一种纯电动手动挡汽车换挡抖动问题优化研究

高洁，王金桥，倪绍勇

(奇瑞新能源汽车有限公司研究院，安徽芜湖 241000)

0 引言

面对日益严峻的能源短缺和环境污染的问题，研究并开发具有低排放、低噪声、高能源利用率的新能源汽车具有与时俱进的意义[1]。随着科技的进步及人们生活水平的提高，消费者对汽车的驾驶性及舒适性也提出了更高的要求[2]。

电机驱动的手动挡汽车与传统发动机驱动的汽车相比，由于电机与发动机之间的结构差异，在换挡时电机转速变化相比于发动机转速变化要小，所以在相同条件下换挡，电机转速不能与新的变速箱速比和车速相匹配，产生比发动机驱动的手动挡汽车换挡顿挫感更明显、顿挫持续时间更长。

对于手动挡汽车，换挡过程应能平稳过渡，不应有过高的瞬间加速度和瞬间减速度，以减少动力系统的冲击和载荷，延长零件使用寿命，减轻驾驶员的劳动强度[3]。

1 换挡抖动产生的原因

本文作者研究的对象是某款纯电动手动挡汽车，该车型在低挡位间升挡操作时车辆抖动明显，随着挡位逐渐升高，换挡过程中的抖动逐渐减小。而与此车型共用相同变速箱、底盘和车身的发动机驱动车，无明显换挡抖动。经试验对比发现燃油车在踩下离合换挡时，发动机转速能快速下降，而该电动手动挡汽车在换挡时电机的转速下降很缓慢。所以要优化该电动手动挡汽车的换挡抖动问题，重点考虑优化整车VCU控制策略对电机转速进行快速调节。

手动挡汽车在某一挡位平稳行驶时，当前的电机转速、变速箱传动比与车速之间达到平衡状态，电机转速与汽车行驶速度之间的关系为

Ua=0.377rn/(ig·i0)

(1)

式中：Ua为车速；n为电机转速；r为车轮半径；ig为变速箱传动比；i0为主减速器传动比。

表1 某车型变速箱各挡位传动比

由表1可知：该车型变速箱低挡位间传动比差值较大、高挡位间传动比差值较小，所以在低挡位间换挡操作时车辆抖动明显，随着挡位逐渐升高、换挡过程的抖动逐渐减小。针对该车型，挡位从1挡升至2挡后，变速箱传动比减小了1.6，在车速几乎不变的情况下，根据公式(1)转速需降至换挡前转速的约一半才能达到新的平衡；而此时电机由于惯性实际转速变化较小，所以换挡后就会产生电机转速和车速不匹配互相反拖的情况，产生整车加速度的波动(见图1)，造成换挡抖动的问题。

图1 某车型换挡时车速、转速与加速度变化

目前学术界普遍将纵向加速度对时间的导数，作为客观指标来评价冲击对人体的影响，称之为冲击度[3]。冲击度作为换挡品质的评价指标，不仅和人体的感觉同步，而且可以把因道路条件引起的颠簸加速度以及非换挡因素的影响排除在外，从而真实反映换挡品质[4]。冲击度是指车辆行驶过程中纵向加速度在单位时间内的变化率，其公式为

j=da/dt

(2)

式中：j为冲击度(m/s3)；a为车辆纵向加速度(m/s2)；t为时间(s)。

大量实验表明：在冲击度大约为5 m/s3以下时，基本感受不到冲击的影响；冲击度大约为10 m/s3时，乘员能够分辨不同的冲击度[3]。从图1可以看出：该车型在1挡升2挡、2挡升3挡过程中冲击度较大，其中冲击度最大值达到9.4 m/s3，乘员感觉有明显冲击、顿挫感。该车型换挡顿挫问题明显，需优化解决。

2 电机转速调节

2.1 换挡能量回收策略

要解决换挡抖动的问题，就需要在换挡过程中使电机转速能主动快速变化，避免在换挡完成后与车速不匹配互相反拖，产生换挡抖动的问题。电机具有很好的调速性能，其调速模式可以在很短时间内将电机转速调整到电机转速范围内的任一转速[4]。在升挡时需快速降低电机转速，参考电动汽车滑行能量回收工况时、VCU控制器对电机施加负扭矩调节可快速降低电机转速的经验，提出一种换挡能量回收方式，对电机施加负扭矩调节起到快速调节电机转速的效果，同时又能将换挡冲击过程损失的部分能量进行回收再利用，提高能源再生利用率。VCU控制换挡能量回收策略见图2。

图2 VCU控制换挡能量回收策略示意

VCU控制器根据换挡前油门踏板开度、转速变化趋势及刹车信号等特征预判识别驾驶员的换挡意图；结合换挡过程中变速箱挡位、加速踏板、离合踏板、车速、电机转速、刹车信号等变化特征，来判断控制换挡能量回收功能是否使能。同时根据当前换挡车速计算出，换挡后电机转速目标值，设置电机转速下限条件，防止换挡能量回收持续工作将电机转速降至目前转速以下。

