純電動汽車兩擋AMT試驗研究

萬良晨 柴本本 巫少方 張建武

(上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240)

0 引言

電動汽車具有環境友好、使用成本低等特點，近年來已經成為了汽車市場消費者的重要選擇。在開發電動汽車產品的過程中，同時提升車輛的機械性能與效率成為了主要的設計目標。隨著電動汽車的發展，為了降低電動汽車的成本，需要減小電機與電池的尺寸，同時保持車輛性能不變[1]。用于電動汽車的兩擋變速器或者多擋變速器可以提高電機效率使其運行在高效區間，減小電機尺寸，同時兼顧汽車起步加速與最高車速的要求[2]。近年來國內外研究已經提出了很多用于純電動汽車的兩擋變速器方案，并通過模型仿真、臺架測試驗證換擋規律與控制策略。其中大部分是基于機械式自動變速器(AMT)與雙離合器自動變速器(DCT)的方案[3-5]。

本研究采用同步器換擋原理的兩擋AMT，結構緊湊簡單、換擋可靠、制造加工難度低，易用于小型電動汽車與集成式電驅動系統的開發中[6]。本文針對純電動汽車兩擋機械式自動變速器，基于一款小型電動汽車，設計換擋執行機構，通過臺架測試與實車試驗驗證換擋性能與整車動力性能實現效果。

1 兩擋AMT驅動系統

本研究以某型純電動汽車為研究對象，采用兩擋自動變速器傳動方案。依據車輛基本與設計性能指標，設計動力總成構型。該車型基本參數與性能指標如表1所示。

表1 整車參數與性能指標

車輛驅動系統基本構型與換擋執行機構原理如圖1所示，驅動電機布置在車輪前艙中部，通過花鍵與兩擋變速器的輸入軸連接，變速器采用平行軸式原理設計，其中同步器布置在中間軸上，差速器總成布置在變速器輸出軸并與半軸相連接。驅動電機的輸出扭矩通過變速器總成、差速器，最終傳遞到半軸的輪邊進行動力輸出。

圖1 驅動系統構型圖Fig.1 Architecture of Driveline

本研究設計的兩擋變速器采用無離合器設計，通過換擋執行電機與驅動電機協調控制完成換擋。換擋執行機構采用電控電動式系統，結構為蝸輪蝸桿加凸輪轉轂的形式，換擋執行電機的旋轉運動經過蝸輪蝸桿減速后又通過凸輪轉轂轉化為換擋撥叉的直線運動，從而驅動撥叉進行換擋動作。撥叉的運動控制由凸輪轉轂的凹槽形狀決定。為了確保換擋準確平順，凸輪轉轂的凹槽可分為三段水平區域和兩段斜坡區域，當撥叉頭在凹槽水平區域移動時，轉轂旋轉而同步器結合套位置保持不變，當撥叉頭在凹槽斜坡段移動時，凸輪轉轂旋轉帶動同步器結合套軸向運動完成換擋或摘擋。

2 兩擋AMT換擋控制策略

由于電動汽車采用驅動電機，而驅動電機本身具有調速功能，從而在原理上可以省去傳統AMT的離合器及相應控制系統，使驅動電機控制器(MCU)與變速器控制器(TCU)協同控制，可以實現驅動電機在多種工作模式中切換，進而實現精確快速換擋。另一方面，本研究的驅動系統采用兩擋變速器，只有兩個檔位，所以可以省去傳統多擋機械式變速器的選擋機構，變速器控制可以簡化為摘擋操作與掛擋操作。

2.1 兩擋AMT換擋規律

換擋規律是指自動變速器檔位切換信號隨著控制參數變化的規律，當外部控制參數到達換擋時刻時，TCU將發出換擋指令，控制相應執行機構完成換擋動作。

本研究兩擋AMT采用一種綜合車輛動力性與經濟性的雙參數換擋規律，為避免頻繁換擋造成車輛行駛頓挫，降擋曲線與升擋曲線之間設定7 km/h的速差。車輛動力性換擋規律、經濟性換擋規律與綜合換擋規律的升擋曲線，如圖2所示。

圖2 換擋規律曲線圖Fig.2 Parameters of Shifting Schedule

考慮車輛使用一擋起步時，在速度未達到50 km/h 前不進行升擋。同時，為避免車輛低速行駛情況下動力電機工作轉速長時間較高，降擋速度不宜過低。綜上，當加速踏板開度α大于0.9 時，取升擋點速度為50 km/h；當α小于0.4時，取升擋點速度為30 km/h；當α處于0.4～0.9 之間時，換擋點速度使用線性方法計算獲得。

