（光学工程专业论文）纯电动汽车起步控制策略研究.pdf

中文摘要 摘要 在全球环境污染和能源短缺的双重压力下，以纯电动汽车为代表的新能源汽 车的发展受到全世界的广泛关注。纯电动汽车具有低噪声、无污染、能量来源多 样化、能量效率高等优点，是解决城市化进程中汽车问题的重要途径。纯电动汽 车在起步过程中，道路状况和驾驶模式变化复杂，为了充分反映驾驶员的驾驶意 愿，保证纯电动汽车起步时的安全性和乘坐的舒适性，对纯电动汽车起步过程的 研究具有非常重要的理论价值和实用意义。纯电动汽车起步控制做为整车控制技 术的一部分，其核心和难点在于起步过程中电机输出扭矩的控制。本文结合重庆 市自然科学基金项目“电动汽车动力传动系统匹配优化及综合控制研究”，主要进 行了如下内容的研究： 研究了纯电动汽车的布置形式，对纯电动汽车用无离合器机械自动变速器 的原理进行了分析。对车辆实际起步过程和起步过程动力学进行详细分析的基础 上，通过仿真指出了起步过程的影响因素，包括起步时速度变化与驱动力矩、整 车质量及道路坡度之间的关系。 根据纯电动汽车驱动特点提出了纯电动汽车的一般反馈控制方法。参照液 力变矩器车辆无油门起步的特点提出了纯电动汽车自动起步的控制方法。在对发 动机和液力变矩器进行性能测试的基础上，根据液力变矩器车辆的驱动特性对有 油门下电机扭矩输出特性进行了确定及优化，对纯电动汽车自动起步控制流程进 行了研究。 为解决纯电动汽车大坡道上的起步问题，采用了适合纯电动汽车自身结构 特点的坡度起步辅助系统。基于车辆行驶纵向动力学方程设计出了可识别行驶坡 度的l u e n b e r g e r 观测器，解决了坡道起步辅助系统中坡道识别的关键技术。基于 该系统提出了纯电动汽车起步综合控制方法并给出了相关的控制逻辑及控制流 程。 在m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 环境下建立了三种起步控制的仿真模型，对三 种起步控制策略下的起步性能进行了仿真分析。 关键词：电动汽车，起步控制，液力变矩器，坡度识别，坡道起步辅助系统 一 重庆大学硕士学位论文 二二r - 一 i i 英文摘要 a bs t r a c t u n d e rt h ed u a lp r e s s u r e so fg l o b a le n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n e r g ys h o r t a g e s ， t h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g yv e h i c l e se s p e c i a l l yt h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e sa t t r a c t m o r ea t t e n t i o nb yw o r l d w i d e p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sw i t hl o wn o i s e ，n op o l l u t i o n ， d i v e r s i f y i n gs o u r c e so fe n e r g y , e n e r g ye f f i c i e n c ya d v a n t a g e s ，i sa ni m p o r t a n tw a y t o s o l v et h ep r o b l e mo ft h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o na b o u tt h ec a r s t h er o a dc o n d i t i o n si s c o m p l i c a t e da n dt h ed r i v i n gp a t t e r n sc h a n g eg r e a t l yi nt h es t a r t i n gp r o c e s so fp u r e e l e c t r i cv e h i c l e s s oi th a st h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h e s t a r t i n gp r o c e s so fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e si n o r d e rt of u l l yr e f l e c tt h ew i s h e so ft h e d r i v e r sd r i v i n g ，e n s u r et h es a f e t yo ft h ee l e c t r i cv e h i c l ea n ds a t i s f yt h ep a s s e n g e r s c o m f o r t l a u n c hc o n t r o la sa ni m p o o r t a n tp a r to ft