基于PI控制的純電動(dòng)汽車(chē)兩擋變速器換擋策略研究

0   引言

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)采用多擋位變速器；小型純電動(dòng)汽車(chē)與之不同，目前多采用固定速比的減速器，電機(jī)輸出軸與減速器輸入軸之間通過(guò)聯(lián)軸器直接連接，沒(méi)有使用離合器，利用電機(jī)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)速的改變。這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，但對(duì)牽引電機(jī)提出了更高要求，既要求其在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，又要在恒功率區(qū)提供較高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，滿足車(chē)輛的加速性能和最高車(chē)速設(shè)計(jì)要求。為了使電動(dòng)汽車(chē)能更好地滿足其動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，同時(shí)降低對(duì)牽引電機(jī)和電池的要求，電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展或趨于兩擋或多擋化^[1]。

本文依托某純電動(dòng)緊湊型轎車(chē)，由VCU完成兩擋變速器換擋中的轉(zhuǎn)速同步策略實(shí)施，TCU和MCU密切協(xié)作，完成換擋動(dòng)作^[2]。以整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和平順性等為導(dǎo)向進(jìn)行了換擋策略定義，通過(guò)PI控制電機(jī)扭矩快速調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱需求目標(biāo)轉(zhuǎn)速同步，由變速器判斷換擋時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)換擋^[3-4]。

1   整車(chē)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

純電動(dòng)汽車(chē)采用前置前驅(qū)單電機(jī)兩擋變速箱布置方式，動(dòng)力部分工作原理如示意圖1所示。由動(dòng)力電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，電機(jī)通過(guò)變速器驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，實(shí)行車(chē)輛行駛；同時(shí)動(dòng)力電池為DC-DC逆變器供電，轉(zhuǎn)換成低壓12 V給蓄電池充電及整車(chē)低壓用電器供電。主要相關(guān)控制器包括車(chē)輛控制器(VCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、電機(jī)控制器(MCU)、變速箱控制器(TCU)和逆變器控制器(DC/DC)，各控制器之間通過(guò)CAN信號(hào)通訊。車(chē)輛控制系統(tǒng)（VCU）通過(guò)硬線采集油門(mén)踏板、換擋機(jī)構(gòu)、剎車(chē)踏板、車(chē)輛模式開(kāi)關(guān)等組件的狀態(tài)，然后根據(jù)各系統(tǒng)的狀態(tài)和駕駛員請(qǐng)求，再向各模塊控制單元下發(fā)相應(yīng)的控制指令，各控制模塊協(xié)作完成換擋。整車(chē)設(shè)計(jì)相關(guān)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

作者簡(jiǎn)介：孔令靜（1985—），女，策略主管工程師，從事純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略開(kāi)發(fā)、HIL測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)和整車(chē)測(cè)試等工作12年。

2   整車(chē)換擋點(diǎn)

以動(dòng)力性為主要需求，根據(jù)整車(chē)參數(shù)仿真換擋分析為：整車(chē)車(chē)速低于74.4 km/h（對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速約9 000rpm）（如圖2），一擋下的變速箱輸出扭矩始終要高于二擋；整車(chē)車(chē)速高于74.4 km/h時(shí)，二擋下的變速箱輸出扭矩要高于一擋。為更好的滿足整車(chē)動(dòng)力性能，選擇車(chē)速在74.4 km/h附近升擋，同時(shí)考慮油門(mén)開(kāi)度，會(huì)適當(dāng)增大換擋的車(chē)速范圍。

3   換擋策略

3.1 換擋過(guò)程規(guī)劃

從換擋準(zhǔn)備到執(zhí)行換擋，再恢復(fù)駕駛員的駕駛需求，整個(gè)換擋過(guò)程規(guī)劃如圖3所示，大致分為11步，由VCU和TCU共同協(xié)作完成。

①VCU判斷可以配合TCU進(jìn)行換擋；

②TCU根據(jù)換擋圖譜發(fā)送換擋指令及結(jié)合狀態(tài)；

③VCU進(jìn)行降扭至0控制；

④TCU發(fā)送脫擋開(kāi)始；

⑤TCU發(fā)送脫擋中（可進(jìn)行速度同步狀態(tài))及目標(biāo)

轉(zhuǎn)速；

⑥TCU發(fā)送脫擋完成 ；

⑦VCU降扭調(diào)速（小扭矩，目標(biāo)轉(zhuǎn)速）；

⑧TCU發(fā)送同步，VCU卸載小扭矩；

⑨TCU開(kāi)始掛擋，發(fā)送掛擋開(kāi)始；

⑩TCU發(fā)送掛擋中（VCU可做扭矩恢復(fù)）；

?VCU恢復(fù)扭矩到駕駛員需求扭矩。

圖3 換擋過(guò)程規(guī)劃示意圖

根據(jù)上述換擋過(guò)程規(guī)劃，以及TCU反饋的變速箱實(shí)時(shí)信息，基于MATLAB/Simulink進(jìn)行編程，①通過(guò)Stateflow編輯換擋狀態(tài)管理，②轉(zhuǎn)速同步模塊實(shí)現(xiàn)PI控制轉(zhuǎn)速同步。

