电动汽车自动变速器技术现状及发展趋势

摘要：本文通过对装配自动变速器的电动汽车的优点和背景进行分析，引出自动变速器的分类及作用，接着对自动变速器的关键技术进行详细阐述。其中包括电动汽车换挡规律、换挡过程控制策略、机械结构中传动比的优化方法、数字仿真和硬件在环仿真技术等方面。最后，总结出电动汽车自动变速器的发展趋势是多挡化、智能化，通过优化换挡规律和结构来达到更好性能。

关键词：电动汽车;自动变速器;现状;趋势

1 引言

近年来，随着汽车保有量的大幅上升，能源危机和环境污染等问题越发严重，使研究人员开始研究纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。而电动汽车因其环境友好性和驱动效率高等优点成为研究热点。变速器是电动汽车动力传动系统的重要部件，其性能对电动汽车整车的动力性经济性、舒适性等有着重要的影响。装载自动变速器的车辆，可以使驾驶员不再像驾驶手动变速器汽车那样频繁地使用离合器踏板，且具有操纵简单、起步平稳、乘坐舒适性好等许多优点。

目前，小型电动汽车多采用固定速比的单挡减速器，这种传动方式结构简单、制造成本低。但是，采用固定速比的单挡减速器不利于驱动电机发挥最大效率，同时可能在高速区时有噪声，并且容易使驱动电机产生大量热量，以及对减速器本身的齿轮副加工要求高。为了保证汽车的最高车速，减速器速比往往选择得比较小，这就使牵引电机长期处于高转矩大电流的工作状态下，电机效率比较低，从而使续驶里程减小。而装配了自动变速器则可以通过较少改变电机的工作转速、转矩来适应整车的动力性、经济性要求，大大提高效率和节约能源，增加续驶里程，并且还可以在低速挡增大爬坡能力。

2 电动汽车自动变速器分类

电动汽车使用电机取代了传统燃油车中的汽、柴油发动机，但就传动系统而言是通用的，目前国际上自动变速器主要有以下4种：液力机械式自动变速器（Automatic Transmission，AT）、电控机械式自动变速器（Automated Mechanical Transmission，AMT ）、机械无级式自动变速器（Continuously Variable Transmission，CVT）、双离合器式自动变速（Dual Clutch Transmission，DCT）。

AT由液力变矩器、行星齿轮箱和电液控制系统组成。这种自动变速技术在沃尔沃混合动力版垃圾处理车FE和日野混合动力大巴Selega上有所应用。其换挡平稳，操纵容易，在一定范围内有无级变速、变矩的能力，对负载变化有较好适应性，但是传动效率较低，经济性较差，机构复杂，设计、制造困难，成本较高。

AMT是在传统固定轴式变速器的基础上加装电控单元及相应的执行机构构成的。对传统手动变速器改动较小，成本低，能传递较大转矩，传动效率高，冷却、润滑方式简单，油液污染少，但是换挡过程中难以避免会产生冲击和动力中断，控制方法需要进一步改进。典型的车型有中通客车V10K，苏州金龙海格KLQ6129GHEV，奥运会纯电动客车，福田欧辉纯电动城市客车 BJ6123。

CVT结构简单、体积小，主要由主动轮组、从动轮组和金属带组成，通过主、从动轮中可动盘的移动来改变主、从动轮与金属带的啮合半径，从而实现变速机构传动比的连续变化，实现无级变速。CVT在混合动力汽车上得到了广泛应用，代表车型有日产公司的TINO、本田公司的CIVIC以及INSIGHT等。但CVT能够传递的转矩有限，故目前多用在中、小排量的乘用车上。

DCT基于手动变速箱基础之上。而与手动变速箱所不同的是，DCT中的两幅离合器与二根输入轴相连，换挡和离合操作都是通过集成电子和液压元件的机械电子模块来实现，即这种变速箱形式就有两个离合器，一个控制奇数挡，一个控制偶数挡。交替使用，换挡时间大大缩短。

3 电动汽车自动变速器关键技术

3.1 电动汽车的换挡规律

根据控制参数的不同可以分为单参数换挡规律，双参数换挡规律以及动态三参数换挡规律。汽车用单参数换挡规律一般选择相对稳定的车速作为控制参数，二参数换挡规律克服了单参数换挡规律的缺点，其控制参数类型有车速与油门开度、液力变矩器泵轮转速与涡轮转速、车速与发动机转矩等，但当前采用最多的形式仍为车速与油门开度。葛安林将更能反映车辆实际工作状态的重要动态参数——加速度引入换挡控制，形成动态三参数换挡规律。

以制定方法为分类依据的换挡规律，使用得较多的一类是在选定换挡控制参数之后，按照某些性能指标最优的原则求换挡规律，根据制定方法的不同还可以分为动力性换挡规律，经济性换挡规律;另一類则是利用优秀驾驶员的驾驶经验及领域专家的知识形成智能换挡控制规则。

李伟等提出了基于最佳效率的换挡规律优化方法并制定了最佳效率换挡规律，同时与最佳动力性换挡规律进行性能比较，着重研究基于电机效率的换挡规律优化方法，制定了换挡规律;晏伟清按照燃油汽车换挡规律制定方法根据驱动电机的效率建立了传统的双参数换挡规律，并在静态换挡规律的基础上进行动态换挡规律的制定及修正。

