第46卷
第2期
2019年2月
湖南大学学报（自然科学版）
Journal of Hunan University （Natural Sciences ）
电动汽车电机Vol.46，No.2
Feb.2019
DOI:10.16339/jki.hdxbzkb.2019.02.002
文章编号：1674—2974（2019）02—0010—09收稿日期：2018-05-18
基金项目：国家科技支撑计划资助项目（2013BAG14B00），National Key Technology Research and Development Program of China （2013BAG14B00）
作者简介：肖力军（1975—），男，湖南邵阳人，湖南大学博士研究生†通讯联系人，E-mail ：bangjizhang@hnu.edu
*
两挡AMT 纯电动汽车换挡协调控制及试验研究
肖力军1，王明1，钟志华1，张邦基1†，徐卫东2
（1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙410082；
2.湘电莱特电气有限公司，湖南湘潭411100）
摘要：为提高两档AMT 纯电动汽车的换挡平顺性及减少换挡时间，建立了详细的纯电
切换的控制策略进行电机调速.最后搭建纯电动汽车传动系统试验台架，对升挡和降挡过程中换挡协调控制策略进行仿真分析与试验验证.仿真结果显示:0~100km/h 全加速的升挡时间为0.5s ，纵向冲击度在8.0
m/s 3以内，NEDC 市区工况升降挡时间均在0.6s 以内，最大冲击度未超过7.8m/s 3；试验结果显示：驱动电机在固定转速下的升降挡时间分别为0.6s 和0.8s ，输出轴转速变化平滑.传统AMT 车辆的换挡时间为0.8~1.0s ，上述结果表明该换挡综合协调
控制策略能够实现快速、
平稳换挡.关键词：电动汽车；两档AMT ；换挡平顺性；综合协调控制策略；试验验证中图分类号:U463.212
文献标志码:A
Coordinated Shift Control and Experimental Study of Two-speed AMT for Pure Electric Vehicle
XIAO Lijun 1，WANG Ming 1，ZHONG Zhihua 1，ZHANG Bangji 1†，XU Weidong 2
（1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body ，Hunan University ，Changsha 410082，China ；
2.XEMC Light Electric Co LTD ，Xiangtan 411100，China ）
Abstract:In order to improve the shifting smoothness and to reduce the shifting time of the two-speed Auto -
mated Manual Transmission （AMT ）equipped on the pure electric vehicle ，the mathematical model of the powertrain system was developed ，and the comprehensive coordinated control strategies in which the motor participates in the
shifting process were designed.The motor torque control law of torque phase was derived from the maximum allow -able shift impact ，and the PID and finite state switching control strategy were adopted to regulate motor speed during the inertia phase.Additionally ，a test rig of the pure electric vehicle transmission system was built for the up-shift and down-shift test.The simulation results show that the up-shift time of 0~100km/h full acceleration is 0.5s ，the
longitudinal impact is within 8.0m/s 3，and the up-shift and down-shift time in the NEDC urban conditions are both
within 0.6s ，and the maximum impact does not exceed 7.8m/s 3.The test results show that the up-shift and down-
shift time is0.6s and0.8s，respectively，which is in the condition that the drive motor under fixed speed control，and the output shaft speed changes smoothly.Because the shift time of the traditional AMT vehicle is0.8~1.0s，the above results show that the comprehensive coordination shift control strategy can achieve fast and smooth shifting.
Key words:electric vehicles；two-speed AMT；shifting smoothness；coordinated shift control strategy；experi-mental verification
新能源汽车产业是国家重大战略布局，纯电动汽车是新能源汽车的主要发展方向之一[1-2].目前纯电动汽车大多采用的直驱方式存在能耗过高等问题，而多挡化能够有效利用驱动电机的高效工作区间、降低整车能耗[3-4].电机的高效区远大于内燃机，因此挡位过多并不能对经济性有大幅度改善，且会增加控制难度和开发成本.因此，搭载具有传动效率高、可靠性好和开发成本低等优势的两挡AMT(Au-tomated Manual Transmission)，是纯电动汽车产业的重要发展方向.但两档AMT存在换挡平顺性不佳，动力中断时间长等问题.