h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e sc o n t r o l t e c h n o l o g yh a v ei t sc o r ea n dt h ed i f f i c u l t yt h a ti st h em o t o ro u t p u tt o r q u ei nt h es t a r t p r o c e s s w i t ht h es u p p o r to ft h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h o n g q i n g e l e c t r i c v e h i c l ep o w e r t r a i nm a t c h i n go p t i m i z a t i o na n di n t e g r a t e dc o n t r o l ”，t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( ! ) a n a l y s i s o ft h e a r r a n g e m e n t a n de l a b o r a t e dt h ep r i n c i p l eo fn o n - c l u t c h a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s c a r r i e do u tad e t a i l e da n a l y s i so ft h e a c t u a ls t a r t i n gp r o c e s sa n ds t a r t i n gp r o c e s sd y n a m i c so ft h ev e h i c l e p o i n t e do u tt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s i n s t a r t i n gp r o c e s s o fv e h i c l et h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n ， i n c l u d i n gt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h es p e e do fc h a n g e ，t h ed r i v i n gt o r q u e ，t h eq u a l i t yo f v e h i c l ea n dt h er o a ds l o p e t h eg e n e r a lf e e d b a c kc o n t r o lm e t h o df o rp u r ee l e c t r i cv e h i c l ew a sp r o p o s e d b a s e do ni t so w nc h a r a c t e r i s t i c s t h ea u t o m a t i c a l l ys t a r t i n gc o n t r o lf o rp u r ee l e c t r i c v e h i c l ew a sp r o p o s e dm o d e l e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a r t u pt o r q u ec o n v e r t e r v e h i c l e sw i t h o u tt h r o t t l eo p e n a c c o r d i n gt ot h et o r q u ec o n v e r t e rv e h i c l e s f e a t u r e s ，t h e m o t o rt o r q u eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fu n d e rt h r o t t l eo p e nw a sd e t e r m i n e da n d o p t i m i z e d o nt h e b a s i so fp e r f o r m a n c et e s t i n go nt h ee n g i n ea n dt o r q u ec o n v e r t e r t h e n ，t h e a u t o m a t i c a l l ys t a r tc o n t r o lp r o c e s sw a sd e s c r i b e d t os o l v et h ep r o b l e mo fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ss t a r t i n gi nt h eb i gr a m p ，t h eh i l l s t a r t i n ga i dw