一種純電動汽車的電機-變速器動力系統(tǒng)*

傅 洪, 王艷靜, 馮 超，薛 山

(1. 重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；2.重慶長安新能源汽車有限公司北京汽車技術(shù)研究分公司，北京 100093)

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一種純電動汽車的電機-變速器動力系統(tǒng)*

傅 洪, 王艷靜, 馮 超，薛 山

(1. 重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；2.重慶長安新能源汽車有限公司北京汽車技術(shù)研究分公司，北京 100093)

本文中提出了一種純電動汽車的驅(qū)動電機-變速器動力系統(tǒng)，根據(jù)整車性能要求對驅(qū)動電機峰值功率、轉(zhuǎn)矩和變速器傳動比等主要參數(shù)進(jìn)行了匹配，結(jié)合驅(qū)動電機特性設(shè)計了換擋過程。通過仿真和動力總成臺架試驗，對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，與電機-單級減速系統(tǒng)相比，在相同動力性能的條件下，所提出的系統(tǒng)有較小的體積，在中高速工況下有較高的效率，整個換擋過程平穩(wěn)快速、沖擊小、動力損失少，換擋品質(zhì)高，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

前言

隨著電動汽車向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)， 其性能要求越來越高，不僅局限于其行駛功能的實現(xiàn)，而且越來越強調(diào)車輛的動力性、經(jīng)濟性、駕駛舒適性和操縱穩(wěn)定性的提高。電驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車，尤其是純電動汽車的核心部件之一，其構(gòu)型方式將對這些性能產(chǎn)生明顯的影響。目前純電動汽車多采用驅(qū)動電機結(jié)合單級減速的動力傳動結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由于速比是固定值，無法同時滿足車輛起動轉(zhuǎn)矩大、電機高效工作范圍廣等要求。而采用驅(qū)動電機與多級變速器集成的結(jié)構(gòu)形式，可充分利用變速器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機輸出的動力，采用大速比時可增大電機轉(zhuǎn)矩輸出范圍，提高車輛的動力性；采用小速比時可擴大電機的高效運行區(qū)間，使電驅(qū)動系統(tǒng)能量效率提高，同時降低了對電機本身性能的要求和系統(tǒng)總成本。另外采用自動換擋，能夠通過設(shè)計合適的換擋策略提高車輛的動力性、經(jīng)濟性和駕駛舒適性。

在多級自動變速器的結(jié)構(gòu)選型上，有如下幾種典型方案：傳統(tǒng)機械式自動變速器(AMT)、行星齒輪自動變速器(PT)、雙離合器自動變速器(DCT)和無級式自動變速器(CVT)[1-2]。這4種自動變速器的性能對比如圖1所示。

由圖1可見，在上述幾種方案中，傳統(tǒng)機械式自動變速器具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕且成本低等優(yōu)勢，因此本文中選用傳統(tǒng)機械式變速器作為匹配純電驅(qū)動系統(tǒng)的自動變速器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

純電動汽車電機-變速器動力系統(tǒng)主要包括動力電池、驅(qū)動電機、變速器、換擋執(zhí)行機構(gòu)和差速器等部件，其中驅(qū)動電機為永磁同步電機，變速器為多級擋位變速器，換擋執(zhí)行機構(gòu)為電控電動換擋機構(gòu)，對應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，整車控制器(VCU)根據(jù)踏板信號、車速信號和接收到的車輛、路面等其他狀態(tài)信息，依據(jù)換擋規(guī)律判斷是否換擋，并計算驅(qū)動電機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速和運行模式，設(shè)置變速器目標(biāo)擋位和換擋指令標(biāo)志位，并發(fā)送到CAN總線上。

驅(qū)動電機控制器(IPU)接收CAN總線上的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速和運行模式等信息，同時采集電機轉(zhuǎn)速、電流和溫度等信息，在轉(zhuǎn)矩模式下按照要求控制驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)速模式下按照要求控制驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)速。

變速器控制器(TCU)接收CAN總線上的目標(biāo)擋位和換擋指令標(biāo)志位信息，同時采集換擋機構(gòu)位置、變速器輸出轉(zhuǎn)速和油溫等信息，控制換擋執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行摘擋和掛擋操作。

