微型电动车无动力中断换挡控制试验研究.pdf

10.16638/ ki.1671-7988.2017.13.002 10.16638/ ki.1671-7988.2017.13.002 微型电动车无动力中断换挡控制试验研究 董鹏，吴斌，胡政 （北京工业大学，北京 100124） 摘 要：针对 AMT（机械式自动变速器）存在的换挡动力中断问题，提出了一种适合微型电动车的双电机（包括驱 动电机和辅助电机） AMT 驱动系统， 同时搭建了试验台架。 根据无动力中断换挡的控制要求， 应用 Mtalab/Simulink 软件设计了一种基于驱动电机和辅助电机输出转矩协同控制的换挡策略， 并下载到快速原型控制系统中进行换挡试 验。结果表明，设计的双电机 AMT 驱动系统能实现无动力中断换挡，换挡过程中系统输出轴的转速波动较小。 关键词：微型电动车；双电机；无动力中断换挡；转矩协同控制 中图分类号：U463.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)13-05-04 Experiment study on uninterrupted gear shift control in micro electric vehicle Dong Peng, Wu Bin, Hu Zheng ( Beijing University of Technology, Beijing 100124 ) Abstract: 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. Keywords: micro electric vehicle; dual- motor; uninterrupted gear shift; torque coordinated control CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671- 7988 (2017)13- 05- 04 引言 微型纯电动车作为新能源车的一种，其拥有零排放、结 构简单、性价比高等特点，已越来越受到关注。当前微型纯 电动车主要采用固定速比的电机驱动系统，为了满足整车的 加速和最高车速的设计要求，需要高性能的驱动电机和电池 1。与固定速比的传动系统相比，两挡变速传动系统一方面 可以满足纯电动车对低速爬坡和最高车速的要求；另一方面 可以降低对电机和电池的性能要求，提高电机在高效区域的 工作范围，降低电能消耗 2。但是对于匹配 AMT 的纯电动汽 车， 在换挡时存在换挡冲击和动力中断的问题 3。 E. Galvagno 等人在传统装备内燃机的车上，用湿式离合器替代 AMT 五挡 同步器的转矩辅助方法，克服 AMT 常见的换挡动力中断问题 4。对于纯电动车，现有文献中主要是采用行星齿轮、双电 机结构的方法实现无动力中断换挡，其中大多是关于仿真的 研究 1,5-7，但是相关实验的研究内容较少。为提高微型电动 车的动力性、经济性及平顺性，对传统 AMT 进行改造，即在 AMT 的换档轴上加装一台功率相对较小的辅助电机，并开发 了双电机输出转矩协同控制的换档策略， 进行换档台架试验， 验证无动力中断换挡的可行性。 作者简介：董鹏，作者简介：董鹏，男，硕士研究生，主要研究方向为汽车电子控制 技术。通讯作者：吴斌，通讯作者：吴斌，男，副教授，硕士研究生导师，就职于北 京工业大学环境与能源工程学院汽车系。主要研究方向为汽车电子 控制技术。 董鹏董鹏 等：微型电动车无动力中断换挡控制试验研究等：微型电动车无动力中断换挡控制试验研究 6 2017 年第 13 期2017 年第 13 期 1 双电机 AMT 驱动试验系统组成 1.1 双电机 AMT 驱动机构和无动力中断换挡原理 试验中双电机 AMT 驱动机构如图 1 所示，主要包括驱动 电机、辅助电机和 AMT，其中驱动电机与 AMT 的输入轴连接， 辅助电机与换挡轴连接。