a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e i ro w ns t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s l u e n b e r g e r o b s e r v e rc a ni d e n t i f yt h ed r i v i n gg r a d i e n tb a s e do nt h ev e h i c l el o n g i t u d i n a ld y n a m i c s e q u a t i o n ，i ti st h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h eh s as y s t e m t h ei n t e g r a t e ds t a r tc o n t r o l i i i 重庆大学硕士学位论文 m e t h o do fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e sb a s e do nh s a s y s t e mw a sf o r m u l a t e d ，t h e nt h ec o n t r o l l o g i ca n dc o n t r o lf l o ww a sa l s og a v e ( 至) e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e l so ft h et h r e el a u n c hc o n t r o li nm a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o we n v i r o n m e n t ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eu n d e rt h e t h r e es t a r t i n gc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ，s t a r tu p ，t o r q u ec o n v e r t e r ，s l o p et oi d e n t i f y ，h i l ls t a r t i n ga i d 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 汽车的出现是现代工业文明象征之一，自从其1 8 8 6 年诞生以来，汽车技术得 到了不断的发展和广泛的应用。这给人们的生产和生活带来了极大的便利的同时 也带来了日益严重的环境污染和能源短缺的问题，并引发了一系列的负面效应。 传统汽车对环境污染主要是汽车尾气污染。汽车尾气污染是由内燃机汽车排 放的废气所造成的环境污染。汽车废气中的主要污染物包括有碳氢化合物、二氧 化硫、一氧化碳、含铅化合物、氮氧化合物、苯丙花及固体颗粒物等，部分排放 物还能引起光化学污染，破坏地球臭氧层导致温度上升，直接危害人类健康【l 】。在 大城市中这种影响尤为突出。汽车行驶时排出的气体、微粒污染物、蒸发排放物 等已经成为城市空气污染物的主要来源。随着人们生活水平的不断提高，人类对 生存环境的要求越来越高，降低汽车有害排放的呼声与日俱增，为此，美国、欧 盟和日本已经出台了部分汽车零排放的法规【2 1 。我国汽车排放法规的执行也更加严 格，目前，国家环境保护部公布了实施国家第四阶段车用压燃式发动机与汽车污 染物排放标准的时间表。车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物 排放限值及测量方法( 中国i 、v 阶段) ( g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 ) 的第四阶段排放 限值( 下称“国四标准”) 将分步实施。自2 0 1 3 年7 月1 日起，所有生产、进口、 销售和注册登记的车用压燃式发动机与汽车必须符合国四标准的要求。 燃油汽车面临的另外一个难题就是石油资源的匾乏，石油匾乏将会直接阻碍 汽车行业的发展。统计显示，全球汽车产量从1 9 5 0 年到2 0 1 0 年6 0 年间汽车保有 量增加了近1 2 倍达到了8 亿辆，而这些汽车所消耗的石油可想而知。据有关统计， 世界石油在近5 0 年内就可能用尽，而我国作为近几年汽车产业发展最快的国家对 石油的需求却是与日俱增的，考虑到社会稳定和可持续发展的需要，我国不得不 从外界购买石油。到2 0 1 2 年我国的汽车石油年消耗量突破了8 千亿吨，所以解决 石油能源问题对我国而言更是刻不容缓的【1 1 。因此，开发并使用代用燃料和推广电 动汽车、降低单位里程的燃料消耗量对缓解环境污染和保障能源供给具有重要的 战略意义【2 1 。 电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ) 是指以车载电源为动力、用电动机驱动车轮行驶 且能满足道路安全法规的车辆。目前电动汽车从动力技术上讲包括混合动力汽车、 燃料电池汽车和纯电动汽车。