SAE-C2009C102电动汽车动力传动一体化控制对其加速性能的影响

朱成　林程

北京理工大学　机械与车辆工程学院

　　【摘要】　在电动汽车上应用基于电动机和机械式自动变速器(AMT )的动力传动一体化控制系统,是电动汽车发展的一个崭新课题㊂本文首先介绍了一种应用于电动汽车的动力传动一体化控制原理,然后重点讨论了一体化控制对电动车辆加速性能的影响㊂实车试验结果表明:与普通的自动变速系统和手动换档比较,电动汽车应用动力传动一体化控制系统提高了车辆的加速性能㊂

　　【关键词】　电动汽车　动力传动一体化控制　加速性能

Study on the Improvement of the Electric Vehicle’s Acceleration Performance

in Through the Adoption of Integrated Powertrain Control

Zhu Cheng ,Lin Cheng

School of Mechanical and Vehicle Engineering ,Beijing Institute of Technology

　　Abstract :The integrated powertrain control system based on motor and automatic mechanical transmission is a new subject in the

development of electric vehicles.An introduction to its principles of the system is given.Emphasis of the paper is placed on a discus⁃

sion that the effects of the integrated powertrain control on the electric vehicle’s acceleration performance.Proving ground tests show

that,compared with the automatic transmission and manual transmission,the integrated powertrain control used in electric vehicles has its particular advantages in the vehicle’s acceleration performance.

　　Key words :electric vehicle　integrated powertrain control　acceleration performance

引　　言

　　电动机具有良好的可控性,为电动机和变速器这两个系统的一体化综合控制创造了条件,从而可以形成电动汽车的动力传动一体化控制系统㊂本文的研究对象是某纯电动低地板大客车(以下简称电动大客车),在该车上采用了电控的机械式自动变速器(AMT),因此本文所研究的动力传动一体化控制系统是基于电动机和机械式自动变速器(AMT)的综合控制系统㊂

图1　等效电动机模型

1　电动汽车动力传动一体化的控制原理

　　分析动力传动一体化控制系统的控制原理,需要对电动机和机械式自动变速器(AMT)的控制原理进行分析,将二者的控制原理进行有机综合,从而得出动力传动一体化控制系统的一体化控制原理㊂

1.1　电动机模型与控制原理

　　电动大客车采用了三相异步交流电动机作为主电动机进行驱动,交流电动机的控制方式有很多,

目前应用比较多的是直接转矩控制和矢量变换控制㊂直接转矩控制就是直接控制输出转矩,具有运算简便,控制思路清晰的优点,但是其调速精确度较差;矢量变换控制是将用静止坐标系所表示的电动机矢量变换到以气隙磁场或者转子磁场定向的坐标系,矢量变换控制比较复杂,但是控制精度准确度较好㊂电动汽车的电动机控制要求电动机调速必须快速准确,因此在该大客车上的电动机控制采用了基于转子磁场定向的矢量变换控制技术,即三相定

