CN106926747B - 基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统 - Google Patents

基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，包括车辆控制器VCU、电池管理系统BMS、电机控制单元MCU、变速器控制单元TCU、动力蓄电池、驱动电机、两档自动变速器、主减速器、差速器和车轮，所述的车辆控制器VCU根据车辆当前运行工况决策是否换挡，所述的电池管理系统BMS对动力蓄电池进行控制和检测，所述的电机控制单元MCU对驱动电机进行控制，所述的变速器控制单元TCU对两档自动变速器的换挡执行电机进行控制，所述的驱动电机依次通过两档自动变速器、主减速器、差速器最后作用于车轮进而驱动车辆。与现有技术相比，本发明通过协调控制驱动电机和两档自动变速器的换挡执行机构，以实现快速平稳换挡等优点。

Description

基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统
技术领域
本发明涉及纯电驱动汽车自动换挡控制技术领域，尤其是涉及一种基于无离合器两档自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统。
背景技术
随着化石能源逐渐枯竭以及环境问题日渐突出，纯电动汽车以其零排放、低噪声和电能来源途径广泛等优点，成为新能源汽车的重要发展方向之一。
纯电动汽车以驱动电机为动力源，由于驱动电机具有零转速启动、低转速高转矩、高转速恒功率和工作范围较宽等特点，理论上纯电动汽车可以不使用变速器，但实际上为兼顾其动力性指标(最高车速和最大爬坡度)并改善其能量经济性，一般需要在纯电动汽车上配备两到三档自动变速器。
无离合器两档自动变速器是由机械式自动变速器(Automated ManualTransmission,AMT)发展而来,是目前纯电动汽车用自动变速器的一个有效解决方案。由于取消了离合器结构，在换挡过程中需要驱动电机主动调速，同时同步器两端转速同步还需要控制换挡执行机构电机提供换挡力继而通过同步器摩擦锥面的作用来实现。因而换挡过程中整车驱动电机和的换挡执行机构电机的控制是非常重要而且比较复杂，很容易导致同步器的快速磨损、动力中断时间较长和换挡冲击大等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于无离合器两档自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，针对纯电动车用无离合器两档自动变速器换挡过程，充分考虑驱动电机和换挡执行电机的作动特性，采用分段控制策略，通过两电机的协调控制，保证换挡平顺性并缩短换挡时间，减小换挡冲击，进而提高换挡品质。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于无离合器两档自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，包括车辆控制器VCU、电池管理系统BMS、电机控制单元MCU、变速器控制单元TCU、动力蓄电池、驱动电机、两档自动变速器、主减速器、差速器和车轮，所述的车辆控制器VCU根据车辆当前运行工况决策是否换挡，所述的电池管理系统BMS对动力蓄电池进行控制和检测，所述的电机控制单元MCU对驱动电机进行控制，所述的变速器控制单元TCU对两档自动变速器的换挡执行电机进行控制，所述的驱动电机依次通过两档自动变速器、主减速器、差速器最后作用于车轮进而驱动车辆。
加速踏板信号、制动踏板信号，两者都是驾驶员的直接控制对象，即驾驶接口，将加速踏板和制动踏板的开度及其变化率向车辆控制器VCU反馈。
所述的车辆控制器VCU，接收车辆运行速度、当前档位、运行模式、加速踏板信号和制动踏板信号的车辆状态信息和驾驶员操作信息，判断驾驶员驾驶意图，决策车辆的换挡请求和驾驶员需求转矩，并发送到CAN总线上；
所述的电池管理系统BMS，负责动力蓄电池的上下电控制，并实时监测动力蓄电池的状态，并将动力蓄电池的状态和故障信息发送到CAN总线上；
所述的电机控制单元MCU，接收总线上驱动电机转矩或转速请求、以及电池管理系统BMS发出的动力蓄电池信息，控制驱动电机的控制模式完成转速或转矩控制，并将驱动电机的运行状态和故障信息反馈到CAN总线上；
所述的变速器控制单元TCU，接收换挡拨叉位置信号以及同步器两端速度信号，控制执行机构电机完成位置伺服和换挡力控制。
所述的变速器控制单元TCU换挡信号来至于车辆控制器VCU根据车辆当前运状态的换挡决策，换挡过程需要对驱动电机及换挡执行电机进行协调控制，同时还考虑动力蓄电池的工作状态，因而换挡过程需要车辆控制器VCU、电池管理系统BMS、电机控制单元MCU和变速器控制单元TCU的介入，所述的控制系统的换挡过程采用分段控制方法，在每个阶段都设计不同的控制算法和控制参数，从接收换挡指令开始到换挡完成，整个换挡过程分为如下几个步骤：