混合动力汽车虽然能节约能源和改善环境污染，但 还是依靠发动机作为动力源或是辅助驱动，只能作为目前的一种过渡路径。燃料 电池需要解决氢燃料储存和运输的问题，美国前总统布什在2 0 0 6 年承认氢燃料电 重庆大学硕士学位论文 池汽车“不是近期的解决办法，也不是中期的解决办法，却是远期的解决办法”。纯 电动汽车具有“零排放的环保性能”、“能量利用高且节约能源”、“噪声低”、“能够 利用各种清洁能源”等优点。电动汽车的能源可通过多种途径获得，如水力发电、 潮汐发电、生物能电源、热能发电、风力发电、地热发电、太阳能发电、核能发 电等。另外，电动汽车可以回收制动能量，这对延长纯电动汽车的续驶里程具有 积极的意义。 无论从环境保护、节约能源还是从车辆安全和可靠性方面考虑，电动汽车的 开发都具有重要意义。纯电动汽车作为零排放的交通工具，具有节能和环保的特 点。我国应当顺应当前国际科技发展的大趋势，大力发展电动汽车，将电动汽车 作为保障我国能源安全、实现中国汽车工业技术跨越式发展和可持续发展的重要 选择【3 】o 1 2 纯电动汽车国内外发展现状 1 2 1 国外纯电动汽车的发展状况 纯电动汽车的发展受到了世界各国不同程度的重视，各国纷纷根据本国实际 国情制定了不同的技术路线，但从技术和应用程度上来讲处于领先位置的是日本、 美国和欧盟。 日本由于国土面积小、人口密集、汽车保有量高，其资源短缺的危机尤为突 出，因而日本非常注重电动汽车的开发，其电动汽车之路也比较成功。日本从1 9 6 5 年就开始正式将电动汽车列为国家大型项目，1 9 7 1 年制定了电动汽车开发计划， 1 9 9 1 年推出了“第三次电动汽车普及计划”。为了加快电动汽车的商业化进程，日 本政府制定了一系列的措施，其补贴金额甚至高达整车成本的一半，各种税费也 明显降低【4 1 。在这种大环境下，日本各家汽车企业纷纷推出自己的电动汽车产品。 本田和丰田公司目前主推的是混合动力方案，代表车型为本田思域( i n s i g h t ) 混合 动力和丰田普锐斯( p f i u s ) ，其中普锐斯的全球销量已经超过百万辆并取得了良好 的市场反应。三菱公司和日产主推的是纯电动方案，其典型产品包括三菱的i - m i e v 和日产l e a f ，其续驶里程都达到过了1 6 0 k m 。目前，l e a f 已成功出口至欧美市场。 作为世界第一大经济体的美国对能源的需求量最为庞大，所以电动汽车的研 究也是美国重点研究项目之一。早在1 9 7 6 年，美国国会就通过了电动汽车和复 合汽车的研究开发和样车试用法令，以立法、政府资助和财政补贴等相关手段来 推动电动汽车产业的发展。1 9 9 1 年，美国三大汽车公司通用、福特和克莱斯 勒与美国能源部签订成立了“先进电池联合体”，投资了数亿美元用于电动汽车高性 能电池的研究。1 9 9 3 年9 月，美国总统克林顿与三大汽车公司联手提出了发展电 动汽车的“新一代汽车伙伴( p n g v ) 计划”，这一计划使得美国4 7 个州的2 1 个实验 2 1 绪论 室、5 1 所大学及研发机构开展了1 2 0 0 多项p n g v 项目，美国开始了一系列的汽 车技术创新国家行动【5 】。近三年来，美国能源部己投入了近2 4 亿美元支持新型电 池技术和电力驱动组件的研发和制造，同时电动汽车示范工作也广泛开展。同时， 能源部科学办公室在2 0 0 9 年组建了能源前沿研究中一t 二 ( e f r c ) ，支持电动汽车相关 的能源和材料基础科学研究。能源先进研究计划署( a r p a e ) 正在实施具有革命性 的能源存储技术开发工作。在2 0 1 1 年，能源部新组建了一个能源创新中心( e n e r g y i n n o v a t i o nh u b ) ，致力于高性能车用电池和电力存储新技术的集成创新。美国总统 奥巴马在2 0 1 1 年的国情咨文中重申了所提出的美国电动汽车的近期发展目标一 在2 0 1 5 年前让1 0 0 万辆电动汽车上路。该目标中提到的电动汽车指的是插电式混 合动力汽车( p h e v ) 和纯电动汽车( e v ) 。随着美国政府对电动汽车产业的重视，美 国汽车厂商也陆续开始推出适合商业化的新一代电动汽车，产业界对电动汽车的 兴趣也与日俱增。例如，2 0 1 0 年通用汽车公司在美国市场推出了全新的雪佛兰v o l t 插电增程式电动汽车。v o l t 在纯电动驱动状况下能行驶6 7 公里，能够满足人们日 常上下班的需求。通过启动1 4 l 的汽油机为锂离子电池组充电从而解决其续驶里 程低的问题。在使用发动机充电驱动汽车时，油耗指标约为每加仑行驶5 0 英里。 根据最新的报道，通用正在计划进一步扩充其产能，可望实现2 0 1 2 年产1 2 万辆 6 1 1 7 o 与美国和日本相比，欧洲更崇尚纯电动汽车方案。1 9 9 0 年，欧洲“城市电动车” 协会成立，在欧盟国家内共有6 0 座城市参与，该协会宗旨包括帮助欧洲各城市进 行电动汽车可行性分析和安装必要的电动汽车相关设备，并指导电动汽车的运营。 在欧洲电动汽车中最为成功的是电动标致1 0 6 ，此种车型的电动汽车已经在欧洲各 国政府部门当中拥有大量的用户。