CN106080155B - 一种驱动电机与自动变速器的优化集成系统及换挡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种驱动电机与自动变速器的优化集成系统及换挡控制方法，包括驱动电机、输入轴、扭转减震器、自动变速器、传动轴、主减速器和集成控制单元；所述驱动电机的输出轴与扭转减震器的一端通过花键连接，所述扭转减震器的另一端与自动变速器的输入轴通过花键连接；所述自动变速器的输出轴通过万向节与传动轴的一端连接，所述传动轴的另一端通过万向节与主减速器连接；本发明驱动电机通过扭转减震器直接跟自动变速箱连接，减轻了换挡过程中产生的冲击对驱动电机轴带来损伤，同时减少因换挡冲击带来的换挡失败率。本发明缩短换挡时间，消除了动力冲剂和换挡不畅的现象，降低设备的磨损，提高了电动汽车动力性、经济性和平顺性。
Description
技术领域
本发明属于汽车动力传动研究领域，具体涉及驱动电机与自动变速器的优化集成系统及换挡控制方法。
背景技术
目前国内电动车辆传动系统多采用驱动电机直接驱动的方式，很多上市的纯电动公交车采用了大功率大转矩的直驱电机。采用这种驱动方式虽然降低了对动力系统匹配设计的难度，但是却极大提高了对于驱动电机的投入，在这种场合应用的驱动电机存在体积大、重量重、利用效率低、驱动控制器有效容量利用率低等种种弊端，浪费能源严重影响了电动车辆的推广应用。再者现有电动车辆驱动系统分析和应用表明，在配置AMT变速箱系统的电动汽车上，如果继续采用与采用发动机驱动的车辆类似的换挡规律，驱动系统一般存在换挡不顺畅、同步器磨损过快、动力冲击较大的不良现象。
从国际研发的方向来看，受到车辆空间限制和使用环境的约束，汽车要求电机驱动系统有更高的性能，体积重量比密度更高，耐受环境温度范围更高(冷却液入口温度>105℃)，能经受高强度的振动以及成本更低等。为满足以上严格甚至苛刻的要求，车用电机驱动系统技术的发展趋势可以归纳为永磁化、数字化和集成化。
纯电动客车传动系统中采用了永磁同步电机PMSM加机械式自动变速箱AMT组成的一体化驱动系统，不仅降低了司机的劳动强度，同时优化了驱动系统动力利用效率，使得动力系统匹配更加合理，特别是高速性，爬坡性得到提高，从而使整车效率利用率提高，加速时间缩短。采用PMSM+AMT一体化驱动方式和使用传统直接驱动方式相比，在驱动系统对于电机总体效率利用率的情况，配置了一体化驱动系统的结构中，对于电机系统的驱动特性形成了连续高效区应用的优点。
虽然异步电机系统在国内新能源车辆上还有较多的应用，但是永磁电机驱动系统的比例已经很高，从历年统计数据来看，异步电机驱动系统的比重从59％下降到了25％，而永磁电机的比例是从2011年的37％稳步增长到了2013年的74％(PMSM驱动系统更是从11％增长到49％)，其增长趋势明显。在国外电动汽车驱动系统中，永磁电机驱动系统占有绝对的优势，比例高达达到87％。由此可见，永磁电机驱动系统是电动汽车电机驱动系统的主要发展趋。
PMSM驱动系统的全域效率优化和动态响应是影响电动汽车发展的关键问题，是目前国外研究的热点领域，永磁电机具有效率高、比功率大等优点，采用矢量控制的变频调速系统，可使其具有宽广的调速范围。近年来，各大厂商除了在PMSM驱动系统结构上进行深入研究之外，对于电动汽车用PMSM驱动系统的控制研究也进行了广泛研究。但对PMSM+AMT研究几乎是空白的。
目前国内外对于PMSM+AMT一体化电机驱动系统的需求量极大，但由于缺乏自主知识产权的关键技术，高效高动态响应的PMSM+AMT一体化控制技术已经成为发展电动汽车的瓶颈。
由于PMSM驱动系统具备低速恒转矩，高速恒功率的特性，而发动机转矩和功率曲线随着转速的变化是抛物线式的，所以在PMSM驱动系统与AMT配合上，必须进一步研究电机驱动系统与AMT变速器的换挡规律与换挡方法，发挥PMSM优势，缩短换挡时间，消除动力冲击和换挡不畅现象，降低同步器磨损情况。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种驱动电机与自动变速器的优化集成系统及换挡控制方法。
本发明的技术方案是：一种驱动电机与自动变速器的优化集成系统，包括驱动电机、输入轴、扭转减震器、自动变速器、传动轴、主减速器和集成控制单元；
所述驱动电机的输出轴与扭转减震器的一端通过花键连接，所述扭转减震器的另一端与自动变速器的输入轴通过花键连接；所述自动变速器的输出轴通过万向节与传动轴的一端连接，所述传动轴的另一端通过万向节与主减速器连接；
所述集成控制单元包括整车控制器VCU、一体化动力控制系统IDCU、驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU；
