某纯电动汽车两档自动变速箱换挡规律的制定及品质研究

钟君思 毛征宇 席守军 蔡志华

摘 要：文章给匹配了两挡自动变速器的某小型纯电动汽车制定了一种兼顾动力性及经济性的换挡策略并对其进行优化。利用Matlab/simulink建模仿真，对比了优化前后NEDC电耗和百公里加速时间，来评价动力性和经济性能。搭建了二分之一纯电动汽车实验平台，用优化后的换挡策略进行换挡台架实验来获得冲击度。实验结果表明，制定的换挡策略所执行的换挡过程中，冲击度在国家标准范围内，换挡品质良好;同时动力性经济性都有所提高，制定的换挡策略合理有效，对于未来多挡位电动车的发展具有一定的意义。

关键词：纯电动汽车;换挡策略;换挡冲击;换挡品质

中图分类号：U463.212  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）20-01-07

Abstract： In this paper， a small pure electric vehicle matched with a two-speed automatic transmission is formulated and optimized for a shift strategy that takes into account both power and economy. Using cruise modeling and simulation， the power consumption and economic performance of NEDC before and after optimization are compared to evaluate the power and economic performance. A half-pure electric vehicle experiment platform was built， and the optimized shift strategy was used to conduct the shift bench experiment to obtain the impact degree. The experimental results show that during the shifting process performed by the developed shifting strategy， the impact degree is within the range of national standards and the shifting quality is good; at the same time， the power economy is improved， and the developed shifting strategy is reasonable and effective The development of multi-speed electric vehicles has certain significance.

Keywords： Pure electric vehicle; Shift strategy; Shift shock; Shift quality

CLC NO.： U463.212  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）20-01-07

引言

在全球主張未来新能源汽车代替纯燃油汽车的大背景下，纯电动汽车的技术发展还存在一些难题。现出现在市面上的纯电动汽车基本都是固定挡位，固定挡位的纯电动汽车无法将电机的特性发挥更好，也无法更大范围的调整车速。针对这一缺点，很多车企、高校开始了对纯电动汽车匹配多挡变速器的研究，动力系统多挡位化将成为未来一个趋势[1]。搭载变速器后，制定合理的换挡策略，才能使变速器与电机、整车的性能达到最优。

对于电动汽车的多挡位的研究，向阳总结了包括混合动力和纯电动汽车在内的变速箱的发展历史，它可以分为四个方面：换挡策略，换挡控制，换挡质量评估和实验研究四个层面[2]。部分高校已经搭建了实验平台。英国萨里大学的Arash M. Gavgani 等人以一组通过实验验证的车辆模型进行模拟换档，对混合动力电汽车进行了最佳换挡控制[3]。Sorniotti教授等设计了新型双速传动系统的机械布局，实现了对该动力系统最佳换挡[4]。现普遍基于两参数制定换挡策略，也有少数基于三参数制定换挡策略[5]，但该技术、理论不成熟，基本都采用两参数换挡策略。合肥工业大学的江昊等人针对经济性换挡做出研究[6]，重庆大学李聪波将动力性经济性考虑其内面向更低能耗制定了换挡策略[7]，整车经济性都得到提高。胡建军等人对AMT换挡控制方面提出了控制方法，该方法经过了样车试制，能够进行有效的平顺的换挡[8]。陈淑江，秦大同以不同负荷下ECE能耗制定了兼顾动力性经济性的换挡策略[9]，北京理工大学宋强利用多目标遗传算法制定了AMT综合性换挡策略[10]，两者都提升了换挡整体性能。南昌大学黄菊花等人利用Adams软件对无离合器机械式自动变速器做了换挡仿真研究，详细的分析了影响换挡品质的因素[11]。叶杰等人对一种无动力中断的二挡变速器考虑冲击度和磨滑功制定了综合性换挡策略[12]。吉林大学的高炳朝对一种离合器、AMT反置的变速箱实现了无扭矩孔平滑换挡控制[13]。冯天设计并测试了电动汽车多齿轮变速箱的变速控制系统，他设计了变速箱控制单元以改变变速箱的变速质量[14]。辛立研究了缩短手动两速变速器转矩中断时间的控制方法，提高了换挡质量[15]。但是以上论文都没有以换挡时刻冲击度作出独立的品质验证，缺乏针对性。

本文研究针对配备两速AMT的小型纯电动汽车开发了针对欧洲城市工作条件（NEDC）的综合换挡策略。然后使用MATLAB / Simulink建立纯电动汽车模型，搭建动力系统试验平台，分析换挡过程中的换挡冲击，并通过与国家标准进行比较来评估换挡质量。同时，利用巡航软件模拟了制定变速策略前后的经济和动态性，验证了所开发变速策略的可行性和实用性。

1 研究对象

本论文以某小型纯电动A0级单机减速器轿车为研究对象，匹配自动变速器后，主要研究如何让纯电动汽车进行实时、安全、高效的自动换挡。通过给变速器控制器制定一套换挡策略来实现自动换档。该车在前期进行完动力匹配后，主要参数如下表所示。

2 换挡策略的制定与优化

自动换挡的原理如图1所示，AMT变速器与电机都有各自的控制器，他们通过CAN总线共享信息，电机控制器采集驾驶员架示意图，如：踏板信息，制动信息等。变速器控制器通过CAN采集到了这些信息，适合于所制定好的换挡策略自动换挡，这就是自动换挡的原理。因此，换挡策略的制定是关键一步。