3.2 PI控制轉(zhuǎn)速同步

換擋過(guò)程中，VCU負(fù)責(zé)扭矩和轉(zhuǎn)速管理，TCU負(fù)責(zé)換擋時(shí)機(jī)判斷及換擋操作，MCU負(fù)責(zé)扭矩執(zhí)行及反饋。由TCU根據(jù)實(shí)車(chē)行駛狀態(tài)提供實(shí)時(shí)的換擋目標(biāo)轉(zhuǎn)速，VCU根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算，所得請(qǐng)求扭矩由MCU控制電機(jī)執(zhí)行。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=m×r²，角加速度α＝ ，轉(zhuǎn)矩，其中α -rad/s²，t-s，T-Nm，n-r/min。基于MATLAB/Simulink編程PI控制電機(jī)扭矩，并集成于車(chē)輛控制器（VCU）模型中如圖4所示，最終編譯成軟件刷寫(xiě)車(chē)輛控制器進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試。

圖4 PI控制轉(zhuǎn)速同步模型

4   整車(chē)測(cè)試與結(jié)果分析

升擋策略根據(jù)不同的油門(mén)深度設(shè)定車(chē)速(60~80) km/h多個(gè)換擋點(diǎn)，降擋策略定在車(chē)速20 km/h時(shí)換擋。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行不同深度油門(mén)加速至80 km/h以上并減速至20 km/h以下，完成實(shí)車(chē)的升擋和降擋工況測(cè)試。通過(guò)汽車(chē)開(kāi)發(fā)常用工具INCA7.1軟件記錄VCU控制器運(yùn)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)其附屬工具箱MDA調(diào)取電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、變速箱換擋所需目標(biāo)轉(zhuǎn)速、換擋動(dòng)作狀態(tài)和整車(chē)實(shí)際車(chē)速等關(guān)鍵變量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。整車(chē)多種工況的隨機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖5，圖中已注明曲線名稱(chēng)，圖5~圖9中的曲線名稱(chēng)均一致。

4.1 車(chē)速60km/h 升擋根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果截取60 km/h、70 km/h、80 km/h升擋和20 km/h降擋4種工況的實(shí)際車(chē)速、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和換擋動(dòng)作參數(shù)分析，換擋總時(shí)間要求600 ms以?xún)?nèi)。

4.1 車(chē)速60 km/h升擋

圖6 車(chē)速60 km/h升擋整車(chē)測(cè)試結(jié)果

VCU收到TCU發(fā)送的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和脫擋狀態(tài)時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，從圖6可見(jiàn)，車(chē)速為60 km/h工況下轉(zhuǎn)速同步到開(kāi)始換擋使用時(shí)間約306 ms，執(zhí)行換擋動(dòng)作使用時(shí)間約9.6 ms ，換擋前后車(chē)速較為平穩(wěn)，無(wú)明顯波動(dòng)。

4.2 車(chē)速70 km/h升擋

圖7 車(chē)速70 km/h升擋整車(chē)測(cè)試結(jié)果

從圖7可見(jiàn)，車(chē)速為70 km/h工況下轉(zhuǎn)速同步到開(kāi)始換擋使用時(shí)間約380 ms，執(zhí)行換擋動(dòng)作使用時(shí)間約10.02 ms ，換擋前后車(chē)速較為平穩(wěn)，無(wú)明顯波動(dòng)。

4.3 車(chē)速80 km/h升擋

圖8 車(chē)速80 km/h升擋整車(chē)測(cè)試結(jié)果

從圖8可見(jiàn)，車(chē)速為80 km/h工況下轉(zhuǎn)速同步到開(kāi)始換擋使用時(shí)間約318 ms，執(zhí)行換擋動(dòng)作使用時(shí)間約9.8 ms，換擋前后車(chē)速較為平穩(wěn)，無(wú)明顯波動(dòng)。

4.4 車(chē)速20km/h降擋

圖9 車(chē)速20 km/h降擋整車(chē)測(cè)試結(jié)果

從圖9可見(jiàn)，車(chē)速為20 km/h工況下轉(zhuǎn)速同步到開(kāi)始換擋使用時(shí)間約290 ms，執(zhí)行換擋動(dòng)作使用時(shí)間約9.97 ms，降擋前后車(chē)速較為平穩(wěn)，無(wú)明顯波動(dòng)。

5   結(jié)論

通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)多種車(chē)速下?lián)Q擋過(guò)程分析，轉(zhuǎn)速同步時(shí)間和換擋時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求，換擋前后車(chē)速平穩(wěn)，這種PI控制純電動(dòng)汽車(chē)兩擋變速器換擋策略實(shí)現(xiàn)了較為快速平順的換擋。此換擋策略通過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，有較好的實(shí)用性，為純電動(dòng)汽車(chē)兩擋變速器換擋策略提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年8月期）