所述整车控制器VCU用于综合车辆的能源部件和车辆状态判断车辆的行驶性能，整车控制器VCU分别与加速踏板、制动踏板、汽车档位和电源系统电连接，并将车辆行驶状态、车速、目标需求驱动力、制动力和保护状态信息，通过CAN总线广播或者定向发送给一体化动力控制系统IDCU；
所述一体化动力控制系统IDCU分别与整车控制器VCU、驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU电连接，用于综合来自整车控制器VCU、变速器控制器TCU和驱动电机控制器MCU的信息，并对驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU的工作进行协调控制；
所述驱动电机控制器MCU与驱动电机电连接，用于控制驱动电机的工作；
所述变速器控制器TCU与自动变速器电连接，用于控制自动变速器的工作。
上述方案中，所述自动变速器包括输入轴、输出轴、第一换挡齿轮、第二换挡齿轮、第三换挡齿轮、一档啮合套、二三档啮合套、一档齿轮中间轴、二档齿轮中间轴和三档齿轮中间轴；
所述第三换挡齿轮与输入轴固定连接，所述第一换挡齿轮、第二换挡齿轮和第三换挡齿轮通过轴承配合套在所述输出轴上；所述第一换挡齿轮的下方与一档齿轮中间轴啮合，所述一档齿轮中间轴、二档齿轮中间轴、三档齿轮中间轴同轴固定连接，所述第二换挡齿轮与二档齿轮中间轴啮合，所述第三换挡齿轮与三档齿轮中间轴啮合；
所述一档啮合套安装在所述第一换挡齿轮和第二换挡齿轮之间，一档啮合套通过花键与输出轴移动副连接，所述二三档啮合套安装在所述第二换挡齿轮和第三换挡齿轮之间，二三档啮合套通过花键与输出轴移动副连接。
上述方案中，所述驱动电机为永磁同步电机。
一种根据所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法，包括摘挡准备模式、无载荷摘挡模式、主动跟随同步模式、无载荷挂挡模式和驱动力恢复加载模式；
所述摘挡准备模式的过程主要是通过一体化动力控制系统IDCU系统实现；当准备换挡工作结束之后，集成系统进行所述无载荷摘挡模式，所述无载荷摘挡模式的动作是在一体化动力控制系统IDCU与整车控制器VCU协调指挥下，具体由驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU执行；摘挡过程完成之后进行主动跟随同步模式，所述主动跟随同步模式对驱动电机PMSM进行目标转速调节，使得新换档位的啮合齿轮转速能够尽快达到同步状态；所述无载荷挂挡模式用于输出电机零惯量模式指令和电机目标转矩、换挡执行机构挂挡模式选通指令和；当挂挡完成之后进入所述驱动力恢复加载模式，所述驱动力恢复加载模式是通过对PMSM转矩的控制来完成。
上述方案中，所述摘挡准备模式具体为：所述摘挡准备模式的过程主要是通过一体化动力控制系统IDCU实现，一体化动力控制系统IDCU输入为整车控制器VCU的驾驶员踏板信号、方向盘信号、车速信号和SOC信号，变速器控制器TCU的换挡准备信号、当前挡位信号、目标挡位信号和换挡执行机构信号，驱动电机控制器MCU的电机转速信号和电机温度信号，通过这些信息的汇总，一体化动力控制系统IDCU与整车控制器VCU进行信息预置，为换挡提供有效条件准备，同时一体化动力控制系统IDCU进行驱动电机控制器MCU的无载荷转矩指令值进行计算并存储，将变速器控制器TCU摘挡命令进行预置。
上述方案中，所述无载荷摘挡模式具体为：
一体化动力控制系统IDCU将摘挡信息同时发送到整车控制器VCU，使整车控制器VCU获知当前驱动模式为摘挡模式，驱动电机控制器MCU将会直接响应一体化动力控制系统IDCU的调节指令；一体化动力控制系统IDCU将提前计算的驱动电机控制器MCU无载荷目标转矩发送到驱动电机控制器MCU，使得驱动电机控制器MCU立即向零惯量转矩目标逼近；一体化动力控制系统IDCU将换挡执行机构摘挡模式指令预置指令发送到变速器控制器TCU，等待驱动电机控制器MCU的驱动电机惯量模拟转矩调整到位；
驱动电机控制器MCU系统接受到一体化动力控制系统IDCU发送的卸载转矩指令之后，按照预定的控制算法进行转矩的调整。
上述方案中，所述主动跟随同步模式具体为：
首先从变速器控制器TCU得到下一步的换挡速比，从而给出驱动电机控制器MCU驱动电机PMSM的目标转速，一体化动力控制系统IDCU通过上一步的车速和此时的车速计算车辆行驶状态，根据变速器控制器TCU计算的目标转速、目标挡位结合驱动电机PMSM系统的动力输出特性对目标挡位进行修正获得最终的挡位输出，从而修正驱动电机PMSM的目标转速，并将最终的挡位发送到变速器控制器TCU，PMSM的目标转速发送到驱动电机控制器MCU，驱动电机控制器MCU在此前已经转换到转速控制，并以变速器控制器TCU给定的目标转速进行调整，获得一体化动力控制系统IDCU的目标转速之后，结合车速反馈进一步进行修正从而迅速达到理想的同步转速条件。
上述方案中，所述无载荷挂挡模式具体为：
