基于PI控制的純電動汽車兩擋變速器換擋策略研究

0   引言

傳統內燃機汽車采用多擋位變速器；小型純電動汽車與之不同，目前多采用固定速比的減速器，電機輸出軸與減速器輸入軸之間通過聯軸器直接連接，沒有使用離合器，利用電機調速來實現車速的改變。這種傳動方式結構簡單，制造成本低，但對牽引電機提出了更高要求，既要求其在恒轉矩區提供較高的瞬時轉矩，又要在恒功率區提供較高的運行轉速，滿足車輛的加速性能和最高車速設計要求。為了使電動汽車能更好地滿足其動力性能和經濟性能，同時降低對牽引電機和電池的要求，電動汽車傳動系統的發展或趨于兩擋或多擋化^[1]。

本文依托某純電動緊湊型轎車，由VCU完成兩擋變速器換擋中的轉速同步策略實施，TCU和MCU密切協作，完成換擋動作^[2]。以整車動力性、經濟性和平順性等為導向進行了換擋策略定義，通過PI控制電機扭矩快速調節電機轉速與變速箱需求目標轉速同步，由變速器判斷換擋時機實現換擋^[3-4]。

1   整車結構及參數

純電動汽車采用前置前驅單電機兩擋變速箱布置方式，動力部分工作原理如示意圖1所示。由動力電池給驅動電機供電，電機通過變速器驅動車輪，實行車輛行駛；同時動力電池為DC-DC逆變器供電，轉換成低壓12 V給蓄電池充電及整車低壓用電器供電。主要相關控制器包括車輛控制器(VCU)、電池管理系統(BMS)、電機控制器(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CAN信號通訊。車輛控制系統（VCU）通過硬線采集油門踏板、換擋機構、剎車踏板、車輛模式開關等組件的狀態，然后根據各系統的狀態和駕駛員請求，再向各模塊控制單元下發相應的控制指令，各控制模塊協作完成換擋。整車設計相關的主要參數見表1。

作者簡介：孔令靜（1985—），女，策略主管工程師，從事純電動和混合動力汽車控制策略開發、HIL測試平臺開發和整車測試等工作12年。

2   整車換擋點

以動力性為主要需求，根據整車參數仿真換擋分析為：整車車速低于74.4 km/h（對應電機轉速約9 000rpm）（如圖2），一擋下的變速箱輸出扭矩始終要高于二擋；整車車速高于74.4 km/h時，二擋下的變速箱輸出扭矩要高于一擋。為更好的滿足整車動力性能，選擇車速在74.4 km/h附近升擋，同時考慮油門開度，會適當增大換擋的車速范圍。

3   換擋策略

3.1 換擋過程規劃

從換擋準備到執行換擋，再恢復駕駛員的駕駛需求，整個換擋過程規劃如圖3所示，大致分為11步，由VCU和TCU共同協作完成。

①VCU判斷可以配合TCU進行換擋；

②TCU根據換擋圖譜發送換擋指令及結合狀態；

③VCU進行降扭至0控制；

④TCU發送脫擋開始；

⑤TCU發送脫擋中（可進行速度同步狀態)及目標

轉速；

⑥TCU發送脫擋完成 ；

⑦VCU降扭調速（小扭矩，目標轉速）；

⑧TCU發送同步，VCU卸載小扭矩；

⑨TCU開始掛擋，發送掛擋開始；

⑩TCU發送掛擋中（VCU可做扭矩恢復）；

?VCU恢復扭矩到駕駛員需求扭矩。

圖3 換擋過程規劃示意圖

根據上述換擋過程規劃，以及TCU反饋的變速箱實時信息，基于MATLAB/Simulink進行編程，①通過Stateflow編輯換擋狀態管理，②轉速同步模塊實現PI控制轉速同步。

