电动汽车换挡规律设计与仿真.pdf

图 1 驱动电机驱动特性图 2 驱动电机发电特性摘要院本文针对配置三挡自动变速器的电动汽车袁设计了驱动电机的负荷特性及动力性换挡规律遥 对设计的换挡规律利用 Matlab 仿真技术进行了动力性加减速换挡和基于循环工况的换挡道路适应性仿真验证遥 仿真结果表明袁所设计的换挡策略可适应道路工况使用要求袁并可作为实现经济性优化的基础遥关键词院电动汽车曰自动变速器曰换挡规律曰仿真引言电机具有零转速起步袁可无级变速尧转速范围广和连续扭矩输出等特点袁 因此电动汽车通常采用驱动电机直驱的方式遥 但不增设变速器的电动汽车在起步尧高速巡航和坡道起步等方面袁性能会存在劣势1遥 对于需求扭矩较大的电动商用车袁反而可以通过增加变速器大大降低电机的峰值扭矩需求袁降低驱动系统成本袁并达到更优的动力性和经济性遥 换挡控制策略的制定是实现变速器和整车控制相匹配的关键袁基于此目的袁本文进行了电动汽车换挡控制策略设计和仿真研究遥研究基础本文以一款配备三挡自动变速器的 8.5m 电动商用车为例展开研究袁车辆的基本参数见表 1遥换挡规律设计1.驱动电机的特性云图(map)及外特性经匹配袁 驱动电机的参数选择为额定功率48kW袁峰值功率为 85kW袁峰值扭矩 600N 窑 m遥 最高转速 3000r/min遥 驱动电机的驱动和发电效率及外特性袁分别见图 1 和图 2袁其中 map 图临界线为电机的外特性曲线遥2.负荷特性设计和燃油车一样袁 电动车也是通过整车控制器感知加速踏板开度进行扭矩控制输出袁 只是驱动电机可以从零转速开始输出扭矩遥 不过袁动力源输电动汽车换挡规律设计与仿真吕志榕表 1 车辆基本参数知识长廊51图 4 不同挡位的加速能力图解出扭矩 贼m同样可由加速踏板开度 琢 和驱动电机转速 nm来确定袁同时为了防止过于敏感袁加速踏板可预留一段自由行程 琢驻袁踏板开度大于 琢驻时袁输出扭矩应满足克服行进中阻力之和 tres渊假设道路坡度为 0冤袁以上可用式组渊1冤进行表达2遥通过式渊1冤并结合图 1 中电机的特性数据可绘制出电机的负荷特性图袁见图 3遥3.换挡规律设计目前常用的换挡规律是基于两参数换挡袁即根据当前加速踏板开度和车速确定换挡时机遥 换挡规律按照目标划分袁 可分为动力性换挡规律和经济性换挡规律遥 本文以动力性为目标设计换挡规律袁 动力性换挡规律是以最小加速时间为目标来确定不同挡位的切换时机遥 由汽车理论可知3袁电机转速和车速存在固有的数学关系见式渊2冤袁车辆行驶过程中的阻力可简化为式渊3冤袁因此结合式组渊1冤袁不同挡位下的加速度尧加速踏板开度与车速的关系可表示为式渊4冤遥其中引入参数袁怎 为车辆车速袁茁 为道路坡度角度袁早为重力加速度常数遥结合式渊4冤并利用图渊3冤电机负荷特性中有关数据袁采用图解法袁利用 酝atlab 工具可绘制出不同挡位尧 不同加速踏板开度下的车辆加速性能曲线袁见图 44袁其中图线簇从左至右分别为 1尧2尧3挡的加速度曲线袁每个挡位中袁从上至下加速踏板开度逐渐减小遥图 3 电机的负荷特性知识长廊52图 6 动力性仿真模型图 5 动力性换挡规律仿真研究1.