1)驱动电机转矩调零；2)变速器摘挡；3)驱动电机调速；4)驱动电机转矩再次调零；5)消除同步器空行程；6)同步器两端转速同步控制；7)变速器进挡；8)驱动电机转矩恢复。
所述的1)驱动电机转矩调零具体为：
当车辆控制器VCU决策出换挡请求时，控制系统从在挡运行工况进入换挡工况，为降低车辆的冲击、减小换挡阻力，在执行机构摘挡前，经电机控制单元MCU控制将驱动电机转矩调零，考虑到传感器噪声、驱动电机转矩波动以及换挡时间要求设计控制算法切换到下一阶段的条件：驱动电机转矩小于设定的阈值T1。
所述的2)变速器摘挡具体为：
所述的驱动电机转矩调零结束之后，所述的变速器控制单元TCU控制执行机构电机进行摘挡，控制目标为换挡拨叉的位移，设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉实际位移与目标位移的差值小于设定的阈值eS1。
所述的3)驱动电机调速具体为：
执行机构摘挡结束之后，由于不同档位传动比的差异，驱动电机目标转速需要有较大的跃变，为降低同步器两端转速同步过程带来的滑磨和冲击，应尽可能的在进入同步器两端转速同步控制前使得同步器两端转速差尽量小，因而需要对驱动电机转速进行控制，该阶段驱动电机进入转速控制模式经电机控制单元MCU控制将驱动电机转速调制到目标转速，考虑到驱动电机调速能力和精度以及换挡时间要求，设计控制算法切换到下一阶段的条件：同步器两端转速差小于设定的阈值en。
所述的4)驱动电机转矩再次调零具体为：
所述的驱动电机转速达到目标转速之后，将其转矩再次调零，设计控制算法切换到下一阶段的条件：驱动电机输出转矩小于设定的阈值T2。
所述的5)消除同步器空行程具体为：
所述的驱动电机进入自由状态之后，所述的变速器控制单元TCU控制执行机构电机消除空行程，使得同步器锁环和目标档位齿圈接触，控制目标为换挡拨叉的位移，设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉位移的实际位移与目标位移的差值小于设定的阈值eS2。
所述的6)同步器两端转速同步控制具体为：
在消除同步器空行程之后同步器两端转速并未同步，因而在进挡之前需要对同步器两端转速进行同步控制。该阶段转速控制的同步力来源于同步器摩擦锥面的摩擦作用，同步力的大小取决于换挡执行机构提供的换挡力，所述的变速器控制单元TCU控制执行机构电机达到转速同步控制的目的，转速同步之后在换挡力的作用下同步器锁环拨正，接合套才可继续移动；因此设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉14的位移大于设定的阈值S1；
所述的7)变速器进挡具体为：
同步控制完成之后接合套在在执行机构的作用下继续移动实现进挡操作，控制目标为换挡拨叉的位移，根据设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉实际位移与目标位移的差值小于设定的阈值eS3；
所述的8)驱动电机转矩恢复具体为：
进挡完成之后，所述的驱动电机可为车辆提供驱动转矩，根据所述的车辆控制器VCU决策的驾驶员目标需求转矩，经所述的电机控制单元MCU控制驱动电机的输出转矩当驱动电机输出转矩与驾驶员需求转矩之差小于设定的阈值eT3时，认为换挡完成。
考虑车辆起步时的进挡和换挡的控制差异，对各控制算法进行删减和修改即可用于使用无离合器两档自动变速器的纯电动汽车的起步时的进挡控制。
本发明还可以用于使用无离合器两档自动变速器的纯电动汽车的起步时的进挡(空档到1档)控制，对比车辆起步时进挡和换挡的特点，进挡工况阶段相对较少，只有空行程消除、齿环拨正、进挡和驱动电机转矩控制到驾驶员需求转矩恢复阶段，因此换挡控制算法也可实现车辆的起步时进挡控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在不改变纯电动汽车动力系统结构和变速箱控制系统结构的情况下，充分利用驱动电机转矩转速响应快的优点，在换挡过程采用分段控制方法实现驱动电机和换挡电机的协调控制，以保证换挡品质和换挡成功率。
附图说明
图1为本发明实例所使用的无离合器两档自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统示意图；
图2为本发明实例所使用的无离合器两档自动变速器的纯电动汽车换挡执行机构控制系统示意图；
图3为本发明实例所采用的无离合器两档自动变速器的纯电动汽车换挡控制逻辑示意图；
图4为验证本发明所提出的换挡控制算法，仿真程序中设置的目标速度及车速示例图；
图5为使用本发明所提出的换挡控制算法，驱动电机仿真转速示例图；
