微型純電動汽車換擋控制研究

黃恒 蘭斌旋

關鍵詞：微型電動汽車；換擋系統；定速比減速器；控制策略

0引言

汽車電動化是汽車產業的主要發展方向之一。由于電動車電機的特性和發動機不同，電動車的動力傳遞方式有所簡化。目前電動車主流的動力傳遞方式有兩種，一種是無離合器的驅動電機直連定速比減速器的方式，一種是無離合器的驅動電機直連兩擋自動變速器（AMT）的方式。動力傳遞方式的簡化使得電動車換擋系統可進一步簡化。合理的電動車換擋系統設計，不僅為用戶提供良好駕駛體驗，還可提高行駛可靠性以及提高續航里程，降低生產成本和維修成本。

目前，眾多學者和工程師對電動車換擋系統的控制優化進行大量研究。李陽、肖力軍、吳斌、楊進琦和王大方等人，針對兩擋AMT換擋控制采用PID控制算法，提出電機扭矩或轉速與換擋協同控制方案，并應用分段控制方法提高算法的適用性。分別通過MATLAB仿真、臺架測試或實車測試，驗證所提方案的有效性[1-5]。宋強等對比換擋過程的線性和非線性扭振模型對換擋品質的影響，采用PID算法減少非線性扭振影響，并通過仿真驗證方案的有效性[6]。劉永剛等提出基于經驗數據的自適應換擋控制方法改善換擋品質，并通過MATLAB/Simulink仿真驗證方法的自適應能力和魯棒性[7]。許曉通提出行星式兩擋電驅動系統設計方案，并通過臺架驗證方案的可行性和有效性[8]。岳漢奇提出采用后置離合器滑摩輔助換擋的方案改善換擋動力中斷的情況，并通過臺架及實車測試驗證方案的有效性[9]。朱江華等基于AUTOSAR提出換擋控制器設計方案，重點研究擋位位置自學習算法和換擋控制邏輯，并通過臺架驗證算法的有效性和控制精度[10]。

綜上文獻基本集中在兩擋AMT傳動方式下換擋品質的提升。使用兩擋AMT的傳動方式，是因為電動車發展早期電機性能不足和電機控制水平不足，在車速寬速域和低速高扭輸出的目標下，固定傳動速比會使電機容易處于低效工況，從而降低整車續航里程。但兩擋AMT的使用會導致兩個擋位切換時產生動力中斷和換擋沖擊，為解決這些問題導致設計復雜，開發周期加長，標定工作量增加。

本文針對微型電動車設計一套基于驅動電機直連定速比減速器傳動方式的換擋系統方案，并基于失效保護的思想設計換擋切換開環控制算法。通過MATLAB/simulink搭建仿真環境，該方案驗證了換擋控制算法的有效性。

1換擋系統方案

電動車驅動電機的選型和整車質量、最高車速、傳動效率等參數相關[11]。整車質量越大，車速速域越寬，對電機的性能要求越高。在綜合電機當前水平和價格因素選擇后，結果往往是實車電機容易處于低效工況或低速動力不足。而對于微型電動車，最高目標車速為100km/h，整車質量比一般A級及以上的電動車大幅降低。因此微型電動車在電機選型上滿足各項目標參數的同時，也較好地避免頻繁出現低效工況。因而，微型電動車使用定速比減速器的傳動方式即可滿足使用要求。

本文研究的微型電動車換擋系統如圖1所示。傳動系統的結構為，驅動電機直連定速比減速器，無離合器無同步器。其優勢在于傳動效率高，無多擋位的換擋沖擊，零部件少，成本低，降低維修保養難度。

系統架構上，取消換擋控制器，換擋控制邏輯集成到整車控制器中，在整車控制器基于模型（Model-Based）的模塊化開發方法下，換擋控制策略整合成整車控制器軟件的模塊之一即可。換擋桿上的位置傳感器通過硬線連接整車控制器，由整車控制器直接檢測駕駛員的換擋操作。整車控制器根據駕駛員的操作及車輛整體狀況計算擋位，而后根據擋位和加速踏板開度等條件計算需求扭矩，通過CAN通信發送給電機控制器（MCU）。MCU通過逆變器控制電機完成扭矩輸出的保持或變化，實現動力輸出的平穩性、變化及時性和平順性。換擋不再導致動力中斷，動力輸出和換擋功能解耦，無需協同控制。P擋機構安裝在減速器上，P擋電機的控制也集成到整車控制器中，整合到換擋模塊中。

電子換擋器進一步簡化，設計為擋桿非固定式，即每次駕駛員操作換擋后換擋桿會自動回到中間Home位置。換擋器擋位結構如圖2所示，換擋器換擋桿有效操作位置共4個。R位置對應換進R檔的操作，即換擋桿往前推兩格。N位置對應換進N擋的操作，即擋桿往前或往后推一格。D/E位置對應換進D擋或E擋的操作，即擋桿往后推兩格。每次操作換擋松手后，擋桿自動回位至H（Home鍵）位置。特別地，進入P擋的操作為按下換擋機構上的P擋按鈕。結構上，P擋按鈕與換擋桿分離。

換擋系統的擋位結果包含P、R、N、D和E共5個擋，操作與換擋機構上的擋位指示相對應，簡單明了。在進入P擋的整車條件滿足下，從其他非P擋位換進目標擋位P擋，都需要按P按鈕。在進入R/N/D擋的整車條件滿足下，從其他擋位換進目標擋位R/N/D擋，需要操作換擋桿到對應操作位置。特別地，只有當前擋位為D擋時，操作換擋桿到D/E位置，才能進入E擋。如當前擋位為非D擋（包含E擋），操作換擋桿到D/E位置，控制器將判定進入D擋。如此設計是為了簡化進入經濟模式E擋的開關及控制線路，進一步降低成本。

