董鵬，吳斌，胡政

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

微型電動(dòng)車無動(dòng)力中斷換擋控制試驗(yàn)研究

董鵬，吳斌，胡政

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

針對(duì)AMT（機(jī)械式自動(dòng)變速器）存在的換擋動(dòng)力中斷問題，提出了一種適合微型電動(dòng)車的雙電機(jī)（包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)）AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)搭建了試驗(yàn)臺(tái)架。根據(jù)無動(dòng)力中斷換擋的控制要求，應(yīng)用Mtalab/Simulink軟件設(shè)計(jì)了一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制的換擋策略，并下載到快速原型控制系統(tǒng)中進(jìn)行換擋試驗(yàn)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換擋，換擋過程中系統(tǒng)輸出軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小。

微型電動(dòng)車；雙電機(jī)；無動(dòng)力中斷換擋；轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制

CLC NO.:U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-05-04

引言

微型純電動(dòng)車作為新能源車的一種，其擁有零排放、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等特點(diǎn)，已越來越受到關(guān)注。當(dāng)前微型純電動(dòng)車主要采用固定速比的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為了滿足整車的加速和最高車速的設(shè)計(jì)要求，需要高性能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池[1]。與固定速比的傳動(dòng)系統(tǒng)相比，兩擋變速傳動(dòng)系統(tǒng)一方面可以滿足純電動(dòng)車對(duì)低速爬坡和最高車速的要求；另一方面可以降低對(duì)電機(jī)和電池的性能要求，提高電機(jī)在高效區(qū)域的工作范圍，降低電能消耗[2]。但是對(duì)于匹配AMT的純電動(dòng)汽車，在換擋時(shí)存在換擋沖擊和動(dòng)力中斷的問題[3]。E. Galvagno等人在傳統(tǒng)裝備內(nèi)燃機(jī)的車上，用濕式離合器替代AMT五擋同步器的轉(zhuǎn)矩輔助方法，克服AMT常見的換擋動(dòng)力中斷問題[4]。對(duì)于純電動(dòng)車，現(xiàn)有文獻(xiàn)中主要是采用行星齒輪、雙電機(jī)結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換擋，其中大多是關(guān)于仿真的研究[1,5-7]，但是相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容較少。為提高微型電動(dòng)車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及平順性，對(duì)傳統(tǒng)AMT進(jìn)行改造，即在AMT的換檔軸上加裝一臺(tái)功率相對(duì)較小的輔助電機(jī)，并開發(fā)了雙電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制的換檔策略，進(jìn)行換檔臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證無動(dòng)力中斷換擋的可行性。

1 雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)組成

1.1 雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和無動(dòng)力中斷換擋原理

試驗(yàn)中雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輔助電機(jī)和AMT，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)與AMT的輸入軸連接，輔助電機(jī)與換擋軸連接。AMT為兩擋變速器，變速比如表1所示。換擋機(jī)構(gòu)與AMT殼體集成，由換擋電機(jī)、減速齒輪和換擋執(zhí)行器組成，換擋執(zhí)行器的作用是在換擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)不同擋位（1擋、空擋和2擋）的切換。

常見的單電機(jī)AMT系統(tǒng)，在換擋過程中，由于需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)降低轉(zhuǎn)矩進(jìn)行摘擋及掛擋，從而產(chǎn)生動(dòng)力中斷的問題，降低了車輛駕駛的平順性。對(duì)此設(shè)計(jì)了雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，即在AMT的換檔軸上加裝一個(gè)輔助電機(jī)，在換檔時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降的同時(shí)，增大輔助電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；同時(shí)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩恢復(fù)時(shí)，降低輔助電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，維持換擋時(shí)車輛的動(dòng)力輸出，減小AMT輸出軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。

圖1 雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2 整車、電機(jī)參數(shù)和換擋規(guī)律

雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

由表1的整車參數(shù)需求確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率為1200W，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm。換擋時(shí)車輛的需求轉(zhuǎn)矩由輔助電機(jī)提供，考慮換擋前后整車需求功率和車速不變，因此可以根據(jù)換擋時(shí)整車的牽引力、車速以及AMT的速比確定輔助電機(jī)的參數(shù)。最終確定升擋時(shí)輔助電機(jī)所需功率為266W，轉(zhuǎn)速為525r/min；降擋時(shí)輔助電機(jī)所需功率為190W，轉(zhuǎn)速為386r/min。根據(jù)以上要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)微型車的特點(diǎn)，采用單參數(shù)換擋規(guī)律，換擋曲線如圖2所示。即車速大于13.6km/h時(shí)，進(jìn)行升擋；當(dāng)車速小于10km/h時(shí)，進(jìn)行降擋。

