电动客车AMT技术研究

纯电动客车自动变速(AMT)换档控制技术王雷席军强(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)摘要:分析纯电动客车动力传动系统特点和纯电动客车自动变速(AMT)的控制难点。提出AMT选位、换档电机和换档过程调速的控制方式。实车实验表明，PID和预测控制缩短换档过程的时间，提高纯电动客车平顺性。关键词：纯电动客车、AMT、控制技术中国分类号:U463.212文献标识码:AControltechnologyonautomatictransmission(AMT)ofpureelectricvehicleWANGLeiXIJun-qiang(SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,BeiJingInstituteofTechnology,BeiJing100081,China)Abstract:Analysisonthepowertrainfeaturesofpureelectricvehiclesandcontroldifficultiesofautomatictransmission(AMT)onpureelectricvehicles.Proposecontrolmodeonselectingpositionmotor,shiftinggearsmotorandadjustingspeedduringtheprocessofshiftinggears.RealvehicleexperimentsshowthatPIDcontrolandpredictioncontrolcanshortenthetimeoftheprocessofshiftinggears.Keywords:pureelectricvehicle,AMT,controltechnology1前言随着现在的能源的短缺和石油的价格上涨,汽车作为石油的主要消耗者,为了解决这个问题世界各国都在寻找一种可再生的清洁能源作为一种替代能源。由于电动机的工作范围非常宽（0——4500r/min）,电机的特性是在低速时恒扭矩,高速时恒功率,非常适合车辆运行的需求。虽然电机特性对车辆很好，但车辆起步和爬坡时需要很大的扭矩，而且要保证车辆对高速的需求和提高电机的效率，所以电动客车都必须选配变速器。然而自动变速在提高车辆的安全性和舒适性方面有许多的优点，是车辆变速的发展趋势。现在自动变速主要有CVT、DCT、AT、AMT等等，因为自动变速（AMT）是一种很有发展前景的技术，具有成本低，效率高，体积小，安装方便等优点。由于AMT是在原有的变速箱加上电子控制装置，非常适合我国的国情；纯电动客车是采用底地板空间有限；再者必须保证纯电动客车的续驶里程。所以自动变速（AMT）是非常适合纯电电动客车，它与电动机组成动力传动系统更能发挥纯电动客车的性能。2纯电动客车动力传动系统纯电动客车电机与变速箱通过花键相连，中间没有安装传统汽车的离合器。装上自动变速AMT系统，变速箱为三档变速箱，各档的传动比为4.466、2.47、1.49，相邻两个档位转动比相差较大，这就引起换档过程调速控制的困难。自动变速AMT系统执行机构为了和车上低压供电系统相匹配，同时减少成本，采用24无刷直流电机。通过分析计算换档和选位时力矩，采用行星齿轮作为减速增扭机构，减小了执行机构的体积，这就引起换档过程对执行控制的困难。纯电动客车的动力传动系统的工作原理如图1。由于换档对车辆的平顺性有很大影响[1]，所以只有自动变速系统AMT换档过程控制准确，才能保证整车的舒适性和平顺性。电机控制器AMT控制器换档位移传感器选位位移传感器操纵手柄输出轴转速选位电机换档电机CAN通信传输制动信号、油门信号、电机转发送控制命令（力矩、调速、自由)发送接收发送接收3纯电动客车AMT换档控制纯电动客车动力传动系统无离合器，为了充分发挥电机的效率,换档点都设在电机图1的高效区,电机的高效率区转速都比较高,所以自动变速系统AMT换档过程控制必须准确，否则将会对动力系统造成损伤，影响自动变速系统各机构的寿命和车辆的舒适性、平顺性。纯电动客车换档控制过程如图2。目标档位给电机自由模式等电机回应摘空档(Tx是否达到目标值)计算调速目标(每10ms刷新)给电机调速指令等电机回应选位(Sl是否达到目标值)给电机自由模式给电机力矩模式等电机回应挂档(Tx是否达到目标值)A结束开始AyesyesyesyesyesyesNoNoNoNoNoNo判断啮合齿轮是否同步NOYes3．1换档和选位电机的控制电机驱动式AMT执行机构与气动和液压式AMT的执行机构不同,因为气动和液压可以通过设计换档执行机构保证需要的位置,而纯电动客车电机驱动式AMT对执行机构驱动电机控制是通过给电机PWM来控制电机的力矩,如果电机的力矩在需要的位置过大,因为电机有惯性就超出需要位置,过小则不能克服阻力所产生的力矩,不能到达需要的位置,特别是摘空档和选位，当摘空档位置不准确时,就进行选位就会使系统的机构受到损伤；当选位不准就会造成挂不上档和挂错档;在挂档时,在接近同步器时如果力矩过大,就会强行的挂档,使换档过程恶化,换档不柔和。