1、无离合器纯电动客车机械式自动变速器换挡评价的研究 摘 要：分析无离合器纯电动客车机械式自动变速器工作原理和换挡控制过程，研究通过换挡时间和换挡冲击度来评价无离合器纯电动客车机械式自动变速器(AMT)换挡过程。通过实车数据分析发现目前AMT换挡过程存在的问题，进而提出通过AMT控制单元计算换挡过程需要的转矩，要求电机控制器进行转矩变化达到AMT系统需求转矩，来减少换挡冲击，提高车辆的舒适性。 关键词：离合器；纯电动客车；机械式自动变速器；评价方法 中图分类号：462.212文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.01.006 Evaluati
2、on on AMT Shifting Gear of Non-clutch Pure Electric Bus Wang Lei，Xi Junqiang （GETRAG Transmission Co., Ltd，Nanchang，Jiangxi 330013，China） Abstract：The paper analyzed the working principles and shifting control process of AMT on a non-clutch pure electric bus and studied the shifting timing and impac
3、t hardness to evaluate the AMT shift process. The paper analyzed the collected data from the vehicle, found current problems during shifting gears, and then put forward that AMT delivers the torque value change to AC motor control unit during shifting process to reduce shifting impact and to improve
4、 comfort ability of vehicles. Keywords：clutch；pure electric bus；AMT；evaluation method 电动汽车开发在汽车科研领域占有非常重要的地位。电能是被世界公认的一种可再生清洁能源，而变频电机工作范围宽，且变频电机的特性是在低速时恒转矩，高速时恒功率，较好地满足了车辆运行需求1，因此纯电动汽车及混合动力汽车得到了较快的发展2。 虽然变频电机特性对车辆很好，但车辆起步和爬坡时需要大转矩，加之车辆对高速的需求以及提高电机及驱动系统工作效率的需要，电动汽车仍需匹配多挡变速器3，而为了提高车辆的安全性、舒适性和驾驶方便性，换挡操
5、纵自动化是电动汽车发展的必然趋势。目前自动变速器的种类主要有无级变速器（Continuously Variable Transmission， CVT）、双离合器自动变速器（Dual Clutch Transmi-ssion，DCT）、自动变速器（Automatic Transmission，AT）、机械式自动变速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）4种，其中AMT效率最高，体积最小，成本最低，且可满足重型商用汽车的需求，是纯电动客车的理想传动形式。 1 纯电动客车传
6、动系统 纯电动客车传动系统的特点是没有离合器，同时变速器没有倒挡，传动系统结构如图1所示。电动机输出动力给变速器，变速器的动力通过传动轴和主减速器，经半轴传到车轮，驱动车辆。 纯电动客车传动系统的工作原理如图2所示。AMT控制器根据操纵手柄位置、制动信号、电机转速和油门开度计算合适的挡位，当需要进行换挡操作时，AMT控制器向电机控制器发送换挡过程所需的电机工作模式，进而实现换挡操作。换挡过程对车辆的平顺性有很大影响4，只有换挡过程中对电动选、换挡执行机构和整车交流电机进行准确控制，并优化换挡时间和换挡冲击度，才能保证整车的舒适性和平顺性。 纯电动客车传动系统采用机电一体化控制。这种控制方法简化
7、了整个传动系统，传动系统取消了离合器，变速器取消倒挡，为了满足最高车速和车辆的动力性，设计上采用了3挡变速器，挡位布置如图3所示。传动系统在没有离合器的情况下，通过交流电机控制完成起步和爬行，因为交流电机可以实现0转速到最大转速，同时在起步过程中通过交流电机控制器给传动系统缓慢加载转矩，实现起步功能；传动系统通过交流电机正转和反转完成车辆的前进和倒退。由于这种动力系统在换挡时间和换挡冲击度方面得到了较大优化，所以也大大提升了AMT换挡性能。 2 纯电动客车AMT换挡过程 交流电机主要有3种工作模式：力矩（根据驾驶员需求由加速踏板经交流电机对外输出转矩）、调速（交流电机控制器根据AMT控制器提出