当一体化动力控制系统IDCU检测到PMSM的转速值调节误差达到预设范围时，首先根据前一步的预置无载荷平衡转矩对PMSM进行转矩调整，并触发模式切换指令，使驱动电机由转速闭环模式切换到零惯量转矩闭环控制模式；驱动电机接收到指令以后，切换到转矩闭环模式控制模式，要求切换过程中系统能够保持稳定，而且切换结束以后，驱动电机仍保持调速结束时的转速值；与此同时，驱动电机系统根据车速、当前挡位的反馈对惯量转矩进行微调，TCU接收到IDCU的换挡指令之后，根据换挡要求选题换挡伺服电机并开通相应的挡位继电器进行换挡，同时对挂挡执行机构的位置进行监测，待达到目标位置后进入到保持模式。
上述方案中，所述驱动力恢复加载模式具体为：
一体化动力控制系统IDCU根据当前车速和整车控制器VCU要求的参考输出转矩设定最终转矩输出值，同时根据当前自动变速器AMT的速比和电机输出转矩确定PMSM的输出转矩的恢复曲线，并发送到MCU系统，PMSM接收到目标转矩指令和加载变化率之后，在原来的空载转矩基础上进行加载，达到VCU指定输出转矩之后，MCU的输出就直接过渡到整车行驶模式，在这期间TCU系统保持状态不变。
上述方案中，还包括对最佳动力性换挡规律和最佳经济性换档规律的计算；
最佳动力性换挡规律的计算如下：
欲保证动态状态下最佳的动力性能，应该以相邻两档加速度曲线交点对应的车速作为动力性换档点，即需要满足：
式中，u-电动汽车最高车速，t-电动汽车加速时间；
根据汽车行驶方程式，在n档时有：
联立式(1)和式(2)便可求得最佳动力性换档点ua；
式中，δn-传动系统回转质量换算系数，m-电动汽车的总质量，Tq-发动机特性，io-主减速器速比，ign-变速器n档的传动比，ηT-传动系统效率，r-车轮的滚动半径，g-重力加速度，CD-空气阻力系数，f-滚动阻力系数，A-迎风面积，ua-最佳动力性换档点；
最佳经济性换挡规律：
纯电动汽车的所有能量均来自于动力电池，通过驱动电机将电能转化为机械能以驱动车辆。从能量的消耗角度分析，汽车行驶过程中电池的能量主要用来消除汽车的行驶阻力以及热量的耗散，若电池储存的总的能量为W，则有：
W·ηb·ηe·ηT＝ΣF·L 3)
式中，ΣF——汽车行驶过程中受到的所有外界阻力之和；
L——电动汽车的续驶里程；
ηb——动力电池组的效率；
ηe——驱动电机及其控制器的效率；
ηT——传动系统效率。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明驱动电机通过扭转减震器直接跟自动变速箱连接，减少驱动电机输出轴跟自动变速箱输入轴的直接连接，缓冲了在生产过程或装配过程中产生的误差，避免了让驱动电机转轴与自动变速箱输入轴产生直接的硬性链接，从而保护了驱动电机轴跟自动变速箱输入轴，减轻了驱动电机转轴与自动变速箱输入轴装配过程产生的同轴度误差，造成自动变速箱噪音大的原因，同时减轻了换挡过程中产生的冲击对驱动电机轴带来损伤，同时减少因换挡冲击带来的换挡失败率。本发明采用一体化集成设计，配合永磁同步电机精确转速转矩控制方法和先进的整车控制策略，实现了国内最为先进的PMSM+AMT一体化驱动方式，与现有技术相比，本发明高效高动态响应，缩短换挡时间，消除了动力冲剂和换挡不畅的现象，降低设备的磨损，提高了电动汽车动力性、经济性和平顺性。
附图说明
图1为本发明一实施方式所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统结构示意图；
图2为本发明一实施方式所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统整体框架示意图；
图3为本发明一实施方式所述无载荷摘挡模式控制框架示意图；
图4为本发明一实施方式所述主动跟随同步模式控制框架示意图；
图5为本发明一实施方式所述无载荷挂挡模式控制框架示意图；
图6为本发明一实施方式所述驱动力恢复加载模式控制框架示意图；
图7为根据式2)绘制出的百分之百油门下的各档加速度——车速曲线图；
图8为的上半部分是电机效率特性图，下半部分为相同转速下不同档位对应的车速关系图。
图中：1、驱动电机；2、电机输出轴；3、扭转减震器；4、自动变速器；5、传动轴；6；主减速器；7、车轮；8、输入轴；9、输出轴；10、第一换挡齿轮；11、第二换挡齿轮；12、第三换挡齿轮；13、一档啮合套；14、二三档啮合套；15、一档齿轮中间轴；16、二档齿轮中间轴；17、三档齿轮中间轴。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同或相似的部分。附图仅用于说明本发明，不代表本发明的实际结构和真实比例。
图1所示为本发明所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的一种实施方式，所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统，包括驱动电机1、输入轴2、扭转减震器3、自动变速器4、传动轴5、主减速器6和集成控制单元。
