鄧長禎，甘海云，王 歡

（中國汽車工程研究院，重慶 400039）

純電動汽車作為新能源汽車，在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)等方面具有傳統(tǒng)汽車無可比擬的優(yōu)越性，如低能耗、低污染、零排放、低噪聲、高效率等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展電動汽車能夠有效解決能源短缺和環(huán)境污染等問題[1-2]。

電控機(jī)械式自動變速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）是在傳統(tǒng)的固定軸式變速器基礎(chǔ)上，通過增加電子控單元（Electric Control Unit，ECU）、傳感器以及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動變速的變速器。該變速器具有傳動效率高、成本低、操作容易、駕駛舒適等優(yōu)點(diǎn)，因而更具廣泛應(yīng)用前景[3]。尤其是電動汽車上使用了能量回收策略能更有效地集約能源[4]。

電動車的發(fā)展經(jīng)歷了一個很漫長的過程，第一輛電動車問世比傳統(tǒng)車還早，但是由于早期技術(shù)局限性，導(dǎo)致其被傳統(tǒng)車替代，技術(shù)也停步不前，直到20世紀(jì)90年代后期，由于生存環(huán)境污染嚴(yán)重，尤其是汽車尾氣污染，世界各國政府積極推廣以及人們環(huán)保理念的提高，使純電動汽車開發(fā)有了長足進(jìn)步[5]。近年來，在電池安全、容量、壽命、成本、電機(jī)控制、整車能量管理方面都取得了很大的發(fā)展，國內(nèi)外很多汽車公司都推出自己的量產(chǎn)車型。1990年1月的洛杉磯汽車展上，通用汽車的總裁向全球推介Impact純電動轎車；1992年福特汽車使用鈣硫電池的Ecostar；1996年豐田汽車使用鎳氫電池的RAV4 LEV；1996年法國雷諾汽車的Clio；1997年豐田的Prius混合動力轎車下線；1997年日產(chǎn)汽車推出世界上第一輛使用鋰離子電池的電動車Prairie Joy EV；1999年本田汽車發(fā)布并銷售混合動力 Insight。在國內(nèi)，示范運(yùn)行等一些補(bǔ)貼政策給電動車發(fā)展帶來了機(jī)遇，其中比較典型的有比亞迪e6、東風(fēng)I_car、吉利EK-2、海馬MPE。截止2012年，國內(nèi)25個新能源汽車示范城市共推廣示范車輛27 432輛，其中公共服務(wù)領(lǐng)域23 032輛，私人購車4 400輛[6-7]。

目前國內(nèi)大多純電動車都是安裝單級減速器，利用電機(jī)驅(qū)動范圍廣的特點(diǎn)覆蓋整車運(yùn)行環(huán)境的需求，但是電機(jī)運(yùn)行高效區(qū)間并不在整個運(yùn)行范圍之內(nèi)，所以不能有效利用低能耗的特點(diǎn)。在純電動汽車中安裝AMT系統(tǒng)能使整車在動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)上有較低的能耗、較高的傳動效率和較低的噪聲。在裝有AMT系統(tǒng)的純電動車開發(fā)過程中，整車控制系統(tǒng)是開發(fā)的核心，其性能直接影響到整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和行駛平順性[8]。

1 純電動AMT汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

純電動AMT汽車屬于電動車的一種，在單級減速比的純電動車上，盡管電機(jī)的驅(qū)動范圍很廣，但是很難滿足車輛行駛條件復(fù)雜的要求，很難兼顧車輛的最高車速和最大爬坡度。同時(shí)，由于電機(jī)驅(qū)動的高效區(qū)間只是在其傳動范圍內(nèi)的一個很小區(qū)間，所以單級減速比的純電動車很難有效利用電機(jī)的高效區(qū)間，從而提高整個動力傳動系統(tǒng)的傳動效率。在純電動車上增加AMT系統(tǒng)，在有效提高驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動區(qū)間的同時(shí)滿足車輛最高車速和最大爬坡度的要求，同時(shí)AMT系統(tǒng)能夠增大電機(jī)的高效驅(qū)動區(qū)間，從而提高整車的傳動效率和使用能耗[9]。