法国是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国 家之一，成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉罗舍尔已经建 立了相对比较完善的纯电动汽车充电站。法国政府也制定了支持和激励使用电动 汽车的优惠政策，纯电动汽车运行体系已经初步形成。为顺应交通领域的电动化 趋势，应对气候变化挑战，德国联邦政府于2 0 0 9 年8 月通过了国家电动汽车发 展计划。该计划旨在促进电动汽车的研发工作，将德国打造成为全球电动汽车的 领先市场，提高德国汽车业在全球市场的竞争力。发展计划提出了德国发展电动 汽车的目标，即2 0 2 0 年德国行驶的电动汽车总量达1 0 0 万辆，并在重要的人口 密集区建成覆盖整个地区的充电基础设施；2 0 3 0 年电动汽车数量超过5 0 0 万辆； 2 0 5 0 年城市交通基本摆脱化石燃料。在2 0 0 9 年，英国政府宣布，为推广普及新能 源车对混合动力及纯电动车的补贴从30 0 0 - - 一40 0 0 美元的范围提高至7 5 0 0 美元。 总的来说，日本和美国的电动汽车研究工作处于世界的先进水平，其他国家 对电动汽车的研究也取得了一定的成果。表1 1 列出了国外目前纯电动汽车的代表 重庆大学硕士学位论文 车型。 表1 1 国外纯电动汽车主要产品介绍 ! 生：! ：! 里翌堕竖! ! ! 塑鱼堡! 墅p 旦丝! ! 呈型里! 篁垒堡生。1 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ 。_ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 区域典型公司 典型产品 最高车速续航里程 1 2 2 国内纯电动汽车的发展状况 与国外相比，中国电动汽车的研发起步较晚，但在政府的支持下发展显著。 1 9 9 1 年，电动汽车的研发被列入“八五”重点科技攻关项目；1 9 9 6 年，电动汽车研 发列为“九五”及跨世纪国家重大科技产业工程：2 0 0 0 年，电动汽车产业化列为“十 五”科技工作重大项目；2 0 0 1 年启动实施了“8 6 3 计划”电动汽车重大专项；2 0 0 6 年 国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 分别将“低能耗与新能源 汽车”和“氢燃料电池技术”列入优先主题和前沿技术；2 0 0 7 年发布实施的新能源 汽车生产准入管理规则将电动汽车纳入国家汽车新产品公告管理。2 0 0 8 年北京 奥运会期间，5 0 0 多辆自主研发的电动汽车行驶在赛场内外，发挥了典型的示范作 用；2 0 0 9 年1 月，国务院通过了汽车产业调整和振兴规划，明确实施新能源汽 车战略，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化。2 0 0 9 年2 月，科技部、发改委、工信部和财政部共同启动“十城千辆”工程，计划用3 年左右时间，每年发展1 0 个城市，每个城市推出1 0 0 0 辆新能源汽车开展示范运 行工作，涉及到出租、公交、公务、邮政、市政等领域。2 0 1 0 年6 月，财政部、 工信部、科技部和发改委联合出台了关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的 通知，确定先在上海、深圳、杭州、合肥、长春等5 个城市启动私人购买的插电 式混合动力汽车和纯电动汽车补贴试点工作，补贴最高额度分别为5 万元和6 万 元【4 】。 在政府的大力支持下，国内各大汽车公司纷纷投入了大量的人力、物力进行 纯电动汽车的研发工作，并取得了一定的成果。东风、比亚迪、天津清源、北京 理工科凌、万向、长安、奇瑞等企业从事纯电动汽车研发处于国内领先地位，有 1 绪论 些纯电动车型已经处于试运行阶段。 东风电动车股份有限公司被称为中国国内最早、规模最大的电动汽车研发、 生产和示范运营基地，是中国国内电动汽车行业的领军者。目前，东风电动车公 司己掌握多种电动汽车核心技术，如多动力混合控制技术、整车的试验和测试技 术、整车的匹配技术、关键总成零部件开发技术等。东风电动汽车产业园在2 0 0 8 年成为了中国首个国家级电动汽车专利产业化试点基地。依托国家“九五”计划重点 科技攻关项目研发出了中国第一台纯电动轿车概念车( e q 7 1 6 0 e v ) 。 2 0 0 6 年1 月，比亚迪股份有限公司成立了电动汽车研究院，致力于电动汽车 的整车及零部件的研发和生产。比亚迪凭借其在电池领域的优势于2 0 1 0 年5 月在 深圳出租车上投入运营了第一批纯电动出租车e 6 ，其累积运行里程已超过百万公 里。比亚迪e 6 先驱者已经成功实现商业化，这是国内首款面向私人的纯电动汽车 车型。比亚迪e 6 最高车速可达1 6 0 k m h ，而百公里能耗约为2 0 度电，但续 驶里程超过3 0 0 公里，是目前世界上续驶里程最长的纯电动轿车。 天津清源电动车辆有限责任公司承担了8 6 3 计划重点项目“x l - 2 纯电动轿车” 的研发工作，各项技术指标均达到了国际领先水平。样车最高时速为1 4 0 k m h ，续 驶里程达到了2 6 0 k m ，o 5 0 k m h 的加速时间仅为6 8 s 。