纯电动汽车无离合器式AMT换档控制研究

汪斌



纯电动汽车无离合器式AMT换档控制研究

汪斌

（东风汽车股份有限公司，湖北 武汉 430057）

介绍了无离合器式AMT在纯电动汽车上的应用，详细描述AMT系统的换挡控制及换挡控制策略的制定。通过某纯电动环卫车实车道路搭载试验，验证了系统的有效性。

纯电动汽车；无离合器；AMT；换档控制

前言

机械式自动变速器（AMT，atuomated mechanical trans -mission）换挡过程控制是动力总成控制的核心技术之一。车辆换档控制要求平稳、快捷。目前电动汽车采用驱动电机系统作为其驱动力的来源，驱动电机系统的机械特性与发动机系统完全不一样。为了满足需求，需要研究纯电动车辆AMT的换档过程，包括动态协调控制，换档规律，执行机构的控制等等关键技术[1]。

1 现状

AMT是通过在固定轴式手动变速箱上加装离合器、选换档执行机构及其相应的电子控制单元来实现自动换档过程，不需要驾驶员手动操作离合器和换档拨叉，降低了对驾驶员技术的要求。

国外开始研究AMT技术源于二十世纪七十年代中期，并在八十年代中期取得了一些进展。1985年，日本五十铃公司在ASKA轿车上装上了 NAVI-5型全自动机械式变速器，此后，美国福特公司、法国雷诺公司及意大利的菲亚特公司都相继制造出此类变速器[2]。

中国从上世纪80年代初开始了AMT技术的研究工作"目前在理论研究上已接近国际水平"部分变速器生产厂家已具备了量产能力“但大部分研究工作都针对传统内燃机车”。传统汽车AMT系统由发动机、离合器、变速器本体、自动换档执行机构组成。其换档过程可分为5步：分离离合器——摘挡——选档——挂档——结合离合器[3-4]。离合器控制技术的效果直接影响AMT换档过程的冲击度和摩擦功的大小[5]。对于传统车辆，采用AMT具有以下优点[6]：

（1）它可比普通手动档变速器节油约5%—7%，并较低CO2的排放，与装备自动变速器的车相比，燃油经济性和排放的改善可达10%；

（2）其次是操作简单：无需操纵离合器踏板，换档时无需操纵加速踏板，即可实现快速换档并使得发动机在最佳转速区内工作，在城市交通日益拥堵的今天该优点显得格外突出，是经济型车的主要发展方向；

（3）再者，由于AMT可以安装在各种结构的手动变速器内，比其它类型的自动变速更能降低生产及维修成本。

对纯电动车用的AMT研究尚处于起步阶段，且多集中于电动客车用AMT的研究[1，7-10]。

2 无离合器AMT系统组成与工作原理

该车的动力总成由驱动电机、AMT变速器和控制器组成（图1），动力电池提供电源。在传统装备AMT的车辆上，发动机与AMT之间是通过离合器连接的，其AMT的换档过程由控制系统模仿熟练驾驶员手动换档的操作方式，离合器的分离和结合控制是重点和难点。而在本车上，驱动电机和AMT是通过联轴器直接连接的，利用控制的快速响应和精确控制，实现无离合器的换档控制。则纯电动车辆正常换档完全依赖于驱动电机与AMT的配合，如何通过控制来实现快速、平稳换档是控制策略中的基本问题之一。

图1 AMT纯电动车辆系统框图

电动车辆上存在众多的控制系统，在本车上直接涉及换档控制的就有整车控制器（VCU），电机控制器（MCU），和AMT控制器（TCU）。为实现上述控制目标，需要控制系统之间相互协调配合，这样就需要大量的信息交换和快速的控制响应。为此需要采用高速的CAN总线实现控制系统间的控制信息交互，工作原理是：驾驶员通过加速踏板、制动踏板和换档手柄施加车辆操控，VCU接收驾驶员的操作指令，解析成驾驶员的操作意图，根据传感器和CAN总线得到的车辆车速、电机转速，当前档位等车辆状态信息，确定是否需要改变档位并根据换档规律得到目标档位。当需要改变时，VCU发出换档指令，控制MCU和TCU完成自动换档的过程[10]。