动力性仿真验证在完成换挡规律的制定后袁 需要将换挡控制策略移植到整车模型中进行验证袁 建立电动汽车动力性仿真模型6见图 6袁换挡控制策略模型7见图7遥 设定仿真时间 100s袁在 Driver_pedal 模型中袁设置加速踏板和制动踏板信号袁 使车辆进行先加速再减速仿真袁验证所设计的升挡和降挡控制策略袁结果如图 8遥 从仿真结果可得出袁车辆从 0 车速加速到最高车速渊限速 70km/h冤再减速至 0 车速的过程中袁 变速器可良好的按照设计的换挡规律进行换挡遥 另外可根据仿真结果得出车辆满载状态下袁0耀50 km/h 全负荷加速时间为 23s袁 最大爬坡度为14%遥知识长廊根据图 4 所求袁将其转化为加速踏板开度和当前车速所决定的升挡规律5袁并设定合理的降挡速差袁可得出车辆的换挡规律袁绘制完毕后的车辆动力性换挡规律见图 5遥532.循环工况仿真研究除了进行动力性仿真外袁 为了进一步验证所设计的换挡控制策略袁还应结合循环工况袁进行换挡工况适应性验证和循环工况下的经济性分析8遥进行循环工况仿真袁需要对图 6 中的仿真模型进行改进袁 一是要增加循环工况模型和驾驶员模型完成工况循环袁 二是需要增加电机和电池的功率和效率模型完成整车的功率限制和电耗统计遥改进封装后的循环工况仿真模型见图 9遥知识长廊图 8 车辆加减速过程中挡位变化图 9 循环工况仿真模型图 7 换挡控制策略模型54知识长廊对图 9 中模型进行仿真袁 工况选择为中国城市典型公交工况渊C-UDC冤9,单个循环工况下的挡位切换结果见图 10遥从图 10 中可以看出袁车辆可以按照设计的换挡策略完整地完成整个循环工况袁 并且单个循环工况过程中袁升挡 16 次袁降挡 16 次袁频繁度较小遥此外袁整个循环过程中袁可统计出电机的工作效率见图 11遥从图 11 中可以看出袁 在变速箱的作用下袁电机可以更多地在较高转速工作袁 拓宽了电机的高效区工作范围袁 查看仿真结果可得出百公里折算电耗为 65.6L/100km遥 但是由于本文是基于动力性设计的换挡规律袁因此袁牺牲一部分动力性袁进一步优化换挡控制策略袁 整车经济性还有很大的优化空间10遥结论本文以 8.5m 商用车为例设计了三挡自动变速器的换挡规律袁 详细描述了其设计思想和设计方法遥 利用 Matlab 仿真技术袁对设计的换挡控制策略进行了动力性和循环工况下的适应性仿真验证遥结果表明袁所设计的换挡规律可以满足在道路工况下使用袁 并且为下一步优化整车的燃油经济性提供了基础遥（作者单位：厦门市福工动力技术有限公司）参考文献12345678910图 10 循环工况下加速踏板开度和挡位变化图 11 循环工况下电机的驱动和发电效率陈全世，朱家链，田光宇.先进电动汽车技术M.北京：化学工业出版社，2018.刘拂晓，赵韩，江昊.纯电动汽车 AMT 换挡规律及仿真研究J.合肥工业大学学报.2013，36（11）：1281-1284+1363.余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社（第五版），2009.刘代志，李翔晟，成岳华，刘建泽.基于四参数的 AMT车辆动力性换档规律研究J.计算机仿真.2015，32（10）：186-189.高玮，邹渊，孙逢春.纯电动公交车 AMT 双参数换挡最优控制J.汽车工程，2016，38（03）：344-349.张功学，叶东.满载汽车动力学模型及仿真J.华侨大学学报，2017，38（01）：1-6.张威.Stateflow 逻辑系统建模M.西安：西安电子科技大学出版社.詹森，秦大同，曾育平.基于多循环工况的混合动力汽车参数优化研究J.汽车工程，2016，38（08）：922-928.杨阳.基于西高新循环工况的纯电动城市客车动力系统匹配设计及仿真研究D.西安：长安大学.2015.胡东坡.纯电动汽车两挡机械变速器效率分析及考虑工况和变速器效率的换挡策略D.重庆：重庆大学，2016.55