3.2 换挡过程控制策略

换挡品质是指在保证汽车动力性与动力传动系统寿命的前提下，能够迅速而平稳换挡的程度，集中体现为舒适性。换挡品质的评价指标主要有滑磨功，冲击度，换挡时间，这几个评价指标相互制约，如果追求换挡时间短，则会造成冲击度大，如果想要降低冲击度，则又会造成滑磨功增大，因此需要对这几个量进行综合控制，以达到最佳的换挡品质。

对于电动汽车换挡过程，主要研究电机和变速器的协调控制，常采用建模仿真与台架或实车试验相结合的方法，首先建立电机，发动机，自动变速器的数学模型，然后将控制过程中的影响因素作为仿真参数，按设定的目标进行仿真计算，最后通过试验对仿真结果进行验证。任刚分析了直流有刷电机驱动的AMT换挡过程中离合器结合过程的控制算法对换挡品质的影响，提出了一种以发动机主从动轮的转速差、发动机输出扭矩为基础的离合器控制策略。柴本本等针对换挡过程不同阶段同步器动力学模型的复杂性和不确定性，提出了一种最优控制策略对驱动电机转矩进行反馈补偿和采用非线性时间最优控制对换挡电机进行位置控制，以优化整个换挡过程。

3.3 传动比优化方法

电动汽车传动比的优化方法主要是根据优化的目标，利用一些算法进行优化。常用的算法有粒子群算法，遗传算法，最优控制等算法。杨耀先等针对整车传动系统速比选择和优化的问题，提出了一种基于粒子群优化算法的速比优化设计方法。张抗抗等采用多目标遗传算法对优化问题进行求解，提出一种基于多目标优化的纯电动车动力系统的参数匹配方法。方圣楠等通过动力学建模与仿真，对基于最优控制的变速器换挡控制进行分析和优化，对普通分段控制方法和最优控制方法进行对比。

3.4 纯数字仿真与硬件在环仿真开发技术

自动变速器开发过程中，有两种仿真方式：纯数字仿真与硬件在环仿真。此外，很多软件公司也在不断开发适应于不同领域的高集成度模块，方便用户开展建模和仿真工作。仿真技术可以减小电动车开发的成本，提高开发效率，通过仿真和分析，可为电动汽车的参数选择以及结构优化提供依据。对于纯数字仿真软件主要有MATLAB、ADVISOR和CRUISE等。

陈刚等针对纯电动汽车存在的技术瓶颈，以动力性能指标和续驶里程为设计目标，对增程式电动汽车动力参数进行计算匹配，基于ADVISOR和MATLAB/Simulink联合仿真平台建立整车仿真模型，选用包括城市道路行驶和市郊道路行驶的ECE_EUDC车辆行驶循环工况，对匹配后的动力系统进行了动力性、排放性和续驶里程的仿真分析。结果表明增程式电动汽车动力系统参数匹配合理。张强等通过Optimum Lap进行赛道建模和试验工况设定，利用AVL CRUISE对赛车进行动力性能仿真分析，验证了驱动电机，动力电池，传动系统，驱动半轴等设计的合理性，得到了赛车动力性与经济性的关系图。

与纯数字仿真开发模式相比，HiLs开发模式可以实时观测系统中硬件的动作情况，更贴近于实车环境。目前，应用较为广泛的有基于xPC和dSPACE平台等开发模式。

王悦新等采用时下流行的V型开发流程，基于dSPACE开发出电子驻车常规控制和智能控制系统，并针对电子驻车系统进行半实物仿真。结果显示系统可以全面准确地进行电子驻车控制，提高车辆行驶安全性。张新等利用MATLAB/Simulink进行串联混合动力整车控制主要策略的建模仿真，并在MicroAutoBox上进行策略模型的基本验证，利用TargetLink工具生成16位单片机为核心的产品级代码，下载到设计开发的整车控制器中进行整车控制器（VCU）的硬件在环以及装车的验证，后期在样车上进行关键参数的标定，完成了混合动力客车整车控制器的开发。

4 电动汽车自动变速器发展趋势

在今后几年的发展中，纯电动汽车传动系统多挡化将会越来越普及，采用多挡变速器，可以降低整车油耗并且降低了对电机参数的选取，而且还可以使电机工作在高效区域，增加电动汽车的续驶里程;控制策略更加智能化，自动变速控制系统将向综合考虑驾驶员意图（主动干预）、车辆状态（包括运动状态和装载/乘员质量的变化等）、以及道路环境（如坡度、弯道、路面附着条件、周围车辆和行人状态等）等多种因素在内的更加人性化和智能化的方向发展，模糊控制、最优控制、鲁棒控制以及神经网络控制等先进理论越来越多应用于自动变速器，使控制更加精确;在传统自动变速器的基础上，通过优化换挡规律和变速器结构，使电动汽车获得更佳的性能。

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基金项目：西华大学研究生创新基金项目“电动汽车驱动电机与变速器换挡控制技术研究”（编号：ycjj2018099）。

作者简介：陈桥松（1994—），男，四川南充人，硕士研究生，研究方向：电动汽车动力传动系统控制技术。

（作者单位：西华大学汽车与交通学院）