2換擋控制策略

換擋控制為整車重要的功能之一，若出現擋位非預期切換情況或在不允許換擋的故障狀態下擋位變換，會帶來安全風險。因此基于失效保護的思想設計換擋控制邏輯。失效保護思想的核心為基于控制模塊，系統外的所有輸入信號都要檢測是否異常，并根據異?？赡軐е碌娘L險進行預防處理，以避免受交互的控制器或零部件的故障影響。在此換擋系統中，需要監測換擋桿傳感器的故障狀態和P擋電機的故障及角度狀態。

換擋桿傳感器故障分兩類：第一類是斷線等導致不能檢測換擋操作的故障，該故障不會導致嚴重危險，無需對擋位或動力輸出進行處理，僅需發出告警信息；第二類是短接等導致誤報換擋動作的故障，該故障會引起車輛非預期作動，可能導致嚴重危險，需進行處理。設計上，通過使用開關電路檢測換擋桿是否離開Home位置，來綜合判定換擋桿正確作動，降低第二類故障的概率。P擋電機故障和角度狀態，影響的是P擋實際位置判定。錯誤的P擋位置信息會導致鎖止插銷和減速器的損壞，或出現溜車等風險。設計上，將該類故障綜合到P擋的判定邏輯中。

基于上述設計，R、N、D、E擋的控制已無需監測實際擋桿位置，使控制邏輯得到簡化。而P擋有鎖止插銷的作動，仍需要考慮機構實際位置的情況，即監測鎖止插銷的位置，避免未成功解鎖時允許動力輸出或未成功鎖止時傳遞駐車信息給駕駛員。換擋邏輯控制流程如圖3所示。非P擋的擋位互相切換的控制根據換擋及剎車等駕駛員操作、車速、整車可走行等車輛狀態和系統故障狀態來綜合判定，P擋和其他擋位的互相切換邏輯則需增加P擋插銷位置等系統狀態的考慮。

對于非P擋的擋位切換，如當前擋位為D擋，控制器檢測到換擋桿進R擋操作，同時實時監測當前是否有擋桿位置傳感器等換擋故障，如無故障，則換R擋操作有效?？刂破鞒掷m檢測整車故障，如無高壓下電故障、驅動故障等，且車速低于一定的正閾值，則判定整車滿足換進R擋的條件?？刂破鲃t將當前擋位從D擋切換為目標擋位R擋。車速閾值的設定是為了滿足使用便利性的同時保護傳動機構，降低扭矩輸出換向帶來的沖擊磨損。車速正表示向前，負表示向后。如從其他擋位換至前進擋D擋，則車速閾值需大于一定的負閾值。其他的R擋、N擋、D擋和E擋的相互切換同理。

對于涉及P擋的擋位切換，如從P擋切換至非P擋，控制器檢測換擋桿進行目標擋位操作?？刂破鳈z測當前是否有換擋桿位置傳感器等換擋故障，如無故障，則換擋操作有效?？刂破鞒掷m檢測整車故障，如無高壓下電故障、驅動故障等，且制動踏板被踩下，則判定整車滿足退出P擋換進目標擋位的條件?？刂破魍ㄟ^P擋電機控制鎖止插銷退出P擋。如P擋插銷位置傳感器無故障且檢測到P擋插銷已解除鎖止，則控制器將當前擋位P擋切換為目標擋位。制動踏板條件要求是為了使退出P擋需要踩制動和換擋桿操作兩個動作，降低僅誤觸換擋桿帶來的非駕駛意圖退出P擋的風險。對于從非P擋切換至P擋，控制器檢測P擋按鈕被按下，判定過程和退出P擋同理，只是不需要踩制動踏板的操作，而增加車速閾值限制。

對換擋控制策略采用模塊化設計，包括操作輸入處理模塊、故障判斷模塊、整車狀態模塊、擋位判定模塊，并使用MATLAB/Simulink軟件搭建換擋控制模型。

3換擋控制策略仿真驗證

基于MATLAB/Simulink平臺，利用信號創建模塊聯合換擋控制simulink模塊進行仿真測試。使用遍歷法對不同整車條件和不同故障狀態下換擋操作的測試用例進行梳理，并導入信號創建模塊。其中無故障狀態的擋位P/R/N/D/E遍歷成功輪切仿真結果如圖4所示，上半部分為換擋預期擋位TargetRange，下半部分為換擋模型判定輸出擋位stShiftRange。根據仿真結果，換擋控制策略可以實現預期控制結果，能滿足整車換擋功能要求。

4結束語

針對微型電動車，本文提出了基于驅動電機直連定速比減速器的傳動方式換擋控制系統方案和控制策略。使用MATLAB/Simulink搭建換擋控制模型，并通過仿真測試驗證了控制策略的有效性。方案實用性強，可應用于各類微型電動車，并且隨著未來電機性能和控制的水平提升會有更強的適用性。

該方案減少零部件的使用，簡化系統復雜度，減少應用成本及售后維護成本。同時，方案簡化控制架構，無需設計和標定擋位自學習算法，無需進行換擋和電機轉速、扭矩的協同控制來解決換擋動力中斷、換擋沖擊、換擋時間長等問題，降低開發難度，減少開發周期。