帶2擋I-AMT純電動汽車的換擋控制*

梁 瓊，任麗娜，趙海艷，高炳釗，陳 虹，

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025;2.吉林大學控制科學與工程系，長春 130025)

前言

純電動汽車作為新能源汽車的代表是汽車產業實現節能與環保的重要突破口。關于電動汽車的研究日益增多，例如電動汽車驅動電機的控制［1－2］，傳動系統的設計與控制［3－4］等。

經過多年的發展，已經研制出了許多高功率、高轉速和高效率的電機。無刷永磁同步電機速度范圍廣、啟動迅速、轉矩波動小;應用永磁體，消除了勵磁損失;并且在同步工作階段沒有能量損耗和鐵損。因此，無刷永磁同步電機在純電動汽車上的應用比較廣泛［5］。

目前，純電動汽車通常采用單電機和固定傳動比的減速裝置，對電池和電機的性能要求較高。如果增加一個2擋變速器可提高純電動轎車的低速爬坡能力和高速運行時的效率，從而降低對電池和電機的要求。研究表明，采用2擋變速器可顯著提高純電動轎車的動力性和經濟性［6］。

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

傳統AMT在換擋過程中驅動轉矩出現中斷，而且變速器的輸出轉矩有較大的動態波動，為此本文中采用離合器后置的2擋AMT，通過驅動電機轉矩-轉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矩在換擋過程中保持平順變化。

1 動力傳動系統結構圖

純電動汽車的動力傳動系統結構圖如圖1所示。對于裝有AMT的傳統汽車，離合器位于變速器和發動機之間。而在本結構中變速器位于離合器和驅動電機之間，因此，稱之為倒置式機械自動變速器(I-AMT)［10］。

換擋過程分為轉矩相和慣性相。在升擋過程的轉矩相，離合器逐漸接合，驅動電機的輸出轉矩逐漸從同步器傳遞到離合器。當同步器傳遞的轉矩為零時，摘下同步器。而后進入慣性相，離合器接合程度保持不變，同時降低電機的轉速以完成離合器主從動盤轉速的同步，然后離合器完全鎖止，完成升擋過程。降擋過程與升擋過程相反，首先是慣性相，然后進入轉矩相。在慣性相離合器逐漸分離，同時升高電機的轉速與1擋主動齒輪轉速一致，此時同步器實現同步，掛入1擋。然后進入轉矩相，驅動電機的輸出轉矩逐漸從離合器傳遞到同步器直到離合器完全分離。在換擋過程中，協調控制離合器、同步器和驅動電機是實現平順換擋并保持變速器的輸出轉矩平順變化的關鍵。

2 控制策略

為了在換擋過程中保持變速器的輸出轉矩平順變化，須精確控制驅動電機的轉矩和離合器的滑摩。控制策略包括在轉矩相應用線性前饋控制器控制驅動電機和離合器，而在慣性相應用PID控制器控制驅動電機使離合器主從動盤的角速度差跟隨期望的曲線。

根據轉矩相和慣性相時傳動系的動力平衡方程和保持變速器的輸出轉矩平順變化，以及無動力中斷的需求，推導出轉矩相和慣性相時變速器輸出轉矩的公式，從而確定了轉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引起變速器的輸出轉矩突變。為防止在離合器接合時變速器輸出轉矩突變，在離合器主從動盤同步的時刻，離合器主從動盤的旋轉速度不僅要相等，而且其旋轉加速度也應該保持相等。因此期望的離合器主從動盤角速度差時間歷程曲線應滿足以下要求［8］:(1)t2－t1不超過要求的換擋時間;(2)在t1、t2時刻的變化率為零，如圖2所示。

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

為了使離合器主從動盤的角速度差嚴格跟隨期望曲線，應用PID控制器對驅動電機進行轉矩控制，從而完成離合器的平順接合。在仿真條件下，可得驅動電機的轉矩命令為

式中:ε(t)為離合器主從動盤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。

降擋過程從慣性相開始，須提高驅動電機的轉速，使之與1擋主動齒輪的轉速一致，從而完成同步器的同步。然后進入轉矩相，離合器逐漸分離并逐漸減小驅動電機的輸出轉矩到目標值，直到離合器完全分離。降擋過程的控制方法與升擋過程類似。

3 動力傳動系統仿真模型

在AMESim仿真平臺上搭建了完整的動力傳動系統仿真模型，如圖3所示，并進行了換擋控制方法的實驗驗證。

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

式中:M為整車質量;g為重力加速度;α為路面坡度。空氣阻力Faero為

式中:ρ為空氣密度;CD為空氣阻力系數;A為迎風面積;v為車速;vw為風速。滾動阻力Froll為

式中:f為基本滾動阻力系數;k為車速修正系數。

仿真模型的各項參數如表1所示。

表1 仿真模型參數

4 仿真結果

4.1 升擋過程

在平坦路面上進行了50%加速踏板行程下動力升擋過程仿真實驗，結果如圖4所示。由圖可見，在轉矩相(10～10.4s)由于離合器逐漸接合，離合器傳遞的轉矩線性增長，同步器傳遞的轉矩逐漸減小，同時增大電機的輸出轉矩。當同步器傳遞的轉矩減小為零時，摘下同步器，轉矩相結束慣性相開始。在慣性相(10.4～10.8s)離合器傳遞的轉矩保持不變，通過PID調節電機的轉速逐漸與2擋主動齒輪同步即離合器主從動盤的角速度差逐漸減小直至達到足夠小的允許范圍，此時完全接合離合器，完成了從1擋換至2擋的過程。在慣性相離合器主從動盤角速度差嚴格跟隨期望曲線，離合器鎖止時沒有大的振動。變速器的輸出轉矩平順減小，沒有大的動態波動。

4.2 降擋過程

在一定坡度的路面上進行了50%加速踏板行程下的動力降擋過程仿真實驗。由于車輛上坡行駛，驅動阻力增加，須降擋來增加驅動轉矩，以完成車輛的爬坡行駛。仿真結果如圖5所示。由圖可見，首先離合器釋放到一定程度(32～32.2s)，這一階段為換擋的準備階段，離合器傳遞的轉矩保持不變;然后進入慣性相(32.2～32.6s)，應用PID控制器提高電機的轉速，使之與1擋主動齒輪的轉速一致，此時同步器同步掛入1擋，慣性相結束轉矩相開始。在轉矩相(32.6～33s)逐漸釋放離合器直至完全分離，同時逐漸減小電機的輸出轉矩到目標值。從仿真結果可以看出，變速器的輸出轉矩平順增加，沒有大的動態波動。

5 結論

針對裝有兩擋AMT的純電動汽車制定了無動力波動的換擋控制策略，在轉矩相對電機和離合器進行線性前饋控制，在慣性相應用PID控制器控制驅動電機，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矩在換擋過程中平順變化，沒有大的動態振動。

在動力傳動系統的AMESim仿真模型上對換擋控制方法進行了仿真實驗。結果表明:變速器的輸出轉矩在換擋過程中平順變化;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汽車的動力性和駕駛舒適性。

［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．電動車用無刷直流電機模糊自整定控制器設計［J］．微電機，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．車用永磁同步電機的參數匹配、協調控制與性能評價研究［D］．長春:吉林大學汽車工程學院，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．現代無刷直流永磁電動機［M］．北京:科學出版社，2007．