某純電動汽車兩檔自動變速箱換擋規律的制定及品質研究

鐘君思 毛征宇 席守軍 蔡志華

摘 要：文章給匹配了兩擋自動變速器的某小型純電動汽車制定了一種兼顧動力性及經濟性的換擋策略并對其進行優化。利用Matlab/simulink建模仿真，對比了優化前后NEDC電耗和百公里加速時間，來評價動力性和經濟性能。搭建了二分之一純電動汽車實驗平臺，用優化后的換擋策略進行換擋臺架實驗來獲得沖擊度。實驗結果表明，制定的換擋策略所執行的換擋過程中，沖擊度在國家標準范圍內，換擋品質良好;同時動力性經濟性都有所提高，制定的換擋策略合理有效，對于未來多擋位電動車的發展具有一定的意義。

關鍵詞：純電動汽車;換擋策略;換擋沖擊;換擋品質

中圖分類號：U463.212 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-01-07

Abstract： In this paper， a small pure electric vehicle matched with a two-speed automatic transmission is formulated and optimized for a shift strategy that takes into account both power and economy. Using cruise modeling and simulation， the power consumption and economic performance of NEDC before and after optimization are compared to evaluate the power and economic performance. A half-pure electric vehicle experiment platform was built， and the optimized shift strategy was used to conduct the shift bench experiment to obtain the impact degree. The experimental results show that during the shifting process performed by the developed shifting strategy， the impact degree is within the range of national standards and the shifting quality is good; at the same time， the power economy is improved， and the developed shifting strategy is reasonable and effective The development of multi-speed electric vehicles has certain significance.

Keywords： Pure electric vehicle; Shift strategy; Shift shock; Shift quality

CLC NO.： U463.212 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-01-07

引言

在全球主張未來新能源汽車代替純燃油汽車的大背景下，純電動汽車的技術發展還存在一些難題。現出現在市面上的純電動汽車基本都是固定擋位，固定擋位的純電動汽車無法將電機的特性發揮更好，也無法更大范圍的調整車速。針對這一缺點，很多車企、高校開始了對純電動汽車匹配多擋變速器的研究，動力系統多擋位化將成為未來一個趨勢[1]。搭載變速器后，制定合理的換擋策略，才能使變速器與電機、整車的性能達到最優。

對于電動汽車的多擋位的研究，向陽總結了包括混合動力和純電動汽車在內的變速箱的發展歷史，它可以分為四個方面：換擋策略，換擋控制，換擋質量評估和實驗研究四個層面[2]。部分高校已經搭建了實驗平臺。英國薩里大學的Arash M. Gavgani 等人以一組通過實驗驗證的車輛模型進行模擬換檔，對混合動力電汽車進行了最佳換擋控制[3]。Sorniotti教授等設計了新型雙速傳動系統的機械布局，實現了對該動力系統最佳換擋[4]。現普遍基于兩參數制定換擋策略，也有少數基于三參數制定換擋策略[5]，但該技術、理論不成熟，基本都采用兩參數換擋策略。合肥工業大學的江昊等人針對經濟性換擋做出研究[6]，重慶大學李聰波將動力性經濟性考慮其內面向更低能耗制定了換擋策略[7]，整車經濟性都得到提高。胡建軍等人對AMT換擋控制方面提出了控制方法，該方法經過了樣車試制，能夠進行有效的平順的換擋[8]。陳淑江，秦大同以不同負荷下ECE能耗制定了兼顧動力性經濟性的換擋策略[9]，北京理工大學宋強利用多目標遺傳算法制定了AMT綜合性換擋策略[10]，兩者都提升了換擋整體性能。南昌大學黃菊花等人利用Adams軟件對無離合器機械式自動變速器做了換擋仿真研究，詳細的分析了影響換擋品質的因素[11]。葉杰等人對一種無動力中斷的二擋變速器考慮沖擊度和磨滑功制定了綜合性換擋策略[12]。吉林大學的高炳朝對一種離合器、AMT反置的變速箱實現了無扭矩孔平滑換擋控制[13]。馮天設計并測試了電動汽車多齒輪變速箱的變速控制系統，他設計了變速箱控制單元以改變變速箱的變速質量[14]。辛立研究了縮短手動兩速變速器轉矩中斷時間的控制方法，提高了換擋質量[15]。但是以上論文都沒有以換擋時刻沖擊度作出獨立的品質驗證，缺乏針對性。

本文研究針對配備兩速AMT的小型純電動汽車開發了針對歐洲城市工作條件（NEDC）的綜合換擋策略。然后使用MATLAB / Simulink建立純電動汽車模型，搭建動力系統試驗平臺，分析換擋過程中的換擋沖擊，并通過與國家標準進行比較來評估換擋質量。同時，利用巡航軟件模擬了制定變速策略前后的經濟和動態性，驗證了所開發變速策略的可行性和實用性。

1 研究對象

本論文以某小型純電動A0級單機減速器轎車為研究對象，匹配自動變速器后，主要研究如何讓純電動汽車進行實時、安全、高效的自動換擋。通過給變速器控制器制定一套換擋策略來實現自動換檔。該車在前期進行完動力匹配后，主要參數如下表所示。

2 換擋策略的制定與優化

自動換擋的原理如圖1所示，AMT變速器與電機都有各自的控制器，他們通過CAN總線共享信息，電機控制器采集駕駛員架示意圖，如：踏板信息，制動信息等。變速器控制器通過CAN采集到了這些信息，適合于所制定好的換擋策略自動換擋，這就是自動換擋的原理。因此，換擋策略的制定是關鍵一步。