图6为使用本发明所提出的换挡控制算法，换挡过程驱动电机的仿真转速示例图；
图7为使用本发明所提出的换挡控制算法，换挡拨叉的仿真位移示例图；
图8为使用本发明所提出的换挡控制算法，换挡过程换挡拨叉的仿真位移示例图；
图9为使用本发明所提出的换挡控制算法，换挡过程各个步骤的工作时间示例图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明专利一种使用的无离合器两档自动变速器的纯电动汽车换挡控制方法及系统，该换挡控制系统为分布式控制系统，主要包括：整车控制器VCU01、电池管理系统BMS02、电机控制单元MCU03、变速器控制单元TCU04、动力蓄电池05、驱动电机06和两档变速器07等部件。
如图2所示，变速器换挡执行机构的控制系统主要包括变速器控制单元TCU04、执行机构电机11、减速机构12、运动转换机构13、换挡拨叉14和同步器15。
如图3所示，换挡过程的第一阶段是驱动电机06转矩控制，只有当驱动转矩控制到接近于0的情况下，才能够进行摘挡；这主要是因为如果驱动电机06有较大的转矩输出则会增大摘挡阻力，同时在摘挡是会造成驱动电机06转速突变和变速器传动轴出现抖振，对整个动力系统带来不利影响，同时恶化换挡品质。驱动电机06采用矢量控制方法将输出转矩控制到0。当驱动电机06的转矩控制到小于设定的阈值时，换挡过程进入下一阶段。
变速器摘挡阶段，如图2所示，执行机构电机经减速机构12、运动转换机构13驱动换挡拨叉14，以换挡拨叉14的位移为控制目标，设计摘挡阶段目标位移曲线，TCU04采用三闭环控制算法对执行机构电机11进行控制，当换挡拨叉14位移满足要求后，换挡过程进入下一阶段。
驱动电机06转速控制阶段，摘挡完成之后，由于不同档位传动比的差异，驱动电机06目标转速需要有较大的跃变，为降低同步器两端转速同步过程带来的滑磨和冲击，应尽可能的在进入同步器两端转速同步控制前使得同步器两端转速差尽量小，因而需要对驱动电机06转速进行控制，该阶段驱动电机06进入转速控制模式经MCU03控制将驱动电机06转速调制到目标转速，考虑到驱动电机06调速能力和精度以及换挡时间要求，当同步器两端转速差小于设定的阈值en时换挡过程进入下一阶段。
驱动电机06转矩再次调零阶段，为保证驱动电机06的控制与同步器15的作用不产生冲突，驱动电机转速达到目标转速之后，将其转矩再次调零，当驱动电机06的输出转矩小于设定的阈值T2时，换挡过程进入下一阶段。
同步器空行程消除阶段，为保证不同档位(空档、1档、2档)之间不出现干涉，每个档位设置自锁机构的同时也会给档位之间预留一定的间隙，当变速器处于空档向2档进挡之前需消除空行程，同摘挡阶段，当换挡拨叉位置满足要求后，换挡过程进入下一阶段。
同步器两端转速同步阶段，同步器两端未同步之前无法拨正齿环和齿圈，换挡拨叉无法驱动接合套完成进挡操作，因而在进挡之前需要对同步器两端转速进行同步控制。该阶段转速控制的同步力来源于同步器摩擦锥面的摩擦作用，同步力的大小取决于换挡执行机构提供的换挡力，因而需要TCU04控制执行机构电机11达到转速同步控制的目的。当同步器15同步之后换挡拨叉位移满足条件后换挡过程进入下一阶段。
变速器进挡阶段，当同步器15同步之后，齿环和齿圈被拨正，换挡拨叉可继续驱动接合套移动，如摘挡阶段，设计换挡拨叉的目标位移曲线，TCU04采用三闭环控制算法对执行机构电机11进行控制，当换挡拨叉位移满足要求后，换挡过程进入下一阶段。
驱动电机转矩恢复阶段，进挡完成之后，驱动电机06可为车辆提供驱动转矩，根据VCU01决策的驾驶员目标需求转矩，经MCU03控制驱动电机06的输出转矩当驱动电机输出转矩与驾驶员需求转矩之差小于设定的阈值eT3时，认为换挡完成，整个换挡阶段结束，车辆进入在挡稳定运行阶段。
图4是仿真过程车辆目标速度及实际速度；
图5是仿真过程驱动电机转速；
图6是仿真换挡过程中驱动电机转速；
图7是仿真过程中换挡拨叉位移；
图8是仿真换挡过程中换挡拨叉位移；
图9是仿真换挡过程各个步骤的工作时间；
以上所述仅仅是本发明的具体实施方式，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰(如：通过删减相应过程实现无离合器两档自动变速器的停车回空档和起步时进挡控制)也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，包括车辆控制器VCU(01)、电池管理系统BMS(02)、电机控制单元MCU(03)、变速器控制单元TCU(04)、动力蓄电池(05)、驱动电机(06)、两挡自动变速器(07)、主减速器(08)、差速器(09)和车轮(10)，其特征在于，所述的车辆控制器VCU(01)根据车辆当前运行工况决策是否换挡，所述的电池管理系统BMS(02)对动力蓄电池(05)进行控制和检测，所述的电机控制单元MCU(03)对驱动电机(06)进行控制，所述的变速器控制单元TCU(04)对两挡自动变速器的换挡执行电机(11)进行控制，所述的驱动电机(06)依次通过两挡自动变速器(07)、主减速器(08)、差速器(09)最后作用于车轮(10)进而驱动车辆；
