基于PI控制的纯电动汽车两挡变速器换挡策略研究

0   引言

传统内燃机汽车采用多挡位变速器；小型纯电动汽车与之不同，目前多采用固定速比的减速器，电机输出轴与减速器输入轴之间通过联轴器直接连接，没有使用离合器，利用电机调速来实现车速的改变。这种传动方式结构简单，制造成本低，但对牵引电机提出了更高要求，既要求其在恒转矩区提供较高的瞬时转矩，又要在恒功率区提供较高的运行转速，满足车辆的加速性能和最高车速设计要求。为了使电动汽车能更好地满足其动力性能和经济性能，同时降低对牵引电机和电池的要求，电动汽车传动系统的发展或趋于两挡或多挡化^[1]。

本文依托某纯电动紧凑型轿车，由VCU完成两挡变速器换挡中的转速同步策略实施，TCU和MCU密切协作，完成换挡动作^[2]。以整车动力性、经济性和平顺性等为导向进行了换挡策略定义，通过PI控制电机扭矩快速调节电机转速与变速箱需求目标转速同步，由变速器判断换挡时机实现换挡^[3-4]。

1   整车结构及参数

纯电动汽车采用前置前驱单电机两挡变速箱布置方式，动力部分工作原理如示意图1所示。由动力电池给驱动电机供电，电机通过变速器驱动车轮，实行车辆行驶；同时动力电池为DC-DC逆变器供电，转换成低压12 V给蓄电池充电及整车低压用电器供电。主要相关控制器包括车辆控制器(VCU)、电池管理系统(BMS)、电机控制器(MCU)、变速箱控制器(TCU)和逆变器控制器(DC/DC)，各控制器之间通过CAN信号通讯。车辆控制系统（VCU）通过硬线采集油门踏板、换挡机构、刹车踏板、车辆模式开关等组件的状态，然后根据各系统的状态和驾驶员请求，再向各模块控制单元下发相应的控制指令，各控制模块协作完成换挡。整车设计相关的主要参数见表1。

作者简介：孔令静（1985—），女，策略主管工程师，从事纯电动和混合动力汽车控制策略开发、HIL测试平台开发和整车测试等工作12年。

2   整车换挡点

以动力性为主要需求，根据整车参数仿真换挡分析为：整车车速低于74.4 km/h（对应电机转速约9 000rpm）（如图2），一挡下的变速箱输出扭矩始终要高于二挡；整车车速高于74.4 km/h时，二挡下的变速箱输出扭矩要高于一挡。为更好的满足整车动力性能，选择车速在74.4 km/h附近升挡，同时考虑油门开度，会适当增大换挡的车速范围。

3   换挡策略

3.1 换挡过程规划

从换挡准备到执行换挡，再恢复驾驶员的驾驶需求，整个换挡过程规划如图3所示，大致分为11步，由VCU和TCU共同协作完成。

①VCU判断可以配合TCU进行换挡；

②TCU根据换挡图谱发送换挡指令及结合状态；

③VCU进行降扭至0控制；

④TCU发送脱挡开始；

⑤TCU发送脱挡中（可进行速度同步状态)及目标

转速；

⑥TCU发送脱挡完成 ；

⑦VCU降扭调速（小扭矩，目标转速）；

⑧TCU发送同步，VCU卸载小扭矩；

⑨TCU开始挂挡，发送挂挡开始；

⑩TCU发送挂挡中（VCU可做扭矩恢复）；

⑪VCU恢复扭矩到驾驶员需求扭矩。

图3 换挡过程规划示意图

根据上述换挡过程规划，以及TCU反馈的变速箱实时信息，基于MATLAB/Simulink进行编程，①通过Stateflow编辑换挡状态管理，②转速同步模块实现PI控制转速同步。

3.2 PI控制转速同步

换挡过程中，VCU负责扭矩和转速管理，TCU负责换挡时机判断及换挡操作，MCU负责扭矩执行及反馈。由TCU根据实车行驶状态提供实时的换挡目标转速，VCU根据目标转速和实际转速的偏差进行比例积分计算，所得请求扭矩由MCU控制电机执行。

电机转动惯量J=m×r²，角加速度α＝ ，转矩，其中α -rad/s²，t-s，T-Nm，n-r/min。基于MATLAB/Simulink编程PI控制电机扭矩，并集成于车辆控制器（VCU）模型中如图4所示，最终编译成软件刷写车辆控制器进行实车测试。

图4 PI控制转速同步模型

4   整车测试与结果分析

升挡策略根据不同的油门深度设定车速(60~80) km/h多个换挡点，降挡策略定在车速20 km/h时换挡。在实验场地中对实车进行不同深度油门加速至80 km/h以上并减速至20 km/h以下，完成实车的升挡和降挡工况测试。通过汽车开发常用工具INCA7.1软件记录VCU控制器运算的实时数据，并通过其附属工具箱MDA调取电机实际转速、变速箱换挡所需目标转速、换挡动作状态和整车实际车速等关键变量进行数据分析。整车多种工况的随机测试结果如图5，图中已注明曲线名称，图5~图9中的曲线名称均一致。

4.1 车速60km/h 升挡根据上述测试结果截取60 km/h、70 km/h、80 km/h升挡和20 km/h降挡4种工况的实际车速、目标转速、电机实际转速和换挡动作参数分析，换挡总时间要求600 ms以内。

4.1 车速60 km/h升挡

图6 车速60 km/h升挡整车测试结果

VCU收到TCU发送的目标转速和脱挡状态时对电机转速闭环控制，从图6可见，车速为60 km/h工况下转速同步到开始换挡使用时间约306 ms，执行换挡动作使用时间约9.6 ms ，换挡前后车速较为平稳，无明显波动。

4.2 车速70 km/h升挡

图7 车速70 km/h升挡整车测试结果

从图7可见，车速为70 km/h工况下转速同步到开始换挡使用时间约380 ms，执行换挡动作使用时间约10.02 ms ，换挡前后车速较为平稳，无明显波动。

4.3 车速80 km/h升挡

图8 车速80 km/h升挡整车测试结果

从图8可见，车速为80 km/h工况下转速同步到开始换挡使用时间约318 ms，执行换挡动作使用时间约9.8 ms，换挡前后车速较为平稳，无明显波动。

4.4 车速20km/h降挡

图9 车速20 km/h降挡整车测试结果

从图9可见，车速为20 km/h工况下转速同步到开始换挡使用时间约290 ms，执行换挡动作使用时间约9.97 ms，降挡前后车速较为平稳，无明显波动。

5   结论

通过对纯电动汽车多种车速下换挡过程分析，转速同步时间和换挡时间满足设计要求，换挡前后车速平稳，这种PI控制纯电动汽车两挡变速器换挡策略实现了较为快速平顺的换挡。此换挡策略通过实车验证，有较好的实用性，为纯电动汽车两挡变速器换挡策略提供了应用基础。

参考文献：

[1] 唐永琪.纯电动汽车两挡自动变速器换挡品质研究[J].上海汽车,2013(01):3-7.

[2] 黄英,石献磊,徐世利.基于动力性和经济性的轿车换挡规律设计与试验研究[J].汽车技术,2004(11):28-32．

[3] QIN G,GE A,L J J.Knowledge-BasedGear-Position Decision[J].IEEE,2004,5(2):121-126．

[4] 李天琨,吴斌,陈存玺,等.纯电动车两挡机械自动变速器换挡过程分析及综合控制[J].汽车实用技术,2019(9):22-25+31.

（本文来源于《电子产品世界》杂志社2020年8月期）