2.1 以經濟性為目標的換擋策略

該純電動汽車主要工作區域為城市路況，對于純電動汽車而言，對于動力性要求并不高，追求更多的是經濟性，提出使電機能夠較高效工作的經濟性換擋策略。電機效率沒有具體表達公式，不同擋位及不同踏板開度下的電機工作效率可通過電機效率map圖來一一對應。圖2為該純電動汽車的電機效率map圖，紅色區域是效率大于94%的高效區，越往外緣區域電機效率越低，電機工作時，盡可能使其工作在效率高的紅色區域。圖3是踏板開度在0.2開度時兩個擋位的電機工作效率曲線圖，交點H是兩個擋位下電機工作效率相等的點，交點之前一擋的工作效率大于二擋，隨著車速增大，交點之后，二擋的效率大于一擋，這時候應該換擋，進入高擋位行駛，此時換擋點為H點，保證電機高效率工作，換擋車速為52.1km/h。

如圖4所示，該圖是不同踏板開度下的電機效率，A、B、C、D、E點分別是踏板開度在0.2，0.4，0.6，0.8，1下的兩擋電機工作效率的交點，交點分別是52.1km/h，54.2km/h，51.9km/h，50.8km/h，58.3km/h，同有：在這些交點之前電機工作在一擋時效率較高，之后二擋效率超過一擋，代表著在此時換擋汽車可以保持在電機工作效率較高的情況下行駛，以這些點為升擋點。選擇用10km/h的速度差作為降擋點，圖5便是不同踏板開度下經濟性換擋曲線，黑線為升擋曲線，紅線為降擋曲線。

2.2 以動力性為目標的換擋策略

雖然經濟性是電動汽車主要考慮的因素，但是一臺汽車的動力性也是人們重視的一項購車性能。為了獲得更大的動力性，提出動力性換擋。動力性換擋以加速度為換擋目標，在二擋加速度大于一擋時的速度點進行換擋。下圖6是不同踏板開度下電機輸出扭矩圖，該電機最大扭矩為150N/m，在額定轉速下，扭矩保持著不變，超過額定轉速后，隨著轉速增大，扭矩慢慢變小;加速度變化趨勢與扭矩變化相對應，在某一車速前，加速度保持不變，隨著速度越來越大，加速度慢慢變小。根據車輛動力學公式，整車加速度為：

汽車在行駛時，要克服滾動阻力Ff，坡道阻力Fi，空氣阻力Fw，在城市道路行駛時，忽略坡道阻力，即θ=0。利用加速度公式，畫出在不同踏板開度下兩個擋位的加速度--速度曲線，找到兩擋曲線的交點，即為換擋點，或者兩曲線是一段交線，可以任意選擇交線段的某一點作為換擋點，但盡量選擇離扭矩剛好變化的點，避免造成沖擊性大。如圖6（b）所示，兩曲線所包圍的區間是最佳換擋區域，從x點開始，二擋的加速度開始大于一擋，此時采用二擋工作，加速性性能更好，動力性更高。直到y點，兩條線段開始重疊，即兩個擋位加速度相同。如圖6（c）所示，踏板開度從0一直到1的不同踏板開度，兩擋交點相差不大，交點分別為（44.0， 2.18），（47.8，1.74），（51.4，1.26），（52.1， 0.35），（54.2，0.27）。重疊的線速度段區域幾乎也是一致的，從60km/h開始重疊，直到速度達到一擋工作最大值74.8km/h時結束。即考慮在區域[31.2km/h，60km/h]范圍內換擋。綜合考慮選擇速度為41km/h作為升擋點，31km/h作為降擋點。如圖6（d），即為動力性換擋曲線，同樣，黑線為升擋曲線，紅線為降擋曲線。

2.3 綜合性換擋策略

以上分別針對經濟性、動力性換擋都考慮的是單方面因素，為了兼顧兩者，使車輛在整個行駛過程中保持最優擋位狀態，將經濟性、動力性換擋相結合，制定一個綜合性換擋策略。根據駕駛經驗，在中低載荷的時候，選擇經濟性換擋，進入高負荷區時，選擇動力性換擋。在踏板開度在0至40%時選用經濟性換擋，開度為40%到100%時選用動力性換擋，綜合性換擋曲線如圖7所示，換擋曲線為中實線。

綜合性換擋策略具體車速如表3所示：

2.4 優化換擋策略

在上述換擋策略基礎上進行換擋策略的優化，本文采用粒子群算法優化換擋策略。粒子群算法（PSO）是一種進化擇最優解計算技術（evolutionary computation），該算法時Eberhart博士和kennedy博士在1995年提出的，他們觀察到鳥類捕食，從中得到啟發。在鳥類集體活動捕食時，群體合作，隨機搜索。利用這一原理，建立了數學模型，從而演化為現今的粒子群算法。粒子群算法可以優化數學問題、工程問題，求解過程為：

1）優化目標的提出。一般分為單目標優化和多目標優化，然后根據優化目標分析目標需求。

2）本文以汽車駕駛經濟性和動力性為優化目標，屬于多目標優化，多目標優化函數通過加權函數的方法降為單目標函數，設定優化范圍，確定參數，設計變量。

3）利用計算機軟件建立函數模型，一般使用Matlab、iSIGHT等軟件。

4）計算得最優解。

2.4.1 建立優化目標函數

根據電動汽車一般工作環境，經濟性與動力性的權重分析，在動力性達到基本要求的前提下，追求的更多的是提高續航里程，經濟性權重更高。用粒子群算法，選擇合適權重，優化在前文所制定的綜合性換擋策略，在保證動力性能的前提下，以降低電耗提高駕駛經濟性，以縮短百公里加速時間提升動力性為優化目標建立一個目標函數。設計變量為不同踏板開度下換擋車速X。