一种纯电动汽车的电机-变速器动力系统*

傅 洪, 王艳静, 冯 超，薛 山

(1. 重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023；2.重庆长安新能源汽车有限公司北京汽车技术研究分公司，北京 100093)

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一种纯电动汽车的电机-变速器动力系统*

傅 洪, 王艳静, 冯 超，薛 山

(1. 重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023；2.重庆长安新能源汽车有限公司北京汽车技术研究分公司，北京 100093)

本文中提出了一种纯电动汽车的驱动电机-变速器动力系统，根据整车性能要求对驱动电机峰值功率、转矩和变速器传动比等主要参数进行了匹配，结合驱动电机特性设计了换挡过程。通过仿真和动力总成台架试验，对该系统的性能进行了验证。结果表明，与电机-单级减速系统相比，在相同动力性能的条件下，所提出的系统有较小的体积，在中高速工况下有较高的效率，整个换挡过程平稳快速、冲击小、动力损失少，换挡品质高，具有较好的产业化前景。

前言

随着电动汽车向产业化迈进， 其性能要求越来越高，不仅局限于其行驶功能的实现，而且越来越强调车辆的动力性、经济性、驾驶舒适性和操纵稳定性的提高。电驱动系统作为电动汽车，尤其是纯电动汽车的核心部件之一，其构型方式将对这些性能产生明显的影响。目前纯电动汽车多采用驱动电机结合单级减速的动力传动结构，该结构由于速比是固定值，无法同时满足车辆起动转矩大、电机高效工作范围广等要求。而采用驱动电机与多级变速器集成的结构形式，可充分利用变速器调节驱动电机输出的动力，采用大速比时可增大电机转矩输出范围，提高车辆的动力性；采用小速比时可扩大电机的高效运行区间，使电驱动系统能量效率提高，同时降低了对电机本身性能的要求和系统总成本。另外采用自动换挡，能够通过设计合适的换挡策略提高车辆的动力性、经济性和驾驶舒适性。

在多级自动变速器的结构选型上，有如下几种典型方案：传统机械式自动变速器(AMT)、行星齿轮自动变速器(PT)、双离合器自动变速器(DCT)和无级式自动变速器(CVT)[1-2]。这4种自动变速器的性能对比如图1所示。

由图1可见，在上述几种方案中，传统机械式自动变速器具有效率高、结构简单、质量轻且成本低等优势，因此本文中选用传统机械式变速器作为匹配纯电驱动系统的自动变速器。

1 系统结构

纯电动汽车电机-变速器动力系统主要包括动力电池、驱动电机、变速器、换挡执行机构和差速器等部件，其中驱动电机为永磁同步电机，变速器为多级挡位变速器，换挡执行机构为电控电动换挡机构，对应的控制结构如图2所示。

其中，整车控制器(VCU)根据踏板信号、车速信号和接收到的车辆、路面等其他状态信息，依据换挡规律判断是否换挡，并计算驱动电机目标转矩/转速和运行模式，设置变速器目标挡位和换挡指令标志位，并发送到CAN总线上。

驱动电机控制器(IPU)接收CAN总线上的目标转矩/转速和运行模式等信息，同时采集电机转速、电流和温度等信息，在转矩模式下按照要求控制驱动电机输出转矩，在转速模式下按照要求控制驱动电机输出转速。

变速器控制器(TCU)接收CAN总线上的目标挡位和换挡指令标志位信息，同时采集换挡机构位置、变速器输出转速和油温等信息，控制换挡执行机构进行摘挡和挂挡操作。

2 系统参数匹配

系统参数匹配主要需要考虑驱动电机的参数和变速器的传动比，通过匹配这两个部件的参数达到整车性能目标要求。

2.1 驱动电机峰值功率计算

驱动电机的功率选择直接影响整车的动力性和经济性[3]。驱动电机峰值功率越大，加速性和爬坡性能越好，但同时会增加电机的体积和质量，正常行驶时驱动电机不能在高效区附近工作，影响经济性。因此，在计算驱动电机峰值功率时，一般根据整车要求的最高车速、加速时间和最大爬坡度来确定[4]。比较这3项动力性指标计算得到的功率值，最终取最大值作为驱动电机峰值功率的设计值。

2.2 驱动电机峰值转矩和变速器传动比计算

采用多级变速器的优势之一在于通过变速器的传动比变化，减小驱动电机峰值转矩。因此在设计驱动电机峰值转矩时，应综合考虑变速器传动比的影响，在传动比允许的前提下，尽可能减小驱动电机峰值转矩，从而减小电机体积，降低成本。