2 0 0 5 年，清源公司生产 的6 辆“幸福使者”纯电动汽车出口至美国，这是国内纯电动汽车整车第一次实现出 口。 纯电动汽车是集整车控制技术、新材料、电子技术等一体化的高科技产品【7 j 。 虽然我国纯电动汽车产业一直受到高度重视，但由于在传统燃料汽车核心技术上 与国外差距较大，纯电动汽车技术源的自给能力较弱，国内纯电动汽车技术的水 平仍受国外制约。电池技术是电动汽车的关键技术之一，但目前相对成熟的电池 产品或多或少均存在着一定的缺陷，电池的成本及性能还不能满足电动汽车大规 模商业化运行的要求。除了电池因素外，目前电动汽车的商业化运行所需要的基 础配套设施如充电桩等建设还不完善，这同样需要系统的统筹规划和巨额的资金 投入。目前，国外已经完成了电动汽车标准的制定，但我国电动汽车发展所需要 的标准体系、检验检测体系还未建立，产业发展体系支撑薄弱。在标准方面，我 国仅有的3 0 余项相关标准显然无法满足体系建设的需要。同时检验检测及试验等 软环境建设也不容乐观，造成国内的检测、试验机构缺乏影响力和权威性，这对 未来产业的发展极为不利。上述问题都成为了我国纯电动汽车商业化的障碍。 1 3 车辆起步控制研究现状 由于车辆运行环境复杂，在车辆起步尤其是上坡起步时易出现倒溜和冲击大 的问题。对于手动变速器的内燃机车辆在起步时主要考验驾驶员对离合器半离合 重庆大学硕士学位论文 点的感觉以及离合器踏板和油门踏板的配合情况。而装备有自动变速器的车辆在 起步过程中变速器控制对车辆的起步性能的影响显著。对于纯电动汽车来说，整 车控制技术是纯电动汽车整车关键技术之一，而起步控制作为整车控制技术的一 部分也是一个急需解决的课题。内燃机车辆起步控制的主要内容是起步过程中离 合器的控制或液力变矩器的控制。 液力机械式自动变速器( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，简称a t ) 车辆采用液力变 矩器作为起步装置，在起步过程中能适应不同路面的阻力变化情况从而达到平稳 起步和提高动力性的目的。一般认为，液力机械自动变速箱较机械式自动变速箱 起步过程平稳且容易控制，目前国内对液力机械自动变速箱起步过程换档离合器 的控制研究较少。王娟等【8 】阐明了液力变矩器和换档离合器在起步时的工作原理， 指出了在同一档位不同路面阻力条件起步或选用不同档位起步时换档离合器结合 过程中具有一定的差异。通过制定不同情况下换档离合器的控制策略实现对换档 离合器充油过程的油压控制。冯能莲等【9 】通过建立车辆液力机械传动系统的动态性 能仿真系统实现了对直线起步加速换挡过程的动态特性仿真。 机械式自动变速器( a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，简称a m t ) 是在原 有固定轴式有级变速器的基础上通过增加自动变速操纵机构所组成。a m t 采用机、 电、液一体化控制，以电子控制单元( t c u ) 代替人的思维，以传感器代替人的 感觉神经，对液压执行机构控制完成离合器的分离与接合以及相应的选换档操作， 通过发动机电子控制单元( e c u ) 控制发动机，最终完成车辆平稳、快速起步且 换挡迅速、冲击度小。a m t 车辆起步的关键问题在于起步过程中离合器的控制。 起步时离合器结合过快容易造成起步冲击大且发动机转速波动过大，严重时甚至 熄火；如果为了改善起步品质而过分降低离合器的结合速度又会造成滑磨功的增 加，降低了离合器的使用寿命u0 j i l 。a m t 车辆的起步平稳性和离合器滑磨是两个 矛盾体。为了达到两者之间的平衡，国内外对a m t 起步的研究相对较多。在a m t 的起步控制中已经引入了发动机恒转速和局部恒转速控制。在此基础上，陈然等【1 2 1 基于优秀驾驶员的起步经验利用模糊神经网络算法获取了离合器的结合规律，仿 真表明该算法能较好的反映驾驶员的起步意图，提高了起步过程的平稳性。何仁【l 3 j 等将道路阻力引入到a m t 系统的起步过程中，设计出了以油门、油门开度及道路 阻力为输入变量的模糊控制器，有效的改善了起步时离合器的结合质量。g l i e l m o 等【1 4 1 研究了干式离合器最优控制方法，把发动机转矩和载荷转矩作为干扰来处理， 以接合压力的导数作为输入取得了一定的效果。坡道起步是a m t 系统起步过程的 另一个难点，针对这一复杂工况起步控制也展开了广泛研究。肖永明【l 引、严进辉【l 6 | 、 葛敏林【”1 等基于不同的坡道辅助系统( h i l ls t a r t i n ga i d ，h s a ) 有效的防止了坡道 起步时车辆倒溜以及发动机熄火的问题，减轻了驾驶员坡道起步的压力。 1 绪论 无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) 通过实现传动比 的连续改变使传动系与发动机达到最佳匹配状态，保证了发动机在最佳工况下工 作的可能，这对于提高车辆的动力性和经济性以及减少车辆的排放具有积极的意 义。为使无级变速器车辆汽车拥有良好的起步性能，c v t 必需与其他起步装置联 合工作。目前可做为c v t 起步装置的主要有电磁离合器、湿式多片离合器和液力 变矩器【1 8 】【1 9 1 。