2 系統(tǒng)參數(shù)匹配

系統(tǒng)參數(shù)匹配主要需要考慮驅(qū)動電機的參數(shù)和變速器的傳動比，通過匹配這兩個部件的參數(shù)達(dá)到整車性能目標(biāo)要求。

2.1 驅(qū)動電機峰值功率計算

驅(qū)動電機的功率選擇直接影響整車的動力性和經(jīng)濟性[3]。驅(qū)動電機峰值功率越大，加速性和爬坡性能越好，但同時會增加電機的體積和質(zhì)量，正常行駛時驅(qū)動電機不能在高效區(qū)附近工作，影響經(jīng)濟性。因此，在計算驅(qū)動電機峰值功率時，一般根據(jù)整車要求的最高車速、加速時間和最大爬坡度來確定[4]。比較這3項動力性指標(biāo)計算得到的功率值，最終取最大值作為驅(qū)動電機峰值功率的設(shè)計值。

2.2 驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩和變速器傳動比計算

采用多級變速器的優(yōu)勢之一在于通過變速器的傳動比變化，減小驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩。因此在設(shè)計驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)綜合考慮變速器傳動比的影響，在傳動比允許的前提下，盡可能減小驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩，從而減小電機體積，降低成本。

在進(jìn)行變速器擋位數(shù)的選擇時，考慮到驅(qū)動電機具有較好的調(diào)速特性，且擋位過多會使動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量增加、傳動效率降低，因此一般選擇兩個擋位。

在確定參數(shù)時，將驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩作為變量x，范圍在[xmin,xmax]之間，其中xmin和xmax分別為最小允許轉(zhuǎn)矩和最大允許轉(zhuǎn)矩。變速器最大傳動比函數(shù)y1=f(x, λmax)[5]，其中，λmax為最大爬坡度； 最小傳動比函數(shù)y2=g(x, uamax, P)[6]，其中，uamax為最高車速，P為電機功率，y1和y2的范圍在[ymin, ymax]之間，其中ymin和ymax分別為最小允許傳動比和最大允許傳動比。

綜合考慮上述兩個函數(shù)及x，y1和y2的限制條件，建立仿真模型，最終得到最小的電機峰值轉(zhuǎn)矩為160N·m，此時的變速器最大傳動比為11.557，最小傳動比為6.420。

3 換擋過程控制

純電動電機-變速器動力系統(tǒng)由于取消了離合器，而且驅(qū)動電機特性與發(fā)動機的特性不同，所以換擋過程相對于傳統(tǒng)AMT有所區(qū)別[7-9]，具體換擋過程可分為以下幾個步驟。

3.1 卸載

當(dāng)整車控制器判定進(jìn)入換擋模式后，首先進(jìn)行卸載操作。由于沒有離合器，卸載過程不能通過機械元件的分離來完成，而是要通過對電機轉(zhuǎn)矩的控制，使之變化到空載轉(zhuǎn)矩，才能使變速器嚙合齒輪之間達(dá)到無載同步狀態(tài)，從而進(jìn)行下一步的摘擋。

在此過程中，整車控制器要求驅(qū)動電機仍然運行在轉(zhuǎn)矩模式，轉(zhuǎn)矩變化的斜率控制也通過整車控制器實現(xiàn)，在保證驅(qū)動系統(tǒng)不發(fā)生抖動現(xiàn)象的前提下，盡可能加大轉(zhuǎn)矩變化率，以減小車輛動力性能的損失。此時變速器的目標(biāo)擋位保持不變。

3.2 摘擋

卸載結(jié)束后，電機控制器向整車控制器反饋卸載結(jié)束標(biāo)志位。整車控制器接收到該標(biāo)志位為1后，開始進(jìn)行摘擋操作，向變速器控制器發(fā)送目標(biāo)擋位。變速器控制器接收到目標(biāo)擋位后，控制換擋執(zhí)行機構(gòu)中的換擋電機進(jìn)行工作，使接合套與當(dāng)前擋位的齒圈分離，同時采集位置傳感器信息，以確認(rèn)達(dá)到空擋位置。此時電機仍然維持在空載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)不變。

3.3 調(diào)速

摘擋結(jié)束后，變速器控制器向整車控制器反饋摘擋結(jié)束標(biāo)志位。整車控制器接收到該標(biāo)志位為1后，開始進(jìn)行驅(qū)動電機的調(diào)速操作。

