似。

3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

在AMESim仿真平臺(tái)上搭建了完整的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示，并進(jìn)行了換擋控制方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

該仿真模型的車輛阻力包括坡度阻力、空氣阻力和滾動(dòng)阻力3部分。坡度阻力Fcl為

式中:M為整車質(zhì)量;g為重力加速度;α為路面坡度?？諝庾枇aero為

式中:ρ為空氣密度;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;v為車速;vw為風(fēng)速。滾動(dòng)阻力Froll為

式中:f為基本滾動(dòng)阻力系數(shù);k為車速修正系數(shù)。

仿真模型的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)

4 仿真結(jié)果

4.1 升擋過(guò)程

在平坦路面上進(jìn)行了50%加速踏板行程下動(dòng)力升擋過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)矩相(10～10.4s)由于離合器逐漸接合，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩線性增長(zhǎng)，同步器傳遞的轉(zhuǎn)矩逐漸減小，同時(shí)增大電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)同步器傳遞的轉(zhuǎn)矩減小為零時(shí)，摘下同步器，轉(zhuǎn)矩相結(jié)束慣性相開(kāi)始。在慣性相(10.4～10.8s)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩保持不變，通過(guò)PID調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸與2擋主動(dòng)齒輪同步即離合器主從動(dòng)盤(pán)的角速度差逐漸減小直至達(dá)到足夠小的允許范圍，此時(shí)完全接合離合器，完成了從1擋換至2擋的過(guò)程。在慣性相離合器主從動(dòng)盤(pán)角速度差嚴(yán)格跟隨期望曲線，離合器鎖止時(shí)沒(méi)有大的振動(dòng)。變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順減小，沒(méi)有大的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。

4.2 降擋過(guò)程

在一定坡度的路面上進(jìn)行了50%加速踏板行程下的動(dòng)力降擋過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)。由于車輛上坡行駛，驅(qū)動(dòng)阻力增加，須降擋來(lái)增加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以完成車輛的爬坡行駛。仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可見(jiàn)，首先離合器釋放到一定程度(32～32.2s)，這一階段為換擋的準(zhǔn)備階段，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩保持不變;然后進(jìn)入慣性相(32.2～32.6s)，應(yīng)用PID控制器提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之與1擋主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速一致，此時(shí)同步器同步掛入1擋，慣性相結(jié)束轉(zhuǎn)矩相開(kāi)始。在轉(zhuǎn)矩相(32.6～33s)逐漸釋放離合器直至完全分離，同時(shí)逐漸減小電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩到目標(biāo)值。從仿真結(jié)果可以看出，變速器的輸出轉(zhuǎn)矩平順增加，沒(méi)有大的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。

5 結(jié)論

針對(duì)裝有兩擋AMT的純電動(dòng)汽車制定了無(wú)動(dòng)力波動(dòng)的換擋控制策略，在轉(zhuǎn)矩相對(duì)電機(jī)和離合器進(jìn)行線性前饋控制，在慣性相應(yīng)用PID控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使離合器的角速度差跟隨期望的曲線，從而使變速器的輸出轉(zhuǎn)矩在換擋過(guò)程中平順變化，沒(méi)有大的動(dòng)態(tài)振動(dòng)。

在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的AMESim仿真模型上對(duì)換擋控制方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:變速器的輸出轉(zhuǎn)矩在換擋過(guò)程中平順變化;在慣性相離合器角速度差的跟隨誤差很小，可以完成離合器的平順接合。這種換擋控制方法能有效提高純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和駕駛舒適性。

［1］ Zhang C L，Zhang J J，Liu H B．Velocity-current Double Closedloop Control Model and Simulation of BLDCM in Pure Electric Vehicle Applications［J］．Intelligent System and Applied Material，2012，466 －467:881 －885．

［2］ 方力，張建華．電動(dòng)車用無(wú)刷直流電機(jī)模糊自整定控制器設(shè)計(jì)［J］．微電機(jī)，2012，45(3):51 －56．

［3］ Sorniotti A，Pilone G L，Viotto F，et al．A Novel Seamless 2-Speed Transmission System for Electric Vehicles:Principles and Simulation Results［J］．SAE International Journal of Engines，2011，4(2):2671 －2685．

［4］ He H W，Liu Z T，Zhu L M．Dynamic Coordinated Shifting Control of Automated Mechanical Transmissions Without a Clutch in a Plug-In Hybrid Electric Vehicle［J］．Energines，2012，5(8):3094－3109．

［5］ 王偉．車用永磁同步電機(jī)的參數(shù)匹配、協(xié)調(diào)控制與性能評(píng)價(jià)研究［D］．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2010．

［6］ Sorniotti A，Boscolo M，Turner A，et al．Optimisation of a 2-Speed Gearbox of an Electric Axle［C］．Proceedings of AVEC 2010，2010．

［7］ Chen R，Sun D Y．Fuzzy Neural Network Control of AMT Clutch in Starting Phase［J］．International Symposium on Intelligent Information Technology Application，2008，2:712 －715．

［8］ Gao B Z，Chen H，Hu Y F，et al．Nonlinear Feedforward-Feedback Control of Clutch-to-Clutch Shift Technique［J］．Vehicle System Dynamics，2011，49(12):1895 －1911．

［9］ Zhou Z L，Xing M X，Xu L Y．Simulation Analysis of Tractor AMT Shifting Process Based on Fuzzy Optimization of Downshifting［J］．Automation Equipment and System，2012，468 －471:970 －975．

［10］ Liang Q，Gao B Z，Chen H．Gear Shifting Control for Pure Electric Vehicle with Inverse-AMT［J］．Applied Mechanics and Materials，2012，190 －191:1286 －1289．

［11］ 葉金虎．現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)［M］．北京:科學(xué)出版社，2007．