胡建军、刘振军、李明国等【1 8 】【1 9 】【2 0 1 采用液力变矩器作为c v t 的起 步装置，制定了双模式无级自动变速汽车起步控制策略和闭锁离合器的解锁控制 规律，仿真表明，该控制方法能有效改善车辆起步时的动力性。冯挽科2 1 j 采用湿 式多片离合器做为c v t 的起步装置，通过油门开度和变化率得到起步时间以此来 确定离合器的目标压力并进行了相关的试验，具有一定的实用意义。 双离合器式自动变速器( d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ，简称d c t ) 是一种结构新 颖的自动变速器，它将变速器档位分为奇数和偶数，其中奇数轴和偶数轴分别连 接于两个不同的离合器上，通过两个离合器的交替切换完成车辆起步和换档过程。 双离合器自动变速器综合了机械式自动变速器和液力机械自动变速器的优点，起 步过程平稳、换挡无中断、结构简单、传动效率高，保证了车辆的动力性和经济 性，极大的改善了车辆运行的舒适性。目前d c t 的研究是国外各大汽车公司的热 点，而d c t 起步控制技术是d c t 控制系统开发过程中的关键技术之一。秦大同1 2 2 等提出了两离合器同时参与起步的控制策略，根据不同的驾驶意图通过对起步过 程中两离合器的协调控制完成了d c t 车辆的平稳起步。基于典型工况，模糊控制 技术已经在d c t 的起步控制上得到了应用【2 3 刀】。姚晓涛等【2 5 】基于发动机恒转速和 两离合器同时参与起步的控制方法实现了d c t 快速、平稳的起步。吕济明等在对 整车质量和道路坡度进行精确识别的基础上提出了d c t 坡道起步自适应方法解决 了坡道起步中存在的溜车问题【2 6 1 。 在纯电动汽车的起步控制的研究中，余建刚等【2 7 】针对纯电动汽车的无阻尼和 有阻尼加速过程，根据起步加速时间的要求，分别研究了电机在恒转矩和恒功率 下的控制策略，但没考虑变转矩的控制情况。汪贵平等【2 8 】通过对电动汽车起步加 速过程中车辆与电机相结合的方式建模，采用车速与电流双闭环控制策略，使电 机获得了良好的机械特性，在电机层面上完成了起步控制，但对驾驶员意图反映 较少。文献 2 9 - 3 1 主要通过对电机进行精确控制来完成电动汽车的起步和驱动，而 对车辆本身和驾驶员意愿考虑较少。窦国俐3 2 】提到了纯电动汽车怠速爬行功能， 指出了驾驶员释放制动踏板、不踩加速踏板汽车也能缓慢向前爬行，但在其文中 控制策略的制定只是给定了一条曲线，至于该曲线是如何确定的、何时解除该功 能以及该功能触发逻辑判断等问题并没有给出明确的阐述，存在着很大的局限性。 7 重庆大学硕士学位论文 1 4 课题研究内容 本文结合重庆市自然科学基金项目“电动汽车动力传动系统匹配优化及综合 控制研究”( 编号：c s t c ，2 0 1 1 b a 3 0 1 9 ) ，主要进行了如下内容的研究： 分析了纯电动汽车的布置形式，对纯电动汽车用无离合器自动变速器的原 理进行了阐述。对车辆实际起步操作过程和起步过程动力学进行了分析，根据相 关仿真指出了起步过程的影响因素。 提出了纯电动汽车的一般反馈控制方法。仿照液力变矩器车辆的起步特性 提出了纯电动汽车自动起步的控制方法。根据发动机和液力变矩器的共同工作特 性对有油门下电机扭矩的输出特性进行了优化，给出了自动起步的控制逻辑。 为解决纯电动汽车在大坡道上的起步问题，在利用l u n b e g e r 观测器对行驶 坡度识别的基础上，基于h s a 系统提出了纯电动汽车起步综合控制方法，制定了 系统的控制逻辑及控制流程。 对制定的三种起步控制策略进行了建模和仿真分析来验证所提出起步控制 策略的合理性。 2 纯电动汽车起步过程分析 2 纯电动汽车起步过程分析 对于采用不同结构和布置方式的纯电动汽车其起步控制策略不同，本章将介 绍本文所采用的纯电动汽车的结构并阐明其优势。对纯电动汽车起步过程操作进 行分析，通过相关的仿真指出起步过程中的影响因素，为控制策略的制定提供必 要的依据。 2 1 纯电动汽车结构 纯电动汽车在结构上由电气系统、能源系统和整车控制系统组成。其中，电 气系统又包括电机控制系统、驱动电机、传动系统、各种线束、驱动车轮等；能 源系统由电池和能量管理系统组成，其中能量管理系统是实现电量实时监控、制 动能量回收、驱动协调控制等功能的关键部件；整车控制系统是接受驾驶员的踏 板信号和其它传感器信号，然后根据所制定的控制策略控制各个执行元件作出相 应的动作，驱动汽车正常行驶，保证车辆安全有效的运行。 由于现代电控技术和材料等技术的发展，纯电动汽车布置方式多种多样，本 节给出目前主流的布置方式并分析其各自优缺点，确定本文研究对象的结构。 2 1 1 纯电动汽车布置形式 在对纯电动汽车进行整车布置时，根据电气系统和机械连接方式的不同布置 方式可以分为：机械驱动布置形式( 图2 1 ( a ) 和( b ) ) 、机电一体化驱动布置形 式( 图2 1 ( c ) ) 、机电集成驱动布置形式和轮毂电动机驱动布置形式( 图2 1 ( d ) 和图2 1 ( e ) ) 。表2 1 对各种不同布置方式下的优缺点进行了分析【3 2 。3 4 】。 