在进行变速器挡位数的选择时，考虑到驱动电机具有较好的调速特性，且挡位过多会使动力系统结构复杂、质量增加、传动效率降低，因此一般选择两个挡位。

在确定参数时，将驱动电机峰值转矩作为变量x，范围在[xmin,xmax]之间，其中xmin和xmax分别为最小允许转矩和最大允许转矩。变速器最大传动比函数y1=f(x, λmax)[5]，其中，λmax为最大爬坡度； 最小传动比函数y2=g(x, uamax, P)[6]，其中，uamax为最高车速，P为电机功率，y1和y2的范围在[ymin, ymax]之间，其中ymin和ymax分别为最小允许传动比和最大允许传动比。

综合考虑上述两个函数及x，y1和y2的限制条件，建立仿真模型，最终得到最小的电机峰值转矩为160N·m，此时的变速器最大传动比为11.557，最小传动比为6.420。

3 换挡过程控制

纯电动电机-变速器动力系统由于取消了离合器，而且驱动电机特性与发动机的特性不同，所以换挡过程相对于传统AMT有所区别[7-9]，具体换挡过程可分为以下几个步骤。

3.1 卸载

当整车控制器判定进入换挡模式后，首先进行卸载操作。由于没有离合器，卸载过程不能通过机械元件的分离来完成，而是要通过对电机转矩的控制，使之变化到空载转矩，才能使变速器啮合齿轮之间达到无载同步状态，从而进行下一步的摘挡。

在此过程中，整车控制器要求驱动电机仍然运行在转矩模式，转矩变化的斜率控制也通过整车控制器实现，在保证驱动系统不发生抖动现象的前提下，尽可能加大转矩变化率，以减小车辆动力性能的损失。此时变速器的目标挡位保持不变。

3.2 摘挡

卸载结束后，电机控制器向整车控制器反馈卸载结束标志位。整车控制器接收到该标志位为1后，开始进行摘挡操作，向变速器控制器发送目标挡位。变速器控制器接收到目标挡位后，控制换挡执行机构中的换挡电机进行工作，使接合套与当前挡位的齿圈分离，同时采集位置传感器信息，以确认达到空挡位置。此时电机仍然维持在空载转矩状态不变。

3.3 调速

摘挡结束后，变速器控制器向整车控制器反馈摘挡结束标志位。整车控制器接收到该标志位为1后，开始进行驱动电机的调速操作。

在纯电动汽车一般的行驶过程中，驱动电机由于接收的都是转矩需求，无需进行转速调节操作。但在换挡过程中，这一步骤是必不可少的。通过驱动电机主动调速，一方面可减小目标齿轮啮合时的速差，减小挂挡冲击；另一方面利用电磁方式的调速时间较短，进一步缩短了换挡时间。

在此过程中，整车控制器要求驱动电机切换为转速模式，此时，目标转速为

(1)

当电机目标转速与实际转速的差值在所规定的区间时，整车控制器判定调速过程结束。在整个调速过程中变速器维持在空挡状态。

3.4 挂挡

调速过程结束后，整车控制器重新将电机的运行模式切换为转矩模式，目标转矩为零，并开始进行挂挡操作，将挂挡指令标志位发送给变速器控制器。变速器控制器接收到挂挡指令标志位为1后，控制换挡执行机构中的换挡电机进行同步挂挡，使接合套与目标挡位的齿圈啮合，同时采集位置传感器信息，以确认达到目标挡位位置。挂挡期间电机为空载转矩状态。

该系统由于电机输出轴与变速器输入轴直接相连，在进行挂挡时，来自输入端的转动惯量相比传统AMT中离合器从动片的转动惯量要大，但由于驱动电机的调速使得两端速差减小至同步状态，因此挂挡时的冲击不大。

3.5 加载

挂挡结束后，须重新施加转矩，以满足当前车辆动力的需求。整车控制器退出换挡模式，进入一般行驶模式，根据当前踏板状态和车速等信息计算驱动电机目标转矩，并通过电机控制器控制电机转矩。

相比传统AMT通过离合器的滑磨过程实现逐渐加载，该系统也需要通过控制驱动电机从空载转矩到目标加载转矩的变化率来实现，该转矩变化率应保证在不影响驾驶舒适性的前提下，尽可能减小动力损失。

