梁 琼，任丽娜，赵海艳，高炳钊，陈 虹，

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025;2.吉林大学控制科学与工程系，长春 130025)

前言

纯电动汽车作为新能源汽车的代表是汽车产业实现节能与环保的重要突破口。关于电动汽车的研究日益增多，例如电动汽车驱动电机的控制［1－2］，传动系统的设计与控制［3－4］等。

经过多年的发展，已经研制出了许多高功率、高转速和高效率的电机。无刷永磁同步电机速度范围广、启动迅速、转矩波动小;应用永磁体，消除了励磁损失;并且在同步工作阶段没有能量损耗和铁损。因此，无刷永磁同步电机在纯电动汽车上的应用比较广泛［5］。

目前，纯电动汽车通常采用单电机和固定传动比的减速装置，对电池和电机的性能要求较高。如果增加一个2挡变速器可提高纯电动轿车的低速爬坡能力和高速运行时的效率，从而降低对电池和电机的要求。研究表明，采用2挡变速器可显著提高纯电动轿车的动力性和经济性［6］。

对于AMT已经提出了很多换挡方法，例如Map图、模糊控制［7］、非线性估计［8］和优化控制［9］等。AMT换挡控制希望同时满足以下要求:(1)离合器锁止时间最短;(2)滑摩损失最小;(3)换挡过程的冲击度最小;(4)确保汽车平顺运行。

传统AMT在换挡过程中驱动转矩出现中断，而且变速器的输出转矩有较大的动态波动，为此本文中采用离合器后置的2挡AMT，通过驱动电机转矩-转速的快速控制和离合器的滑摩控制能确保变速器的输出转矩在换挡过程中保持平顺变化。

1 动力传动系统结构图

纯电动汽车的动力传动系统结构图如图1所示。对于装有AMT的传统汽车，离合器位于变速器和发动机之间。而在本结构中变速器位于离合器和驱动电机之间，因此，称之为倒置式机械自动变速器(I-AMT)［10］。

换挡过程分为转矩相和惯性相。在升挡过程的转矩相，离合器逐渐接合，驱动电机的输出转矩逐渐从同步器传递到离合器。当同步器传递的转矩为零时，摘下同步器。而后进入惯性相，离合器接合程度保持不变，同时降低电机的转速以完成离合器主从动盘转速的同步，然后离合器完全锁止，完成升挡过程。降挡过程与升挡过程相反，首先是惯性相，然后进入转矩相。在惯性相离合器逐渐分离，同时升高电机的转速与1挡主动齿轮转速一致，此时同步器实现同步，挂入1挡。然后进入转矩相，驱动电机的输出转矩逐渐从离合器传递到同步器直到离合器完全分离。在换挡过程中，协调控制离合器、同步器和驱动电机是实现平顺换挡并保持变速器的输出转矩平顺变化的关键。

2 控制策略

为了在换挡过程中保持变速器的输出转矩平顺变化，须精确控制驱动电机的转矩和离合器的滑摩。控制策略包括在转矩相应用线性前馈控制器控制驱动电机和离合器，而在惯性相应用PID控制器控制驱动电机使离合器主从动盘的角速度差跟随期望的曲线。

根据转矩相和惯性相时传动系的动力平衡方程和保持变速器的输出转矩平顺变化，以及无动力中断的需求，推导出转矩相和惯性相时变速器输出转矩的公式，从而确定了转矩相和惯性相的控制策略［11］。

考虑到驾驶舒适性，离合器的锁止往往会引起变速器的输出转矩突变。为防止在离合器接合时变速器输出转矩突变，在离合器主从动盘同步的时刻，离合器主从动盘的旋转速度不仅要相等，而且其旋转加速度也应该保持相等。因此期望的离合器主从动盘角速度差时间历程曲线应满足以下要求［8］:(1)t2－t1不超过要求的换挡时间;(2)在t1、t2时刻的变化率为零，如图2所示。

降挡过程恰好与升挡过程相反。ωref(t2)=Δω0，ωref(t1)=0，降挡过程的期望曲线为

为了使离合器主从动盘的角速度差严格跟随期望曲线，应用PID控制器对驱动电机进行转矩控制，从而完成离合器的平顺接合。在仿真条件下，可得驱动电机的转矩命令为

式中:ε(t)为离合器主从动盘角速度差与期望曲线的差值，kP、kI、kD分别为 PID 的比例、积分和微分系数。

降挡过程从惯性相开始，须提高驱动电机的转速，使之与1挡主动齿轮的转速一致，从而完成同步器的同步。然后进入转矩相，离合器逐渐分离并逐渐减小驱动电机的输出转矩到目标值，直到离合器完全分离。降挡过程的控制方法与升挡过程类似。

