一種純電動汽車的電機-變速器動力系統*

傅 洪, 王艷靜, 馮 超，薛 山

(1. 重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；2.重慶長安新能源汽車有限公司北京汽車技術研究分公司，北京 100093)

2016156

一種純電動汽車的電機-變速器動力系統*

傅 洪, 王艷靜, 馮 超，薛 山

(1. 重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；2.重慶長安新能源汽車有限公司北京汽車技術研究分公司，北京 100093)

本文中提出了一種純電動汽車的驅動電機-變速器動力系統，根據整車性能要求對驅動電機峰值功率、轉矩和變速器傳動比等主要參數進行了匹配，結合驅動電機特性設計了換擋過程。通過仿真和動力總成臺架試驗，對該系統的性能進行了驗證。結果表明，與電機-單級減速系統相比，在相同動力性能的條件下，所提出的系統有較小的體積，在中高速工況下有較高的效率，整個換擋過程平穩快速、沖擊小、動力損失少，換擋品質高，具有較好的產業化前景。

前言

隨著電動汽車向產業化邁進， 其性能要求越來越高，不僅局限于其行駛功能的實現，而且越來越強調車輛的動力性、經濟性、駕駛舒適性和操縱穩定性的提高。電驅動系統作為電動汽車，尤其是純電動汽車的核心部件之一，其構型方式將對這些性能產生明顯的影響。目前純電動汽車多采用驅動電機結合單級減速的動力傳動結構，該結構由于速比是固定值，無法同時滿足車輛起動轉矩大、電機高效工作范圍廣等要求。而采用驅動電機與多級變速器集成的結構形式，可充分利用變速器調節驅動電機輸出的動力，采用大速比時可增大電機轉矩輸出范圍，提高車輛的動力性；采用小速比時可擴大電機的高效運行區間，使電驅動系統能量效率提高，同時降低了對電機本身性能的要求和系統總成本。另外采用自動換擋，能夠通過設計合適的換擋策略提高車輛的動力性、經濟性和駕駛舒適性。

在多級自動變速器的結構選型上，有如下幾種典型方案：傳統機械式自動變速器(AMT)、行星齒輪自動變速器(PT)、雙離合器自動變速器(DCT)和無級式自動變速器(CVT)[1-2]。這4種自動變速器的性能對比如圖1所示。

由圖1可見，在上述幾種方案中，傳統機械式自動變速器具有效率高、結構簡單、質量輕且成本低等優勢，因此本文中選用傳統機械式變速器作為匹配純電驅動系統的自動變速器。

1 系統結構

純電動汽車電機-變速器動力系統主要包括動力電池、驅動電機、變速器、換擋執行機構和差速器等部件，其中驅動電機為永磁同步電機，變速器為多級擋位變速器，換擋執行機構為電控電動換擋機構，對應的控制結構如圖2所示。

其中，整車控制器(VCU)根據踏板信號、車速信號和接收到的車輛、路面等其他狀態信息，依據換擋規律判斷是否換擋，并計算驅動電機目標轉矩/轉速和運行模式，設置變速器目標擋位和換擋指令標志位，并發送到CAN總線上。

驅動電機控制器(IPU)接收CAN總線上的目標轉矩/轉速和運行模式等信息，同時采集電機轉速、電流和溫度等信息，在轉矩模式下按照要求控制驅動電機輸出轉矩，在轉速模式下按照要求控制驅動電機輸出轉速。

變速器控制器(TCU)接收CAN總線上的目標擋位和換擋指令標志位信息，同時采集換擋機構位置、變速器輸出轉速和油溫等信息，控制換擋執行機構進行摘擋和掛擋操作。

2 系統參數匹配

系統參數匹配主要需要考慮驅動電機的參數和變速器的傳動比，通過匹配這兩個部件的參數達到整車性能目標要求。

2.1 驅動電機峰值功率計算

驅動電機的功率選擇直接影響整車的動力性和經濟性[3]。驅動電機峰值功率越大，加速性和爬坡性能越好，但同時會增加電機的體積和質量，正常行駛時驅動電機不能在高效區附近工作，影響經濟性。因此，在計算驅動電機峰值功率時，一般根據整車要求的最高車速、加速時間和最大爬坡度來確定[4]。比較這3項動力性指標計算得到的功率值，最終取最大值作為驅動電機峰值功率的設計值。

