摘要：通過ADVISOR軟件環(huán)境下建立了電機控制、換擋控制等模型，針對提升新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的動力性能和工作效率，結(jié)合驅(qū)動電機精準(zhǔn)調(diào)速調(diào)矩的控制特性，從電機和變速箱綜合控制環(huán)節(jié)提出基于輸出扭矩動力總成傳動系統(tǒng)的觀點，并進(jìn)行仿真和實驗加以驗證。

1引言

電動汽車用電機的控制在平直路面基本可以滿足車輛的運行要求。某些特殊工況難以應(yīng)付，如：車輛下坡電機負(fù)載很小接近于零，再施加加速信號可能帶來安全隱患，須使轉(zhuǎn)速在一個較寬工作領(lǐng)域連續(xù)可調(diào)；瞬間啟動需要較大的轉(zhuǎn)矩，易使永磁電機退磁，可通過變速機構(gòu)通過增大轉(zhuǎn)速比提高輸出轉(zhuǎn)矩。文中是將變速箱作為輸出扭矩和電機轉(zhuǎn)速的綜合協(xié)調(diào)部件，整個動力系統(tǒng)包括：電機控制系統(tǒng)、變速箱控制系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)和一些功能子模塊。

2系統(tǒng)設(shè)計方案和模型建立

動力總成傳動系統(tǒng)在永磁同步電機矢量調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝機械式自動變速器（AMT），通過一整套電控執(zhí)行單元優(yōu)化提升車輛動力性能，如圖1所示。電控單元（TCU）作為整個變速箱控制核心，純電動汽車的選換擋機構(gòu)中取消了離合控制，控制單元需要采集加速、制動踏板信號，并和換擋單元、電機控制模塊進(jìn)行通信，同時還集成整車控制器（EVCU）的功能。

通過ADVISOR軟件進(jìn)行電動汽車模型仿真，如圖2所示。由電機直驅(qū)方式加入變速器模型構(gòu)成新型總成仿真模型，并進(jìn)行仿真研究。

電動汽車仿真模型中動力總成模型進(jìn)行調(diào)整之后，變速箱的選換擋電機的端電壓作為輸入量，把電機的轉(zhuǎn)動速度作為輸出量，進(jìn)行推導(dǎo)并建立選換擋傳遞函數(shù)：圖3所示為兩檔變速箱仿真模型。

變速換擋時，驅(qū)動電機的電流環(huán)工作狀態(tài)，通過速度、轉(zhuǎn)矩兩參數(shù)調(diào)節(jié)的方法來完成換擋控制。傳統(tǒng)的扭矩控制理論主要有以下兩種：（1）直接把扭矩降到零；（2）降扭過程有曲線過渡平滑的降到零。本文采用的降扭控制策略，換擋之前計算需求扭矩，再結(jié)合降扭曲線到達(dá)預(yù)定值，如圖4所示。

需求扭矩Te取決于加速踏板Acc、制動踏板信號Bra、檔位信號Ks、車速Vcar、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速Vmotor、電池組電壓水平U、電流大小I、電池負(fù)荷Qs等參量。

扭矩函數(shù)式可以拆解成駕駛期望速度函數(shù)式Vexp和需求扭矩函數(shù)式Teneed：

驅(qū)動電機控制采用的是內(nèi)嵌式永磁電機電流、速度閉環(huán)矢量控制。矢量控制的實質(zhì)就是建立的旋轉(zhuǎn)磁場和定子的磁場要相同步，其兩者相位角關(guān)系滿足：定子磁場滯后旋轉(zhuǎn)磁場π/2。從驅(qū)動電機的傳感器獲得信號反饋，計算PWM信號占空比，最終實現(xiàn)控制算法。永磁電機的有感調(diào)速方法基礎(chǔ)上提出變頻調(diào)速的方法提高驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩。假令控制周期時間為2T，對應(yīng)的波形函數(shù)f（x），進(jìn)行傅里葉展開研究其電流的諧波，為了簡化計算令f（x）是偶函數(shù)。

    上式中

    f（x）是偶函數(shù)

上式中，dpwm為直流分量且和占空比線性相關(guān)這也是產(chǎn)生電機扭矩的主要的電壓部分。其余諧波正弦分布，fsw為PWM的頻率，諧波的頻率滿足fsw的整數(shù)倍，諧波頻率隨基頻變化。電機屬于感性負(fù)載，電感電流特性為：通直阻交、通低頻阻高頻。越高次諧波頻率較高，電感效應(yīng)明顯。電機控制過程PWM頻率適當(dāng)降低從而降低諧波頻率，系統(tǒng)諧波分量變大，電機輸出扭矩平均值增大。利用諧波扭矩的控制策略特別適合在電機低速時增大輸出轉(zhuǎn)矩，提升電動汽車動力總成系統(tǒng)的動力性能。