所述驱动电机1的电机输出轴2与扭转减震器3的一端通过花键连接，所述扭转减震器3的另一端与自动变速器4的输入轴8通过花键连接；所述自动变速器4的输出轴9通过万向节与传动轴5的一端连接，所述传动轴5的另一端通过万向节与主减速器6连接，自动变速器4转速通过传动轴5将动力传输到主减速器6，主减速器6在将动力分配到两个车轮7上。
本实施例中，所述自动变速器4为三档箱，所述自动变速器4包括输入轴8、输出轴9、第一换挡齿轮10、第二换挡齿轮11、第三换挡齿轮12、一档啮合套13、二三档啮合套14、一档齿轮中间轴15、二档齿轮中间轴16和三档齿轮中间轴17。
所述第三换挡齿轮12与输入轴8固定连接，所述第一换挡齿轮10、第二换挡齿轮11和第三换挡齿轮12通过轴承配合套在所述输出轴9上；所述第一换挡齿轮10的下方与一档齿轮中间轴15啮合，所述一档齿轮中间轴15、二档齿轮中间轴16、三档齿轮中间轴17同轴固定连接，所述第二换挡齿轮11与二档齿轮中间轴16啮合，所述第三换挡齿轮12与三档齿轮中间轴17啮合。所述一档啮合套13安装在所述第一换挡齿轮10和第二换挡齿轮11之间，一档啮合套13通过花键与输出轴9移动副连接，所述二三档啮合套14安装在所述第二换挡齿轮11和第三换挡齿轮12之间，二三档啮合套14通过花键与输出轴9移动副连接。
本发明驱动电机1通过扭转减震器3直接跟自动变速箱4连接，减少驱动电机1输出轴跟自动变速箱4输入轴的直接连接，缓冲了在生产过程或装配过程中产生的误差，避免了让驱动电机转轴与自动变速箱4输入轴产生直接的硬性链接，从而保护了驱动电机轴跟自动变速箱4输入轴，减轻了驱动电机转轴与自动变速箱输入轴装配过程产生的同轴度误差，造成自动变速箱噪音大的原因，同时减轻了换挡过程中产生的冲击对驱动电机轴带来损伤，同时减少因换挡冲击带来的换挡失败率。
图2所示为所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统整体框架示意图，所述集成控制单元包括整车控制器VCU、一体化动力控制系统IDCU、驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU。所述整车控制器VCU用于综合车辆的能源部件和车辆状态判断车辆的行驶性能，整车控制器VCU分别与加速踏板、制动踏板、汽车档位和电源系统电连接，包括电源系统可以供给的能量、并将车辆行驶状态前进、后退或者驻车、车速、目标需求驱动力、制动力和保护状态等，通过CAN总线广播或者定向发送给一体化动力控制系统IDCU。所述一体化动力控制系统IDCU分别与整车控制器VCU、驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU电连接，用于综合来自整车控制器VCU、变速器控制器TCU和驱动电机控制器MCU的信息，并对驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU的工作进行协调控制。所述驱动电机控制器MCU与驱动电机1电连接，用于控制驱动电机1的按照设定的方向、速度、角度和响应时间进行工作。所述变速器控制器TCU与自动变速器4电连接，用于控制自动变速器4的工作。
图2中Tf是由VCU通过加速踏板或者制动踏板确定的PMSM的驱动力或者制动力；是MCU系统的主动同步目标转速；是在PMSM转速控制下的目标转速；是驱动电机转矩控制下的目标转矩；是卸载目标转矩和是加载目标转矩；是经过PMSM转速调节给定的目标转矩；ne是当前PMSM转速；Te是当前PMSM转矩；Me是PMSM的其他工作信息，包括了PMSM系统的工作温度、故障状态等信息；MT和AT分别指定AMT的强制机械式工作和自动换挡工作模式；ig是当前挡位；是目标挡位；if是经过IDCU修正后的最终目标挡位；是由AMT系统决定驱动电机工作状态命令。
本发明还提供一种根据所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法，包括摘挡准备模式、无载荷摘挡模式、主动跟随同步模式、无载荷挂挡模式和驱动力恢复加载模式。所述摘挡准备模式的过程主要是通过一体化动力控制系统IDCU系统实现；当准备换挡工作结束之后，集成系统进行所述无载荷摘挡模式，所述无载荷摘挡模式的动作是在一体化动力控制系统IDCU与整车控制器VCU协调指挥下，具体由驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU执行；摘挡过程完成之后进行主动跟随同步模式，所述主动跟随同步模式对驱动电机PMSM进行目标转速调节，使得新换档位的啮合齿轮转速能够尽快达到同步状态；所述无载荷挂挡模式用于输出电机零惯量模式指令和电机目标转矩、换挡执行机构挂挡模式选通指令和；当挂挡完成之后进入所述驱动力恢复加载模式，所述驱动力恢复加载模式是通过对PMSM转矩的控制来完成。