8、转速的需求，进行转速控制）、自由(交流电机对外输出转矩为0)。纯电动客车AMT换挡过程就是AMT系统根据换挡需求给电机控制器相应的电机工作模式指令来配合AMT系统完成换挡，提高车辆的舒适性。 2.1 AMT换挡性能评价 AMT换挡性能的评价主要是对换挡时间和换挡冲击度的评价，在控制过程中减少换挡时间。换挡时间越短，换挡冲击度就越大，所以换挡时间和换挡冲击度在AMT换挡性能评价中是矛盾的，只能在保证车辆的舒适性前提下，尽量缩短换挡时间。 2.1.1 换挡时间 对于传统内燃机汽车换挡时间的定义，是指从离合器开始分离到离合器再次接合为止所经历的时间。对于纯电动客车换挡时间T的定义，是指从变速器发给交
9、流电机控制器自由模式请求到变速器发给交流电机控制器力矩模式所经历的时间，它包括：(1)交流电机从力矩模式到自由模式的时间t1。(2) 变速器摘挡时间t2。(3) 变速器选挡时间t3。(4)交流电机调速时间t4。(5) 变速器挂挡时间t5。(6)交流电机从自由模式到力矩模式t6。纯电动客车换挡时间T为上述时间之和，见式（1）。 T=t1+t2+t3+t4+t5+t6 &
10、#8197; （1） 2.1.2 换挡冲击度 车辆的冲击度以加速度的变化率来表示，见式（2）。 ， （2） 式中：a为车辆加速度；v为车辆速度。 在实际换挡过程中，车
11、辆冲击度j为 ， （3） 式中：i0为主减速比；ig为挡位减速比；为传动系效率；M0为汽车总质量；为旋转质量换算系数；r 为驱动轮滚动半径；Te为交流电机实际输出转矩。 式（3）表明，交流电机输出转矩变化率越大，则换挡冲击越大，故冲击度j较好地反映了换挡过程的动力学本质。因此，以冲击度为约束条件： ，
12、197; （4） ，
13、197; （5） 式中：jmax为乘坐满意的冲击度最大值。 2.2 AMT换挡过程控制 纯电动客车传动系统环节没有离合器，电机与变速器通过花键直接相连，动力通过变速器直接对外输出。电机控制系统和自动变速之间的协调工作是通过控制器局域网（Controller Area Network ，CAN）来完成的，电机工作模式是由AMT
14、控制器发给电机控制器。纯电动客车使用的变速器是3挡直齿轮变速器，效率高，作为传动系统更能发挥整车性能。AMT系统通过接收电机控制器的转速信号和加速踏板的开度信号，计算出相应的挡位，然后向电机发送相应的控制指令进行换挡。纯电动客车传动系统工作过程的原理如图4所示。整个换挡过程中，AMT控制单元TCU根据加速踏板和车辆速度确认当前车辆合适的挡位。对于纯电动客车，延长车辆的续驶里程非常重要，这也是衡量电动汽车设计的一个重要指标，所以对换挡点的标定也是一项重要工作。对于无离合器客车的换挡点标定，在满足动力性前提下，应选在交流电机的高效区。当TCU确认目标挡位时，TCU就通过CAN总线向交流电机控制器发
15、送自由模式，一旦交流电机控制器对自由模式已确认，TCU便控制AMT执行机构进行摘挡。摘挡完成后，TCU计算出换挡需要的目标转速并发送给交流电机控制器，同时给交流电机控制器发送电机调速指令，当交流电机控制器反馈给TCU时，电机处于调速状态，TCU控制AMT执行机构进行选位工作，选位完成后，TCU判断电机的转速是否已达到目标值。如果电机的转速目标值在TCU要求的范围内，TCU要求交流电机控制器变为自由模式，而后TCU控制AMT执行机构进行换挡，换挡完成后，TCU要求交流电机控制器转为力矩模式，整个换挡工作完成。 在换挡过程中，调速目标值计算非常重要，如果目标值计算不准确将影响换挡时间
16、的长短，同时将影响换挡的同步，需要换挡执行机构的强行同步器工作，使将要啮合的一对齿轮同步。对于目标值的计算我们采取预测控制，因为预测控制能弥补电机在调速期间输出轴转速的变化，通过检测输出轴转速速差值和目前的转速计算出调速的目标值。调速目标值实时进行更新，达到准确，缩短换挡时间和减少换挡的冲击。目标值的计算值为 naim=n2(k)gb+Kpn2(k-1)-n2(k-2)，（6） 式中：naim为调速目标转速；gb为目标转速；n2(k)、n2(k-1)、n2(k-2) 分别为目前、上一次、上两次输出轴的转速；Kp为比例系数（与加速踏板的开度和电机转速有关）。 3 试验分析 ̳
