王 燦
(泉州師范學(xué)院 交通與航海學(xué)院,福建 泉州 362000)
汽車(chē)的發(fā)展為人們的出行帶來(lái)了極大的便利,人們對(duì)于汽車(chē)的需求量也逐年增加,汽車(chē)保有量持續(xù)提升.[1]純電動(dòng)汽車(chē)是以蓄電池中的電能作為汽車(chē)能源,與燃油汽車(chē)相比,純電動(dòng)汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)零污染、節(jié)能、降低噪聲和成本.[2]純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)形式由內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng),機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)使用最為廣泛.[3]在純電動(dòng)車(chē)上,一般使用的是兩擋AMT,這種傳動(dòng)方式可以提高電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性,降低車(chē)輛行駛過(guò)程中路面狀況對(duì)于變速器性能的要求.兩擋AMT存在一些缺點(diǎn),如遇到快速加速或者需要上升的路面時(shí),兩擋AMT的換擋較為困難,且對(duì)于變速器的沖擊較大,對(duì)變速器的損害較大,影響其使用壽命.因此針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)提出了四擋AMT.四擋AMT的研究仍然處于研發(fā)階段.四擋AMT在電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性方面有較大的改善,可有效延長(zhǎng)變速器的使用壽命,對(duì)于其參數(shù)設(shè)計(jì)以及后續(xù)的換擋過(guò)程、換擋規(guī)律仍然需要進(jìn)一步研究.本文基于四擋AMT參數(shù)設(shè)計(jì),對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的換擋控制進(jìn)行優(yōu)化.
純電動(dòng)汽車(chē)的控制系統(tǒng)主要包括控制器、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感器和整車(chē)控制系統(tǒng).
控制器是整個(gè)純電動(dòng)汽車(chē)的最核心控制部分,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)各系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)管理、能源的合理分配和利用以及對(duì)汽車(chē)整體的控制;對(duì)整車(chē)進(jìn)行安全管理,對(duì)帶電部件和人員進(jìn)行安全防護(hù).在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中,相關(guān)的車(chē)輛行駛信息通過(guò)CAN總線傳輸至控制器,由控制器進(jìn)行綜合分析以后,對(duì)車(chē)輛的行駛狀態(tài)以及能源的分布狀態(tài)進(jìn)行快速調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)時(shí)控制.
動(dòng)力系統(tǒng)為純電動(dòng)汽車(chē)提供能源,主要包括電池組、充電器、空調(diào)裝置和能源管理裝置.電池組為整個(gè)電動(dòng)車(chē)提供能源.為了保證電動(dòng)車(chē)的性能,電池組需要滿(mǎn)足快速充放電、高儲(chǔ)能、較長(zhǎng)的使用壽命等要求.[4]為了使電池組能夠驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)上的其他系統(tǒng)(如空調(diào)、轉(zhuǎn)向控制等),在進(jìn)行電池組設(shè)計(jì)時(shí),其電壓應(yīng)大于電動(dòng)車(chē)上所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用電壓.根據(jù)以上要求,電池組選擇采用磷酸鐵鋰電池組.充電器為車(chē)載型充電器,用于為電池組充電.空調(diào)裝置為汽車(chē)行駛過(guò)程中加熱或制冷使用.能源管理裝置與電池組相連,用于對(duì)電池組的使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,回收制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的能量,同時(shí)對(duì)電池組電量的協(xié)調(diào)使用進(jìn)行控制.
傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制裝置和傳動(dòng)裝置,用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)行駛.驅(qū)動(dòng)電機(jī)是傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),為了使車(chē)輛能夠正常行駛,驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要具備較高的瞬時(shí)輸出功率、較快的響應(yīng)速率、高能量轉(zhuǎn)換率等.[5]目前,可應(yīng)用于純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型主要包括感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)等,其中永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)速小于基礎(chǔ)速率時(shí),轉(zhuǎn)矩恒定,轉(zhuǎn)速大于基礎(chǔ)速率,功率恒定.[6]這種特性非常適合純電動(dòng)汽車(chē)的行駛.傳動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞至車(chē)輪的軸承,使車(chē)輛行駛,主要包括變速器、減速器、差速器以及車(chē)輪等.變速器是傳動(dòng)裝置的最關(guān)鍵部件,目前自動(dòng)變速器主要包括液力自動(dòng)變速器(AT)、無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器(CVT)、雙離合自動(dòng)變速器(DCT)和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT).其中電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)相對(duì)于其他類(lèi)型大的變速器,具有自動(dòng)變速、反應(yīng)速率快、油耗低等優(yōu)點(diǎn),且制造成本較低[7],尤其適用于我國(guó)的純電動(dòng)汽車(chē).
