一種限制換擋過程中回饋電流大小的純電動AMT控制策略

徐 凱，鄭 凱，左夢玲，金 立

（東風汽車股份商品研發院，湖北 武漢 430057）

電動汽車是當今社會能量可高效利用、清潔環保、能源可再生和可持續發展的交通工具。電動汽車與傳統的內燃機汽車不同，它主要依靠動力電池提供能量來源。在目前動力電池技術瓶頸下，動力電池的充放電電流是由BMS嚴格控制的，不能過充也不能過放；但是在目前具有多擋變速器的電動汽車上，在變速器換擋時，電機產生較大的母線回饋電流給動力電池，在一定條件下，容易對電池產生一定的損傷，影響動力電池的壽命。本課題的研究目的是盡量減小變速器在換擋時產生的回饋電流對動力電池的影響，同時也要盡量減小換擋時間以保證駕駛者的舒適性，在該過程里面找到一個合適的點能夠減小兩方面產生的影響。本文針對純電動汽車AMT變速器換擋的關鍵技術進行了詳細的理論分析、研究及車輛測試。采用MCU限扭或者TCU階段發送目標轉速的策略以限制變速器在換擋過程中產生的沖擊電流，通過限制扭矩的百分比，延長換擋時間以限制回饋電流峰值大小，達到在電池SOC100%時減小對動力電池的沖擊影響。實驗表明本文提出的限扭百分比控制策略可以在換擋時間和減小對電池回饋沖擊中找到一個合適的點，明顯減小換擋過程中對電池的電流沖擊，也能完全照顧到換擋時間對駕駛者的舒適性感受。

1 AMT純電動原理

AMT純電動車的基本工作原理如圖1所示，AMT控制器TCU根據操縱手柄位置、制動信號、電機轉速和加速踏板位置計算合適的擋位，當需要進行換擋時，TCU控制器向VCU發送請求換擋允許命令，VCU根據當前工況判斷是否允許換擋，VCU允許換擋后，電機控制器開始響應TCU所需的電機工作模式，進而實現換擋，不同的換擋策略對車輛的平順性和電池沖擊性有很大影響。只有在換擋過程中對電動選換擋機構和驅動電機進行準確控制，才能保證整車舒適性、平順性和安全性。

2 換擋過程分析

本論文以4.5t純電動卡車為平臺，基本框架原理與圖1所示相同。該純電動卡車變速器有2個擋位，且驅動電機與變速器之間取消了離合器，直接通過花鍵連接。由于沒有離合器， 動力中斷完全依賴于驅動電機模式轉換。驅動電機在換擋過程中會經歷扭矩模式、自由模式和轉速模式3個工作狀態［2］，車輛在正常行駛過程中，一般都是扭矩控制模式，電機扭矩會一直跟隨VCU給定的扭矩，而VCU給定的扭矩與加速踏板一般成正比。車輛在行駛過程中準備進擋時，TCU向VCU發送允許換擋請求指令，VCU收到命令后，在整車無3級故障情況下給TCU和MCU發送允許換擋指令，MCU收到換擋指令后，直接接受TCU控制，TCU給MCU發送清扭命令，扭矩清零后，驅動電機進入自由模式，接著換擋電機可以輕易地摘擋，TCU給MCU發送目標轉速，然后驅動電機進入轉速模式，達到合適的轉速差時掛擋，緊接著驅動電機升扭進入力矩模式汽車正常行駛，具體的控制時序流程見圖2。

AMT換擋過程有如下要求：①摘擋前必須切斷驅動電機到變速器的驅動力；②進擋前必須將驅動電機調到與輸出軸轉速相匹配的轉速范圍；③掛擋完成后驅動電機的轉矩恢復時要避免產生較大的沖擊。

由于整個換擋過程必須經歷以上3個過程，那么不可避免地就會出現以下2個問題：①在換擋過程中整車是無動力的，如果換擋時間較長，會給駕駛員帶來較差的駕駛體驗；②在調節轉速降速過程中電機不可避免地產生負扭矩，從而產生回饋電流對電池充電，如果此時電池是滿電狀態或接近滿電狀態，那么對電池是有沖擊影響的。

圖1 AMT純電動車基本原理框架

圖2 換擋控制流程時序圖

圖3 換擋過程波形圖

3 實車測試

如圖3所示，是在實車上測試的換擋過程波形圖，從中可以看出在驅動電機進入轉速模式時，為將電機轉速迅速降至輸出軸匹配轉速，控制器產生較大的負扭矩，從而在母線上產生了較大的回饋電流124A，且持續時間在200ms線性下降。整個換擋從TCU發請求開始計算，恢復扭矩正常行駛結束，時間大概在1.3s左右，從實際駕駛體驗來看，該換擋時間對駕駛舒適性無影響。但是在整個換擋過程中產生的負電流對電池電量在95%以上時是有沖擊的，對電池來說是有風險隱患的。

針對此問題本論文提供一種新的換擋控制策略，既將換擋時間考慮進去，也能限制脈沖回饋電流。從實車考慮，脈沖回饋電流在120A左右，SOC在90%以下基本上就能正常接受該回饋電流，因此VCU可將電池的電量狀態SOC值轉發給MCU，當MCU接收到SOC值在90%及以上，同時處于換擋過程進入轉速控制模式時，MCU進行限扭策略，這樣可以有效減小換擋過程中的脈沖回饋電流；在90%SOC以下時，車輛正常換擋，MCU放開限扭策略，最大化地減少換擋時間，不影響車輛正常行駛。具體扭矩策略實施措施如下。

1）在換擋調轉速過程中限額定扭矩的25%，產生的母線回饋電流及持續時間見圖4，換擋時間見圖5，但是實際駕駛車時換擋時間較長，有明顯的頓挫感。

2）在換擋調轉速過程中限額定扭矩的40%，產生的母線回饋電流及持續時間見圖6，換擋時間見圖7，實際駕駛車時可以感受到換擋時間，但是無頓挫感，不影響車輛駕駛舒適性。

3）在換擋調轉速過程中限額定扭矩的60%，產生的母線回饋電流及持續時間如圖8所示，換擋時間如圖9所示，實際駕駛車時無頓挫感，不影響車輛駕駛舒適性，但是沖擊電流較大，有78A左右，400ms時間線性下降。

從以上實車測試數據中可以看出，在90%SOC及以上時，換擋調速過程限制扭矩策略方案是可行的，可以有效降低回饋電流對電池的沖擊性，在考慮盡量短的換擋時間，有效降低回饋電流的峰值大小。與電池廠家技術人員溝通電池的特性后，經過雙方確認，最終采取限扭40%的方案，既能保證換擋時間對駕駛的感受，也能對電池做到有效保護，大大增強了電池包的可靠性。

圖4 25%扭矩換擋回饋電流

圖5 25%扭矩換擋時間

圖6 40%扭矩換擋回饋電流

圖7 40%扭矩換擋時間

圖8 60%扭矩換擋回饋電流

圖9 60%扭矩換擋時間

4 結論

1）90%SOC及以上時，換擋調速過程中MCU執行限扭策略可以有效減小回饋電流對電池的沖擊影響，增加電池的可靠性。

2）這種策略具有普遍性，由于不同的電池電流允許回饋值不同，只需要在不同電池包情況下重新標定MCU限扭策略的百分比，同時考慮換擋時間即可達到不錯的效果。

3）這種策略具有易操作性，只需要將電池電量SOC狀態轉發至MCU，將其作為限扭的判斷條件之一，在變速器進入換擋調速時開始限扭，軟件可操作性空間大。