AMT 为两挡变速器，变速比如表 1 所示。换挡机构与 AMT 壳体集成，由换挡电机、减速齿轮和 换挡执行器组成，换挡执行器的作用是在换挡电机驱动下， 实现不同挡位（1 挡、空挡和 2 挡）的切换。 常见的单电机 AMT 系统，在换挡过程中，由于需要驱动 电机降低转矩进行摘挡及挂挡，从而产生动力中断的问题， 降低了车辆驾驶的平顺性。对此设计了双电机 AMT 驱动系统 机构，即在 AMT 的换档轴上加装一个辅助电机，在换档时控 制驱动电机转矩下降的同时，增大辅助电机的输出转矩；同 时在驱动电机转矩恢复时，降低辅助电机的转矩输出，维持 换挡时车辆的动力输出，减小 AMT 输出轴转速的波动。 图 1 双电机 AMT 驱动机构 1.2 整车、电机参数和换挡规律 双电机 AMT 驱动系统所设计的整车参数如表 1 所示。 表 1 整车参数 由表 1 的整车参数需求确定驱动电机的额定功率为 1200W，额定转速为 3000rpm。换挡时车辆的需求转矩由辅助 电机提供，考虑换挡前后整车需求功率和车速不变，因此可 以根据换挡时整车的牵引力、车速以及 AMT 的速比确定辅助 电机的参数。最终确定升挡时辅助电机所需功率为 266W，转 速为 525r/min；降挡时辅助电机所需功率为 190W，转速为 386r/min。根据以上要求，驱动电机和辅助电机的详细参数 如表 2 所示。 根据微型车的特点，采用单参数换挡规律，换挡曲线如 图 2 所示。即车速大于 13.6km/h 时，进行升挡；当车速小于 10km/h 时，进行降挡。 表 2 电机参数 图 2 升挡和降挡曲线 1.3 双电机 AMT 驱动系统试验台架 双电机 AMT 驱动系统试验台架如图 3 所示，主要包括机 械传动部分和控制部分。其中机械传动部分包括双电机 AMT 驱动机构、转速/转矩传感器、制动器和惯性飞轮组。其中驱 动电机和辅助电机可以进行转矩控制；AMT 变速器用于降低 转速、 增加转矩； 转速/转矩传感器用于实时监测 AMT 输出轴 的转速和转矩；制动器和惯性飞轮组分别用于模拟换档时整 车的负载和惯量。 控制部分包括驱动电机控制器、辅助电机控制器、TCU （AMT 控制单元） 、 PC 机。 驱动和辅助电机控制器可以控制电 机工作在转矩和转速模式。TCU 采用北京九州华海科技有限 公司的快速原型开发平台， TCU 通过硬件的 D/A （数字量转模 拟量）管脚，向电机控制器的 A/D（模拟量转数字量）管脚 发送踏板模拟量，实现对驱动电机和辅助电机的转速和转矩 控制；同时 TCU 基于换挡执行器反馈的位置信号控制换挡电 机的摘挡和挂挡操作。 PC 机与 TCU 通过 CAN （控制器局域网） 线实现通讯，完成程序刷写、控制参数的监测和标定。 图 3 双电机 AMT 驱动系统试验台架简图 汽车实用技术汽车实用技术 7 2017 年第 13 期2017 年第 13 期 2 控制策略 采用基于模型的方法在 Matlab/Simulink 软件上完成换 挡控制策略模型的建立，部分模型如图 4 所示。 图 4 Simulink 中换挡控制的部分模型 双电机 AMT 驱动系统的无动力中断换挡过程包括 5 个阶 段： （1）驱动电机转矩下降、辅助电机转矩上升； （2）摘挡； （3）驱动电机调速； （4）挂挡； （5）驱动电机转矩恢复、辅 助电机转矩下降。换挡控制流程如图 5 所示，以升挡为例， 对过程进行描述。首先，进入第 1 阶段，TCU 控制驱动电机 输出转矩 T1，并逐渐下降为 0；同时控制辅助电机输出转矩 T2，上升到目标转矩 T20（注：图 5 中的 T10和 T20分别为驱动 电机和辅助电机在不同阶段的目标转矩） ， 以保持 AMT 输出轴 转矩基本保持恒定。