所以保证换档和选位的位置的准确，换档过程柔和，利用换档和选位位移传感器的反馈作闭环控制[2],运用经典PID控制算法PD输入位移e(t)与输出控制电机力矩的PWM的U(t)关系为:U(t)=Kpe(t)+Kdde(t)/dt其中Kd,KP为控制器的微分系数，比例系数进行数字离算后输入与输出的关系为:U(k)=Kpe(k)+Kd[e(k)-e(k-1)]式中e(k)为当前选位(换档)传感器的值与目标值的偏差在控制换档和选位电机通过PD的框图如图3，通过PD运算能够保证换档位置准确，保证换档过程柔和快速。选位角位移传感器的值变速箱换档角位移传感器的值目标档位目标值Tx_aimSl_aim控制器PD运算e(k)U(k)换档执行机构换档执行机构e(k)．当选位和换档的传感器值达到目标值，（在通过传动比的判断进一步确信档位挂上，）挂实的基础上，PD算法的输出PWM就会为零，给换档电机断电。3．2换档过程的调速控制驾驶员在换档时，为了快速换档，在换档其间对发动机的加速踏板进行控制。由于AMT在原理上和驾驶员驾驶一样，纯电动客车AMT在换档过程必须进行调速，如果调速不当两对将要啮合齿轮速度不相等，通过换档电机增加力矩挂档，将会造成同步器磨损和齿轮的撞击，影响AMT系统的寿命，使车辆的换档品质恶化，影响车辆的舒适性。同时由于纯电动客车无离合器，档位被强行挂上如果电机的转速很高，由于瞬间电机的力矩不够，速度会急剧下降，使电机的效率降低，车辆的舒适性也受到影响；当车速很高时电机的速度底时，车辆就会反托电机转，对电机造成损伤。所以换档过程对电机进行调速能减少换档的时间，换档过程平顺，使动力传动系统工作良好是非常必要的。调速目标值是AMT通过输出轴转速计算出，然后通过CAN总线发给电机控制器调速命令和调速值。调速目标值关系到换档过程的总时间（特别是动力中断的时间的长短），同步器的快速接合、换档的平顺性和影响车辆的舒适性。所以对目标转速计算很重要，为了保证换档的平顺性，为此我们主要控制流程原理4。为了减少调速的时间，目标转速的计算采取预测控制，通过检测输出轴转速速差值和目前的转速给出调速的目标值，这样提前达到因为动力的中断在电机调速期间而引图2图3起的转速变化，快速使将要啮合齿轮的同步。关于目标值的计算：naim=n2*gb+Kp[n2(k-1)-n2(k-2)]其中式中：naim为调速目标转速，gb为目标转速，n2为输出轴的转速，Kp为比例系数（与加速踏板的开度和电机转速有关）AMT控制器电机控制器输出轴转速判断是否同步等待调速同步换挡电机的转速信号计算调速目标值(n2的差值和目前的转速)否是4实验分析由于1档和2档之间的传动比之比为1.8，所以调速不当，挂档非常困难，甚至挂不上档。2档和3档传动比之比为1.66，当调速不匹配或者不调速时,加大换挡电机的力矩换挡时对同步器造成损伤，影响同步器的寿命。通过上述控制方式，进行实车试验，下图5是在行车过程中所采集的数据,从图5可以看出最短时间为3档降2档时间1.13s,最长时间为2档升3档过程为1.4s，因为电机的降速较慢同时在2档升3档时电机的转速较高、车速较高,根据调速计算调速的目标值较大,故电机要调到换档的目标值需要的时间较长,同降档相比长了200ms。图6（把图5在换档过程中细化）是3档降2档整个过程，从图6可以看出时间分配为：摘空档270ms,调速310ms,选位为200ms,换档为550ms(其中调速是从选位开始的，为等同步用了100ms)。上述自动换档同驾驶员手动换挡,大大的缩短换挡的时间,提高了车辆的舒适性和经济性。5结束语电动客车自动变速AMT技术，处于试验阶段，通过实车实验，运用PID控制达到换档位置准确，换档快速，通过预测控制到达换档过程中调速快，换档平稳。这样对缩短整个换档过程时间非常有利，同时减少换档的冲击和同步器的磨损，提高了车辆的平顺性、舒适性。同时动力中断时间短，提高车辆的经济性，增加纯电动客车的续驶里程，适合车辆行驶的要求。同时上述控制方式对其他形式动力系统装AMT系统有借鉴意义。05010015020025030001234ga05001000150020002500300035004000ne5001000150020002500n20100200300400500600700800900t(s)Tx250300350400450500550sl0.00.20.40.60.81.01.21.401234tga1000120014001600180020002200ne690700710720730740750n2300400500600700800900Tx250300350400450500550Sl参考文献：[1]丁化华荣.车辆自动换档.北京:北京理工大学出版社,1992[2]肖志增.纯电动客车换档规律研究.北京:北京理工大学硕士论文,2006(7)ne—电机的车速n2—输出轴转速Tx—换档位移传感器的值Sl—选位传感器的值ga—目前档位其中Tx,Sl的值最小为0最大为1024图4图5图6nim\rnim\rt(s)nim\rnim\r