2.2 驅動電機峰值轉矩和變速器傳動比計算

采用多級變速器的優勢之一在于通過變速器的傳動比變化，減小驅動電機峰值轉矩。因此在設計驅動電機峰值轉矩時，應綜合考慮變速器傳動比的影響，在傳動比允許的前提下，盡可能減小驅動電機峰值轉矩，從而減小電機體積，降低成本。

在進行變速器擋位數的選擇時，考慮到驅動電機具有較好的調速特性，且擋位過多會使動力系統結構復雜、質量增加、傳動效率降低，因此一般選擇兩個擋位。

在確定參數時，將驅動電機峰值轉矩作為變量x，范圍在[xmin,xmax]之間，其中xmin和xmax分別為最小允許轉矩和最大允許轉矩。變速器最大傳動比函數y1=f(x, λmax)[5]，其中，λmax為最大爬坡度； 最小傳動比函數y2=g(x, uamax, P)[6]，其中，uamax為最高車速，P為電機功率，y1和y2的范圍在[ymin, ymax]之間，其中ymin和ymax分別為最小允許傳動比和最大允許傳動比。

綜合考慮上述兩個函數及x，y1和y2的限制條件，建立仿真模型，最終得到最小的電機峰值轉矩為160N·m，此時的變速器最大傳動比為11.557，最小傳動比為6.420。

3 換擋過程控制

純電動電機-變速器動力系統由于取消了離合器，而且驅動電機特性與發動機的特性不同，所以換擋過程相對于傳統AMT有所區別[7-9]，具體換擋過程可分為以下幾個步驟。

3.1 卸載

當整車控制器判定進入換擋模式后，首先進行卸載操作。由于沒有離合器，卸載過程不能通過機械元件的分離來完成，而是要通過對電機轉矩的控制，使之變化到空載轉矩，才能使變速器嚙合齒輪之間達到無載同步狀態，從而進行下一步的摘擋。

在此過程中，整車控制器要求驅動電機仍然運行在轉矩模式，轉矩變化的斜率控制也通過整車控制器實現，在保證驅動系統不發生抖動現象的前提下，盡可能加大轉矩變化率，以減小車輛動力性能的損失。此時變速器的目標擋位保持不變。

3.2 摘擋

卸載結束后，電機控制器向整車控制器反饋卸載結束標志位。整車控制器接收到該標志位為1后，開始進行摘擋操作，向變速器控制器發送目標擋位。變速器控制器接收到目標擋位后，控制換擋執行機構中的換擋電機進行工作，使接合套與當前擋位的齒圈分離，同時采集位置傳感器信息，以確認達到空擋位置。此時電機仍然維持在空載轉矩狀態不變。

3.3 調速

摘擋結束后，變速器控制器向整車控制器反饋摘擋結束標志位。整車控制器接收到該標志位為1后，開始進行驅動電機的調速操作。

在純電動汽車一般的行駛過程中，驅動電機由于接收的都是轉矩需求，無需進行轉速調節操作。但在換擋過程中，這一步驟是必不可少的。通過驅動電機主動調速，一方面可減小目標齒輪嚙合時的速差，減小掛擋沖擊；另一方面利用電磁方式的調速時間較短，進一步縮短了換擋時間。

在此過程中，整車控制器要求驅動電機切換為轉速模式，此時，目標轉速為

(1)