與純電動車相比，純電動AMT汽車在其基礎(chǔ)上增加了AMT傳動系統(tǒng)。與傳統(tǒng)AMT系統(tǒng)相比，由于電機(jī)的快速響應(yīng)性，利用電機(jī)的調(diào)速特性，減少了換擋過程中對離合器的需求[10]。

本文的純電動AMT控制開發(fā)以長安鈴木天語轎車為開發(fā)平臺，搭載的是青山變速器公司的一款A(yù)MT變速器。整車相關(guān)參數(shù)見表1。

純電動AMT控制系統(tǒng)功能需求如圖1所示。

表1 整車相關(guān)參數(shù)

輸入信號采集部分需要對駕駛員駕駛狀態(tài)信號進(jìn)行采集，包括加速踏板、制動踏板、手柄位置信號、手制動位置信號等，以及對車輛行駛狀態(tài)信息采集，如輸出軸轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度信號、換擋電機(jī)位置信號、選擋電機(jī)信號等。輸出執(zhí)行需求是對上下電繼電器、冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇進(jìn)行控制等。同時(shí)還需要和系統(tǒng)中的其它零部件進(jìn)行通信。

系統(tǒng)功能需求，純電動AMT系統(tǒng)是在純電動的基礎(chǔ)上增加了AMT系統(tǒng)，純電動控制系統(tǒng)的主要功能包括對驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制和對電池系統(tǒng)的上下電管理。增加AMT系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)需要增加相應(yīng)的功能，如AMT換擋策略、換擋過程協(xié)調(diào)控制、換擋過程驅(qū)動電機(jī)的調(diào)速控制等[10]。

2 純電動AMT汽車控制系統(tǒng)開發(fā)

純電動AMT汽車控制系統(tǒng)開發(fā)包括對硬件系統(tǒng)的開發(fā)和對軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

以飛思卡爾的32位高速處理器MPC5634為核心處理器開發(fā)出來的硬件系統(tǒng)，包括最小系統(tǒng)、模擬信號處理電路、數(shù)字信號調(diào)理電路、CAN通信接口電路、PWM輸出驅(qū)動電路和IGBT功率驅(qū)動電路等，如圖2所示。

2.1.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是支撐核心處理芯片運(yùn)行的處理電路，單片機(jī)自身有內(nèi)置RAM和Flash，外圍電路主要包括：時(shí)鐘系統(tǒng)、CAN通信系統(tǒng)、PLL系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、程序下載和復(fù)位系統(tǒng)，如圖3所示。

2.1.2 模擬信號處理電路

模擬信號處理電路主要是針對輸入信號采集而進(jìn)行的一些特殊處理，輸入的正常信號為0～5 V的電壓信號。但是由于傳感器在工作過程中容易受到其它一些信號的干擾，所以處理電路的主要作用是對信號進(jìn)行濾波，將傳感器的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)自身可以采集的電信號，具體處理如圖4所示。

2.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

軟件系統(tǒng)開發(fā)包括功能函數(shù)開始、單片機(jī)系統(tǒng)底層開發(fā)、任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)等。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

單片機(jī)系統(tǒng)上電后，任務(wù)開始執(zhí)行，開始是對單片機(jī)自身的系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對單片機(jī)的輸入輸出引腳定義，系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，CAN通信系統(tǒng)的初始化等。這部分任務(wù)為一次性任務(wù)，單片機(jī)執(zhí)行過程中只執(zhí)行一次。初始化完成之后執(zhí)行循環(huán)任務(wù)，循環(huán)任務(wù)由任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，任務(wù)的執(zhí)行順序按照數(shù)據(jù)流的方向執(zhí)行，執(zhí)行時(shí)間的長短則由函數(shù)具體的功能決定。具體為：數(shù)據(jù)由單片機(jī)底層采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)診斷和處理，由功能函數(shù)計(jì)算和處理后，輸出對被控對象的控制信號且由單片機(jī)底層輸出執(zhí)行。

2.2.1 任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)函數(shù)開發(fā)