2.2 協同控制

TCU接收來自車輛傳感器的各類電信號，包括駕駛意圖、車輛運行狀態，根據接收到的電信號，結合預設的換擋邏輯，向2AMT換擋執行機構發出換擋控制指令，同時與MCU進行協同通信。根據TCU 發出的指令，換擋執行機構與MCU 協同工作，有序執行并完成變速器的升檔、降檔和保持擋位的動作[7]。2AMT變速器控制系統結構如圖3所示。

圖3 兩擋變速器控制系統結構圖Fig.3 Control System of 2AMT

在驅動電機+2AMT 的動力系統中，由于存在換擋過程，驅動電機需要根據換擋需求采用不同的模式的控制。在整個換擋過程中，驅動電機主要工作在三種模式下：轉矩模式、自由模式和調速模式。在兩擋AMT系統擋位切換具體過程可分為五個階段：

(1) 轉矩卸載階段，當TCU檢測到換擋條件時，系統進入擋位切換狀態，并發出換擋指令，MCU接收到指令后將工作模式由轉矩模式切換到自由模式，完成轉矩卸載，車輛進入慣性行駛狀態；

(2) 自由摘擋階段，驅動電機完成轉矩卸載后，TCU發出指令控制換擋執行機構完成摘擋動作，當TCU采集到空擋信號后，換擋執行電機停止運行，TCU發出摘擋完成信號與期望轉速信息；

(3) 空擋調速階段，兩擋AMT進入空擋狀態后，MCU由自由模式進入調速模式，控制驅動電機轉速到達期望轉速附近，而后再次進入自由模式，等待掛擋動作；

(4) 自由掛擋階段，驅動電機再次進入自由模式后，TCU繼續發出指令控制換擋執行機構完成掛擋動作，當換擋電機轉動圈數達到預設標定目標值后停止工作，判斷此時進入預定擋位；

(5) 轉矩恢復階段，兩擋AMT進入預設擋位后，驅動電機轉速重新與車速達到協同狀態，MCU控制驅動電機由自由模式進入轉矩模式，根據加速踏板開度信號調節電機輸出轉矩。

兩擋AMT換擋過程需要TCU與MCU協同工作，通過CAN通訊網絡進行交互通信，完成兩者指令交互與協同控制邏輯。

3 兩擋AMT臺架試驗

為了驗證變速器和驅動電機的協調控制以及換擋性能，需要對整個電驅動系統進行臺架試驗。臺架試驗主要目的是驗證驅動電機及其控制器MCU和變速器控制器TCU換擋過程的協同控制。試驗設備包括驅動系統樣機、整車負載模擬電機、傳感器信號采集設備、電源供電設備與計算機測控平臺。

本次臺架試驗的主要功能模塊如圖4所示。

圖4 臺架測試模塊示意圖Fig.4 Functional Modules of Rig Test

上位機通過NI的測控系統實時向負載電機和驅動電機發出控制信號，并負責整個負載系統和驅動系統的控制和一些主要數據的采集。動力電池包向驅動電機控制器(MCU)提供336 V直流電源，MCU再向驅動電機輸送三相交流高壓電源。負載電機用于模擬整車負載，扭矩和轉速信息通過自帶的扭矩轉速傳感器進行采集，并通過EtherCAT網絡傳送到上位機。MCU和TCU之間通過CAN聯接，可以實現換擋過程的實時控制。

為了驗證TCU與MCU協同控制狀態，需要使用負載電機模擬整車負載，使用加速踏板控制驅動電機轉速，TCU寫入綜合換擋規律，當電機轉速與踏板信號滿足換擋條件時，進行換擋操作。

負載換擋試驗的電機轉速與擋位變化如圖5所示。檔位為一擋時，驅動電機轉速達到約3 000 rpm時，變速箱執行升擋動作；檔位為二擋時，驅動電機轉速達到約1 100 rpm時，變速箱執行降擋動作。升擋降擋性能結果如圖6所示，從試驗結果看，升擋與降擋動作執行邏輯正常，驅動電機調速響應迅速，換擋過程較平順。通過臺架試驗可以證明變速器控制系統工作狀態穩定，換擋控制程序按照預設狀態工作，TCU與MCU協同控制比較順利。