表2 電機(jī)參數(shù)

圖2 升擋和降擋曲線

1.3 雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架如圖3所示，主要包括機(jī)械傳動(dòng)部分和控制部分。其中機(jī)械傳動(dòng)部分包括雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器、制動(dòng)器和慣性飛輪組。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制；AMT變速器用于降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)AMT輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；制動(dòng)器和慣性飛輪組分別用于模擬換檔時(shí)整車的負(fù)載和慣量。

控制部分包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、輔助電機(jī)控制器、TCU（AMT控制單元）、PC機(jī)。驅(qū)動(dòng)和輔助電機(jī)控制器可以控制電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模式。TCU采用北京九州華海科技有限公司的快速原型開發(fā)平臺(tái)，TCU通過硬件的D/A（數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬量）管腳，向電機(jī)控制器的A/D（模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量）管腳發(fā)送踏板模擬量，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制；同時(shí)TCU基于換擋執(zhí)行器反饋的位置信號(hào)控制換擋電機(jī)的摘擋和掛擋操作。PC機(jī)與TCU通過CAN（控制器局域網(wǎng)）線實(shí)現(xiàn)通訊，完成程序刷寫、控制參數(shù)的監(jiān)測(cè)和標(biāo)定。

圖3 雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架簡(jiǎn)圖

2 控制策略

采用基于模型的方法在Matlab/Simulink軟件上完成換擋控制策略模型的建立，部分模型如圖4所示。

圖4 Simulink中換擋控制的部分模型

雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無動(dòng)力中斷換擋過程包括5個(gè)階段：（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降、輔助電機(jī)轉(zhuǎn)矩上升；（2）摘擋；（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速；（4）掛擋；（5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩恢復(fù)、輔助電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。換擋控制流程如圖5所示，以升擋為例，對(duì)過程進(jìn)行描述。首先，進(jìn)入第1階段，TCU控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T1，并逐漸下降為0；同時(shí)控制輔助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T2，上升到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩T20（注：圖5中的T10和T20分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)在不同階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩），以保持AMT輸出軸轉(zhuǎn)矩基本保持恒定。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)都達(dá)到目標(biāo)值后，進(jìn)入第2階段，TCU控制換擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行器與1擋擋位齒輪分離，將擋位變?yōu)榭論?。此時(shí)，換擋過程進(jìn)入第3階段，TCU控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，用以調(diào)節(jié)2擋擋位齒輪的轉(zhuǎn)速，使換擋執(zhí)行器與2擋擋位齒輪的轉(zhuǎn)速差達(dá)到一定范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)完成后進(jìn)入第4階段，TCU控制換擋電機(jī)將換擋執(zhí)行器與2擋擋位齒輪結(jié)合，完成掛擋。掛擋結(jié)束后進(jìn)入第5階段，TCU控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T1，恢復(fù)到2擋擋位對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值T10；同時(shí)控制輔助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T2并逐漸降為0，以保持AMT輸出軸轉(zhuǎn)矩基本恒定。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)都到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩時(shí)，表明升擋動(dòng)作完成。降擋過程的控制流程和升擋過程類似。

圖5 雙電機(jī)AMT換擋控制流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

對(duì)已建立好的控制策略模型完成功能驗(yàn)證后，將Simulink模型生成C代碼及二進(jìn)制代碼，通過USB/CAN卡將其刷寫進(jìn)TCU中，在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行升檔和降檔試驗(yàn)。試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)的踏板模擬量根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩確定，具體數(shù)據(jù)由試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)得，如圖6、圖7所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的踏板模擬量map圖

