叶 明，谢佳佳，叶 心

(重庆理工大学,汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

前言

电动汽车以其超低的排放和可再生电能成为理想的新能源汽车。国家在电动汽车的研发方面给予了大量的投入和支持，特别是2012年4月，国务院通过了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，明确提出电动驱动为汽车工业转型的主要战略取向，表明了国内未来汽车的发展方向。

由于成本和使用特性等原因，搭载到电动汽车的变速器大多为减速器或少挡变速器[1-3]，在复杂的车辆运行工况中，难以全面满足转速、转矩和效率的要求。无级变速器(continuously variable transmission, CVT)的连续调速功能，具有很好的系统工作区域调节能力。但在电动汽车中，持续保证传统电液控制CVT的系统油压比较困难，使CVT在电动汽车中的应用受到约束。机电控制CVT(electric-mechanical continuously variable transmission, EMCVT)采用电机驱动调速，完全脱离了对液压系统的依赖，对其制造水平的要求也大大降低。与传统电液控制CVT相比，EMCVT的成本下降30%以上，整机传动效率提高10%。EMCVT不需要液压油源，将其搭载到车辆上，传动系统结构和控制都大大简化，特别适合于具有纯电动工况的新能源车辆。因此，EMCVT是一种电动车理想的无级变速器。

文献[4]中对装备不同传动系统(减速器、有级变速器和CVT)的纯电动汽车进行了能耗对比分析，结果表明，装备CVT的能耗比装备减速器的能耗降低5%～12%，但没有给出CVT与电动汽车的匹配控制方法。文献[5]中发明了一种用于纯电动工况下使用的CVT速比调节系统，该系统将CVT的液压油泵替换为电动油泵，但仍然采用电液控制。文献[6]中研究了传统电液控制CVT与电动汽车的匹配调速策略。另外，国内外还对装备CVT的混合动力汽车的匹配做了大量研究，但关于搭载CVT的电动汽车再生制动能量回收的研究还比较少。EMCVT是一项全新技术，国内外尚未开展搭载EMCVT电动汽车的再生制动研究。

本文中将以搭载EMCVT的电动汽车为对象，综合考虑电机、电池、EMCVT和整车特性，对再生制动调速策略进行研究，为研制装备EMCVT的电动汽车提供相关理论和试验依据。

1 系统结构

EMCVT结构如图1所示。它由调速机构、夹紧机构和金属带传动装置构成。调速机构采用直流电机提供动力，通过齿轮减速机构降低转速，增加转矩；通过丝杆螺母机构，将旋转运动转换为直线运动。夹紧机构采用碟簧，通过其弹性变形实现对带轮的夹紧。金属带传动装置和传统的电液控制CVT相同，由钢带和金属块组成，通过夹紧带轮，传递动力。通过控制调速电机，调节CVT主动带轮的夹紧力，改变主动带轮动盘的轴向位移，从而实现CVT速比的调节。

由于没有液压系统，EMCVT的控制性能不受液压油温度、压力以及电磁阀响应速度的影响，而主要取决于电机的响应速度和控制精度。由于采用脉宽调制(pulse width modulation, PWM)控制的直流电机具有良好的控制性能，同时丝杆螺母机构具有自锁功能，因此EMCVT具有令人满意的速比响应速度和控制精度。全速比响应时间可控制在3.6s以内，调速误差可控制在4%以内。由于EMCVT采用碟簧夹紧，无须等待液压系统建立压力，可以瞬间进入调速状态。

对于搭载EMCVT的电动汽车，驱动电机与EMCVT输入轴刚性连接，动力通过EMCVT传递到差速器，驱动车轮旋转。

2 系统建模

2.1 电机电池联合工作建模

交流异步电机可靠性好、技术成熟、性能稳定，是电动汽车驱动电机较好的选择之一。图2为本研究采用的20kW交流异步电机效率特性图。通过效率特性图，采用插值的方式，可得电机转矩Tm与电机发电功率Pmg和电机转速nm的关系：

Tm=Pmg/(ηmnm)

(1)

式中ηm为电机效率。

车辆制动过程中，在不考虑导线损失的情况下，电机的发电功率等于电池的充电功率。电池的充电功率随电池荷电状态(state of charge, SOC)改变而变化。因此，要得到车辆在制动过程中的能量回收特性，必须了解电池充电功率与荷电状态的关系。

本文中以336V、60A·h磷酸铁锂电池为对象进行研究，其充电特性如图3所示。根据电池放电功率与电动势、电流关系的推导[7-8]，可以类似得到电池充电功率与电动势、电流和电阻的关系：

Pbc=(Es+IbcRs)Ibc

(2)

式中：Pbc为电池充电功率，W；Ibc为电池充电电流，A；Es为随SOC变化的电池电动势，V；Rs为随SOC变化的电池内阻，Ω。

可以看出，电池的充电功率随SOC变化而改变。同时电池的充电电流不能大于电池最大开路电压所对应的充电电流：

Ibc≤(Ubmax-Es)/Rs

(3)