在純電動汽車一般的行駛過程中，驅(qū)動電機由于接收的都是轉(zhuǎn)矩需求，無需進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)操作。但在換擋過程中，這一步驟是必不可少的。通過驅(qū)動電機主動調(diào)速，一方面可減小目標(biāo)齒輪嚙合時的速差，減小掛擋沖擊；另一方面利用電磁方式的調(diào)速時間較短，進(jìn)一步縮短了換擋時間。

在此過程中，整車控制器要求驅(qū)動電機切換為轉(zhuǎn)速模式，此時，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為

(1)

當(dāng)電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值在所規(guī)定的區(qū)間時，整車控制器判定調(diào)速過程結(jié)束。在整個調(diào)速過程中變速器維持在空擋狀態(tài)。

3.4 掛擋

調(diào)速過程結(jié)束后，整車控制器重新將電機的運行模式切換為轉(zhuǎn)矩模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為零，并開始進(jìn)行掛擋操作，將掛擋指令標(biāo)志位發(fā)送給變速器控制器。變速器控制器接收到掛擋指令標(biāo)志位為1后，控制換擋執(zhí)行機構(gòu)中的換擋電機進(jìn)行同步掛擋，使接合套與目標(biāo)擋位的齒圈嚙合，同時采集位置傳感器信息，以確認(rèn)達(dá)到目標(biāo)擋位位置。掛擋期間電機為空載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)。

該系統(tǒng)由于電機輸出軸與變速器輸入軸直接相連，在進(jìn)行掛擋時，來自輸入端的轉(zhuǎn)動慣量相比傳統(tǒng)AMT中離合器從動片的轉(zhuǎn)動慣量要大，但由于驅(qū)動電機的調(diào)速使得兩端速差減小至同步狀態(tài)，因此掛擋時的沖擊不大。

3.5 加載

掛擋結(jié)束后，須重新施加轉(zhuǎn)矩，以滿足當(dāng)前車輛動力的需求。整車控制器退出換擋模式，進(jìn)入一般行駛模式，根據(jù)當(dāng)前踏板狀態(tài)和車速等信息計算驅(qū)動電機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并通過電機控制器控制電機轉(zhuǎn)矩。

相比傳統(tǒng)AMT通過離合器的滑磨過程實現(xiàn)逐漸加載，該系統(tǒng)也需要通過控制驅(qū)動電機從空載轉(zhuǎn)矩到目標(biāo)加載轉(zhuǎn)矩的變化率來實現(xiàn)，該轉(zhuǎn)矩變化率應(yīng)保證在不影響駕駛舒適性的前提下，盡可能減小動力損失。

整個換擋過程的流程如圖3所示。

4 試驗結(jié)果分析

為驗證整個換擋過程，本文中設(shè)計的電機-變速器系統(tǒng)裝在動力總成臺架上進(jìn)行試驗，直流電源由雙向電源柜提供，整車阻力由測功機提供，換擋規(guī)律采用目前常用的兩參數(shù)方法[10-12]，即由加速踏板和車速決定換擋點。得到的試驗結(jié)果見圖4～圖7。

由圖4升擋過程可見，在換擋開始的10ms中，整車控制器控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩由18N·m下降到0，系統(tǒng)完成卸載。隨后目標(biāo)擋位變?yōu)镮I擋，變速器控制器開始控制換擋機構(gòu)進(jìn)行摘擋，歷時194ms。摘擋結(jié)束后，驅(qū)動電機由轉(zhuǎn)矩模式切換為轉(zhuǎn)速模式進(jìn)行調(diào)速，歷時160ms。在調(diào)速過程中，電磁轉(zhuǎn)矩迅速下降，電機轉(zhuǎn)速由最初的2 091降低到1 083r/min，在此過程中變速器輸出轉(zhuǎn)速運行平穩(wěn)，維持在193r/min，此時根據(jù)式(1)，兩者速差小于同步閾值，進(jìn)入掛擋環(huán)節(jié)，電機又重回轉(zhuǎn)矩模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩仍然維持為0，掛擋歷時351ms。之后轉(zhuǎn)矩重新加載，進(jìn)入到II擋行駛階段，加載過程的轉(zhuǎn)矩梯度比卸載時小，以保證駕駛舒適性?？傮w而言，系統(tǒng)的升擋時間(從發(fā)出目標(biāo)擋位到掛擋成功的時間)為705ms。