从图2中可以看出，对于不同的工作需求，各个子系统的工作各不相同，必须根据具体的工作模式对动力系统，尤其是PMSM系统的工作模式进行界定，才能更好地实现PMSM-AMT系统的综合功能。
所述摘挡准备模式具体为：
因为MCU的状态输出受不同的控制单元影响，一般来说其工作状态是由VCU控制的，但是在换挡过程中由于要配合AMT动作，其工作状态在这些工作过程中又必须取决于AMT系统，如果PMSM直接来响应这两个系统的指令，势必在PMSM控制策略中进行逻辑的多方判断，因此在此增加了一个一体化动力控制系统IDCU来综合管理协调，使得MCU直接响应IDCU的指令。因为在摘挡过程中，驱动电机的转矩将会按照设定的转矩曲线下降，从而不可避免地使得车辆驱动力小于阻力，从而使车辆速度下降，所以如果摘挡时间持续过长，将会导致车辆速度的严重降低，从而影响车辆的行驶性能。因此需要的车辆驱动系统摘挡之前进行摘挡准备的过程，所述摘挡准备模式的过程主要是通过一体化动力控制系统IDCU实现，一体化动力控制系统IDCU输入为整车控制器VCU的驾驶员踏板信号、方向盘信号、车速信号和SOC信号等，变速器控制器TCU的换挡准备信号、当前挡位信号、目标挡位信号和换挡执行机构信号，驱动电机控制器MCU的电机转速信号和电机温度信号，通过这些信息的汇总，一体化动力控制系统IDCU与整车控制器VCU进行信息预置，为换挡提供有效条件准备，同时一体化动力控制系统IDCU进行驱动电机控制器MCU的无载荷转矩指令值进行计算并存储，将变速器控制器TCU摘挡命令进行预置。
所述无载荷摘挡模式具体为：
如图3所示，一体化动力控制系统IDCU将摘挡信息同时发送到整车控制器VCU，使整车控制器VCU获知当前驱动模式为摘挡模式，驱动电机控制器MCU将会直接响应一体化动力控制系统IDCU的调节指令；一体化动力控制系统IDCU将提前计算的驱动电机控制器MCU无载荷目标转矩发送到驱动电机控制器MCU，使得驱动电机控制器MCU立即向零惯量转矩目标逼近；一体化动力控制系统IDCU将换挡执行机构摘挡模式指令预置指令发送到变速器控制器TCU，等待驱动电机控制器MCU的驱动电机惯量模拟转矩调整到位。
驱动电机控制器MCU系统接受到一体化动力控制系统IDCU发送的卸载转矩指令之后，按照预定的控制算法进行转矩的调整。尤其应该考虑到PMSM实际的转动惯量将发送由巨大到微小的跳变，如何能够维持控制算法的稳定，保证输出惯量模拟平衡转矩能够满足平衡电机转子随着车速下降的惯性力矩，并且能够根据相应车速、电机转速以及当前挡位作为调整参数进行实时调整，才能确保变速器啮合齿轮之间达到无载荷状态，从而能够实现顺利摘挡是此模式的关键。如果简单将MCU控制输出转矩设置为零，那么PMSM在车辆惯性运行的带动下因为自身的惯量会产生方向的转矩施加到啮合齿轮上，从而为摘挡带来麻烦，所以必须根据车辆的行驶速度和驱动电机的相应惯量设置惯量转矩来消除惯量转矩的影响；但是如果设置的平衡转矩过大，也会造成啮合齿轮作用面的接触力过大的问题，使得车辆仍然处于驱动状态，不仅会造成摘挡困难，严重时可能造成齿轮啮合面的划伤。因此要选择合适的PMSM平衡转矩，才会使得进行摘挡时啮合齿轮之间基本处于无载荷状态。要使得系统满足这些性能要求，关键是要保证电机转矩响应的快速、稳定以及准确等性能。同时在摘挡过程中，平衡转矩的输出以换挡伺服电机的输出转矩为反馈量，进一步优化平衡转矩的数值，以确保齿轮无应力的产生。
所述主动跟随同步模式具体为：
如图4所示，摘挡过程完成之后，PMSM输出转矩不再作用于电动车辆，车辆将在其惯性作用下运动，为了尽快回复车辆驱动力、减少换挡冲击、增强车辆行驶平顺性，需要MCU系统尽快与AMT系统结合，因此必须立即对PMSM进行目标转速调节，使得新换档位的啮合齿轮转速能够尽快达到同步状态。为了能够较快实现换挡齿轮的同步运行，必须将驱动电机的控制方式调整为转速闭环控制，以换挡的目标转速为调整目标量进行动态调整，在转速闭环的条件下对变速器输入轴转速进行精确调节，既保证同步转速误差小，减轻同步器的磨损，缩短挂挡时间，又保证挂挡时转矩能够与空载转矩相平衡，不会产生冲击问题。为了实现这样的目标，需要转速响应满足超调小和误差小的要求，并要考虑车载环境和换挡动态过程的影响；同时闭环控制方式之间的切换需要满足稳定性和动态性能的要求。
首先从变速器控制器TCU得到下一步的换挡速比，从而给出驱动电机控制器MCU驱动电机PMSM的目标转速，一体化动力控制系统IDCU通过上一步的车速和此时的车速计算车辆行驶状态，根据变速器控制器TCU计算的目标转速、目标挡位结合驱动电机PMSM系统的动力输出特性对目标挡位进行修正获得最终的挡位输出，从而修正驱动电机PMSM的目标转速，并将最终的挡位发送到变速器控制器TCU，PMSM的目标转速发送到驱动电机控制器MCU，驱动电机控制器MCU在此前已经转换到转速控制，并以变速器控制器TCU给定的目标转速进行调整，获得一体化动力控制系统IDCU的目标转速之后，结合车速反馈进一步进行修正从而迅速达到理想的同步转速条件。所述主动跟随同步模式要求MCU的转矩工作模式到转速工作模式转换要迅速平滑，转速调节响应快并且静态误差小，并能够实时根据车速的变动而进行控制。
