一種純電動(dòng)手動(dòng)擋汽車換擋抖動(dòng)問(wèn)題優(yōu)化研究

高潔，王金橋，倪紹勇

(奇瑞新能源汽車有限公司研究院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染的問(wèn)題，研究并開(kāi)發(fā)具有低排放、低噪聲、高能源利用率的新能源汽車具有與時(shí)俱進(jìn)的意義[1]。隨著科技的進(jìn)步及人們生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)汽車的駕駛性及舒適性也提出了更高的要求[2]。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的手動(dòng)擋汽車與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車相比，由于電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的結(jié)構(gòu)差異，在換擋時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化相比于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化要小，所以在相同條件下?lián)Q擋，電機(jī)轉(zhuǎn)速不能與新的變速箱速比和車速相匹配，產(chǎn)生比發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的手動(dòng)擋汽車換擋頓挫感更明顯、頓挫持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

對(duì)于手動(dòng)擋汽車，換擋過(guò)程應(yīng)能平穩(wěn)過(guò)渡，不應(yīng)有過(guò)高的瞬間加速度和瞬間減速度，以減少動(dòng)力系統(tǒng)的沖擊和載荷，延長(zhǎng)零件使用壽命，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。

1 換擋抖動(dòng)產(chǎn)生的原因

本文作者研究的對(duì)象是某款純電動(dòng)手動(dòng)擋汽車，該車型在低擋位間升擋操作時(shí)車輛抖動(dòng)明顯，隨著擋位逐漸升高，換擋過(guò)程中的抖動(dòng)逐漸減小。而與此車型共用相同變速箱、底盤和車身的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車，無(wú)明顯換擋抖動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)燃油車在踩下離合換擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能快速下降，而該電動(dòng)手動(dòng)擋汽車在換擋時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降很緩慢。所以要優(yōu)化該電動(dòng)手動(dòng)擋汽車的換擋抖動(dòng)問(wèn)題，重點(diǎn)考慮優(yōu)化整車VCU控制策略對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。

手動(dòng)擋汽車在某一擋位平穩(wěn)行駛時(shí)，當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱傳動(dòng)比與車速之間達(dá)到平衡狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系為

Ua=0.377rn/(ig·i0)

(1)

式中：Ua為車速；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；r為車輪半徑；ig為變速箱傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比。

表1 某車型變速箱各擋位傳動(dòng)比

由表1可知：該車型變速箱低擋位間傳動(dòng)比差值較大、高擋位間傳動(dòng)比差值較小，所以在低擋位間換擋操作時(shí)車輛抖動(dòng)明顯，隨著擋位逐漸升高、換擋過(guò)程的抖動(dòng)逐漸減小。針對(duì)該車型，擋位從1擋升至2擋后，變速箱傳動(dòng)比減小了1.6，在車速幾乎不變的情況下，根據(jù)公式(1)轉(zhuǎn)速需降至換擋前轉(zhuǎn)速的約一半才能達(dá)到新的平衡；而此時(shí)電機(jī)由于慣性實(shí)際轉(zhuǎn)速變化較小，所以換擋后就會(huì)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速不匹配互相反拖的情況，產(chǎn)生整車加速度的波動(dòng)(見(jiàn)圖1)，造成換擋抖動(dòng)的問(wèn)題。

圖1 某車型換擋時(shí)車速、轉(zhuǎn)速與加速度變化

目前學(xué)術(shù)界普遍將縱向加速度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，作為客觀指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)沖擊對(duì)人體的影響，稱之為沖擊度[3]。沖擊度作為換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，不僅和人體的感覺(jué)同步，而且可以把因道路條件引起的顛簸加速度以及非換擋因素的影響排除在外，從而真實(shí)反映換擋品質(zhì)[4]。沖擊度是指車輛行駛過(guò)程中縱向加速度在單位時(shí)間內(nèi)的變化率，其公式為

j=da/dt

(2)