圖7 輔助電機(jī)的踏板模擬量map圖

在升擋過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化如圖8所示。由于摘擋前和掛擋后電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化范圍不同，造成第1階段的時(shí)間小于第5階段的時(shí)間，即t1小于t2。變速器輸出軸轉(zhuǎn)速、換擋執(zhí)行器目標(biāo)和實(shí)際位置的變化如圖7所示。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)的轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制，使得變速器輸出軸轉(zhuǎn)速在升擋過程中變化不大，波動(dòng)范圍在10r/min左右，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速階段轉(zhuǎn)速略有上升。同時(shí)由于電機(jī)響應(yīng)的問題，實(shí)際過程中轉(zhuǎn)矩上升的速度要比下降的速度慢，造成換擋過程中輸出軸轉(zhuǎn)速有兩次轉(zhuǎn)速先下降又上升的現(xiàn)象。

圖8 升擋過程驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化

圖9 升擋過程輸出軸的轉(zhuǎn)速和換擋執(zhí)行器位置變化

同樣，降檔過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化如圖10所示。降檔過程的第1階段時(shí)間t3比升擋對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1長(zhǎng)，是因?yàn)樯龘踹^程中，該階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化范圍較小，所需時(shí)間較短；第5階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2大于t4，主要是由于升擋時(shí)該階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化范圍大，造成所需時(shí)間變長(zhǎng)。降檔過程中變速器輸出軸轉(zhuǎn)速、換擋執(zhí)行器目標(biāo)和實(shí)際位置的變化如圖11所示。整個(gè)降檔過程中變速器輸出軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍在8r/min左右，且與升擋過程相比，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，沒有產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速過沖現(xiàn)象，但是驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速時(shí)間相對(duì)變長(zhǎng)。與升擋相似，降檔時(shí)也產(chǎn)生輸出軸轉(zhuǎn)速先下降后上升的現(xiàn)象。

圖10 降擋過程驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輔助電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化

圖11 降擋過程輸出軸的轉(zhuǎn)速和換擋執(zhí)行器位置變化

4 結(jié)論

針對(duì)雙電機(jī)AMT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的微型電動(dòng)車，根據(jù)無動(dòng)力中斷換擋控制要求，制定了換檔工況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輔助電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制策略。試驗(yàn)結(jié)果表明在雙電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的協(xié)同控制策略作用下，試驗(yàn)臺(tái)架中AMT輸出軸能持續(xù)輸出動(dòng)力，升擋和降擋過程中變速器輸出軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，波動(dòng)范圍都在10r/min以內(nèi)，可以滿足無動(dòng)力中斷的換擋控制要求。

[1] Bingzhao Gao, Qiong Liang, Yu Xiang etc. Gear ratio optimization and shift control of 2-speed I-AMT in electric vehicle [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2015, 50-51：615-631.

[2] Q. Ren, D. A. Crolla, A. Morris. Effect of transmission design on electric vehicle (EV) performance [C]. Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009：1260-1265.

[3] 李川. 雙電機(jī)混合動(dòng)力客車換擋無動(dòng)力中斷研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2007.

[4] E. Galvagno, M. Velardocchia, A. Vigliani. Analysis and simulation of torque assist automated manual transmission [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25：1877-1886.

[5] 王軍年,劉德春,張運(yùn)昌等. 新型雙電機(jī)構(gòu)型純電動(dòng)汽車節(jié)能潛力分析 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）, 2016, 46 (1) ：28-34.

[6] 劉德春. 雙電機(jī)構(gòu)型純電動(dòng)轎車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與控制策略研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2014.

[7] 楊勝兵,宋鵬飛,毛沖沖. 新型雙電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車仿真分析 [J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版）, 2016, 40 (4)：651-656.

Experiment study on uninterrupted gear shift control in micro electric vehicle

Dong Peng, Wu Bin, Hu Zheng
( Beijing University of Technology, Beijing 100124 )

For problem of gear shift power interrupted in AMT (Automated Mechanical Transmission) present, a dual-motor (included drive motor and auxiliary motor) AMT propulsion structure to micro electric vehicle is put forward, moreover the test bench is constructed. According to control demand of uninterrupted gear shift, a strategy which coordinate control output torque on dual motor is designed by Matlab/Simulink software, and made gear shift experiments by download control program in rapid prototyping system. The results of test indicated that, the uninterrupted gear shift of dual-motor AMT system is achieved, and the system output shaft speed fluctuation are smaller during gear shift.

micro electric vehicle; dual-motor; uninterrupted gear shift; torque coordinated control

U463.2

A

1671-7988 (2017)13-05-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.002

董鵬，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。< class="emphasis_bold">通訊作者：吳斌，

吳斌，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，就職于北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院汽車系。主要研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。