當電機目標轉速與實際轉速的差值在所規定的區間時，整車控制器判定調速過程結束。在整個調速過程中變速器維持在空擋狀態。

3.4 掛擋

調速過程結束后，整車控制器重新將電機的運行模式切換為轉矩模式，目標轉矩為零，并開始進行掛擋操作，將掛擋指令標志位發送給變速器控制器。變速器控制器接收到掛擋指令標志位為1后，控制換擋執行機構中的換擋電機進行同步掛擋，使接合套與目標擋位的齒圈嚙合，同時采集位置傳感器信息，以確認達到目標擋位位置。掛擋期間電機為空載轉矩狀態。

該系統由于電機輸出軸與變速器輸入軸直接相連，在進行掛擋時，來自輸入端的轉動慣量相比傳統AMT中離合器從動片的轉動慣量要大，但由于驅動電機的調速使得兩端速差減小至同步狀態，因此掛擋時的沖擊不大。

3.5 加載

掛擋結束后，須重新施加轉矩，以滿足當前車輛動力的需求。整車控制器退出換擋模式，進入一般行駛模式，根據當前踏板狀態和車速等信息計算驅動電機目標轉矩，并通過電機控制器控制電機轉矩。

相比傳統AMT通過離合器的滑磨過程實現逐漸加載，該系統也需要通過控制驅動電機從空載轉矩到目標加載轉矩的變化率來實現，該轉矩變化率應保證在不影響駕駛舒適性的前提下，盡可能減小動力損失。

整個換擋過程的流程如圖3所示。

4 試驗結果分析

為驗證整個換擋過程，本文中設計的電機-變速器系統裝在動力總成臺架上進行試驗，直流電源由雙向電源柜提供，整車阻力由測功機提供，換擋規律采用目前常用的兩參數方法[10-12]，即由加速踏板和車速決定換擋點。得到的試驗結果見圖4～圖7。

由圖4升擋過程可見，在換擋開始的10ms中，整車控制器控制驅動電機轉矩由18N·m下降到0，系統完成卸載。隨后目標擋位變為II擋，變速器控制器開始控制換擋機構進行摘擋，歷時194ms。摘擋結束后，驅動電機由轉矩模式切換為轉速模式進行調速，歷時160ms。在調速過程中，電磁轉矩迅速下降，電機轉速由最初的2 091降低到1 083r/min，在此過程中變速器輸出轉速運行平穩，維持在193r/min，此時根據式(1)，兩者速差小于同步閾值，進入掛擋環節，電機又重回轉矩模式，目標轉矩仍然維持為0，掛擋歷時351ms。之后轉矩重新加載，進入到II擋行駛階段，加載過程的轉矩梯度比卸載時小，以保證駕駛舒適性。總體而言，系統的升擋時間(從發出目標擋位到掛擋成功的時間)為705ms。

圖5和圖4相比，升擋時的加速踏板行程由原來的8%變為54%，換擋車速點也由原來的22.5變為65.3km/h，相應地換擋轉速也由2 091增加為6 083r/min，在同樣的目標擋位傳動比下，速差增大，調速時間延長至271ms，總的升擋時間相應增加至835ms。

由圖6降擋過程可見，在換擋開始的10ms中，整車控制器控制驅動電機轉矩由30N·m下降到0，系統完成卸載。隨后目標擋位變為I擋，變速器控制器開始控制換擋機構進行摘擋，歷時217ms。摘擋結束后，驅動電機由轉矩模式切換為轉速模式進行調速，歷時140ms。在調速過程中，電磁轉矩迅速上升，電機轉速由最初的764上升到1 392r/min，在此過程中變速器輸出轉速運行平穩，維持在117r/min，此時根據式(1)，兩者速差小于同步閾值，進入到掛擋環節，電機又重新回到轉矩模式，目標轉矩仍然維持為0，掛擋歷時371ms。之后轉矩重新加載，進入到I擋行駛階段，加載過程的轉矩梯度比卸載時小，以保證駕駛舒適性。總的降擋時間(從發出目標擋位到掛擋成功的時間)為728ms。