任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)主要針對的是功能函數(shù)運(yùn)行周期的調(diào)控，運(yùn)行時(shí)刻管理，其運(yùn)行管理原理是通過單片機(jī)自身的系統(tǒng)時(shí)鐘。單片機(jī)在設(shè)定的最小時(shí)間后能產(chǎn)生中斷，次最小時(shí)間稱為單片機(jī)的時(shí)間片。通過對基礎(chǔ)時(shí)間片的累計(jì)，得到不同的任務(wù)調(diào)度時(shí)間，分別有5 ms、10 ms、20 ms、50 ms、100 ms、500 min和1 s的任務(wù)調(diào)度時(shí)間，具體原理如圖6所示。

任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)還對執(zhí)行過程中的任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控。任務(wù)調(diào)度函數(shù)檢測到滿足條件將要執(zhí)行的任務(wù)ID后，在該任務(wù)執(zhí)行之前都會通過變量gu8Scheduler_Thread_ID_Backup對該ID號進(jìn)行備份，在每個分支執(zhí)行完成后，檢測備份ID號是否與進(jìn)入該時(shí)間片時(shí)的ID號相同，若不同，則表示該任務(wù)執(zhí)行分支執(zhí)行超時(shí)，下一個時(shí)間片已經(jīng)刷新了等待任務(wù)ID。

任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)是依據(jù)最小單片機(jī)時(shí)間片進(jìn)行累計(jì)計(jì)時(shí)，并對計(jì)數(shù)器進(jìn)行判斷。在計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上對時(shí)間進(jìn)行不同周期任務(wù)的劃分，分別制定每個時(shí)間任務(wù)的時(shí)間起點(diǎn)，其流程如圖7所示：先觸發(fā)最小時(shí)間片中的任務(wù)，多個時(shí)間片為周期的任務(wù)則在上一級的任務(wù)上進(jìn)行累加。

2.2.2 功能函數(shù)開發(fā)

功能函數(shù)是針對車輛形式過程中不同的控制需求而設(shè)計(jì)的，是控制策略的集中體現(xiàn)，如圖8所示。

（1）BMS上下電管理模塊：該模塊的功能是通過對駕駛員鑰匙信號以及車輛當(dāng)前的整車故障狀態(tài)，對BMS進(jìn)行上下電管理。當(dāng)駕駛員將鑰匙開到on擋后，判斷車輛各個零部件當(dāng)前的故障狀態(tài)，當(dāng)允許上電時(shí)，控制BMS上電，包括對上電順序的控制。

（2）MCU上下電管理：和BMS上電類似，通過識別駕駛員的意圖和車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)下的一些故障狀態(tài)，當(dāng)滿足MCU高壓電上電要求時(shí)，控制系統(tǒng)對MCU上電。

（3）MCU轉(zhuǎn)矩管理：該模塊的功能是通過對電機(jī)當(dāng)前的輸出能力，電池的充放電功率，駕駛員的需求信息及車輛其它零部件當(dāng)前的故障狀態(tài)，綜合得出當(dāng)前的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩，發(fā)送給MCU，控制驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行輸出執(zhí)行。

（4）駕駛員轉(zhuǎn)矩分析：駕駛員轉(zhuǎn)矩需求分為兩部分，加速踏板的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求和制動踏板的制動轉(zhuǎn)矩需求，如圖9所示。

① 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求

駕駛員的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求主要是對車輛加速性能的需求，由駕駛員操縱油門開度和當(dāng)前車速決定。油門開度表示的是駕駛員的需求，而車速的大小則影響驅(qū)動電機(jī)的輸出能力，并且轉(zhuǎn)矩在加載過程和卸載過程中，其上升和下降的速率直接影響整車的加速性能和乘坐舒適性，所以相關(guān)的數(shù)據(jù)還需要在整車行駛過程中進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2。

表2 駕駛員驅(qū)動力需求轉(zhuǎn)矩表N·m

表 2 中 c1、c2、c3、c4、c5、c6為對應(yīng)的油門開度和車速下的標(biāo)定轉(zhuǎn)矩，可以依據(jù)動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行不同的標(biāo)定，在兩個相鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間進(jìn)行線性插值。