整車(chē)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的性能,該系統(tǒng)主要包括CAN總線、顯示器、加速和制動(dòng)踏板,這些裝置通過(guò)電氣、信號(hào)線或者機(jī)械裝置連接.為了便于對(duì)電動(dòng)汽車(chē)功能的管理,降低功能之間的電磁干擾,整車(chē)控制系統(tǒng)采用分層控制.
系統(tǒng)的第一層為監(jiān)控層,用于監(jiān)控車(chē)輛的行駛狀態(tài)、路面狀況和駕駛員的行駛意圖.第二層為控制層,通過(guò)對(duì)管理層的信號(hào)進(jìn)行分析,確定各系統(tǒng)的作業(yè)參數(shù),通過(guò)CAN總線傳遞至執(zhí)行層的各系統(tǒng).第三層為執(zhí)行層,用于執(zhí)行控制層的指令,同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果反饋至管理層.
電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)對(duì)機(jī)械式手動(dòng)變速器進(jìn)行改裝,增加了電子控制單元,使變速器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋.這種變速器既具有機(jī)械式手動(dòng)變速器制造簡(jiǎn)單、成本低以及效率高的優(yōu)點(diǎn),又具有自動(dòng)變速器自動(dòng)控制和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn).AMT的主要包括電控單元、傳感器和換擋裝置.
電控單元是電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)的大腦,電控單元實(shí)時(shí)接收傳感器傳遞的信息并處理,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的行駛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,判斷駕駛員的行駛意圖,綜合分析后向電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)系統(tǒng)發(fā)送指令,及時(shí)調(diào)整行駛狀態(tài).電動(dòng)汽車(chē)的換擋控制機(jī)制由電控單元進(jìn)行操控,電控單元的主要硬件包括STM32微處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)輸入、輸出電路.
STM32微處理器是ARM Cortex-M3芯片作為內(nèi)核的處理器,具有低成本、處理速度快和低能耗等優(yōu)點(diǎn),尤其是對(duì)Thumb的指令執(zhí)行速度快.
傳感器用于實(shí)時(shí)采集電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中的速度、油耗等信息,將采集到的信息通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)傳遞至電控單元.在AMT的擋位處安裝有位置傳感器,用于采集電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中的擋位選擇或變化[8];在驅(qū)動(dòng)電機(jī)處和輸出軸處安裝速度傳感器,用于監(jiān)測(cè)行駛過(guò)程中的電機(jī)和輸出軸的轉(zhuǎn)速;在車(chē)輪軸處安裝速度和加速度傳感器,用于監(jiān)測(cè)汽車(chē)行駛過(guò)程中的速度和加速度.
換擋裝置用于實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)的換擋,主要包括選、換擋電機(jī)和選、換擋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu).當(dāng)需要進(jìn)行換擋時(shí),由電控單元發(fā)出指令,控制換擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)換擋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)擋位的變化.當(dāng)需要選擋時(shí),選擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以換擋軸為中心旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)擋位的選擇.
純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中,由AMT中的電控單元根據(jù)獲取的汽車(chē)實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)以及駕駛員意圖,分析后向相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出指令,從而對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行控制.換擋過(guò)程中,汽車(chē)的相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律既是換擋規(guī)律.換擋規(guī)律極大地影響汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,是AMT進(jìn)行換擋控制的核心和基礎(chǔ).
汽車(chē)在行駛過(guò)程中,會(huì)遇到各種突發(fā)的、復(fù)雜多變的工況,為了保證汽車(chē)在行駛過(guò)程中的性能,需要根據(jù)不同工況制定不同的換擋規(guī)律.在進(jìn)行換擋規(guī)律制定時(shí),將其分為兩大類(lèi),分別是常規(guī)換擋規(guī)律和特殊工況換擋規(guī)律.常規(guī)換擋規(guī)律是汽車(chē)在一般工況即平地行駛時(shí)的換擋規(guī)律,特殊工況換擋規(guī)律是汽車(chē)在爬坡、制動(dòng)以及其他特殊工況的換擋規(guī)律.