子电流经过由三相静止坐标系到两相垂直静止坐标系,再由

两相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换,将异步电动机的控制转为直流电动机的控制㊂

　　由于异步电动机是一个高阶㊁强耦合㊁非线性的多变量(多输入多输出)系统,对异步电动机来说,实际的输入是

电压或电流及负载转矩T L ㊂以三相电流作为输入,首先要将

三相输入电流变换成二相电流I M1㊁I T1,送给电动机模型㊂因此根据变换方程得出的三相/二相变换结构图,将其封装后,

相互连接,就构成了异步电动机模型㊂据此可以画出如图1

所示的等效电动机模型的结构图,图中以三相/二相电流I M1㊁I T1和负载转矩T L 为输入,输出为转速n ㊂

　　对电动机的电子调速采用速度调节器,可以根据给定速

度和实际速度的偏差来决定使用不同的时间常数τ㊂这种方法与只用单一的时间常数相比,具有超调小㊁调节快速的特

　　电动大客车机械式自动变速器的自动操纵主要包括起动控制和变速控制,针对控制对象而言,可以把这些控制功能划分为换档控制和加速踏板控制两个部分,如图2所示㊂

图2　自动变速操作系统控制结构图　　从图中可以看出,电动大客车的机械式自动变速器控制

思想是微控制器根据驾驶员的驾驶意图(加速踏板和变速

杆)和车辆的运行状态,根据软件设定的方法对变速器和电

动机进行控制,其中对电动机的控制是控制其加速踏板行

程,加速踏板行程的自动控制原理如图3所示㊂

图3　加速踏板行程自动控制原理图

　　此外,电动大客车采用了电动型机械式自动变速器,即通过电动机驱动变速器实现换档操作,具体表现为通过对电动机转速及其角度的控制,实现变速器拨叉轴的移动换档和摆动换轴,其档位控制系统原理如图4所示㊂

1.3　电动汽车动力传动一体化的综合控制原理　　在电动大客车上采用的动力传动一体化系统,是对电动机和机械式自动变速器(AMT)进行联合控制,利用电动机能够灵活调速的特点,在传动系统中取消了离合器,从而避开了复杂的离合器接合控制难题㊂同时既没有了离合器接合冲击,改善了换档品质,也减小了传动系的转动惯量,有利于车辆的加速性能㊂需要说明的是:由于动力传动系统中没

图4　变速器档位控制系统原理图

有离合器,在换档过程中需要对电动机的驱动转矩进行实时控制,电动机工作在转矩模式下时,车辆根据加速踏板的位置行驶,换档过程中如果变速器中相啮合齿轮的轴向摩擦力过大,则在没有离合器的情况下,摘档比较困难㊂因此在电动机运行模式中设计了自由模式㊂此时电动机失去了励磁,输出转矩为零,以较小的力就可完成摘空档的操作㊂

　　该电动大客车的AMT换档流程可以叙述如下:在车辆行驶时,当车速达到换档曲线所要求的车速时,AMT向电动机控制器提出换档要求;电动机控制器则把电动机处于自由模式,并回馈AMT信号;AMT降为空档;

电动机控制器图5　某电动大客车动力传动一体化控制系统流程图转变成转速控制模式,并以ECU提供的转速为目标转速调节电动机的转速,电动机达到目标转速后,电动机控制器向

AMT发出信号,电动机处于自由模式;AMT挂到目标档;电动机控制器返回转矩控制模式,以新的档位驱动车辆行驶㊂此外,应当指出,在换档过程中加速踏板是不起作用的㊂

　　电动大客车动力传动一体化控制系统流程图如图5所示㊂

　　电动汽车动力传动一体化控制系统的很多性能优于传统的自动变速系统,尤其在改善车辆加速性能上表现出了优良的性能㊂

2　电动汽车加速过程的控制方法

　　加速性(这里指原地起步加速时间)主要受起步时间和换档时间两方面因素的影响㊂下面以换档过程为例,说明动力传动一体化控制系统对加速过程的控制方法㊂

2.1　电动汽车的换档过程分析

　　电动大客车机械变速器换档过程的几个阶段:

　　(1)换档前的旧档:电动机正常运行,变速器按照该

档速比传递转矩

ωm=ω1=i0×ω2

M m=M1=M2i }

0(1)

　　式中,ωm为电动机转速;ω1为变速器输入轴转速;ω2为变速器输出轴转速;M m为电动机转矩;M1为变速器输入轴转矩;M2为变速器输出轴转矩;i0为旧档速比㊂

　　(2)动力中断与变速器摘旧档阶段:电动机处于自由模式,输出转矩为0,车辆靠自身惯性克服阻力行驶,车速开始下降,变速器降为空档;

M m=M1=M2=0 M r+I vφ2}

=0(2)　　式中,M r为地面阻力矩;I v为整车换算至变速器输出轴的惯量;φ2为变速器输出轴角速度变化率㊂

　　(3)电动机调速阶段:电动机处于转速控制模式,离合器处于空档,车辆继续靠惯性行驶:

　　调速前:ωm=ω1=ω2×i0≠ω2×i1(3)　　调速后:ωm=ω1=ω2×i1(4)　　式中,i1为新档位的传动比,即调速前变速器输入轴转速是不等于(升档操作一般小于)输出轴转速与新传动比乘积的,调速完毕后,变速器输入轴转速基本等于输出轴转速与新传动比的乘积㊂此阶段M m=M1,而M2=0㊂