3系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

如圖5所示，兩檔變速箱變比3:1，在選換擋電機模型中，部分參數(shù)取值情況如下:電樞電感L=0.8mH；電樞電阻R=0.5Ω；轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt=0.05N·m/A；轉(zhuǎn)動慣量J=0.2g·m2；反電勢常數(shù)Ke=0.05v·s/rad。設(shè)定電機額定轉(zhuǎn)速為700r/min，驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩峰值為25N·m，會分別對選檔信號、換擋信號、輸出轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩進(jìn)行跟蹤。結(jié)合傳遞函數(shù)可知：

 圖6所示分別反映的是選檔電機、換擋電機的工作情況，在縱坐標(biāo)數(shù)值2.5處虛線表示，絲桿運動的歸中點，實線表示直流電機目標(biāo)位置，虛線表示選換擋電機動作的實際位置，開始階段換擋機構(gòu)處在空擋位置，0.25S處入一檔，完成進(jìn)檔后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩提升，達(dá)到換擋點時，一檔進(jìn)入二擋。換擋過程驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩降到需求轉(zhuǎn)矩，換擋成功后，再次提升轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，動力總成的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到要求值，此時電機穩(wěn)定運行。

對電機矢量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從得到的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形，如圖7所示，可以大致看出電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動不大，響應(yīng)速度快，非常靈敏而且波動很小，整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運行。

4臺架實驗和數(shù)據(jù)分析

實驗臺架主要結(jié)構(gòu)見圖8。整個實驗臺架耗能較低，可以按照設(shè)定的程序進(jìn)行加載動作，記錄變速器的輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，效率曲線等。①大功率散熱鼓風(fēng)機；②高效內(nèi)嵌式永磁同步電機；③集成選換擋機構(gòu)的國產(chǎn)法士特變速箱；④傳動軸；⑤扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器集成箱為驗證傳動系統(tǒng)電機調(diào)速和基于扭矩的換擋控制策略，實驗臺架主要工作：選換擋測試、通信測試、效率測試，監(jiān)控動力總成系統(tǒng)從起步到穩(wěn)定速度勻速運行過程，變速箱控制器和電機控制器之間通過CAN通信協(xié)同工作，并且并生成相應(yīng)的數(shù)表。

測試系統(tǒng)主要參數(shù)：變速器總成輸入扭矩范圍0-200Nm；扭矩測量精度±0.05%FS、輸出信號頻率60±30KHz、變速器輸入轉(zhuǎn)速范圍0-6500rpm、轉(zhuǎn)速傳感器精度±1rpm、變速比參考變速箱銘牌（1檔3.816、2檔2.15）、驅(qū)動電機（額定功率16KW、最大轉(zhuǎn)矩180Nm、額定轉(zhuǎn)速1800rpm、最高轉(zhuǎn)速6000rpm）。電機額定轉(zhuǎn)速為1800rpm，變速箱的變速比為1檔3.816、2檔2.15，進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速換算可知一檔時電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時輸出轉(zhuǎn)速大概在470rpm，二擋時電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時輸出轉(zhuǎn)速約為837rpm。將目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000rpm，在動力總成的提速踏板開度方式恒定，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速前，對應(yīng)不同的車速，分別對一檔、二擋、加入換擋控制三種情況繪制效率曲線。

如圖9所示，連續(xù)的自動換擋工作曲線表明系統(tǒng)能夠正常工作，單獨某一擋位下的效率曲線在超出合理轉(zhuǎn)速工作區(qū)后明顯下降，采用本文控制策略的系統(tǒng)效率比單一某擋位工作的效率要高，而且高效率工作區(qū)明顯較大。

5結(jié)語

本研究完成了對基于扭矩的純電動汽車動力總成傳動系統(tǒng)仿真和臺架實驗。永磁同步電機在矢量閉環(huán)控制算法下，對電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相電流進(jìn)行跟蹤，又利用ADVISOR軟件把汽車模型進(jìn)行調(diào)整分析；根據(jù)臺架實驗數(shù)據(jù)得出動力總成效率曲線，驗證了動力總成系統(tǒng)控制方案對于動能傳遞，能量管理，增加續(xù)航里程有重要意義。