所述无载荷挂挡模式具体为：
如图5所示，无载荷挂挡模式与所述无载荷摘挡模式类似，无载荷挂挡模式的输入为当前挡位、温度传感器信号、电机转速传感器信号、换挡执行机构位置信号，输出为电机零惯量模式指令和电机目标转矩、换挡执行机构挂挡模式选通指令和。当一体化动力控制系统IDCU检测到PMSM的转速值调节误差达到预设范围时，首先根据前一步的预置无载荷平衡转矩对PMSM进行转矩调整，并触发模式切换指令，使驱动电机由转速闭环模式切换到零惯量转矩闭环控制模式；驱动电机接收到指令以后，切换到转矩闭环模式控制模式，要求切换过程中系统能够保持稳定，而且切换结束以后，驱动电机仍保持调速结束时的转速值；与此同时，驱动电机系统根据车速、当前挡位的反馈对惯量转矩进行微调，TCU接收到IDCU的换挡指令之后，根据换挡要求选题换挡伺服电机并开通相应的挡位继电器进行换挡，同时对挂挡执行机构的位置进行监测，待达到目标位置后进入到保持模式。
所述驱动力恢复加载模式具体为：
如图6所示，由于没有离合器的滑磨，当挂挡完成之后，驱动力的恢复加载过程也是通过对PMSM转矩的控制来完成。如果以舒适性为唯一目标，则要求转矩恢复相对较缓，时间相对较长，但这样会造成换挡过程的动力损失加大，造成车辆的明显失速；如果以动力性为唯一目标，则要求转矩恢复的时间越短越好，但是这容易造成较大的换挡冲击，影响车辆的平顺性。因此在进行电机转矩控制时，需要在两者之间找到平衡点，在保证车辆乘坐舒适性的条件下，尽快恢复车辆的动力。同样，为了满足这些要求，需要同时保证电机转矩响应的快速性和稳定性。
一体化动力控制系统IDCU根据当前车速和整车控制器VCU要求的参考输出转矩设定最终转矩输出值，同时根据当前自动变速器AMT的速比和电机输出转矩确定PMSM的输出转矩的恢复曲线，并发送到MCU系统，PMSM接收到目标转矩指令和加载变化率之后，在原来的空载转矩基础上进行加载，达到VCU指定输出转矩之后，MCU的输出就直接过渡到整车行驶模式，在这期间TCU系统保持状态不变。
所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法还包括对最佳动力性换挡规律和最佳经济性换档规律的计算。
最佳动力性换挡规律：
传统情况下，为体现最大的动力输出，一般以相同油门下相邻两档的驱动力曲线交点对应的车速作为动力性换档点，然而这种方法是在车辆稳态条件下计算的，汽车的加速换档是个动态的过程，需要考虑加速阻力的变化。
欲保证动态状态下最佳的动力性能，应该以相邻两档加速度曲线交点对应的车速作为动力性换档点，即需要满足：
式中，u-电动汽车最高车速，t-电动汽车加速时间；
根据汽车行驶方程式，在n档时有：
联立式1)和式2)便可求得最佳动力性换档点ua。
其中，δn-传动系统回转质量换算系数，m-电动汽车的总质量(kg)，Tq-发动机特性，io-主减速器速比，ign-变速器n档的传动比，ηT-传动系统效率，r-车轮的滚动半径(m)，g-重力加速度(m/s2)，CD-空气阻力系数，f-滚动阻力系数，A-迎风面积(m2)，ua-最佳动力性换档点；
图7为根据式2)绘制出的百分之百油门下的各档加速度——车速曲线，1档与2档加速度曲线交点A对应车速即为该油门下1档换2档的最佳动力性升档点，2档与3档曲线交点B对应车速为2档换3档的最佳动力性升档点。按照上诉方法，求出不同油门下的各档加速度曲线的交点，将各交点相连即得到不同油门对应的最佳动力性升档曲线。
最佳经济性换挡规律：
纯电动汽车的所有能量均来自于动力电池，通过驱动电机将电能转化为机械能以驱动车辆。从能量的消耗角度分析，汽车行驶过程中电池的能量主要用来消除汽车的行驶阻力以及热量的耗散，若电池储存的总的能量为W，则有：
W·ηb·ηe·ηT＝∑F·L 3)
式中，∑F——汽车行驶过程中受到的所有外界阻力之和；
L——电动汽车的续驶里程；
ηb——动力电池组的效率；
ηe——驱动电机及其控制器的效率；
ηT——传动系统效率。
从式3)可以看出，在动力电池和传动系统已经确定的情况下，其各自的效率基本不变，唯一影响行驶里程的就是驱动电机和其控制器的效率(下简称电机效率)。纯电动汽车的经济性换档规律的制定是以电机的传动效率为依据，保证电机始终工作在可能的最高效区。以某一油门下相邻两档的电机效率最大为原则，即如果当前档位的电机效率低于下一档位的效率，那么此时车速就是最佳经济性换档点，其设计原理如图8所示。
