一种限制换挡过程中回馈电流大小的纯电动AMT控制策略

徐 凯，郑 凯，左梦玲，金 立

（东风汽车股份商品研发院，湖北 武汉 430057）

电动汽车是当今社会能量可高效利用、清洁环保、能源可再生和可持续发展的交通工具。电动汽车与传统的内燃机汽车不同，它主要依靠动力电池提供能量来源。在目前动力电池技术瓶颈下，动力电池的充放电电流是由BMS严格控制的，不能过充也不能过放；但是在目前具有多挡变速器的电动汽车上，在变速器换挡时，电机产生较大的母线回馈电流给动力电池，在一定条件下，容易对电池产生一定的损伤，影响动力电池的寿命。本课题的研究目的是尽量减小变速器在换挡时产生的回馈电流对动力电池的影响，同时也要尽量减小换挡时间以保证驾驶者的舒适性，在该过程里面找到一个合适的点能够减小两方面产生的影响。本文针对纯电动汽车AMT变速器换挡的关键技术进行了详细的理论分析、研究及车辆测试。采用MCU限扭或者TCU阶段发送目标转速的策略以限制变速器在换挡过程中产生的冲击电流，通过限制扭矩的百分比，延长换挡时间以限制回馈电流峰值大小，达到在电池SOC100%时减小对动力电池的冲击影响。实验表明本文提出的限扭百分比控制策略可以在换挡时间和减小对电池回馈冲击中找到一个合适的点，明显减小换挡过程中对电池的电流冲击，也能完全照顾到换挡时间对驾驶者的舒适性感受。

1 AMT纯电动原理

AMT纯电动车的基本工作原理如图1所示，AMT控制器TCU根据操纵手柄位置、制动信号、电机转速和加速踏板位置计算合适的挡位，当需要进行换挡时，TCU控制器向VCU发送请求换挡允许命令，VCU根据当前工况判断是否允许换挡，VCU允许换挡后，电机控制器开始响应TCU所需的电机工作模式，进而实现换挡，不同的换挡策略对车辆的平顺性和电池冲击性有很大影响。只有在换挡过程中对电动选换挡机构和驱动电机进行准确控制，才能保证整车舒适性、平顺性和安全性。

2 换挡过程分析

本论文以4.5t纯电动卡车为平台，基本框架原理与图1所示相同。该纯电动卡车变速器有2个挡位，且驱动电机与变速器之间取消了离合器，直接通过花键连接。由于没有离合器， 动力中断完全依赖于驱动电机模式转换。驱动电机在换挡过程中会经历扭矩模式、自由模式和转速模式3个工作状态［2］，车辆在正常行驶过程中，一般都是扭矩控制模式，电机扭矩会一直跟随VCU给定的扭矩，而VCU给定的扭矩与加速踏板一般成正比。车辆在行驶过程中准备进挡时，TCU向VCU发送允许换挡请求指令，VCU收到命令后，在整车无3级故障情况下给TCU和MCU发送允许换挡指令，MCU收到换挡指令后，直接接受TCU控制，TCU给MCU发送清扭命令，扭矩清零后，驱动电机进入自由模式，接着换挡电机可以轻易地摘挡，TCU给MCU发送目标转速，然后驱动电机进入转速模式，达到合适的转速差时挂挡，紧接着驱动电机升扭进入力矩模式汽车正常行驶，具体的控制时序流程见图2。

AMT换挡过程有如下要求：①摘挡前必须切断驱动电机到变速器的驱动力；②进挡前必须将驱动电机调到与输出轴转速相匹配的转速范围；③挂挡完成后驱动电机的转矩恢复时要避免产生较大的冲击。

由于整个换挡过程必须经历以上3个过程，那么不可避免地就会出现以下2个问题：①在换挡过程中整车是无动力的，如果换挡时间较长，会给驾驶员带来较差的驾驶体验；②在调节转速降速过程中电机不可避免地产生负扭矩，从而产生回馈电流对电池充电，如果此时电池是满电状态或接近满电状态，那么对电池是有冲击影响的。

图1 AMT纯电动车基本原理框架

图2 换挡控制流程时序图

图3 换挡过程波形图

3 实车测试

如图3所示，是在实车上测试的换挡过程波形图，从中可以看出在驱动电机进入转速模式时，为将电机转速迅速降至输出轴匹配转速，控制器产生较大的负扭矩，从而在母线上产生了较大的回馈电流124A，且持续时间在200ms线性下降。整个换挡从TCU发请求开始计算，恢复扭矩正常行驶结束，时间大概在1.3s左右，从实际驾驶体验来看，该换挡时间对驾驶舒适性无影响。但是在整个换挡过程中产生的负电流对电池电量在95%以上时是有冲击的，对电池来说是有风险隐患的。

针对此问题本论文提供一种新的换挡控制策略，既将换挡时间考虑进去，也能限制脉冲回馈电流。从实车考虑，脉冲回馈电流在120A左右，SOC在90%以下基本上就能正常接受该回馈电流，因此VCU可将电池的电量状态SOC值转发给MCU，当MCU接收到SOC值在90%及以上，同时处于换挡过程进入转速控制模式时，MCU进行限扭策略，这样可以有效减小换挡过程中的脉冲回馈电流；在90%SOC以下时，车辆正常换挡，MCU放开限扭策略，最大化地减少换挡时间，不影响车辆正常行驶。具体扭矩策略实施措施如下。

1）在换挡调转速过程中限额定扭矩的25%，产生的母线回馈电流及持续时间见图4，换挡时间见图5，但是实际驾驶车时换挡时间较长，有明显的顿挫感。

2）在换挡调转速过程中限额定扭矩的40%，产生的母线回馈电流及持续时间见图6，换挡时间见图7，实际驾驶车时可以感受到换挡时间，但是无顿挫感，不影响车辆驾驶舒适性。

3）在换挡调转速过程中限额定扭矩的60%，产生的母线回馈电流及持续时间如图8所示，换挡时间如图9所示，实际驾驶车时无顿挫感，不影响车辆驾驶舒适性，但是冲击电流较大，有78A左右，400ms时间线性下降。

从以上实车测试数据中可以看出，在90%SOC及以上时，换挡调速过程限制扭矩策略方案是可行的，可以有效降低回馈电流对电池的冲击性，在考虑尽量短的换挡时间，有效降低回馈电流的峰值大小。与电池厂家技术人员沟通电池的特性后，经过双方确认，最终采取限扭40%的方案，既能保证换挡时间对驾驶的感受，也能对电池做到有效保护，大大增强了电池包的可靠性。

图4 25%扭矩换挡回馈电流

图5 25%扭矩换挡时间

图6 40%扭矩换挡回馈电流

图7 40%扭矩换挡时间

图8 60%扭矩换挡回馈电流

图9 60%扭矩换挡时间

4 结论

1）90%SOC及以上时，换挡调速过程中MCU执行限扭策略可以有效减小回馈电流对电池的冲击影响，增加电池的可靠性。

2）这种策略具有普遍性，由于不同的电池电流允许回馈值不同，只需要在不同电池包情况下重新标定MCU限扭策略的百分比，同时考虑换挡时间即可达到不错的效果。

3）这种策略具有易操作性，只需要将电池电量SOC状态转发至MCU，将其作为限扭的判断条件之一，在变速器进入换挡调速时开始限扭，软件可操作性空间大。