式中Ubmax为电池最大开路电压，V。

由式(2)和式(3)，并考虑电池充电特性，可得电池最大充电功率Pbcmax与SOC的关系，如图4所示。

而电池的充电功率限制着电机的发电功率。由电机效率图，可以得到不同SOC下，电机电池联合工作所能提供的制动转矩Tbg。考虑速比和传动效率，可以获得整车的再生制动力Fbg。

Fbg=Tbgici0ηt/(rwδic)

(4)

式中：Fbg为当EMCVT速比为ic时，系统再生制动力，N；Tbg为电机电池联合工作的制动转矩，N·m；ic为EMCVT速比；i0为主减速比；rw为车轮半径，m；δic为EMCVT速比为ic时汽车旋转质量换算系数；ηt为传动系统机械效率。

2.2 EMCVT模型

在制动过程中，要尽量使系统工作在效率最高的区域，才能最大程度地回收制动能量。而EMCVT作为传动系统中的重要总成，其效率对整个系统有较大影响。因此，须建立EMCVT在电动车制动工况下的效率模型。根据EMCVT效率试验，可得在不同输入转矩条件下，EMCVT效率随速比和输入转速变化的关系，从而建立其效率模型，如图5所示。

在制动过程中，EMCVT应快速精确地响应目标速比，使系统工作在最佳效率区域。因此，须建立EMCVT的调速模型，研究速比控制策略。由图1可知，EMCVT调速模型主要由两部分组成：调速电机模型和速比变化模型。调速电机采用永磁直流电机，通过PWM信号进行控制。直流电机的建模与控制是一项比较成熟的技术，不再详述。CVT速比变化模型由夹紧机构模型和速比变化率模型构成。夹紧机构主要部件为碟簧，其非线性的弹性特性如图6所示。

根据系统传递的最大转矩以及主从动带轮夹紧力比关系，可计算得到EMCVT主从动带轮的目标夹紧力。根据目标夹紧力，选取碟簧弹性特性的线性部分(图6中OB段)作为从动带轮碟簧工作区域。选取碟簧弹性特性的非线性部分(图6中BC段)作为主动带轮碟簧工作区域。最终得到主从动带轮实际夹紧力Fc和碟簧弹力Fd，如图7所示。

从图中可以看出，从动带轮的夹紧力和碟簧弹力大小一样，主动带轮夹紧力和碟簧弹力随速比变化存在差异。速比稳定时，主动带轮夹紧力和碟簧弹力的差由丝杆螺母机构补偿；调速时，调速电机克服主动带轮夹紧力和碟簧弹力的差，改变主从动带轮夹紧力比，从而实现调速。由带轮实际夹紧力，可最终获得EMCVT转矩传递能力随速比变化的关系，如图8所示。速比变化率模型与普通电液控制CVT模型一致。EMCVT的速比变化机理和控制参阅文献[9]～文献[11]。

3 再生制动速比控制策略

3.1 制动力控制策略

由前面所分析的电机电池联合工作制动力特性，同时考虑制动的安全性，可制定出电动汽车再生制动时的制动力控制策略如下：

(1) 整车需求制动力Fbr小于行驶阻力Fw时，电机不参与制动工作，便能满足整车制动需求；

(2) 当Fbr大于Fw而小于Fbg与Fw之和时，电机参与制动工作，提供部分制动力；

(3) 当Fbr大于Fbg与Fw之和时，再生制动不能完全满足整车制动需要，剩余制动力由摩擦制动力提供；

(4) 当制动力需求很大(制动强度大于0.7)时，考虑车辆制动的安全性，再生制动不参与工作，制动力全部由摩擦制动提供。

3.2 调速规律

通过前面的分析，当车速、整车需求制动力、电池SOC和EMCVT速比已知时，可以确定再生制动力。从而计算出再生制动时电池充电功率。在车速、整车需求制动力、电池SOC确定的情况下，EMCVT速比的变化将改变EMCVT和电机的工作点，导致系统效率发生变化，从而影响到电池充电功率[12]。装备EMCVT的电动汽车，在制动过程中，可以通过调节速比，最大限度地回收车辆动能。

在不同车速和制动力条件下，找到回收制动能量最大时所对应的EMCVT速比，从而得到再生制动时EMCVT最佳调速曲面。考虑SOC对电池充电功率的影响，最终获取EMCVT速比ic与车速vc、需求制动力Fbr以及SOC的关系，如图9所示。

由图可见，当需求制动力很小时，EMCVT速比较小，这是由于电机在小转矩工作时效率很低。为了提高电机效率，采用较小的目标速比，提高电机制动转矩；随着需求制动转矩的增加，在低车速区，EMCVT速比较大，这是由于电机在低转速时的效率较低。采用较大的速比，可提高电机的工作转速；随着车速和转矩进一步增大，电池充电功率受SOC影响，使得EMCVT的速比在不同SOC时，出现差异。当SOC较小时，充电功率不受电池限制，目标速比主要系统效率确定；当SOC较大时，充电功率受电池限制，即使系统工作在最佳效率区，也不能回收更多的能量。