圖5 臺架負載換擋試驗結果圖Fig.5 Result of Dynamic Shifting on Bench Test

4 兩擋AMT實車試驗

通過臺架換擋試驗驗證系統工作正常，還需要進一步將兩擋AMT系統應用到真實車輛中，檢驗其在實際道路工況下的工作運行情況。將TCU和MCU與變速器本體布置在試驗車輛的前艙中。實際裝車效果如圖7所示。

圖6 臺架負載換擋試單次升降擋結果圖Fig.6 Result of Shifting Performance on Bench Test

圖7 兩擋AMT實車效果圖Fig.7 Picture of Vehicles with AMT installed

4.1 轉轂動力性測試

在測試轉轂上對兩擋AMT驅動系統動力性能進行測試，主要驗證整車最高車速與加速性能。其中最高車速取五次測試速度最大值的平均值，加速性能依據車輛處在一擋狀態0-50km/h加速時間，取五次測試結果平均值，計算得到試驗測試結果。將測試結果與搭載單級減速器車輛性能參數進行對比。取同型號測試車，該車搭載單級減速器，減速比為5.432。將二擋變速器實測結果與單級減速器結果進行對比。動力性能測試結果對比如表2所示，結果顯示，裝備了兩檔變速器的車輛最高車速略遜于單級減速器，而加速能力大大優于單級減速器。

表2 動力性測試結果表

4.2 實際道路換擋性能測試

試驗道路為長度1.4km的環形跑道，道路條件為干水泥路面，路況包含平直道路、急彎路況、搓板路等復雜路況，實際道路測試環境如圖8所示。

為了驗證兩擋變速器在實際車輛中的匹配性能與可靠性，在實際測試中進行了不同路況、不同駕駛工況的測試，取其中一組道路測試結果如圖9所示，測試全程4.2 km，耗時480 s。在這組測試中，共完成了4組升、降擋動作，最高車速70 km/h。

圖9 道路測試結果圖Fig.9 Result of Vehicle Road Test

從此組試驗結果來看，從升擋、降擋動作采集數據中各取一組進行分析。其中升擋動作時間最小值為1.14 s，最大值為1.87 s，平均值為1.54 s；降擋動作時間最小值為1.11 s，最大值為1.58 s，平均值為1.30 s。

取其中一組升擋過程進行分析，結果如圖10所示，分析升擋階段各過程時間序列，得知該組升擋過程總用時1.24 s，其中轉矩卸載與轉矩恢復過程用時為0.01 s，自由摘擋過程用時0.40 s，空擋調速過程用時0.47 s，自由掛擋過程用時0.32 s。結合其他各組升擋數據可知升擋過程時間的主要影響因素為電機調速階段與掛擋階段，而摘擋階段用時較為穩定。

取其中一組降擋過程進行分析，結果如圖11所示，分析降擋階段各過程時間序列，得知該組降擋過程總用時1.11 s，其中轉矩卸載與轉矩恢復過程用時為0.01 s，自由摘擋過程用時0.34 s，空擋調速過程用時0.38 s，自由掛擋過程用時0.37 s。結合其他各組升擋數據可知降擋過程時間的主要影響因素與升擋過程相同，造成降擋時間過長的主要因素為掛擋動作卡滯或電機調速延遲。

圖10 升擋數據曲線圖Fig.10 Result of Upshifting

圖11 降擋數據曲線圖Fig.11 Result of Downshifting

5 結論

本文主要介紹了針對純電動汽車用兩擋機械式自動變速器換擋執行機構與協同控制策略的臺架測試與實車測試方法。分別對換擋執行機構工作性能、MCU與TCU協同工作策略、實車動力性能、實際道路換擋動作性能進行了測試，通過轉轂試驗測試了實車最高車速與加速性能，通過實際道路換擋測試驗證了系統工作的可靠性，計算分析了換擋動作各階段的執行時間序列。

試驗結果表明，本研究設計的兩擋AMT具備良好的換擋執行功能，MCU與TCU分別控制驅動電機與換擋執行機構工作正常，實車動力性參數與理論設計值存在一定偏差，主要原因可能是變速器樣機機械傳動效率低于理論值以及試驗車動力電池包電壓低于理論值。實際道路換擋測試數據表明，本研究設計的兩擋AMT平均升擋時間為1.54 s，平均降擋時間為1.30 s，為了進一步提升變速器工作性能的穩定性，還需要對換擋執行機構機械構型以及控制策略進行進一步優化。