2.1 以经济性为目标的换挡策略

该纯电动汽车主要工作区域为城市路况，对于纯电动汽车而言，对于动力性要求并不高，追求更多的是经济性，提出使电机能够较高效工作的经济性换挡策略。电机效率没有具体表达公式，不同挡位及不同踏板开度下的电机工作效率可通过电机效率map图来一一对应。图2为该纯电动汽车的电机效率map图，红色区域是效率大于94%的高效区，越往外缘区域电机效率越低，电机工作时，尽可能使其工作在效率高的红色区域。图3是踏板开度在0.2开度时两个挡位的电机工作效率曲线图，交点H是两个挡位下电机工作效率相等的点，交点之前一挡的工作效率大于二挡，随着车速增大，交点之后，二挡的效率大于一挡，这时候应该换挡，进入高挡位行驶，此时换挡点为H点，保证电机高效率工作，换挡车速为52.1km/h。

如图4所示，该图是不同踏板开度下的电机效率，A、B、C、D、E点分别是踏板开度在0.2，0.4，0.6，0.8，1下的两挡电机工作效率的交点，交点分别是52.1km/h，54.2km/h，51.9km/h，50.8km/h，58.3km/h，同有：在这些交点之前电机工作在一挡时效率较高，之后二挡效率超过一挡，代表着在此时换挡汽车可以保持在电机工作效率较高的情况下行驶，以这些点为升挡点。选择用10km/h的速度差作为降挡点，图5便是不同踏板开度下经济性换挡曲线，黑线为升挡曲线，红线为降挡曲线。

2.2 以动力性为目标的换挡策略

虽然经济性是电动汽车主要考虑的因素，但是一台汽车的动力性也是人们重视的一项购车性能。为了获得更大的动力性，提出动力性换挡。动力性换挡以加速度为换挡目标，在二挡加速度大于一挡时的速度点進行换挡。下图6是不同踏板开度下电机输出扭矩图，该电机最大扭矩为150N/m，在额定转速下，扭矩保持着不变，超过额定转速后，随着转速增大，扭矩慢慢变小;加速度变化趋势与扭矩变化相对应，在某一车速前，加速度保持不变，随着速度越来越大，加速度慢慢变小。根据车辆动力学公式，整车加速度为：

汽车在行驶时，要克服滚动阻力Ff，坡道阻力Fi，空气阻力Fw，在城市道路行驶时，忽略坡道阻力，即θ=0。利用加速度公式，画出在不同踏板开度下两个挡位的加速度--速度曲线，找到两挡曲线的交点，即为换挡点，或者两曲线是一段交线，可以任意选择交线段的某一点作为换挡点，但尽量选择离扭矩刚好变化的点，避免造成冲击性大。如图6（b）所示，两曲线所包围的区间是最佳换挡区域，从x点开始，二挡的加速度开始大于一挡，此时采用二挡工作，加速性性能更好，动力性更高。直到y点，两条线段开始重叠，即两个挡位加速度相同。如图6（c）所示，踏板开度从0一直到1的不同踏板开度，两挡交点相差不大，交点分别为（44.0， 2.18），（47.8，1.74），（51.4，1.26），（52.1， 0.35），（54.2，0.27）。重叠的线速度段区域几乎也是一致的，从60km/h开始重叠，直到速度达到一挡工作最大值74.8km/h时结束。即考虑在区域[31.2km/h，60km/h]范围内换挡。综合考虑选择速度为41km/h作为升挡点，31km/h作为降挡点。如图6（d），即为动力性换挡曲线，同样，黑线为升挡曲线，红线为降挡曲线。

2.3 综合性换挡策略

以上分别针对经济性、动力性换挡都考虑的是单方面因素，为了兼顾两者，使车辆在整个行驶过程中保持最优挡位状态，将经济性、动力性换挡相结合，制定一个综合性换挡策略。根据驾驶经验，在中低载荷的时候，选择经济性换挡，进入高负荷区时，选择动力性换挡。在踏板开度在0至40%时选用经济性换挡，开度为40%到100%时选用动力性换挡，综合性换挡曲线如图7所示，换挡曲线为中实线。

综合性换挡策略具体车速如表3所示：

2.4 优化换挡策略

在上述换挡策略基础上进行换挡策略的优化，本文采用粒子群算法优化换挡策略。粒子群算法（PSO）是一种进化择最优解计算技术（evolutionary computation），该算法时Eberhart博士和kennedy博士在1995年提出的，他们观察到鸟类捕食，从中得到启发。在鸟类集体活动捕食时，群体合作，随机搜索。利用这一原理，建立了数学模型，从而演化为现今的粒子群算法。粒子群算法可以优化数学问题、工程问题，求解过程为：

1）优化目标的提出。一般分为单目标优化和多目标优化，然后根据优化目标分析目标需求。

2）本文以汽车驾驶经济性和动力性为优化目标，属于多目标优化，多目标优化函数通过加权函数的方法降为单目标函数，设定优化范围，确定参数，设计变量。

3）利用计算机软件建立函数模型，一般使用Matlab、iSIGHT等软件。

4）计算得最优解。

2.4.1 建立优化目标函数

根据电动汽车一般工作环境，经济性与动力性的权重分析，在动力性达到基本要求的前提下，追求的更多的是提高续航里程，经济性权重更高。用粒子群算法，选择合适权重，优化在前文所制定的综合性换挡策略，在保证动力性能的前提下，以降低电耗提高驾驶经济性，以缩短百公里加速时间提升动力性为优化目标建立一个目标函数。设计变量为不同踏板开度下换挡车速X。