17、7;此系统应用于奥运纯电动客车，通过实车数据采集，对无离合器纯电动客车AMT换挡过程的控制参数、换挡时间和换挡冲击度进行了分析。以一个2挡升3挡过程为例进行分析，如图5所示。整个换挡过程从电机力矩开始经历了自由模式、调速模式、自由模式到电机返回力矩模式，一共经历了1.48 s，即为换挡时间。从图3可以看出变速器系统设计在1挡与2挡互相切换时，没有选位这个动作将会节省换挡时间，而在2挡与3挡互相切换的过程中，选位需要一定时间，故换挡时间较前者长。从整个换挡过程来分析，发现在换挡过程中，电机处于调速模式需要很长时间，占整个换挡时间的60%，所以对电机的调速性能需要优化。但是系统要求换挡
18、时间应不大于1.5 s，所以系统换挡时间这个参数满足设计要求。 从图5中可以看出在不换挡过程中车辆加速和减速的冲击度在20 m/s3之间，在换挡过程中，交流电机从力矩模式到调速模式和从自由模式到力矩模式的冲击度相比行车过程中的冲击度明显加强，冲击度的值在30 40 m/s3之间。为了摘挡和挂挡顺利进行，同时使摘挡和挂挡的动作更迅速，必须使输入轴的转矩为0。所以电机要进行转矩控制，使电机的转矩进行减小和增加，在此过程中，如果转矩突然变化，就会引起车辆的冲击，而系统在换挡过程中没有电机转矩的控制要求，故电机转矩变化会引起车辆的冲击；交流电机在调速模式
19、过程中车辆的冲击性较大，因为在同步器同步过程中，会产生车辆的速度变化，产生车辆扰动，进而影响车辆的加速度变化，使车辆产生冲击；同时由于我们采集数据周期为10 ms，所以数据采集频率较高，冲击度顺时突变也是有可能的。通过实车驾驶，一些驾驶员的主观评价表明车辆的冲击度可以接受。 4 结论 无离合器纯电动客车AMT换挡的评价和传统内燃机车辆的换挡评价指标有着相同之处，通过实车数据分析了无离合器AMT换挡过程的时间和冲击度，发现无离合器AMT的换挡时间满足要求，但是对于换挡冲击度，根据我们在以内燃机为动力的车辆上测试和乘员的主观感觉，对冲击度进行了分类，见表1。经分析当冲击度大于40
20、197;m/s3时起步冲击是不可接受的，大于30 m/s3时离合器控制需改进，小于24 m/s3时起步冲击可以接受，小于16 m/s3时冲击度控制较好，小于8 m/s3时认为冲击度控制很好。 经过上述分析，纯电动客车AMT系统的冲击度在可接受范围，但需要改进。根据测试和评价结果，此系统的开发能够应用到实际车辆上，并可安装在奥运用车上。但是纯电动客车AMT的冲击度需要改进，改进方法可以通过AMT控制单元对转矩变化进行控制，同时考虑转矩变化率，交流电机进行转矩控制，达到减少车辆冲击的要求，提高车辆舒适性。 参考文献(References): 李炯.功
21、率混合型电动车辆电机驱动系统综合性能评价研究D.北京：北京理工大学，2007. Li Jiong.Research on Motor Propulsion System Comprehensive Performances EvaluationD.Beijing：Beijing Institute of Technology，2007.(in Chinese) 陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术M.北京：北京理工大学出版社，2002：31-33. Chen Qingquan，Sun Fengchun，Zhu Jiaguang.Modern Electric Vehicle Technol
22、ogyM.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2002：31-33.（in Chinese） Xi Junqiang，Xiong Guangming，Zhang Yan.Aplication of Automatic Manual Transmission Technology in Pure Electric BusC/Proceedings of 2008 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC) ，Harbin：IEEE，2008. 丁华荣. 车辆自动换挡M.北京：北京理工大学出版社，1992：31-96. Ding Huarong.Vehicular Automatic ShiftM.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，1992：31-96.(in Chinese)第 10 页 共 10 页