9 重庆大学硕士学位论文 ( e ) b - 动力电池m 一驱动电机c - 离合器g b 变速器d 差速器f g 固定速比减速器a m t - 机械式 自动变速器t - d 一变速器及差速器w m 一轮毂驱动电机 图2 1 纯电动汽车布置形式 f i g 2 1t h ea r r a n g e m e n to fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e 表2 1 纯电动汽车不同布置方式优缺点分析 t a b 2 1a n a l y s i so f t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h ed i f f e r e n ta r r a n g e m e n to f p u r ee l e c t r i c v e h i c l e s 布 置机械驱动布置形式机电一体化驱动布机电集成驱动布轮毂电动机驱动布 方置形式置形式置形式 式 与传统汽车的布置取消了机械式差速把驱动电机、固定驱动电机安装于轮 结形式基本相同，可器，驱动电机通过 速比减速器和差 毂上，由控制器控 构以采用减速器或变减速器分别驱动两速器集成为整体，制车轮间的同步或 特速器形式，同时也 个车轮，通过电子通过两个半轴来差速转动 性可取消离合器 差速器解决左右半驱动车轮 轴差速问题 优改装方便，车辆轴结构紧凑，传动系 传动系统长度短，结构紧凑，效率高， l o 2 纯电动汽车起步过程分析 点何分配较好，可行体积小，质量轻，体积小，容易布转向灵活 性高传动效率高置，安装灵活 缺传动系统结构复成本较高，对两个对电机的调速范电机需要具有很高 点杂，重量大，传动电机的协调控制要围要求较高，电机的功率密度，平顺 效率较低求较高不能完全工作在性一般，差动控制 高效率区策略复杂 机电一体化，机电集成化和轮毂电机三种布置方式虽然具有结构紧凑的优势， 但只是采用了固定速比的减速器驱动电机的工作效率较低，对电机的性能要求较 高，且很难完全满足动力性和经济性的要求。 目前纯电动汽车大多在已成熟的传统车上进行改装，这样研发的成本也相对 较低，综合考虑各种布置方式的优缺点并充分考虑电机具有转速和转矩的控制模 式，本文将采用机械驱动的布置形式，传动系统拟将采用无离合器的机械自动变 速器。由于自动变速器一般具有2 个及以上的档位，这样能使电机在低速时发出 较大的起步扭矩且在高速时具有较高的功率，最大限度的满足车辆运行要求。这 增加的电机工作在高效率区的可能性，从而提高了纯电动汽车的动力性和经济性， 延长了续驶里程。 2 1 2 纯电动汽车用无离合器机械自动变速器原理 为了充分发挥纯电动汽车电机驱动的优势，同时降低对驱动电机和电池的要 求，电动汽车传动系统可以采用多档位的变速器来扩大驱动电机的工作区域，这 样使得电机大多数情况下工作在高效率区成为可能。自动变速器能显著改善驾驶 员的操作，提高了行车的安全性，在车辆上搭载自动变速器已经成为一种趋势。 目前自动变速器类型有a t 、c v t 、d c t 、a m t ，由于电机控制技术的发展，电 机的响应时间在毫秒级内，使得在纯电动汽车上取消离合器的自动变速方案变成 可能。因此，a t 和d c t 不适合在纯电动汽车采用。c v t 的寿命有限其传动效率 不高，且其作为无级变速与电机宽转速运行存在冲突一般不适合在纯电动汽车上 使用。a m t 是一种比较成熟的技术，具有成本低，效率高，体积小，安装方便等 优点，非常适合我国的国情。对于小型电动汽车，挡位过多则会使变速器结构复 杂、体积和质量变大。档位过多自动变速器会使得变速器选、换挡执行机构复杂 化，而且由于在换挡过程中多出了选挡步骤，使换挡时动力中断的时间增长，不 利于换挡的平稳进行，影响整车的动力性和经济性。因此，两档的a m t 是纯电动 汽车变速器的最佳方案。 重庆大学硕士学位论文 h c u 车轮转速 l 、佃 ， 门i p u 信 换挡控制单元 l j 丐 c i 电机 变速器 图2 2 换挡控制系统结构 f i g 2 2t h es t m c n i r eo fs h i f tc o n t r o ls y s t e m 本文两挡自动变速器取消了离合器，与传统机械自动变速器相比结构上有很 大的简化，换挡过程也省去了离合器的分离与结合等步骤的操作，缩减了换挡时 间，减少了动力中断的时间。但是，换挡过程中摘挡时要求切断动力传递，挂挡 时要求电机转速与该挡位的目标转速同步，避免结合套与挡位齿轮结合时发生齿 轮冲击，在没有离合器的情况下要完成这些换挡操作，实现无离合器换挡，要求 控制系统对电机转速、转矩、车速和换挡执行机构之间的控制达到协调一致，并 制定合理的换挡控制策略，保证换挡过程的顺利进行。 两挡自动变速器换挡过程中，主要是对电机和换挡执行机构进行控制，其控 制系统如图2 2 所示：智能动力单元( i n t e l l i g e n tp o w e ru n i t ，i p u ) 对电机转速转矩 进行控制，换挡控制单元对两挡自动变速器的换挡执行机构进行控制，而整车控 制单元( h c u ) 对电机和变速器进行统一控制，协调两者之间的运行；两挡自动 变速器以油门踏板信号和车速信号为依据判断是否换挡，换挡控制单元通过h c u 获取油门踏板信号和车速信号，判断是否换挡，如果换挡，换挡控制单元向h c u 发送换挡请求并向变速器换挡执行机构发送换挡指令，同时换挡执行机构反馈给 换挡控制单元换挡拨叉位置信号，提供换挡执行机构摘挡行程、挂挡行程的