3 驱动电机的工作模式

在AMT的换档过程中，在不同的换档阶段，需要驱动电机处于不同的运行状态，使得换档平顺。在电动汽车中，驱动电机一般有3种工作模式：力矩模式、自由运行模式和速度模式。电动汽车处巡航等特殊工况外，一般采用力矩控制策略，力矩模式是驱动电机最常使用的，在此模式下，整车控制器（VCU）根据加速踏板等驾驶员的操作，计算目标扭矩，并通过CAN总线发送给电机控制器（MCU），控制驱动电机发出相应的扭矩驱动车辆行驶。自由运行模式下，电机力矩T=0，电机克服摩擦和电磁阻力自由运行，不施加控制。在需要精确控制电机转速的工况下，需要使用速度模式，给MCU发送目标转速，控制电机快速、平稳的达到这个转速。

除工作模式外，在纯电动车上，为满足加速、倒车及能量回馈的要求，驱动电机需要四象限工作的工作能力，即①前向驱动②前向制动③反向驱动④反向制动状态。图2给出了驱动电机第一象限的转矩-转速-效率特性，图中，红色粗点画线是驱动电机系统的外特性曲线。

图2 驱动电机万有特性

4 换档过程控制

4.1 变速器简介

本文中的AMT采用手动5档变速箱通过Add-on方式改造而来，即在原有手动变速器的本体上，加装选、换档执行机构，该执行机构由变速器控制器TCU分别控制选档和换档电机，驱动选换档机构执行相应的动作。变速器的各档速比为：5.015，2.543，1.536，1.000，0.789。

4.2 AMT的工作模式

AMT具有自动控制模式和手动控制模式。手动模式，就是有驾驶员控制变速器的加减档操作，驾驶员通过手柄发出指令之后，控制器判断是否处于最高或最低档，若不是，则强制执行驾驶员的加减档指令。

在自动模式下，变速器所处的状态和档位是有VCU根据整车工况决定的，同时，在驾驶员换档手柄上还存在P、R、N、D四种状态，状态之间的切换也关系到车辆的行驶安全。图3和表1 给出了变速器状态转换关系与条件。

图3 档位状态转换

表1 状态转换表

4.3 AMT的换档规律

为简化换档规律，使之有较强的适应性，在自动换档模式下，根据驱动电机的转速确定是否需要变换档位。各档转速的工作范围定义如表2：

表2 各档位电机工作转速范围

4.4 换档过程中电机控制

当整车控制器根据车速及加速踏板（制动踏板）的位置计算出相应挡位时，由VCU控制器对换档过程中电机的状态进行控制，TCU根据VCU确定的目标档位控制变速器选、换档电机进行动作，以升档过程为例，叙述AMT换档过程中电机的控制策略，具体过程如下[11]：

（1）升档前，驱动电机工作在力矩模式，驾驶员踩加速踏板的信号送入VCU，VCU计算相应的目标扭矩通过CAN总线发送给MCU执行。当VCU判断需要换档时，电机控制器接到VCU控制器发送的自由模式命令，使电机处于自由工作模式，此时电机输出力矩为0，电机自由旋转；当TCU控制器接收到电机处于自由模式的信息后，进行摘空档操作，当换档位置达到目标位置后，摘空挡过程完成，TCU反馈信息给VCU。

（2）VCU控制器根据车速和目标挡位计算目标转速，目标转速由式1确定，即电机在新的档位时的转速加上转速修正量[7]。VCU向电机控制器发送电机工作于调速模式的指令和目标转速；电机控制器接到调速模式命令后，控制电机工作于调速模式，且电机转速迅速地调整到与目标转速。同时，TCU进行选档操作，为完成进档做准备。

