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纯电动客车AMT换挡策略研究与仿真分析
2020-04-22 23:32:58· 来源：EDC电驱未来
在AMT两挡纯电动客车研发过程中，换挡策略的制定至关重要，换挡策略的优劣直接影响车辆的动力性、经济性和舒适性等[1-3]。根据换挡策略制定过程中考虑的影响因素
在AMT两挡纯电动客车研发过程中，换挡策略的制定至关重要，换挡策略的优劣直接影响车辆的动力性、经济性和舒适性等 [1-3] 。根据换挡策略制定过程中考虑的影响因素，其换挡策略类型可分为：单参数换挡、双参数换挡和三参数换挡。其中，只考虑车速的单参数换挡策略无法根据驾驶员的需求进行换挡，不能适应复杂的车辆运行状态，应用较少；考虑车速和加速踏板开度的双参数换挡策略，因驾驶员可通过控制加速踏板开度进行换挡，使得该策略得到较为广泛的应用 [4-5] ；而考虑车速、加速踏板开度和加速度的三参数动态换挡策略，因电机动态试验过程复杂，使得数据难以获得，换挡策略复杂使得控制器系统成本较高，系统稳定性不高，目前应用不多 [6-8] 。
本文拟对某款不带离合器的两挡AMT纯电动客车制定双参数换挡策略，并使用基于前向仿真的Cruise软件建立整车模型[9]，对整车动力性与经济性进行仿真分析，以验证换挡策略的可行性。
1 换挡规律的制定
在制定换挡策略时，需在保证电动客车有足够动力性的同时，尽量降低其电耗，以提高其续驶里程。通常中小油门开度以保证最佳燃料经济性为主，兼顾动力性；大油门开度则以获得最佳动力性为主。
1.1 最佳动力性换挡规律
车辆动力性的评定指标主要有3个[10]：最高车速、加速时间、最大爬坡度。以加速时间最优为目标的双参数换挡策略，是指自动变速系统能够使汽车在具有最大动力的换挡点进行换挡操作，从而获得最佳的加速能力和爬坡能力[11]。在相同加速踏板开度下，换挡点的确定有2种方法：一是根据换挡前后驱动力相等或相近确定换挡点，该方法体现的是车辆的稳态情况；二是根据换挡前后加速度相等或相近确定换挡点，该方法与车辆实际换挡过程的动态加速情况相符。文中以第二种确定换挡点的方法进行最佳动力性换挡规律制定。
根据电动车辆动力学理论可知[12]，车辆运动过程中的力平衡方程为：
(1)
即：
(2)
v=0.377nr/(igi0)
(3)
式中：Tt为驱动电机扭矩；n为电机转速；ig为变速器速比，ig1=2.45,ig2=1；i0为主减速器速比，值为6.17；η为机械传动效率；r为轮胎半径，值为0.51 m；m为整车总质量，值为16 400 kg；f为滚动阻力系数；α为坡道；CD为风阻系数；A为迎风面积；δ为车辆旋转质量换算系数，取经验值。
驱动电机特性曲线如图1和图2所示。在加速踏板开度100%状态下，根据驱动电机外特性曲线及式(2)和式(3)绘制1挡和2挡的车速-加速度曲线，如图3所示，确定加速踏板开度100%状态下车辆的换挡车速。
图1 加速踏板开度-转速-驱动电机扭矩曲线
图2 电机万有特性MAP曲线
图3 加速踏板开度为100%时车速-加速度曲线
由图3可知，换挡前后相邻两挡的加速度曲线在A处不相交，即换挡前后车辆加速度发生变化，属于边界点换挡。使用边界点换挡需注意：如升挡后，加速度为正，则进行升挡；若升挡后，加速度为负，则保持原来挡位。加速踏板开度为100%时，AMT两挡加速度曲线边界点A对应的车速即为1挡升2挡的换挡车速。根据以上方法，按图1加速踏板开度-转速-驱动电机扭矩曲线，求出不同加速踏板开度下的1、2挡加速度曲线的交点或边界点对应的车速，将各换挡车速相连即得到不同加速踏板开度下对应的最佳动力性升挡曲线。由于换挡过程存在动力中断情况，车速会下降1～2 km/h，所以在设计降挡曲线时，需考虑降挡速差以避免降挡曲线过于接近升挡曲线，出现反复循环换挡的现象，根据经验，降挡速差一般取2～8 km/h。
1.2 最佳经济性换挡规律
最佳经济性换挡是指AMT变速器能够使车辆以较高的效率或较低的能量消耗率行驶。本文制定最佳经济性换挡的原则是尽可能使驱动电机工作在高效率区，即换挡时刻效率相等，换挡后效率优于换挡前。
由式(1)和式(3)可知，驱动电机转矩是主减速比与电机转速的函数，同时由图1和图2可知：
(4)
以换挡后驱动电机尽量在高效区工作为原则，得到不同踏板开度下换挡点公式为：
(5)
在加速踏板开度100%状态下，根据驱动电机万有特性MAP曲线和式(5)绘制1挡和2挡的车速-效率曲线如图4所示，得到踏板开度为100%状态下基于最佳经济性的换挡车速。按以上方法依次得到不同踏板开度下的车速-效率曲线，进而得到基于最佳经济性的两参数换挡规律。
图4 加速踏板开度为100%时车速-效率曲线
根据客车挡位越低电机负荷率越低、电耗越高的特点，在中低速行驶时以降低电耗为主，采用基于经济性换挡的换挡规律；高速行驶时以动力性为主，采用基于最佳动力性换挡的换挡规律，最终得到综合两参数换挡规律如图5所示。
图5 兼顾动力性及经济性的换挡策略
2 仿真分析
在Cruise中建立纯电动客车AMT两挡整车模型，如图6所示。采用变速器控制程序和控制模块根据前文制定的换挡策略定义整车换挡过程，驾驶员模型设置为自动换挡。在模型中建立计算任务，对整车最大爬坡度、0～50 km/h加速时间、等速40 km/h工况下的电耗进行仿真，结果如下：车辆的最大爬坡度为21.04%，0～50 km/h的加速时间为13.45 s，等速40 km/h电耗为45.38 kW·h/100 km。
图6 整车Cruise模型
0～50 km/h加速过程中，车辆加速特性曲线如图7所示。
由图7可知，换挡前加速度为0.682 m/s2，换挡后加速度为0.74 m/s2，换挡后加速度为正，可进行升挡；换挡前后加速度不相等，但误差小于10%，可实现顺利换挡。同时由以上仿真结果可知，车辆的经济性满足整车性能需求。因此本文建立的双参数换挡策略是可行的。
图7 车辆加速度特性曲线
3 结束语
本文兼顾动力性及经济性制定了组合型双参数换挡策略，其中低速时以经济性为主，高速时以动力性为主；采用Cruise软件搭建整车模型对换挡策略进行了验证。文中采用静态经济性换挡规律，未考虑电池、变速器等因素，对结果的准确性有一定影响，后续可进一步研究；同时动力性与经济性的切换车速也可进一步优化，以获得更优的换挡策略。
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