图8的上半部分是电机效率特性图，下半部分为相同转速下不同档位对应的车速关系。以某一油门开度为例，某车速下对应1档的电机工作点为C1，2档的工作点为D1，将C1、D1投射到上面电机效率特性图对应的电机工作扭矩曲线上得到C2、D2，对比C2、D2电机效率，若C2点效率低于换档后的D2点，并且随着电机转速的增加效率将继续降低，所以此时应该由1档换入2档；反之，若C2点效率高于换档后的D2点，说明以该档位继续运行依旧处在最佳经济性的状态，需要维持当前档位。因此，使C2点效率高于D2点的临界点即为经济性换档点。根据上述原理可以求出纯电动车的最佳经济性换档规律。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法，其特征在于，所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统包括驱动电机(1)、电机输出轴(2)、扭转减震器(3)、自动变速器(4)、传动轴(5)、主减速器(6)和集成控制单元；
所述驱动电机(1)为永磁同步电机；所述驱动电机(1)的电机输出轴(2)与扭转减震器(3)的一端通过花键连接，所述扭转减震器(3)的另一端与自动变速器(4)的输入轴(8)通过花键连接；所述自动变速器(4)的输出轴(9)通过万向节与传动轴(5)的一端连接，所述传动轴(5)的另一端通过万向节与主减速器(6)连接；
所述集成控制单元包括整车控制器VCU、一体化动力控制系统IDCU、驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU；
所述整车控制器VCU用于综合车辆的能源部件和车辆状态判断车辆的行驶性能，整车控制器VCU分别与加速踏板、制动踏板、汽车档位和电源系统电连接，并将车辆行驶状态、车速、目标需求驱动力、制动力和保护状态信息，通过CAN总线广播或者定向发送给一体化动力控制系统IDCU；
所述一体化动力控制系统IDCU分别与整车控制器VCU、驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU电连接，用于综合来自整车控制器VCU、变速器控制器TCU和驱动电机控制器MCU的信息，并对驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU的工作进行协调控制；
所述驱动电机控制器MCU与驱动电机(1)电连接，用于控制驱动电机(1)的工作；
所述变速器控制器TCU与自动变速器(4)电连接，用于控制自动变速器(4)的工作；
所述自动变速器(4)包括输入轴(8)、输出轴(9)、第一换挡齿轮(10)、第二换挡齿轮(11)、第三换挡齿轮(12)、一档啮合套(13)、二三档啮合套(14)、一档齿轮中间轴(15)、二档齿轮中间轴(16)和三档齿轮中间轴(17)；
所述第三换挡齿轮(12)与输入轴(8)固定连接，所述第一换挡齿轮(10)、第二换挡齿轮(11)和第三换挡齿轮(12)通过轴承配合套在所述输出轴(9)上；所述第一换挡齿轮(10)的下方与一档齿轮中间轴(15)啮合，所述一档齿轮中间轴(15)、二档齿轮中间轴(16)、三档齿轮中间轴(17)同轴固定连接，所述第二换挡齿轮(11)与二档齿轮中间轴(16)啮合，所述第三换挡齿轮(12)与三档齿轮中间轴(17)啮合；
所述一档啮合套(13)安装在所述第一换挡齿轮(10)和第二换挡齿轮(11)之间，一档啮合套(13)通过花键与输出轴(9)移动副连接，所述二三档啮合套(14)安装在所述第二换挡齿轮(11)和第三换挡齿轮(12)之间，二三档啮合套(14)通过花键与输出轴(9)移动副连接；
所述换挡控制方法包括摘挡准备模式、无载荷摘挡模式、主动跟随同步模式、无载荷挂挡模式和驱动力恢复加载模式；
所述摘挡准备模式的过程通过一体化动力控制系统IDCU系统实现；当准备换挡工作结束之后，集成系统进行所述无载荷摘挡模式，所述无载荷摘挡模式的动作是在一体化动力控制系统IDCU与整车控制器VCU协调指挥下，具体由驱动电机控制器MCU和变速器控制器TCU执行；摘挡过程完成之后进行主动跟随同步模式，所述主动跟随同步模式对驱动电机PMSM进行目标转速调节，使得新换档位的啮合齿轮转速能够尽快达到同步状态；所述无载荷挂挡模式用于输出电机零惯量模式指令和电机目标转矩、换挡执行机构挂挡模式选通指令；当挂挡完成之后进入所述驱动力恢复加载模式，所述驱动力恢复加载模式是通过对驱动电机PMSM转矩的控制来完成；
所述摘挡准备模式具体为：所述摘挡准备模式的过程通过一体化动力控制系统IDCU实现，一体化动力控制系统IDCU输入为整车控制器VCU的驾驶员踏板信号、方向盘信号、车速信号和SOC信号，变速器控制器TCU的换挡准备信号、当前挡位信号、目标挡位信号和换挡执行机构信号，驱动电机控制器MCU的电机转速信号和电机温度信号，通过这些信号的汇总，一体化动力控制系统IDCU与整车控制器VCU进行信息预置，为换挡提供有效条件准备，同时一体化动力控制系统IDCU进行驱动电机控制器MCU的无载荷目标转矩进行计算并存储，将变速器控制器TCU摘挡命令进行预置；