式中：j為沖擊度(m/s3)；a為車輛縱向加速度(m/s2)；t為時(shí)間(s)。

大量實(shí)驗(yàn)表明：在沖擊度大約為5 m/s3以下時(shí)，基本感受不到?jīng)_擊的影響；沖擊度大約為10 m/s3時(shí)，乘員能夠分辨不同的沖擊度[3]。從圖1可以看出：該車型在1擋升2擋、2擋升3擋過(guò)程中沖擊度較大，其中沖擊度最大值達(dá)到9.4 m/s3，乘員感覺(jué)有明顯沖擊、頓挫感。該車型換擋頓挫問(wèn)題明顯，需優(yōu)化解決。

2 電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

2.1 換擋能量回收策略

要解決換擋抖動(dòng)的問(wèn)題，就需要在換擋過(guò)程中使電機(jī)轉(zhuǎn)速能主動(dòng)快速變化，避免在換擋完成后與車速不匹配互相反拖，產(chǎn)生換擋抖動(dòng)的問(wèn)題。電機(jī)具有很好的調(diào)速性能，其調(diào)速模式可以在很短時(shí)間內(nèi)將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任一轉(zhuǎn)速[4]。在升擋時(shí)需快速降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，參考電動(dòng)汽車滑行能量回收工況時(shí)、VCU控制器對(duì)電機(jī)施加負(fù)扭矩調(diào)節(jié)可快速降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的經(jīng)驗(yàn)，提出一種換擋能量回收方式，對(duì)電機(jī)施加負(fù)扭矩調(diào)節(jié)起到快速調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果，同時(shí)又能將換擋沖擊過(guò)程損失的部分能量進(jìn)行回收再利用，提高能源再生利用率。VCU控制換擋能量回收策略見(jiàn)圖2。

圖2 VCU控制換擋能量回收策略示意

VCU控制器根據(jù)換擋前油門踏板開(kāi)度、轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)及剎車信號(hào)等特征預(yù)判識(shí)別駕駛員的換擋意圖；結(jié)合換擋過(guò)程中變速箱擋位、加速踏板、離合踏板、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、剎車信號(hào)等變化特征，來(lái)判斷控制換擋能量回收功能是否使能。同時(shí)根據(jù)當(dāng)前換擋車速計(jì)算出，換擋后電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速下限條件，防止換擋能量回收持續(xù)工作將電機(jī)轉(zhuǎn)速降至目前轉(zhuǎn)速以下。

2.2 電機(jī)扭矩修正

由圖3可知：該車型電機(jī)轉(zhuǎn)速在2 700 r/min以下時(shí)，為恒扭矩區(qū)間、輸出扭矩最大；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min左右可明顯感覺(jué)車輛驅(qū)動(dòng)力開(kāi)始衰減，所以考慮駕駛?cè)藛T一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min左右進(jìn)行升擋操作?；谲囕v在每個(gè)擋位、電機(jī)在3 000 r/min時(shí)換擋、換擋時(shí)車速變化忽略，根據(jù)公式(1)可計(jì)算出1擋電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min升擋至2擋,電機(jī)轉(zhuǎn)速需降低的目標(biāo)轉(zhuǎn)速n1：

n1=3 000·i2/i1

式中：i1、i2分別是變速箱1擋、2擋傳動(dòng)比。據(jù)此可計(jì)算出由1擋逐次升至5擋，4次升擋過(guò)程中電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速值n1、n2、n3、n4，對(duì)應(yīng)4個(gè)目標(biāo)角速度值w1、w2、w3、w4。

圖3 某車型驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性

換擋過(guò)程中，電機(jī)從升擋時(shí)的某一高轉(zhuǎn)速降低到換擋后的另一低轉(zhuǎn)速，也伴隨著能量的變化。電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)前的能量值是一定的，轉(zhuǎn)速與能量的關(guān)系公式：

E=J·w2/2

(3)

式中：E為能量(kJ)；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；w為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)。