從控制參數(shù)的數(shù)量來(lái)說(shuō),電動(dòng)汽車(chē)在行駛時(shí)最常用的換擋規(guī)律是雙參數(shù)換擋規(guī)律,即以車(chē)速、加速時(shí)候的踏板開(kāi)度這兩個(gè)參數(shù)對(duì)行駛過(guò)程進(jìn)行控制.也有少部分研究選擇其中一個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制,或者在雙參數(shù)基礎(chǔ)上增加加速度進(jìn)行三參數(shù)控制,但是這兩種方式由于控制精度不高或者行駛時(shí)易出現(xiàn)循環(huán)換擋的狀況,因此應(yīng)用不多,仍然以雙參數(shù)換擋規(guī)律為主.
根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)在換擋時(shí)要求達(dá)到的性能劃分,可以分為經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性換擋規(guī)律,即以降低電池能耗或者以獲得最大動(dòng)力作為目標(biāo),對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行控制.本文采用雙參數(shù)方法分別對(duì)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性換擋規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì),采用PD控制器對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行控制.
(1)對(duì)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì).電動(dòng)汽車(chē)在行駛時(shí),會(huì)受到空氣對(duì)汽車(chē)的阻力、地面對(duì)汽車(chē)的摩擦力等[9],其行駛過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型為:式(1)中,Tq為驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩;ib,iz分別為變速器和減速器的總傳動(dòng)比;ηc為汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率;r為汽車(chē)輪胎半徑;G為汽車(chē)的重力;f為行駛路面對(duì)輪胎滾動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù);α為行駛路面與水平面夾角;Cf為風(fēng)對(duì)汽車(chē)的阻力系數(shù);v為汽車(chē)行駛的速度;m為汽車(chē)的總質(zhì)量;δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)行駛時(shí)的質(zhì)量換算系數(shù).電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在作業(yè)時(shí)的效率為:
驅(qū)動(dòng)電機(jī)在作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)矩為:
式(3)中,a為行駛過(guò)程中踏板的開(kāi)度.結(jié)合以上各式,可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)作業(yè)時(shí)的效率曲線關(guān)系為:
簡(jiǎn)化后可以得到:
(5)式即為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作業(yè)效率與踏板開(kāi)度、汽車(chē)行駛速度、擋位的關(guān)系.經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律是以降低電池能耗為目標(biāo),即電機(jī)的效率需要持續(xù)保持高效率,也就是當(dāng)踏板開(kāi)度一樣時(shí),取相鄰兩個(gè)擋位驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率曲線的交點(diǎn)作為換擋位置,可以表示為:
汽車(chē)在降擋時(shí),選擇適當(dāng)?shù)乃俣炔罴纯?,最終得到汽車(chē)的升擋和降擋曲線(圖1).
圖1 純電動(dòng)汽車(chē)在經(jīng)濟(jì)換擋規(guī)律下的升擋和降擋曲線
(2)對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性換擋規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì).通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換,可以得到汽車(chē)在行駛過(guò)程中的加速度為:
將驅(qū)動(dòng)電機(jī)作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)矩代入(6)式可得:
動(dòng)力性換擋規(guī)律是以獲得最大動(dòng)力為目標(biāo),即汽車(chē)在行駛時(shí)的加速過(guò)程的時(shí)間達(dá)到最小,也就是踏板開(kāi)度一樣時(shí),相鄰擋位的速度曲線的交點(diǎn)作為換擋位置,可通過(guò)(8)式表示:
(8)式中,i為汽車(chē)的擋位,取1~3.汽車(chē)行駛過(guò)程的降擋曲線通過(guò)合理選擇擋速差即可,由此可以得到汽車(chē)的升擋和降擋規(guī)律曲線(圖2).
圖2 純電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力性換擋規(guī)律下的升擋和降擋曲線
目前,最常用到的特殊工況包括爬坡和制動(dòng)過(guò)程,主要對(duì)這兩種工況進(jìn)行換擋規(guī)律設(shè)計(jì).在爬坡過(guò)程中,若仍然使用常規(guī)換擋規(guī)律,可能會(huì)造成循環(huán)換擋.為了平衡爬坡時(shí)的阻力,驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要始終維持高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)才能保持行駛速度.若此時(shí)擋位由低擋升入高擋,則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷以及電池組的電流均會(huì)進(jìn)一步增加,會(huì)破壞電動(dòng)汽車(chē)相應(yīng)部件的性能,降低電動(dòng)汽車(chē)的壽命.為了延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)各部件的使用壽命,在爬坡時(shí)擋位應(yīng)保持在低擋,以增加行駛時(shí)牽引力.