3.2 PI控制轉速同步

換擋過程中，VCU負責扭矩和轉速管理，TCU負責換擋時機判斷及換擋操作，MCU負責扭矩執行及反饋。由TCU根據實車行駛狀態提供實時的換擋目標轉速，VCU根據目標轉速和實際轉速的偏差進行比例積分計算，所得請求扭矩由MCU控制電機執行。

電機轉動慣量J=m×r²，角加速度α＝ ，轉矩，其中α -rad/s²，t-s，T-Nm，n-r/min。基于MATLAB/Simulink編程PI控制電機扭矩，并集成于車輛控制器（VCU）模型中如圖4所示，最終編譯成軟件刷寫車輛控制器進行實車測試。

圖4 PI控制轉速同步模型

4   整車測試與結果分析

升擋策略根據不同的油門深度設定車速(60~80) km/h多個換擋點，降擋策略定在車速20 km/h時換擋。在實驗場地中對實車進行不同深度油門加速至80 km/h以上并減速至20 km/h以下，完成實車的升擋和降擋工況測試。通過汽車開發常用工具INCA7.1軟件記錄VCU控制器運算的實時數據，并通過其附屬工具箱MDA調取電機實際轉速、變速箱換擋所需目標轉速、換擋動作狀態和整車實際車速等關鍵變量進行數據分析。整車多種工況的隨機測試結果如圖5，圖中已注明曲線名稱，圖5~圖9中的曲線名稱均一致。

4.1 車速60km/h 升擋根據上述測試結果截取60 km/h、70 km/h、80 km/h升擋和20 km/h降擋4種工況的實際車速、目標轉速、電機實際轉速和換擋動作參數分析，換擋總時間要求600 ms以內。

4.1 車速60 km/h升擋

圖6 車速60 km/h升擋整車測試結果

VCU收到TCU發送的目標轉速和脫擋狀態時對電機轉速閉環控制，從圖6可見，車速為60 km/h工況下轉速同步到開始換擋使用時間約306 ms，執行換擋動作使用時間約9.6 ms ，換擋前后車速較為平穩，無明顯波動。

4.2 車速70 km/h升擋

圖7 車速70 km/h升擋整車測試結果

從圖7可見，車速為70 km/h工況下轉速同步到開始換擋使用時間約380 ms，執行換擋動作使用時間約10.02 ms ，換擋前后車速較為平穩，無明顯波動。

4.3 車速80 km/h升擋

圖8 車速80 km/h升擋整車測試結果

從圖8可見，車速為80 km/h工況下轉速同步到開始換擋使用時間約318 ms，執行換擋動作使用時間約9.8 ms，換擋前后車速較為平穩，無明顯波動。

4.4 車速20km/h降擋

圖9 車速20 km/h降擋整車測試結果

從圖9可見，車速為20 km/h工況下轉速同步到開始換擋使用時間約290 ms，執行換擋動作使用時間約9.97 ms，降擋前后車速較為平穩，無明顯波動。

5   結論

通過對純電動汽車多種車速下換擋過程分析，轉速同步時間和換擋時間滿足設計要求，換擋前后車速平穩，這種PI控制純電動汽車兩擋變速器換擋策略實現了較為快速平順的換擋。此換擋策略通過實車驗證，有較好的實用性，為純電動汽車兩擋變速器換擋策略提供了應用基礎。

參考文獻：

[1] 唐永琪.純電動汽車兩擋自動變速器換擋品質研究[J].上海汽車,2013(01):3-7.

[2] 黃英,石獻磊,徐世利.基于動力性和經濟性的轎車換擋規律設計與試驗研究[J].汽車技術,2004(11):28-32．

[3] QIN G,GE A,L J J.Knowledge-BasedGear-Position Decision[J].IEEE,2004,5(2):121-126．

[4] 李天琨,吳斌,陳存璽,等.純電動車兩擋機械自動變速器換擋過程分析及綜合控制[J].汽車實用技術,2019(9):22-25+31.

（本文來源于《電子產品世界》雜志社2020年8月期）