圖5和圖4相比，升擋時的加速踏板行程由原來的8%變?yōu)?4%，換擋車速點也由原來的22.5變?yōu)?5.3km/h，相應(yīng)地?fù)Q擋轉(zhuǎn)速也由2 091增加為6 083r/min，在同樣的目標(biāo)擋位傳動比下，速差增大，調(diào)速時間延長至271ms，總的升擋時間相應(yīng)增加至835ms。

由圖6降擋過程可見，在換擋開始的10ms中，整車控制器控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩由30N·m下降到0，系統(tǒng)完成卸載。隨后目標(biāo)擋位變?yōu)镮擋，變速器控制器開始控制換擋機構(gòu)進(jìn)行摘擋，歷時217ms。摘擋結(jié)束后，驅(qū)動電機由轉(zhuǎn)矩模式切換為轉(zhuǎn)速模式進(jìn)行調(diào)速，歷時140ms。在調(diào)速過程中，電磁轉(zhuǎn)矩迅速上升，電機轉(zhuǎn)速由最初的764上升到1 392r/min，在此過程中變速器輸出轉(zhuǎn)速運行平穩(wěn)，維持在117r/min，此時根據(jù)式(1)，兩者速差小于同步閾值，進(jìn)入到掛擋環(huán)節(jié)，電機又重新回到轉(zhuǎn)矩模式，目標(biāo)轉(zhuǎn)矩仍然維持為0，掛擋歷時371ms。之后轉(zhuǎn)矩重新加載，進(jìn)入到I擋行駛階段，加載過程的轉(zhuǎn)矩梯度比卸載時小，以保證駕駛舒適性?？偟慕祿鯐r間(從發(fā)出目標(biāo)擋位到掛擋成功的時間)為728ms。

降擋時的加速踏板行程由8%增加到54%后，其結(jié)果如圖7所示，卸載和摘掛擋的時間基本不變，只有由于換擋車速的增加(由原來的13.7變?yōu)?5.1km/h)使速差增大，調(diào)速時間變?yōu)?31ms，總的降擋時間有所增加，變?yōu)?28ms。

5 結(jié)論

本文中以純電動汽車電機-變速器動力系統(tǒng)為研究對象，著重分析了系統(tǒng)參數(shù)匹配和動力切換過程。根據(jù)整車性能要求確定了驅(qū)動電機峰值功率和峰值轉(zhuǎn)矩，及變速器擋位數(shù)和傳動比。根據(jù)系統(tǒng)特征和驅(qū)動電機工作特性制定了相應(yīng)的換擋流程，最后還搭建了電機-變速器動力系統(tǒng)的動力總成試驗臺架，通過試驗對整個系統(tǒng)方案進(jìn)行了驗證。

通過樣機開發(fā)和試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效減小驅(qū)動電機體積和質(zhì)量，提升動力系統(tǒng)工作效率，且換擋通過整車控制器、電機控制器和變速器控制器之間的相互協(xié)調(diào)，可使整個過程平順快速地完成，減少動力損失和沖擊，有效地保證了換擋品質(zhì)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

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A Motor-Transmission Powertrain for Pure Electric Vehicles

Fu Hong, Wang Yanjing, Feng Chao & Xue Shan

1.ChongqingChanganAutomobileCo.,Ltd.,Chongqing400023;2.BeijingR&DCenter,ChongqingChanganNewEnergyAutomobileCo.,Ltd.,Beijing100093

A drive motor-transmission powertrain for pure electric vehicles is presented in this paper. The main parameters, including peak power and torque of drive motor and the gear ratio of transmission are matched according to the performance requirements of vehicle, and a gear shifting process is designed based on the characteristics of drive motor. The performance of system is verified by simulation and power assembly bench test. The results show that compared with motor-single stage reductor system, the proposed system with same power performance has smaller volume, higher efficiency in medium-high speed conditions and a smooth and speedy gear shifting process with less jerk and power loss, having a better prospect of its industrialization.

pure electric vehicles；motor-transmission powertrain

*新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程項目——長安C206純電動汽車技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目資助。

原稿收到日期為2015年4月15日，修改稿收到日期為2015年7月13日。