驱动电机和辅助电机都达到目标值后， 进入第 2 阶段，TCU 控制换挡电机驱动换挡执行器与 1 挡挡 位齿轮分离，将挡位变为空挡。此时，换挡过程进入第 3 阶 段，TCU 控制驱动电机进行转速调节，用以调节 2 挡挡位齿 轮的转速，使换挡执行器与 2 挡挡位齿轮的转速差达到一定 范围内。转速调节完成后进入第 4 阶段，TCU 控制换挡电机 将换挡执行器与 2 挡挡位齿轮结合，完成挂挡。挂挡结束后 进入第 5 阶段，TCU 控制驱动电机输出转矩 T1，恢复到 2 挡 挡位对应的目标值 T10； 同时控制辅助电机输出转矩 T2并逐渐 降为 0，以保持 AMT 输出轴转矩基本恒定。当驱动电机和辅 助电机都到达目标转矩时，表明升挡动作完成。降挡过程的 控制流程和升挡过程类似。 图 5 双电机 AMT 换挡控制流程图 3 试验验证与结果分析 对已建立好的控制策略模型完成功能验证后，将 Simulink 模型生成 C 代码及二进制代码， 通过 USB/CAN 卡将 其刷写进 TCU 中，在稳态工况下进行升档和降档试验。试验 中驱动电机和辅助电机的踏板模拟量根据电机转速和需求转 矩确定，具体数据由试验台架测得，如图 6、图 7 所示。 图 6 驱动电机的踏板模拟量 map 图 图 7 辅助电机的踏板模拟量 map 图 在升挡过程中，驱动电机和辅助电机的目标转矩变化如 图 8 所示。由于摘挡前和挂挡后电机转矩变化范围不同，造 成第 1 阶段的时间小于第 5 阶段的时间，即 t1小于 t2。变速 器输出轴转速、换挡执行器目标和实际位置的变化如图 7 所 示。由于驱动电机和辅助电机的转矩协同控制，使得变速器 输出轴转速在升挡过程中变化不大，波动范围在 10r/min 左 右，驱动电机调速阶段转速略有上升。同时由于电机响应的 问题，实际过程中转矩上升的速度要比下降的速度慢，造成 换挡过程中输出轴转速有两次转速先下降又上升的现象。 图 8 升挡过程驱动电机和辅助电机目标转矩变化 图 9 升挡过程输出轴的转速和换挡执行器位置变化 同样，降档过程中驱动电机和辅助电机的目标转矩变化 如图 10 所示。降档过程的第 1 阶段时间 t3比升挡对应的时 间 t1长，是因为升挡过程中，该阶段驱动电机输出转矩变化 董鹏董鹏 等：微型电动车无动力中断换挡控制试验研究等：微型电动车无动力中断换挡控制试验研究 8 2017 年第 13 期2017 年第 13 期 范围较小，所需时间较短；第 5 阶段对应的时间 t2大于 t4， 主要是由于升挡时该阶段驱动电机输出转矩变化范围大，造 成所需时间变长。降档过程中变速器输出轴转速、换挡执行 器目标和实际位置的变化如图 11 所示。 整个降档过程中变速 器输出轴转速的波动范围在 8r/min 左右，且与升挡过程相 比，驱动电机进行转速调节时，没有产生较大的转速过冲现 象，但是驱动电机调速时间相对变长。与升挡相似，降档时 也产生输出轴转速先下降后上升的现象。 图 10 降挡过程驱动电机和辅助电机目标转矩变化 图 11 降挡过程输出轴的转速和换挡执行器位置变化 4 结论 针对双电机 AMT 驱动系统的微型电动车，根据无动力中 断换挡控制要求，制定了换档工况下驱动电机、辅助电机输 出转矩协同控制策略。试验结果表明在双电机输出转矩的协 同控制策略作用下， 试验台架中 AMT 输出轴能持续输出动力， 升挡和降挡过程中变速器输出轴转速波动较小，波动范围都 在 10r/min 以内，可以满足无动力中断的换挡控制要求。 参考文献 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