摘要：结合车辆重量、路面倾斜等因素，提出一种改进EV换挡规则的新思路，以改善EV动力性能及经济性。采用理论推导、仿真分析与实验等手段，开展基于车身重量与路面斜率识别的车辆动态斜率识别精度与实用化研究。试验结果表明，所研制的自动变速器的控制策略是正确的，而且使用了机械式变速器，使电动车的换档质量良好，为国内新能源汽车的研发提供先进、高效和高稳定性的动力传动系统，促进新能源汽车的迅速发展。

关键词：电动汽车；行驶环境；整车质量；道路坡度

中图分类号：U471  收稿日期：2023-05-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.028

1 电动汽车动力传动系统

本文所涉及的电动汽车驱动系统由电池组、驱动电机和控制器、AMT变速箱、驱动轴和驱动桥组成。从动力电池开始，电池中的动力通过驱动电机转化为机械能，然后通过AMT变速器、驱动轴传递到驱动桥，最后通过驱动桥传递到驱动轮，从而推动汽车前进。控制部件主要有整车控制器、电机控制器、AMT控制器、电池管理系统等。各控制器之间并非相互隔离，而是采用 CAN总线来实现信息的交互，这种双向传递的架构确保了车辆的安全运行［1-2］。

2 电动汽车整车质量及坡度识别方法

2.1 基于动力学的坡度识别

利用纵向动力学方程（1）进行道路坡度的辨识。式中道路坡度为未知的估计量，其他参数值均为已知量。

[Fx=mvx+12ρCDAv2x+mgsinθ+fcosθ]         （1）

式中，[Fx]为纵向驱动力；[m]为车辆的质量；[ρ]为空气密度；[CD]为风阻系数，A为迎风面积；[vx]为车辆的纵向速度；g为重力加速度；[θ]为路面坡度；[f]为路面滚阻系数。

令[y=Fx，u=mvx+12ρCDAv2x，b=mgsinθ+fcosθ]，则式（1）可以转化为：

[y=u+b]                                （2）

式中，y是汽车驱动的驱动功率，由VCU输出数据得到。u是汽车重量与速度之间的关系，是一个已经知道的数量。其中，b是车辆重量与斜率之间的关系，通过计算得到斜率与斜率之间的关系式。

用最小二乘法可以得到b的数值。在现实生活中，由于道路的斜率是在持续地改变的，因此这个数值也在改变，这一次的研究是在这个方法的基础上，加入了一个忽略系数，以便得到b的数值。也就是当[Vbk，k]为最小值且呈线性关系时，[bk]值被选中。

函数[Vbk，k]为：

[Vbk，k=12i=1kλk?iyi?ui?bk]         （3）

式中，[λ]为遗忘因子。

[λ]越大，精度越高，收敛速度越慢。综合考虑精度和收敛速度，选择合理的[λ]。

为取得极小值，[bk]满足：

[bk=i=1kλk?i?1i=1kλk?iyi?ui]         （4）

为保证估计结果的实时性和准确性，采用带[λ]的 RLS估计方法。

参数[bk]为：

[bk=bk?1+Lkyk?uk]            （5）

最小二乘增益为：

[Lk=Pk?1/λ+Pk?1]                （6）

误差协方差为：

[Pk=1?Lk?kPk?1]                （7）

基于動力学方法的路面坡度估计值[θd]为：

[θd=sin?1b?fm2g21+f2?b21+f2mg]                 （8）

2.2 基于运动学的道路坡度辨识

汽车运行状态的测试采用了一种新型的汽车加速传感器，其测量值[ax]受汽车加速方向、路面斜率等因素的影响。它们的关系符合：

[ax=vx+gsinθ]                             （9）

基于运动学方法的坡度估计值满足：

[θk=sin?1ax?vxg]                       （10）

2.3 基于动力学和运动学方法融合的坡度辨识

为了克服汽车模型中的高频噪音干扰，并改善路面动态评估的准确性，利用低频滤波器将[θd]中的高频成分剔除掉。针对静止误差对ax影响很大的问题，提出了一种新的高通滤波器来去除k中的低频分量，以达到改善测量结果的目的［3-6］。