對(duì)于某一電機(jī)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是固定的，根據(jù)能量守恒定律，可通過(guò)公式(3)計(jì)算出由1擋升至2擋過(guò)程中電機(jī)要達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，所需要減少的能量值ΔE1。 由1擋逐次升至5擋，4次升擋過(guò)程中電機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，所需減少的能量差值分別為ΔE1、ΔE2、ΔE3、ΔE4。

換擋過(guò)程中電機(jī)要達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速所需減小能量，可通過(guò)換擋能量回收模式加載負(fù)扭矩實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電機(jī)的特性，電機(jī)扭矩和功率、轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系公式：

P=T·n/9 550

(4)

式中：P為功率(kW)；T為扭矩(N·m)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，手動(dòng)換擋操作過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為1 s，見(jiàn)表2。

表2 換擋時(shí)間統(tǒng)計(jì)

在換擋過(guò)程中回收能量等于電機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速所需的能量差值時(shí)，換擋后電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速接近平衡。根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)的換擋時(shí)間為1 s，結(jié)合公式(3)可計(jì)算出由1擋升至2擋過(guò)程中回收能量加載扭矩絕對(duì)值大小為

據(jù)此可計(jì)算出由1擋逐次升至5擋，4次換擋過(guò)程中電機(jī)回收能量加載扭矩絕對(duì)值T1、T2、T3、T4。這些能量回收扭矩值即作為在換擋過(guò)程中，用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的修正扭矩。隨著擋位的升高，相鄰兩擋位的傳動(dòng)比差值在逐漸減小、能量差值也在逐次減小，所以所需的能量回收扭矩絕對(duì)值T1>T2>T3>T4；這與實(shí)車低擋位換擋頓挫比高擋位時(shí)更明顯、需更大幅度地調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的需求是一致的。

所以換擋能量回收啟動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)換擋前擋位和轉(zhuǎn)速來(lái)判斷選擇合適大小的回收扭矩。

3 實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

將增加換擋能量回收策略的軟件搭載實(shí)車，進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。經(jīng)初次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)增加換擋能量回收模式后，換擋頓挫問(wèn)題有一定改善，但是仍能感受到一定沖擊。經(jīng)采集數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，換擋過(guò)程中駕駛員松開(kāi)離合和踩下加速踏板的操作幾乎同時(shí)進(jìn)行，加速踏板信號(hào)的變化導(dǎo)致?lián)Q擋過(guò)程未完全結(jié)束時(shí)換擋能量回收就提前退出工作，換擋能量回收還未將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近就已退出，所以換擋過(guò)程中仍會(huì)有一定的沖擊感。

鑒于此原因，在策略中又增加了換擋能量回收延遲退出，同時(shí)根據(jù)實(shí)車路試驗(yàn)證將換擋能量回收扭矩加、卸載梯度和換擋能量回收延遲退出時(shí)間進(jìn)行了標(biāo)定優(yōu)化。

最終優(yōu)化完成后，換擋頓挫問(wèn)題得到明顯改善，最大沖擊度約為4.2 m/s3，駕駛過(guò)程中基本感受不到明顯的換擋抖動(dòng)，見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化后換擋時(shí)車速、轉(zhuǎn)速與加速度變化

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)比與燃油車的差異、結(jié)合試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)分析，解析了電動(dòng)汽車換擋過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)換擋沖擊產(chǎn)生的影響。并引入了換擋頓挫評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)該問(wèn)題量化分析解決提供了理論依據(jù)。

(2)提出一種換擋能量回收策略，對(duì)電機(jī)施加負(fù)扭矩實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，又能將換擋沖擊過(guò)程損失的部分能量進(jìn)行回收再利用，提高能源再生利用率。

(3)在后期的驗(yàn)證過(guò)程中，又優(yōu)化策略增加了換擋能量回收延遲退出，同時(shí)根據(jù)實(shí)車路試驗(yàn)證將換擋能量回收扭矩加、卸載梯度和換擋能量回收延遲退出時(shí)間進(jìn)行了標(biāo)定優(yōu)化，最終有效地改善了某純電動(dòng)手動(dòng)擋汽車在換擋抖動(dòng)的問(wèn)題。