近年来，AMT在纯电动汽车上的应用成为国内外研究热点.文献[5-6]分析了两挡I-AMT在纯电动汽车上的应用，通过同步器和离合器的组合或离心式离合器和干式离合器的协调控制完成换挡；文献[7]提出一种无动力中断两挡变速器，设计三种无动力中断换挡控制策略，仿真对比验证了不同控制策略的优劣.文献
[8]在单行星排结构基础上通过干式离合器和制动器两个执行机构可以实现换挡过程无动力中断.但是相较于传统构型的AMT变速器，上述几种无动力中断的构型都较为复杂、成本更高，也未经实际检验.文献[9]研究汽车AMT无离合器换挡控制，能显著提高换挡舒适性.王洪亮等在文献[10]中分析了换挡过程中挂挡力对换挡品质的影响，但没有建立详细的同步器数学模型；文献[11]在无离合器AMT换挡过程中采用了一种复合转矩-转速控制算法，并取得了较好的控制效果，但建模过程中仅将同步器当做开关元件，未考虑同步器动态性能对换挡冲击的影响.
在同步器建模及控制研究方面，文献[12-13]建立了同步器详细的数学模型，分析了换挡过程各阶段同步器的工作状态，但仅针对与双电机纯电动汽车和传统燃油车，未分析两挡AMT纯电动汽车换挡过程同步器的工作模式.文献[14-15]建立了详细的换挡执行机构数学模型，同时分析了同步器工作的各个阶段力的传递路径，并且通过台架试验进行验证，但并没有给出在整车控制逻辑上进行验证.在两档AMT换挡平顺性的研究上，存在一些不足，大都未考虑同步器对换挡平顺性的影响.
本文建立包含电池与同步器的两挡AMT纯电动汽车动力传动系统模型，设计换挡过程中驱动电机参与换挡过程的综合协调控制方法，并通过仿真和试验验证该协调换挡控制策略的有效性.
1动力传动系统模型的建立
纯电动汽车动力系统结构如图1所示，动力传动系统由驱动电机、两挡AMT变速箱和车轮等组成，驱动
过程中动力由驱动电机经两挡变速箱传递给车轮，最终驱动汽车平稳行驶[16].
1
11
10
9
8
76
5
4
3
2
1-驱动电机，2-变速器，3-万向节，4-主减速器和差速器，
5-一挡主动齿轮，6-二挡主动齿轮，7-驱动电机输出轴，
8-变速器从动轴，9-同步器，10-驱动轴，11-车轮
图1两挡电动汽车传动系统
Fig.1Two-speed pure electric vehicle driveline system 1.1电池模型
电池系统采用内阻模型，建立开路电压和内阻与电池SOC与温度的关系[17-18]，即:
V oc=V oc-cell（Temp，SOC）×B Cell（1）R disc=R disc-cell（Temp，SOC）×B Cell（2）
第2期肖力军等：两挡AMT纯电动汽车换挡协调控制及试验研究11
式中:V oc 为电池开路电压；V oc-cell （Temp ，SOC ）为电池
单体开路电压，是关于电池温度与SOC 的函数；B Cell 为电池串联数量；R disc 为电池放电内阻；R disc -cell （Temp ，SOC ）为电池单体内阻，是关于电池温度与SOC 的函数，如图2所示.
2.8
3.83.53.050
25
100
050
50
25
00
50
100
2.01.01.5图2电池开路电压函数曲线与内阻函数曲线Fig.2Function of open circuit voltage and internal resistance function for battery
1.2驱动电机模型
驱动电机的输出转矩取决于油门开度与驱动电机转速，可表示为:
T o =ηc ηm P B ωm
=ηc P B f （ωm ，T m ）ωm （3）P m =ηc T m ωm （4）式中:T o 为电机输出转矩；ωm 为电机转速；f （ωm ，T m ）为电机效率；ηc 为电机控制器的效率.效率MAP 如图3所示.
2502001501005000
2000
4000
6000
8000
转速ω/（r ·min -1）
图3电机效率MAP 图
Fig.3Motor efficiency MAP
电机转矩传递到变速器，动力传递方程表示为:
（J m i 2t +J t ）θ=T t i t -d t θ-T f （5）
式中:J m 和J t 分别表示电机转动惯量和变速器等效转动惯量；i t 为变速器传动比；θ为输出轴转角；d t 为变速器等效转动阻尼；T f 为车辆行驶阻力矩；T t 为变速器输入转矩.
T sleeve =T t ·i t
（6）式中：T sleeve 为同步器传递扭矩.