② 制動轉(zhuǎn)矩需求

制動轉(zhuǎn)矩需求主要是車輛在制動過程中分配給電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算邏輯如下：制動轉(zhuǎn)矩主要由車輛當(dāng)前的行駛車速查表得到一個值tq_brk，由制動踏板開度和電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）對tq_brk進(jìn)行修正，最后得出當(dāng)前制動情況下的電機(jī)需求制動轉(zhuǎn)矩，詳細(xì)如圖10所示。

駕駛員制動踏板轉(zhuǎn)矩需求主要由3個因素組成：車速、制動踏板開度和SOC。車速表征的是車輛當(dāng)前具備的能量，車速越高，需求的制動轉(zhuǎn)矩越大；制動踏板開度則表示的是駕駛員的主動需求，制動踏板開度越大，駕駛員需求的制動轉(zhuǎn)矩就越大；SOC則是對電池吸收能力的監(jiān)控，SOC越高，說明電池接近滿電狀態(tài)，能吸收的電能就越少，需求的電制動轉(zhuǎn)矩及發(fā)電轉(zhuǎn)矩就越小。

（5）換擋過程控制：該過程是對換擋過程進(jìn)行管理，與常規(guī)車相比，減少了離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是增加了換擋過程中對電機(jī)驅(qū)動模式的切換控制，需要電機(jī)在轉(zhuǎn)矩驅(qū)動模式、轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速模式和自由模式之間直接切換。除了對電機(jī)的控制，還需要對換擋電機(jī)進(jìn)行時(shí)序控制，最后使電機(jī)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩模式，輸出轉(zhuǎn)矩模式，完成換擋過程控制。

（6）整車能量管理：整車能量管理部分主要針對整車上的能量消耗部件，如驅(qū)動電機(jī)、DCDC和PTC等的能量進(jìn)行分配，對電池能量進(jìn)行合理分配。在不同的情況下，計(jì)算出動力系統(tǒng)能夠提供給電機(jī)的最大最小轉(zhuǎn)矩，結(jié)合上一節(jié)中的電機(jī)輸出能力計(jì)算，就可以得出電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下的最大最小輸出轉(zhuǎn)矩。

（7）其它：附件控制主要是針對整車的一些附件進(jìn)行輸出控制，尤其是對冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉，通過對冷卻水溫的檢測，完成對這些附件的控制。故障診斷系統(tǒng)是通過總線對各個零部件上的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對車輛當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將不同的故障分為不同的等級，進(jìn)行相應(yīng)的控制，保證車輛行駛安全。換擋過程中電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速計(jì)算，僅僅針對換擋過程，通過輸出軸和目標(biāo)擋位計(jì)算掛擋時(shí)需要的目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使換擋過程沖擊最小。整車行駛工況判斷是通過對駕駛員操縱油門踏板和制動踏板的判斷，以及車輛當(dāng)前的狀態(tài)——車速和加速度等進(jìn)行推理，得到車輛當(dāng)前行駛的路面信息。

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究是利用開發(fā)的功能樣車，對控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行驗(yàn)證，道路試驗(yàn)針對控制策略系統(tǒng)來說包括對功能的驗(yàn)證和性能試驗(yàn)。

3.1 換擋功能試驗(yàn)

主要驗(yàn)證控制系統(tǒng)對AMT變速器的換擋控制功能。駕駛員按照正常的駕駛習(xí)慣進(jìn)行駕駛，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集車輛的行駛數(shù)據(jù)并用設(shè)計(jì)的換擋規(guī)律數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，確定是否按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選換擋，如圖11所示。

圖中信號分別為擋位信號、驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號、油門開度信號、車速信號，從圖中可以看出車輛能夠?qū)崿F(xiàn)自動換擋。

3.2 整車性能試驗(yàn)

整車性能試驗(yàn)主要針對車輛的加速性能、換擋平順性、爬坡性能、起步性能、經(jīng)濟(jì)性、最高車速、續(xù)航試驗(yàn)等。圖12為續(xù)航試驗(yàn)和最高車速試驗(yàn)圖，圖中的信號為車速信號。