根據(jù)人們的生活狀況,目前汽車(chē)主要的行駛路況為城市,在行駛過(guò)程中需要不斷地啟停,會(huì)造成電能的浪費(fèi).為了提高能量的利用效率,可以采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)在汽車(chē)制動(dòng)時(shí),將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電池的電能并儲(chǔ)存;將擋位變?yōu)榈蛽酰杂行嵘苿?dòng)力.汽車(chē)在下坡時(shí),也可以采用同樣的方式進(jìn)行控制.
在汽車(chē)行駛過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和擋位的一致性嚴(yán)重影響了汽車(chē)的換擋效果,為了精確的使驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,采用PD控制器對(duì)換擋位置和速度進(jìn)行閉環(huán)控制.[10]控制流程見(jiàn)圖3.
圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的換擋控制流程圖
圖(3)中的e(t)為當(dāng)前擋位與目標(biāo)擋位的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的偏差,該偏差與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的當(dāng)前電壓U(t)的關(guān)系為:
PD控制器采用雙輸入,即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度這兩個(gè)參數(shù)作為輸入;雙輸出,即比例Kp和微分系數(shù)Kd這兩個(gè)參數(shù)作為控制器的輸出.通過(guò)不斷調(diào)整控制器的輸出值,直到偏差達(dá)到要求,則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和擋位達(dá)到目標(biāo)值.
為了驗(yàn)證該純電動(dòng)汽車(chē)的性能,對(duì)其進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).本文主要針對(duì)汽車(chē)的換擋控制進(jìn)行優(yōu)化,因此主要進(jìn)行參數(shù)調(diào)試試驗(yàn)和換擋過(guò)程試驗(yàn).
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,將系統(tǒng)的硬件和軟件按照設(shè)計(jì)要求安裝,為了保證系統(tǒng)在后續(xù)作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性,需要找出系統(tǒng)軟硬件的缺陷.
將系統(tǒng)的電源、控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、相關(guān)支架以及AMT等硬件連接在一起,并在控制器上將相關(guān)程序安裝完成.開(kāi)啟開(kāi)關(guān),使系統(tǒng)可以正常運(yùn)行.
試驗(yàn)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)閉,僅開(kāi)啟換擋裝置,分別將擋位從空擋、1擋、2擋和3擋換至其他的任何擋位;其后,驅(qū)動(dòng)電機(jī)和換擋裝置均開(kāi)啟,分別將擋位從空擋、1擋、2擋和3擋換至其他的任何擋位.觀察驅(qū)動(dòng)電機(jī)在關(guān)閉和開(kāi)啟后,驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速器的作業(yè)狀態(tài),確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以進(jìn)行正常作業(yè)時(shí)的相關(guān)參數(shù).
在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),無(wú)論驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)啟或關(guān)閉,設(shè)備換擋均較為順利,在換擋過(guò)程中無(wú)異響和沖擊等狀況發(fā)生.基本可以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù),如表1所示.
表1 試驗(yàn)確定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)
在Labview軟件環(huán)境設(shè)計(jì)相關(guān)程序,將換擋規(guī)律和PD控制器輸入,對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證.試驗(yàn)開(kāi)始后,在固定時(shí)間向AMT的電控單元發(fā)送是否需要換擋的信號(hào),若需要換擋,則電控單元向電機(jī)發(fā)送指令進(jìn)行換擋.為保證試驗(yàn)結(jié)果,共進(jìn)行2次換擋試驗(yàn).最終得到換擋過(guò)程的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.
表2 換擋過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果
由表(2)可知,AMT可以在電控單元的控制下實(shí)現(xiàn)換擋,在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)目標(biāo)擋位和最終的擋位有一定的時(shí)間差,但是時(shí)間差很短,幾乎可以忽略.說(shuō)明該AMT可以完成對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)換擋的控制.
(1)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),純電動(dòng)汽車(chē)的主要組成包括控制器、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感器和整車(chē)控制系統(tǒng).
(2)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的AMT傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),主要包括電控單元、傳感器和換擋裝置.
(3)為了保證汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性換擋規(guī)律進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)行駛過(guò)程中可能出現(xiàn)的特殊工況進(jìn)行了換擋規(guī)律設(shè)計(jì).考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的擋位和一致性對(duì)換擋過(guò)程的影響,采用PD控制器對(duì)換擋的速度和擋位進(jìn)行閉環(huán)控制.
(4)為了驗(yàn)證純電動(dòng)汽車(chē)的性能,采用參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù),采用換擋過(guò)程試驗(yàn)驗(yàn)證擋位一致性.試驗(yàn)結(jié)果表明,純電動(dòng)汽車(chē)可以精確地對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行控制.