1.3同步器动力学模型
同步器采用如图4所示锁环式结构.
1
7
6
5
4
3
2
1-花键鼓，2-定位止动装置，3-啮合套，4-同步环，5-换挡结合齿圈，6-换挡齿轮，7-部分组件组合
图4同步器结构图
Fig.4Synchronizer structure
当同步器拨杆处于中间位置和同步器处于分离或空行程位置时，此时同步器传递转矩为零，结合套轴向运动的加速度可表示为:
acc =F sleeve -c 1
·v sleeve
M sleeve
（7）
式中:F sleeve 为结合套上的作用力；c 1为作用于结合套的粘滞系数；v sleeve 为结合套轴向速度；M sleeve 为结合
套质量.当转矩作用于结合套时，结合套输出转矩可表示为:
T sleeve =T syn ·tan 2ω
rel
d ω
()
（8）
式中:T syn 为作用于拨叉上的力矩；ωrel 为同步器结合齿与输出轴的相对转速；d ω为同步器结合齿和输出轴转速差预设阀值，若转速差低于该阀值，同步器将无法结合.
T syn =F sleeve ·R ·
μsin α
（9）
式中:R 为锁环椎体的有效半径；μ为平均动态阻力系数；α为锁环锥角.
当结合套进入结合阶段时，结合套的输出转矩可表示为:
T sleeve =sign （ωref ）·F sleeve tan β
·R d
（10）
式中:β为结合套锥角.当结合套处于结合完成或快速分离时，结合套的输出转矩可表示为:
T sleeve =K ·θ+c 1ωref
（11）
式中:K 为结合套结合时的刚度；θ为结合套与结合齿圈的相对转角.1.4整车行驶阻力矩
变速器输出转矩经主减速器、
差速器和半轴传递至车轮，整车行驶阻力矩为:
T f =i 0r （mgf cos α+mg sin α+C d A 21.15v 2+δm d v d t
）
（12）
湖南大学学报（自然科学版）2019年
12
式中:m 为整车质量；g 为重力加速度；α为路面坡度；ρ为空气密度；C d 为空气阻力系数；v 为车速；f
为地面滚动摩擦系数；r 为轮胎半径；i 0为主减速器
传动比；δm 为质量转换系数.2换挡控制策略
纯电动汽车变速器的换挡控制过程可分为转矩相和惯性相，升挡和降挡过程协调控制策略分别如图5和图6所示.
驱动电机转矩一档主动转速二档主动转速
时间t
图5升挡过程转矩协调控制策略
Fig.5Torque coordinated control strategy for up-shift
电机转速
一档主动转速二档目标转速
时间t
图6降挡过程转矩协调控制策略
Fig.6Torque coordinated control strategy for down-shift
转矩相的控制目标主要是实现转矩的快速跟踪调节.为尽量减少转矩相阶段的换挡冲击，根据冲
击度要求设定驱动电机的转矩变化率:
d T m d t
=J e ·i 0·（
J 1i 2g +J 2）ri g （13）
式中:J e 为换挡转矩相的纵向冲击度；J 1为电机驱动轴的转动惯量；J 2为齿轮从动轴的转动惯量.
根据德国标准J e ≤10m ·s -3的要求[19]，由式（13）
得到满足冲击度要求的驱动电机转矩最大变化率.摘挡前，驱动电机在由力矩模式切换至自由模式
时，按照满足冲击度要求的驱动电机转矩变化率将驱动电机转矩逐渐降低为零.
转矩相结束后，将电机调至自由模式，快速实现摘挡，换挡过程进入惯性相.
惯性相的主要控制目标是快速实现转速同步.研究表明换挡过程中的转速差控制对换挡时间和冲击度都有较大影响[20].为快速实现转速调节，采用PID 控制器和有限状态切换的控制策略[18]，具体控制思路可表示为:
n 1=n 2·i g n 2≥200或n 2≤-200n 1=n 2·i g +n 3
0≤n 2<-200n 1=n 2·i g -n 3
-200<n 2≤0
⎧⎩
⏐
⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⏐（14）
式中:n 1为驱动电机目标转速；n 2为变速器中间轴转速；n 3为转速修正量.
在驱动电机调速完成至同步器开始同步的这一段时间内，驱动电机转速会有所下降，选取由一挡切换至二挡时的修正值为100r/min ；由二挡切换至一挡时的转速修正值80r/min.