所述无载荷摘挡模式具体为：
一体化动力控制系统IDCU将摘挡信息同时发送到整车控制器VCU，使整车控制器VCU获知当前驱动模式为摘挡模式，驱动电机控制器MCU将会直接响应一体化动力控制系统IDCU的调节指令；一体化动力控制系统IDCU将提前计算的驱动电机控制器MCU无载荷目标转矩发送到驱动电机控制器MCU，使得驱动电机控制器MCU立即向零惯量转矩目标逼近；一体化动力控制系统IDCU将换挡执行机构摘挡模式指令预置指令发送到变速器控制器TCU，等待驱动电机控制器MCU的驱动电机惯量模拟转矩调整到位；
驱动电机控制器MCU系统接受到一体化动力控制系统IDCU发送的卸载转矩指令之后，按照预定的控制算法进行转矩的调整。
2.根据权利要求1所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法，其特征在于，所述主动跟随同步模式具体为：
首先从变速器控制器TCU得到目标的换挡速比，从而给出驱动电机控制器MCU驱动电机PMSM的目标转速，一体化动力控制系统IDCU通过车速计算车辆行驶状态，根据变速器控制器TCU计算的目标转速、目标挡位结合驱动电机PMSM系统的动力输出特性对目标挡位进行修正获得最终的挡位输出，从而修正驱动电机PMSM的目标转速，并将最终的挡位发送到变速器控制器TCU，驱动电机PMSM的目标转速发送到驱动电机控制器MCU，驱动电机控制器MCU为转速控制，并以变速器控制器TCU给定的目标转速进行调整，获得一体化动力控制系统IDCU的目标转速之后，结合车速反馈进一步进行修正从而迅速达到理想的同步转速条件。
3.根据权利要求1所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法，其特征在于，所述无载荷挂挡模式具体为：
当一体化动力控制系统IDCU检测到驱动电机PMSM的转速值调节误差达到预设范围时，首先根据预置无载荷目标转矩对驱动电机PMSM进行转矩调整，并触发模式切换指令，使驱动电机PMSM由转速闭环模式切换到零惯量转矩闭环控制模式；驱动电机PMSM接收到指令以后，切换到零惯量转矩闭环控制模式，要求切换过程中系统能够保持稳定，而且切换结束以后，驱动电机PMSM仍保持调速结束时的转速值；与此同时，驱动电机系统根据车速、当前挡位的反馈对惯量转矩进行微调，变速器控制器TCU接收到一体化动力控制系统IDCU的换挡指令之后，根据换挡要求选择换挡伺服电机并开通相应的挡位继电器进行换挡，同时对挂挡执行机构的位置进行监测，待达到目标位置后进入到保持模式。
4.根据权利要求1所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法，其特征在于，所述驱动力恢复加载模式具体为：
一体化动力控制系统IDCU根据当前车速和整车控制器VCU要求的参考输出转矩设定最终转矩输出值，同时根据当前自动变速器的速比和电机输出转矩确定驱动电机PMSM的输出转矩的恢复曲线，并发送到驱动电机控制器MCU，驱动电机PMSM接收到目标转矩指令和加载变化率之后，在原来的空载转矩基础上进行加载，达到整车控制器VCU指定输出转矩之后，驱动电机控制器MCU的输出就直接过渡到整车行驶模式，在驱动力恢复加载模式期间变速器控制器TCU系统保持状态不变。
5.根据权利要求1所述驱动电机与自动变速器的优化集成系统的换挡控制方法，其特征在于，还包括对最佳动力性换挡规律和最佳经济性换档规律的计算；
最佳动力性换挡规律的计算如下：
欲保证动态状态下最佳的动力性能，应该以相邻两档加速度曲线交点对应的车速作为动力性换档点，即需要满足：
式中，u-电动汽车最高车速，t-电动汽车加速时间；
根据汽车行驶方程式，在n档时有：
联立式1)和式2)便可求得最佳动力性换档点ua；
式中，δn-传动系统回转质量换算系数，m-电动汽车的总质量，Tq-发动机特性，io-主减速器速比，ign-变速器n档的传动比，ηT-传动系统效率，r-车轮的滚动半径，g-重力加速度，CD-空气阻力系数，f-滚动阻力系数，A-迎风面积，ua-最佳动力性换档点；
最佳经济性换挡规律：
纯电动汽车的所有能量均来自于动力电池，通过驱动电机将电能转化为机械能以驱动车辆，从能量的消耗角度分析，汽车行驶过程中电池的能量主要用来消除汽车的行驶阻力以及热量的耗散，若电池储存的总的能量为W，则有：
W·ηb·ηe·ηT＝∑F·L 3)
式中，∑F——汽车行驶过程中受到的所有外界阻力之和；
L——电动汽车的续驶里程；
ηb——动力电池组的效率；
ηe——驱动电机及其控制器的效率；
ηT——传动系统效率。
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