降擋時的加速踏板行程由8%增加到54%后，其結果如圖7所示，卸載和摘掛擋的時間基本不變，只有由于換擋車速的增加(由原來的13.7變為45.1km/h)使速差增大，調速時間變為231ms，總的降擋時間有所增加，變為828ms。

5 結論

本文中以純電動汽車電機-變速器動力系統為研究對象，著重分析了系統參數匹配和動力切換過程。根據整車性能要求確定了驅動電機峰值功率和峰值轉矩，及變速器擋位數和傳動比。根據系統特征和驅動電機工作特性制定了相應的換擋流程，最后還搭建了電機-變速器動力系統的動力總成試驗臺架，通過試驗對整個系統方案進行了驗證。

通過樣機開發和試驗結果表明，該系統能夠有效減小驅動電機體積和質量，提升動力系統工作效率，且換擋通過整車控制器、電機控制器和變速器控制器之間的相互協調，可使整個過程平順快速地完成，減少動力損失和沖擊，有效地保證了換擋品質，具有較好的產業化前景。

[1] 葛安林. 車輛自動變速理論與設計[M]. 長春：吉林工業大學出版社, 1993.

[2] HEATH R P G, CHILD A J Zeroshift. A seamless automated manual transmission (AMT) with no torque interrupt [C]. SAE Paper 2007-01-1307.

[3] 何洪文，余曉江，孫逢春，等. 電動汽車電機驅動系統動力特性分析[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(6): 136-140.

[4] 李軍求, 孫逢春, 張承寧, 等. BFC6100-EV電動大客車動力傳動系統參數設計[J]. 北京理工大學學報,2004,24(4):311-314.

[5] 余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社, 2000.

[6] 姬芬竹, 高峰. 電動汽車驅動電機和傳動系統的參數匹配[J]. 華南理工大學學報, 2006, 36(4): 33-37.

[7] 葛安林, 武文治, 張天一，等. 自動換擋過程中的動態閉環控制[J]. 汽車工程, 1994，16(5): 276-282.

[8] PETTERSSON M, NIELSEN L, HEDSTROM L G. Transmission-torque control for gear shifting with engine control [C]. SAE Paper 970864.

[9] 黃建明, 曹長修, 蘇玉剛. 機械式自動變速器的換擋控制[J]. 重慶大學學報, 2005, 28(1): 86-89.

[10] 肖志增. 純電動客車AMT換擋規律研究[D]. 北京：北京理工大學, 2006.

[11] JIN H, GE A L. On the intelligent slope shift strategy[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2007,221(8): 991-999.

[12] 張泰,葛安林,郭立書,等.基于車輛負荷度的換擋規律研究[J].農業機械學報,2004,35(3):9-12.

A Motor-Transmission Powertrain for Pure Electric Vehicles

Fu Hong, Wang Yanjing, Feng Chao & Xue Shan

1.ChongqingChanganAutomobileCo.,Ltd.,Chongqing400023;2.BeijingR&DCenter,ChongqingChanganNewEnergyAutomobileCo.,Ltd.,Beijing100093

A drive motor-transmission powertrain for pure electric vehicles is presented in this paper. The main parameters, including peak power and torque of drive motor and the gear ratio of transmission are matched according to the performance requirements of vehicle, and a gear shifting process is designed based on the characteristics of drive motor. The performance of system is verified by simulation and power assembly bench test. The results show that compared with motor-single stage reductor system, the proposed system with same power performance has smaller volume, higher efficiency in medium-high speed conditions and a smooth and speedy gear shifting process with less jerk and power loss, having a better prospect of its industrialization.

pure electric vehicles；motor-transmission powertrain

*新能源汽車產業技術創新工程項目——長安C206純電動汽車技術開發及產業化項目資助。

原稿收到日期為2015年4月15日，修改稿收到日期為2015年7月13日。