式中，n为目标转速；n换档车速下新档位对应的转速；转速修正量；是换档时刻的车速，在换档过程中，设车速不变；i为新档位的变速器速比；0为主减速器速比；为车轮滚动半径；

（3）当VCU接收到电机转速达到目标转速时，VCU控制器向电机控制器发送电机工作于自由模式的指令，电机输出力矩为0，自由旋转；当TCU接收到电机处于自由模式之后，进行挂挡操作。

（4）TCU检测到挂挡完成后，向VCU发出进档完成信号，VCU即向MCU发出恢复力矩工作模式的指令，使电机对外输出力矩，正常驱动车辆行驶。此时，即完成了AMT 在一次换档过程中对电机的控制。此后，车辆在新的挡位上将根据加速踏板（制动踏板）的位置继续行驶。上述控制流程见图。

图4 换挡流程图

5 实车验证

搭载本文开发的电动AMT变速箱总成的纯电动环卫车，进过实车实现15000km的可靠性路试试验，系统零故障，并且实现了优化能量利用率，减轻环卫工作强度的设计目的。

6 全文总结

本文详细论述了某纯电动环卫车用无离合器式AMT系统的换挡控制过程控制，换挡规律的设计，换挡流程等。经过实车道路搭载试验，验证了设计系统的有效性和可靠性。

[1] 张承宁,武小花,王志福,等.电动车辆AMT换挡过程中驱动电机控制策略[J].北京工业大学学报,2012,38(3):325-329.

[2] 李钧浩.纯电动公交车自动变速系统（AMT）换档控制策略的研究[D].广州:广东工业大学,2013.

[3] Luigi Glielmo,Luigi Iannelli,Vladimiro Vacca,等.Gearshift Control for Automated Manual Transmissions[J].TRANSACTIONS ON ME -CHATRONICS,2006,11(1):17-26.

[4] Gianluca Lucente,Marcello Montanari,Carlo Rossi.Modelling of an automated manual transmission system[J].Mechatronics,2007,17: 73-91.

[5] 孔慧芳.电控机械式自动变速器中传动与控制的关键技术研究[D].合肥:合肥工业大学,2008.

[6] 海霞.马瑞利AMT:手自一体化领跑者[J].汽车与配件,2010 (36):32-33.

[7] 牛晶,林程,逯玉林.纯电动大客车AMT换挡过程仿真研究[J].公路与汽运,2013(156):1-6.

[8] 王雷,席军强.无离合器纯电动客车机械式自动变速器换挡评价的研究[J].汽车工程学报,2012,2(1):35-39.

[9] 胡建军,李康力,胡明辉,等.电动客车AMT 换挡过程控制策略的研究[J].汽车工程,2011,33(5):405-410.

[10] 胡建军,李康力,胡明辉,等.纯电动轿车AMT换挡过程协调匹配控制方法[J].中国公路学报,2012,25(1):152-158.

[11] Hongbo Liu,Yulong Lei,Zhanjiang Li.Gear-Shift Strategy for a Clut -chless Automated Manual Transmission in Battery Electric Vehic -les[J].SAE,2012.

Research on AMT shift control for the pure electric vehicle without cluctch

Wang Bin

( Dongfeng Automobile Co., Ltd, Hubei Wuhan 430057 )

This paper introduces the application of clutch-less AMT in pure electric vehicle, describes in detail the shift control of AMT system and the formulation of shift control strategy. The effectiveness of the system is verified through a road test of a pure electric vehicle.

pure electric vehicle; clutch-less; AMT; shift control

A

1671-7988(2018)24-21-04

U463.2

A

1671-7988(2018)24-21-04

U463.2

汪斌（1979-），男，汉族，湖北武汉人。高级工程师。研究方向为电动汽车和汽车动力学。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.007