4 仿真分析

采用查表和微分方程相结合的方法，搭建基于MATLAB/Simulink的EMCVT电动汽车再生制动性能仿真模型。主要仿真参数见表1。

表1 仿真参数

图10为两挡调速再生制动仿真结果。需求制动力2kN，制动初始车速为80km/h，终止车速为10km/h。整个过程耗时9.6s。在此过程中，EMCVT速比从0.8阶跃上升至2.0(图10(b))，以保证电机处于正常工作转速范围内。由于变速器只有两个速比，电机工作转速不稳定(图10(c))，电池充电电流下降较快(图10(e))，不能保证系统始终工作在高效区域内。整个过程回收能量167.38kJ，能量回收率为45%。

图11为连续调速策略再生制动仿真结果。初始条件与图10相同，此时EMCVT速比根据控制策略从0.8上升至2.0(图11(b))。由于是连续调速，电机在相当长的范围内，转速维持在3 300r/min左右(图11(c))，电池充电电流下降较慢(图11(e))，使系统具有较高的效率，以最大限度回收能量。整个过程回收能量190.80kJ，能量回收率为53%。与两挡调速策略相比，能量回收率增加16.9%。

5 试验分析

在仿真模型的基础上，利用D2P快速原型系统，开发了测试和控制软件，实现对电动汽车动力传动系统的控制，并验证了再生制动控制策略的有效性。搭载EMCVT的电动汽车试验台架原理如图12所示。各部件名称及参数见表2(序号同图12)。

编号名称型号及参数1驱动电机20kW2转速转矩传感器转速0～6000r/min，最大转矩500N·m3EMCVT输入转矩250N·m4快速控制原型D2P5转速转矩传感器转速0～3000r/min，最大转矩3000N·m6惯性飞轮组345kg·m27加载电机额定转速1480r/min，额定转矩581N·m8动力电池20kW·h，336V9电池能量管理系统(BCM)与电池配套10驱动电机控制器与电机配套11CVT驱动电路12V与CVT配套12加载电机控制器与加载电机配套13工业控制计算机CPU：i3，内存：2GB14笔记本电脑CPU：i3，内存：2GB

试验系统由驱动电机、EMCVT、加载装置和数据采集与控制系统组成。驱动电机为交流异步电机，由动力电池组提供电能；EMCVT自主设计开发；加载装置为电机；数据采集与控制系统由传感器和多个控制器组成。驱动电机控制器将电机转速、转矩、电压和电流等信号通过CAN总线传送给快速控制原型，电池能量管理系统将动力电池组的电压、电流、SOC和温度等信号通过CAN总线传送给快速控制原型。快速控制原型还采集EMCVT带轮位置，输入/输出轴转速等信号，根据控制策略计算EMCVT目标速比、电机目标转矩等参数，并通过CAN总线将电机控制信号发送给驱动电机控制器，同时发出PWM信号，控制CVT调速电机，实现CVT速比控制。快速控制原型的所有参数通过笔记本电脑监视和标定。工控机采集转速、转矩信号，并根据要求将控制信号发送给加载电机控制器，控制加载电机转矩，实现载荷调节。

图13为两挡调速策略再生制动试验结果。再生制动需求制动力为1kN，初速度为60km/h。由图可见，随着车速的下降，EMCVT速比由0.8跃变至2.0，电机转速随之发生较大的波动。电机转矩也随速比变化出现跃变，总制动力维持在1kN左右。当电机转速下降至1 000r/min，停止再生制动。60～10km/h制动共耗时13.4s，回收能量80.5kJ，能量回收率为39%。

图14为连续调速再生制动试验结果。初始条件与图13相同。从图中可以看出，EMCVT速比实时调节，使电机转速维持在较高水平。当车速进一步下降，EMCVT速比达到最大值，无法再调节电机转速，电机转速随着车速的减小迅速下降，当电机转速下降至1 000r/min，停止再生制动。电机制动转矩随EMCVT速比变化，使总制动力维持在1kN左右。60～10km/h制动共耗时13.5s，回收能量90kJ，能量回收率为44%。再生制动能量回收变化趋势与仿真结果基本吻合。

6 结论

(1) 由于工况范围和效率等原因，电动汽车应当安装变速器。EMCVT取消了液压系统，并具有连续调速功能，是一种较理想的电动汽车变速系统。

(2) 搭载EMCVT的电动汽车再生制动性能与电机、电池和EMCVT调速规律密切相关。在车辆制动过程中，可通过调节EMCVT速比提高车辆制动能量的回收。

(3) 综合考虑电机效率、电池SOC、EMCVT效率和整车性能，制定了电动汽车再生制动过程的制动力控制策略和EMCVT调速策略。仿真结果表明，所提出的连续调速策略与传统的两挡调速策略相比，前者能更有效地回收制动能量。试验结果验证了仿真分析的有效性。

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