3 动力传动系统仿真模型

在AMESim仿真平台上搭建了完整的动力传动系统仿真模型，如图3所示，并进行了换挡控制方法的实验验证。

该仿真模型的车辆阻力包括坡度阻力、空气阻力和滚动阻力3部分。坡度阻力Fcl为

式中:M为整车质量;g为重力加速度;α为路面坡度。空气阻力Faero为

式中:ρ为空气密度;CD为空气阻力系数;A为迎风面积;v为车速;vw为风速。滚动阻力Froll为

式中:f为基本滚动阻力系数;k为车速修正系数。

仿真模型的各项参数如表1所示。

表1 仿真模型参数

4 仿真结果

4.1 升挡过程

在平坦路面上进行了50%加速踏板行程下动力升挡过程仿真实验，结果如图4所示。由图可见，在转矩相(10～10.4s)由于离合器逐渐接合，离合器传递的转矩线性增长，同步器传递的转矩逐渐减小，同时增大电机的输出转矩。当同步器传递的转矩减小为零时，摘下同步器，转矩相结束惯性相开始。在惯性相(10.4～10.8s)离合器传递的转矩保持不变，通过PID调节电机的转速逐渐与2挡主动齿轮同步即离合器主从动盘的角速度差逐渐减小直至达到足够小的允许范围，此时完全接合离合器，完成了从1挡换至2挡的过程。在惯性相离合器主从动盘角速度差严格跟随期望曲线，离合器锁止时没有大的振动。变速器的输出转矩平顺减小，没有大的动态波动。

4.2 降挡过程

在一定坡度的路面上进行了50%加速踏板行程下的动力降挡过程仿真实验。由于车辆上坡行驶，驱动阻力增加，须降挡来增加驱动转矩，以完成车辆的爬坡行驶。仿真结果如图5所示。由图可见，首先离合器释放到一定程度(32～32.2s)，这一阶段为换挡的准备阶段，离合器传递的转矩保持不变;然后进入惯性相(32.2～32.6s)，应用PID控制器提高电机的转速，使之与1挡主动齿轮的转速一致，此时同步器同步挂入1挡，惯性相结束转矩相开始。在转矩相(32.6～33s)逐渐释放离合器直至完全分离，同时逐渐减小电机的输出转矩到目标值。从仿真结果可以看出，变速器的输出转矩平顺增加，没有大的动态波动。

5 结论

针对装有两挡AMT的纯电动汽车制定了无动力波动的换挡控制策略，在转矩相对电机和离合器进行线性前馈控制，在惯性相应用PID控制器控制驱动电机，使离合器的角速度差跟随期望的曲线，从而使变速器的输出转矩在换挡过程中平顺变化，没有大的动态振动。

在动力传动系统的AMESim仿真模型上对换挡控制方法进行了仿真实验。结果表明:变速器的输出转矩在换挡过程中平顺变化;在惯性相离合器角速度差的跟随误差很小，可以完成离合器的平顺接合。这种换挡控制方法能有效提高纯电动汽车的动力性和驾驶舒适性。

［1］ Zhang C L，Zhang J J，Liu H B．Velocity-current Double Closedloop Control Model and Simulation of BLDCM in Pure Electric Vehicle Applications［J］．Intelligent System and Applied Material，2012，466 －467:881 －885．

［2］ 方力，张建华．电动车用无刷直流电机模糊自整定控制器设计［J］．微电机，2012，45(3):51 －56．

［3］ Sorniotti A，Pilone G L，Viotto F，et al．A Novel Seamless 2-Speed Transmission System for Electric Vehicles:Principles and Simulation Results［J］．SAE International Journal of Engines，2011，4(2):2671 －2685．

［4］ He H W，Liu Z T，Zhu L M．Dynamic Coordinated Shifting Control of Automated Mechanical Transmissions Without a Clutch in a Plug-In Hybrid Electric Vehicle［J］．Energines，2012，5(8):3094－3109．

［5］ 王伟．车用永磁同步电机的参数匹配、协调控制与性能评价研究［D］．长春:吉林大学汽车工程学院，2010．

［6］ Sorniotti A，Boscolo M，Turner A，et al．Optimisation of a 2-Speed Gearbox of an Electric Axle［C］．Proceedings of AVEC 2010，2010．

［7］ Chen R，Sun D Y．Fuzzy Neural Network Control of AMT Clutch in Starting Phase［J］．International Symposium on Intelligent Information Technology Application，2008，2:712 －715．

［8］ Gao B Z，Chen H，Hu Y F，et al．Nonlinear Feedforward-Feedback Control of Clutch-to-Clutch Shift Technique［J］．Vehicle System Dynamics，2011，49(12):1895 －1911．

［9］ Zhou Z L，Xing M X，Xu L Y．Simulation Analysis of Tractor AMT Shifting Process Based on Fuzzy Optimization of Downshifting［J］．Automation Equipment and System，2012，468 －471:970 －975．

［10］ Liang Q，Gao B Z，Chen H．Gear Shifting Control for Pure Electric Vehicle with Inverse-AMT［J］．Applied Mechanics and Materials，2012，190 －191:1286 －1289．

［11］ 叶金虎．现代无刷直流永磁电动机［M］．北京:科学出版社，2007．