它的坡度估算值满足：

[θ=1τs+1θd+τsτs+1θk]                        （11）

式中，[τ]为时间常数。

此方法有效兼顾路面坡度稳态和瞬态两种条件，保证了坡度估计结果的准确性。

3 电动汽车换挡规律

3.1 电动汽车动力性与经济性换挡规律

3.1.1 电动汽车动力性换挡规律

最佳动力性换挡法则是指以车辆运行时的动态特性为优化指标，以最大限度地挖掘发动机的功率潜能和增加车辆的平均车速为基本准则而确定的一种换挡法则。在这种情况下，一般以传动装置处于邻近挡位时的车辆驱动力曲线的交叉点或加速曲线的交叉点为换挡点。本文研究的电动汽车使用加速度曲线的交点作为AMT的换挡点。为了确定电动汽车的最佳动态换挡规律，需要找出变速箱各档位在不同车速下、不同油门踏板开度下的加速度，两挡位与车辆加速度曲线的交点是最佳动态换档点。通过试验得知当加速器踏板打开50%时，变速器第一挡和第二挡之间的车辆加速度曲线的交点，这是第一挡到第二挡的最佳动力换挡点。在此基础上，根据油门开启程度、车辆摩擦系数等参数，得出了一组不同的挡位选择值，也就是最优的挡位选择值。

3.1.2 电动汽车经济性换挡规律

在电动汽车中，动力电池是一种能量储存设备，在驱动电机的作用下，由动力电池所提供的电能变成了机械能，从而推动汽车进行正常运转。因此，驱动电机的运转效率，在提高汽车的续航里程和动力传动系统效率方面，都有着非常重要的意义。在此基础上，提出了以传动马达的效能为最优的换挡法则，并以其为最优的目的。利用图解方法，找出了车辆在不同工况下，最优的节能率。要想决定一辆电动汽车的最优经济换挡规则，就必须找出每一个挡位在每一辆车的速度下，在每一个挡位上，都有相应的传动马达的效能，而两个档位上的传动马达效能曲线的交叉点，就是汽车的最佳经济换挡点。通过试验可以看出，第一挡至第二挡的最优切换点（以最大的经济性）是在油门踏板的打开程度是50%时的这两个挡位电动机的效率的交叉点。在此基础上，对汽车节油挡位进行了优化，得出了汽车节油挡位的最佳节油挡位曲线。在图1中给出了电动车的最优能效换挡规律。

3.2 整车质量对换挡规律的修正

在保证汽车在正常运行时，在保证整车质量不发生变化的情况下，提出了基于动力、经济性的换挡法则。在低负荷情况下，若将高挡位设定在高挡位，将会使车辆的动力损失增大，从而使车辆的续航能力下降。在重载条件下，若将挡位设定得过低，就会出现挡位周期，从而严重影响整车的动力性能和乘坐舒适性。为此，在对汽车重量进行了评价之后，由于汽车重量、路面倾斜等因素的影响，必须对原来的换挡规则进行修改，因此该汽车的动力性能及经济性能得到了有效改善。

3.3 道路坡度对换挡规律的修正

3.3.1 上坡时的换挡规律

当车辆在上坡时，由于有坡道的阻尼作用下，车辆的加速系数会比平缓道路的加速系数小。在此情况下，若仍采用平路上车辆的换挡规则，则将出现车辆功率比公路斜坡小，车辆速度下降的现象。当车辆速度下降到下降的变化曲线下面时，车辆开始打滑。这个时候必须换挡，这个时候速度就会随着牵引力的增大而增大。当车辆速度大于车辆上升线时，车辆就会重新上升，这就是周期移动的现象。这不仅会给乘客带来不便，而且还会消耗车辆的能量，降低车辆的使用寿命。

为此，本文将车辆在上坡时的阻力改变做为一项设计要素，以此为基础做此项设计，可有效地改善车辆在上坡时所产生的周而复始的移动，让车辆在坡道上仍能保持较好的驾驶状态及优良的驾驶感受。图2所示为车辆从第一挡切换到第二挡时，沿任何斜率的变速曲线。由图2可以看出，与平路上的变速曲线相比较，在某一斜坡时，变速曲线上的变速滞后相对较大。此外，当车辆行驶在较高的斜坡时，换挡滞后也会增大。