2.2 电机扭矩修正

由图3可知：该车型电机转速在2 700 r/min以下时，为恒扭矩区间、输出扭矩最大；当电机转速达到3 000 r/min左右可明显感觉车辆驱动力开始衰减，所以考虑驾驶人员一般在电机转速3 000 r/min左右进行升挡操作。基于车辆在每个挡位、电机在3 000 r/min时换挡、换挡时车速变化忽略，根据公式(1)可计算出1挡电机转速为3 000 r/min升挡至2挡,电机转速需降低的目标转速n1：

n1=3 000·i2/i1

式中：i1、i2分别是变速箱1挡、2挡传动比。据此可计算出由1挡逐次升至5挡，4次升挡过程中电机目标转速值n1、n2、n3、n4，对应4个目标角速度值w1、w2、w3、w4。

图3 某车型驱动电机外特性

换挡过程中，电机从升挡时的某一高转速降低到换挡后的另一低转速，也伴随着能量的变化。电机在某一转速旋转时当前的能量值是一定的，转速与能量的关系公式：

E=J·w2/2

(3)

式中：E为能量(kJ)；J为电机转动惯量(kg·m2)；w为电机旋转角速度(rad/s)。

对于某一电机其转动惯量是固定的，根据能量守恒定律，可通过公式(3)计算出由1挡升至2挡过程中电机要达到目标转速，所需要减少的能量值ΔE1。 由1挡逐次升至5挡，4次升挡过程中电机达到目标转速，所需减少的能量差值分别为ΔE1、ΔE2、ΔE3、ΔE4。

换挡过程中电机要达到目标转速所需减小能量，可通过换挡能量回收模式加载负扭矩实现。根据电机的特性，电机扭矩和功率、转速之间有以下关系公式：

P=T·n/9 550

(4)

式中：P为功率(kW)；T为扭矩(N·m)；n为转速(r/min)。

经过多次试验统计，手动换挡操作过程持续时间约为1 s，见表2。

表2 换挡时间统计

在换挡过程中回收能量等于电机达到目标转速所需的能量差值时，换挡后电机转速与车速接近平衡。根据表2统计的换挡时间为1 s，结合公式(3)可计算出由1挡升至2挡过程中回收能量加载扭矩绝对值大小为

据此可计算出由1挡逐次升至5挡，4次换挡过程中电机回收能量加载扭矩绝对值T1、T2、T3、T4。这些能量回收扭矩值即作为在换挡过程中，用于调节电机转速的修正扭矩。随着挡位的升高，相邻两挡位的传动比差值在逐渐减小、能量差值也在逐次减小，所以所需的能量回收扭矩绝对值T1>T2>T3>T4；这与实车低挡位换挡顿挫比高挡位时更明显、需更大幅度地调整电机转速的需求是一致的。

所以换挡能量回收启动时，可以根据换挡前挡位和转速来判断选择合适大小的回收扭矩。

3 实车测试验证

将增加换挡能量回收策略的软件搭载实车，进行测试验证。经初次验证发现增加换挡能量回收模式后，换挡顿挫问题有一定改善，但是仍能感受到一定冲击。经采集数据分析发现，换挡过程中驾驶员松开离合和踩下加速踏板的操作几乎同时进行，加速踏板信号的变化导致换挡过程未完全结束时换挡能量回收就提前退出工作，换挡能量回收还未将电机转速调节至目标转速附近就已退出，所以换挡过程中仍会有一定的冲击感。

鉴于此原因，在策略中又增加了换挡能量回收延迟退出，同时根据实车路试验证将换挡能量回收扭矩加、卸载梯度和换挡能量回收延迟退出时间进行了标定优化。

最终优化完成后，换挡顿挫问题得到明显改善，最大冲击度约为4.2 m/s3，驾驶过程中基本感受不到明显的换挡抖动，见图4。

图4 优化后换挡时车速、转速与加速度变化

4 结论

(1)通过对比与燃油车的差异、结合试验采集数据分析，解析了电动汽车换挡过程中电机转速变化对换挡冲击产生的影响。并引入了换挡顿挫评价指标，对该问题量化分析解决提供了理论依据。

(2)提出一种换挡能量回收策略，对电机施加负扭矩实现快速调节电机转速的同时，又能将换挡冲击过程损失的部分能量进行回收再利用，提高能源再生利用率。

(3)在后期的验证过程中，又优化策略增加了换挡能量回收延迟退出，同时根据实车路试验证将换挡能量回收扭矩加、卸载梯度和换挡能量回收延迟退出时间进行了标定优化，最终有效地改善了某纯电动手动挡汽车在换挡抖动的问题。