整个换挡过程的流程如图3所示。

4 试验结果分析

为验证整个换挡过程，本文中设计的电机-变速器系统装在动力总成台架上进行试验，直流电源由双向电源柜提供，整车阻力由测功机提供，换挡规律采用目前常用的两参数方法[10-12]，即由加速踏板和车速决定换挡点。得到的试验结果见图4～图7。

由图4升挡过程可见，在换挡开始的10ms中，整车控制器控制驱动电机转矩由18N·m下降到0，系统完成卸载。随后目标挡位变为II挡，变速器控制器开始控制换挡机构进行摘挡，历时194ms。摘挡结束后，驱动电机由转矩模式切换为转速模式进行调速，历时160ms。在调速过程中，电磁转矩迅速下降，电机转速由最初的2 091降低到1 083r/min，在此过程中变速器输出转速运行平稳，维持在193r/min，此时根据式(1)，两者速差小于同步阈值，进入挂挡环节，电机又重回转矩模式，目标转矩仍然维持为0，挂挡历时351ms。之后转矩重新加载，进入到II挡行驶阶段，加载过程的转矩梯度比卸载时小，以保证驾驶舒适性。总体而言，系统的升挡时间(从发出目标挡位到挂挡成功的时间)为705ms。

图5和图4相比，升挡时的加速踏板行程由原来的8%变为54%，换挡车速点也由原来的22.5变为65.3km/h，相应地换挡转速也由2 091增加为6 083r/min，在同样的目标挡位传动比下，速差增大，调速时间延长至271ms，总的升挡时间相应增加至835ms。

由图6降挡过程可见，在换挡开始的10ms中，整车控制器控制驱动电机转矩由30N·m下降到0，系统完成卸载。随后目标挡位变为I挡，变速器控制器开始控制换挡机构进行摘挡，历时217ms。摘挡结束后，驱动电机由转矩模式切换为转速模式进行调速，历时140ms。在调速过程中，电磁转矩迅速上升，电机转速由最初的764上升到1 392r/min，在此过程中变速器输出转速运行平稳，维持在117r/min，此时根据式(1)，两者速差小于同步阈值，进入到挂挡环节，电机又重新回到转矩模式，目标转矩仍然维持为0，挂挡历时371ms。之后转矩重新加载，进入到I挡行驶阶段，加载过程的转矩梯度比卸载时小，以保证驾驶舒适性。总的降挡时间(从发出目标挡位到挂挡成功的时间)为728ms。

降挡时的加速踏板行程由8%增加到54%后，其结果如图7所示，卸载和摘挂挡的时间基本不变，只有由于换挡车速的增加(由原来的13.7变为45.1km/h)使速差增大，调速时间变为231ms，总的降挡时间有所增加，变为828ms。

5 结论

本文中以纯电动汽车电机-变速器动力系统为研究对象，着重分析了系统参数匹配和动力切换过程。根据整车性能要求确定了驱动电机峰值功率和峰值转矩，及变速器挡位数和传动比。根据系统特征和驱动电机工作特性制定了相应的换挡流程，最后还搭建了电机-变速器动力系统的动力总成试验台架，通过试验对整个系统方案进行了验证。

通过样机开发和试验结果表明，该系统能够有效减小驱动电机体积和质量，提升动力系统工作效率，且换挡通过整车控制器、电机控制器和变速器控制器之间的相互协调，可使整个过程平顺快速地完成，减少动力损失和冲击，有效地保证了换挡品质，具有较好的产业化前景。

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A Motor-Transmission Powertrain for Pure Electric Vehicles

Fu Hong, Wang Yanjing, Feng Chao & Xue Shan

1.ChongqingChanganAutomobileCo.,Ltd.,Chongqing400023;2.BeijingR&DCenter,ChongqingChanganNewEnergyAutomobileCo.,Ltd.,Beijing100093

A drive motor-transmission powertrain for pure electric vehicles is presented in this paper. The main parameters, including peak power and torque of drive motor and the gear ratio of transmission are matched according to the performance requirements of vehicle, and a gear shifting process is designed based on the characteristics of drive motor. The performance of system is verified by simulation and power assembly bench test. The results show that compared with motor-single stage reductor system, the proposed system with same power performance has smaller volume, higher efficiency in medium-high speed conditions and a smooth and speedy gear shifting process with less jerk and power loss, having a better prospect of its industrialization.

pure electric vehicles；motor-transmission powertrain

*新能源汽车产业技术创新工程项目——长安C206纯电动汽车技术开发及产业化项目资助。

原稿收到日期为2015年4月15日，修改稿收到日期为2015年7月13日。