当转速调节完成后，电机进入自由模式，通过换挡拨叉快速实现挂挡.挂挡完成后，根据当前驾驶
员意图确定驱动电机目标转矩，按照满足冲击度要求的电机转矩变化率将驱动电机转矩逐渐恢复至目标转矩.
以变速器一挡升二挡时的控制策略为例进行分析.首先，TCU 接收VCU 发出的换挡指令，TCU 接收控制权开始执行换挡控制，MCU 控制驱动电机输出转矩目标降为零，控制电机进入自由模式，拨动拨叉完成摘挡，转矩相结束，进入惯性相.MCU 控制驱动电机调至转矩模式，调节驱动电机转速到期望
的目标转速.随后，MCU 控制驱动电机调至自由模式，将驱动电机输出转矩降为零，控制电机进入自由模式，拨动拨叉完成挂挡，惯性相结束.最后，将驱动电机转矩恢复至换挡之前的值，将整车控制权交还给VCU ，换挡过程结束.升挡控制流程如图7所示.
第2期肖力军等：两挡AMT 纯电动汽车换挡协调控制及试验研究
13
开始
TCU 接收到升挡指令开始执行换挡操作
结束
电机调至自由模式，
电机输出转矩快速降为T m =0电机转矩是否到达
换挡前转矩附近
T m =0
电机调至转矩模式，快速恢复电机转矩
电机调至自由模式，
电机输出转矩快速降为T m =0
T m =0
电机调至转矩模式，控制电机转速为ω2=ω1·i 2/i 1
电机转速差
ω2-ω1·i 2/i 1<50
N
Y
N
Y
N
Y
同步器是否处于
中间位置附近
拨动换挡拨叉，
退挡拨动换挡拨叉，
挂挡同步器是否处于二挡标定位置附近
Y Y
Y
N
N
N
控制权交还给VCU
图7升挡控制流程图Fig.7The diagram for up-shift control
3传动系统台架搭建
为验证所设计控制策略的有效性，搭建传动系
统试验台架，如图8所示.该台架主要由驱动电机及其控制器、
两挡AMT 变速器及其控制器、转矩传感器、动力电池系统、负载电机及其控制器、冷却系统等组成.其中驱动电机采用湘电莱特电气有限公司设计生产的TYC30-8-180型永磁同步电机，峰值功率为60kW ，额定转速为3000r/min ，转矩控制精度为0.125N ·m ，转速控制精度为1r/min ；负载电机采用Tz230XS70B 型永磁同步电机，峰值功率为140
kW ，额定转速为4000r/min ，负载电机控制精度与
驱动电机一致；采用HBM/T12转矩测试仪，转矩量程为1000N ·
m.
图8两挡AMT 纯电动传动系统试验台架Fig.8The test rig for pure electric vehicle driveline
system with two-speed AMT
两挡AMT 变速箱及控制器如图9所示，一挡和二挡的传动比分别为2.41和1，主减速比为
6.0.
图9两挡AMT 变速箱及控制器Fig.9Two-speed AMT and TCU
4仿真与试验研究
为验证所设计换挡协调控制策略的有效性，分别利用MATLAB/Stateflow 进行仿真分析和dSPACE 进行试验测试.车辆相关参数及设计指标如表1所示.
表1整车参数及设计指标
Tab.1Vehicle parameters and design index
参数符号数值整备质量/kg m 1770满载质量/kg M 2145迎风面积/m 2A 2.2空气阻力系数C d 0.3滚动阻力系数f 0.01传动系统效率δT 0.9车轮半径/m r 0.32165最高车速/（km ·h -1）u max 130
最大爬坡度/%αmax ≥250~50km/h 加速时间/s
t 0~50
≤550~80km/h 加速时间/s t 50~80≤50~100km/h 加速时间/s t 0~100
≤15
NEDC 工况续驶里程/km
S ≥200
4.1仿真分析
仿真过程分为升挡过程和降挡过程，同步器建模的物理参数如表2所示.升挡过程采用0~100km/
h 全加速工况和NEDC 市区工况进行验证，降挡工
况采用NEDC 市区工况出现的降挡区间进行验证，其中，0~100km/h 全加速工况采用的换挡规律曲线为最佳动力性换挡曲线，如图10所示，该曲线是根
湖南大学学报（自然科学版）2019年
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