4 結(jié)論

本文針對裝有AMT傳動系統(tǒng)的純電動轎車開發(fā)的控制系統(tǒng)，是以32位的高性能處理器為核心的處理系統(tǒng)，具有較高的處理速度。試驗(yàn)結(jié)果證明，開發(fā)的控制系統(tǒng)能夠滿足車輛復(fù)雜的行駛工況要求，能夠按照設(shè)計(jì)要求控制車輛進(jìn)行自動換擋。換擋過程中能夠準(zhǔn)確協(xié)調(diào)驅(qū)動電機(jī)、選換擋電機(jī)的執(zhí)行順序和執(zhí)行力，保證換擋過程的平穩(wěn)過渡。整車性能試驗(yàn)證明，控制器響應(yīng)快的特點(diǎn)能使純電動車具備加速性能并能較好地跟隨駕駛員的駕駛需求。開發(fā)出的控制系統(tǒng)和試驗(yàn)樣車的各項(xiàng)性能都滿足開發(fā)要求。

References)

[1]劉華東，肖兵. 電動車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版)，2007(7)：110-112.

Liu Huadong，Xiao Bin. Control System Design on Electric Vehicle[J]. Modern Computer，2007(7)：110-112. (in Chinese)

[2]盤朝奉，徐興，廖學(xué)良，等. 基于動態(tài)建模仿真的純電動汽車動力性分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(2)：167-170.

Pan Chaofeng，Xu Xing，Liao Xueliang，et al. Power Performance of Battery Electric Vehicle Based on Dynamic Modeling and Simulation[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science)，2012(2)：167-170. (in Chinese)

[3]王雷，席軍強(qiáng).無離合器純電動客車機(jī)械式自動變速器換擋評價(jià)的研究[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2012，2(1)：35-39.

Wang Lei，Xi Junqiang. Evaluation on AMT Shifting Gear of Non-clutch Pure Electric Bus[J].Chinese Journal of Automotive Engineering，2012，2(1)：35-39.(in Chinese)

[4]張林，杜子學(xué)，朱海峰，等.電動汽車的再生制動控制策略研究及仿真[J].科研設(shè)計(jì)，2006(5)：10-12.

Zhang Lin，Du Zixue，Zhu Haifeng，et al.Regenerative Braking Control Strategy Research and Simulation in Electric Vehicle[J]. Research ＆ Design，2006(5)：10-12.(in Chinese)

[5]張希明. 純電動車控制系統(tǒng)[D] .杭州：浙江大學(xué)，2008.

Zhang Ximing. Control System of Electric Vehicles[D].Hangzhou：Zhejiang University，2008.(in Chinese)

[6]趙軒，肖廣朋，馬建，等. 純電動汽車驅(qū)動控制器研究與開發(fā)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2012，30(6)：32-37.

Zhao Xuan，Xiao Guangpeng，Ma Jian，et al.Development of the Driving Controller for Electric Vehicle[J].Science & Technology Review，2012，30(6)：32-37.(in Chinese)

[7]李斌花，王地川，鐘勇.純電動車電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].客車技術(shù)與研究，2005(1)：5-6.

Li Binhua，Wang Dichuan，Zhong Yong.Pure Electric Vehicle Motor Drive Control System Status and Development Trend[J]. Bus Technology and Research，2005(1)：5-6. (in Chinese)

[8]喻厚宇，黃妙華，鄧楚南.雙電機(jī)雙軸驅(qū)動純電動車控制策略的研究[J].北京汽車，2007(4)：12-15.

Yu Houyu，Huang Miaohua，Deng Chunan.Vehicle Control Strategy Research on Pure Electric Vehicle with Biaxial and Dual-Motor[J]. Beijing Automotive Engineering，2007(4)：12-15. (in Chinese)

[9]HAJ-FRAJ A，PFEIFFER F. Optimal Control of Gear Shift Operations in Automatic Transmissions[J]. Journal of the Franklin Institute，2001，338(2-3)：371–390.

[10]肖志増.純電動客車AMT換擋規(guī)律研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2006.

Xiao Zhizeng. AMT Shift Schedule Research on Pure Electric Vehicle[D]. Beijing：Beijing Institute of Technology，2006. (in Chinese)