　　(4)变速器挂新档阶段:电动机处于自由模式,变速器挂上新档位㊂

　　在挂新档的过程中,新档速比与旧档速比不同,电动机调速过程结束之后,电动机进入自由模式,同时挂档过程开始,变速器输入轴转速与输出轴转速相等,变速器挂上新档,此时,式(2)依然有效㊂

　　(5)动力恢复阶段:电动机正常运行,以新的档位驱动车辆行驶㊂

　　同步器已经挂上了新档,车辆的牵引转矩开始增加,电动机进入转矩控制模式,控制电动机转矩缓慢增加,有助于减小此阶段车辆的冲击度㊂新状态动力学表达式为

ωm=ω1=i1×ω2

M m=M1=M2i

}

1

(5) 2.2　电动汽车的换档过程控制

　　由动力学分析可知,在换档过程的动力中断期间(阶段2㊁3㊁4),由于电动机处于自由模式,或者处于空档,不再传递转矩,车辆完全由自己的惯量克服地面阻力继续行驶,使得车速开始下降㊂所以,为了减小动力损失,提高车辆的加速性能,应尽量减小换档时间㊂由于动力传动一体化控制系统对电动机的转速控制缩短了在换档过程中电动机转速与输入轴转速的同步时间,从而减少了换档时间,有利于车辆加速性能的提高㊂换档过程的流程图见图6㊂

图6　换档过程流程控制图

3　实车试验结果

　　加速性是车辆的一项非常重要的性能指标,常常用来评价发动机(电动机)和传动系统的匹配与整车的动力性能㊂动力传动一体化控制系统对发动机(电动机)和机械变速器进行了一体化控制,其控制效果的好坏更是直接反映在加速性上㊂该型号大客车的加速性试验测试的是车辆0~50km/h 的加速时间㊂试验车辆为满载行驶(车内装载重物),试验路面为铺面路㊂采用电动机和手动机械变速器时,该车型的0~50km/h加速时间与驾驶员的操作技术有关,优秀驾驶员最好情况下需要26~27s㊂试验过程中,驾驶员把变速杆置于D位,将加速踏板踩到底,车辆以1档起步,全力加速到50km/h,中间的两次换档过程由动力传动一体化控制系统自动完成㊂最后由采集得到的数据获得车辆从0km/h加速到50km/h所用的时间㊂为了证明0~50km/h加速性试验结果的一致性,在同一路面上进行3次加速性试验,数据分别为24.55s㊁23.71s㊁24.13s,平均约为24.13s,比优秀驾驶员提高了2~3s㊂为了进一步说明电动汽车采用动力传动一体化控制系统提高了车辆加速性,以同一种电动大客车为试车对象,进行装有带离合器AMT换档系统与装有新型动力传动一体化控制系统的电动大客车0~50km/h起步加速对比试验,试验曲线如图7所示,曲线1为装有带离合器AMT 换档系统的电动大客车,曲线2为装有新型动力传动一体化控制系统的电动大客车,从图中可以看出,装有带离合器AMT换档系统的电动大客车0~50km/h加速时间为26.85s,图7　两种电动大客车0~50km/h加速曲线图

而装有新型动力传动一体化控制系统的电动大客车0~ 50km/h加速时间仅为24.55s㊂

　　综上所述,该电动大客车由于采用了动力传动一体化控制,相比普通自动变速的电动汽车,缩短了换档时间,减少了动力损失,而且整个换档过程又快又稳㊂

4　结论

　　由于电动汽车的动力传动一体化控制系统将电动机和变速器看作动力传动系统的有机组成部分,利用电动机的可控性好的特点,可以很好地用一个电子控制器完成对两大控制对象的综合控制,所以,它可以根据电动机的运行工况和变速器速比的不同,对电动机进行合理调速,并优选出合适的变速器的工作档位,从而提高了电动汽车的动力性能㊂同时在电动汽车上应用动力传动一体化控制技术也是改善电动汽车经济性的有效途径之一㊂

参考文献

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