3.3.2 下坡時的换挡规律

当车辆在山坡路上运行时，由于车辆在山坡路上受到的摩擦力比车辆在山坡路上所受的摩擦力要小，所以车辆的车速就会增大。这时也要借助平缓路面上车辆的变速曲线，使车辆的挡位逐步上升。在车辆行驶过程中，由于行车安全的需要，司机往往通过刹车来操纵车辆的速度。如果车辆在较长的下坡路上持续地踩下刹车，则有可能导致刹车受热，导致刹车失效。因此，在下坡的时候，内燃机汽车需要降低挡位，这样就可以在下坡的时候，通过发动机制动来达到对速度的控制，但是对于纯电动车来说，不可以这样做。

该系统采用了一种新型的全电动汽车，在遇到大角度的陡坡时，需要在刹车时对车辆进行能量补偿。电动汽车的负荷是一个电池，用于给电池充电，在电池的充电效率与传动挡位有直接的联系。较高挡位的换挡，会使电池更有效地充满电，从而可以获得更多的能源。但是，如果挡位太高，则对车辆的安全运行不利。因此，在进行下一步的电动自行车的换挡规则的研究时，不仅要将能源回收的效率考虑进去，还要将车辆的运行安全也纳入其中，它的变速规则与平路的变速规则相同［7-8］。

4 仿真实验验证

4.1 仿真结果分析

a.动力性能仿真分析。在对电动汽车动态性能的仿真分析中，假设电动汽车的运行状态为全程加速，节气门全开，比较了考虑动态性能的换挡规律和综合换挡规律。0～80 km/h的加速时间为7.5 s，在相同条件下动态换挡的加速时间是7.2 s，加速时间减少了0.3 s。

b.经济性能仿真分析。以汽车在城市道路循环工况（UDDC）下的运行能耗为比较，将其进行了经济性能模拟。从仿真结果可以看到，节流式变速规则下，能耗略有下降，而在节流式变速中，要同时考虑节流与动力性，能耗提高7%。图3所示为经济性能仿真曲线。

4.2 试验结果验证

4.2.1 基于道路坡度修正的换挡规律试验

在测试过程中，车辆保持静止，然后逐渐加速。测试车辆的总质量初步设定为3 200 kg。当加速1 s时，速度达到16.8 km/h。尽管在空载条件下已经达到了从1挡换到2挡的点，但变速器没有换挡。同样，在二挡和三挡之间，由于汽车的负载变化，在相对无负载的情况下，会有换挡滞后。随着车辆总重的增加，换挡时间也随之延长，根据车辆总重的变化来调整换挡时间，这将确保车辆的动力输出，从而达到最佳挡位。

4.2.2 基于道路坡度修正的换挡规律试验

为了避免车辆上坡时频繁更换1挡和2挡的问题，在测试中根据识别的坡度来校正换挡点。在平坦的道路上，1挡和2挡的换挡点为C0。然而，当车辆上坡时，如果此时处于二挡，则可能由于输出扭矩不足而再次降到一挡，从而影响车辆的乘坐舒适性和动力。将其延迟到根据斜率值调整的换挡点C1，可以有效防止重复换挡的发生，不仅可以提高车辆运行的动力性能，还可以提高变速器的使用寿命［9-10］。基于道路坡度修正的换挡策略实车试验结果，如图4所示。

5 结语

将电机和机械传动组合应用于电动车，可以减少对电机和电池的消耗。最后，综合考虑整车自重和路面坡度等影响，给出电动汽车变速规律的优化方案，从而提高电动汽车的动态特性和经济性。本文在电动车动力传动系统的基础上，研究换挡特性，利用模拟试验，研究基于整车质量和坡度调整的换挡方法，实现动力经济性和经济性的换挡。

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作者简介：

史婧，女，1987年生，工程师，研究方向为汽车检测与维修、汽车服务工程。