所述的车辆控制器VCU(01)，接收车辆运行速度、当前挡位、运行模式、加速踏板信号和制动踏板信号的车辆状态信息和驾驶员操作信息，判断驾驶员驾驶意图，决策车辆的换挡请求和驾驶员需求转矩，并发送到CAN总线上；
所述的电池管理系统BMS(02)，负责动力蓄电池(05)的上下电控制，并实时监测动力蓄电池(05)的状态，并将动力蓄电池(05)的状态和故障信息发送到CAN总线上；
所述的电机控制单元MCU(03)，接收总线上驱动电机转矩或转速请求、以及电池管理系统BMS(02)发出的动力蓄电池信息，控制驱动电机(06)的控制模式完成转速或转矩控制，并将驱动电机(06)的运行状态和故障信息反馈到CAN总线上；
所述的变速器控制单元TCU(04)，接收换挡拨叉(14)位置信号以及同步器(15)两端速度信号，控制换挡执行电机(11)完成位置伺服和换挡力控制；
所述的变速器控制单元TCU(04)换挡信号来自于车辆控制器VCU(01)根据车辆当前运行状态的换挡决策，换挡过程需要对驱动电机(06)及换挡执行电机(11)进行协调控制，同时还考虑动力蓄电池(05)的工作状态，因而换挡过程需要车辆控制器VCU(01)、电池管理系统BMS(02)、电机控制单元MCU(03)和变速器控制单元TCU(04)的介入，所述的控制系统的换挡过程采用分段控制方法，在每个阶段都设计不同的控制算法和控制参数，从接收换挡指令开始到换挡完成，整个换挡过程分为如下几个步骤：
1)驱动电机转矩调零；2)变速器摘挡；3)驱动电机调速；4)驱动电机转矩再次调零；5)消除同步器空行程；6)同步器两端转速同步控制；7)变速器进挡；8)驱动电机转矩恢复。
2.根据权利要求1所述的一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，其特征在于，所述的1)驱动电机转矩调零具体为：
当车辆控制器VCU(01)决策出换挡请求时，控制系统从在挡运行工况进入换挡工况，为降低车辆的冲击、减小换挡阻力，在执行机构摘挡前，经电机控制单元MCU(03)控制将驱动电机转矩调零，考虑到传感器噪声、驱动电机(06)转矩波动以及换挡时间要求设计控制算法切换到下一阶段的条件：驱动电机(06)转矩小于设定的阈值T1。
3.根据权利要求1所述的一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，其特征在于，所述的2)变速器摘挡具体为：
所述的驱动电机转矩调零结束之后，所述的变速器控制单元TCU(04)控制换挡执行电机(11)进行摘挡，控制目标为换挡拨叉(14)的位移，设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉(14)实际位移与目标位移的差值小于设定的阈值eS1。
4.根据权利要求1所述的一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，其特征在于，所述的3)驱动电机调速具体为：
该阶段驱动电机(06)进入转速控制模式经电机控制单元MCU(03)控制将驱动电机(06)转速调制到目标转速，考虑到驱动电机(06)调速能力和精度以及换挡时间要求，设计控制算法切换到下一阶段的条件：同步器两端转速差小于设定的阈值en。
5.根据权利要求1所述的一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，其特征在于，所述的4)驱动电机转矩再次调零具体为：
所述的驱动电机(06)转速达到目标转速之后，将其转矩再次调零，设计控制算法切换到下一阶段的条件：驱动电机输出转矩小于设定的阈值T2。
6.根据权利要求1所述的一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，其特征在于，所述的5)消除同步器空行程具体为：
所述的驱动电机(06)进入自由状态之后，所述的变速器控制单元TCU(04)控制换挡执行电机(11)消除空行程，使得同步器锁环和目标挡位齿圈接触，控制目标为换挡拨叉的位移，设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉位移的实际位移与目标位移的差值小于设定的阈值eS2。
7.根据权利要求1所述的一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，其特征在于，所述的6)同步器两端转速同步控制具体为：
该阶段转速控制的同步力来源于同步器摩擦锥面的摩擦作用，同步力的大小取决于换挡执行机构提供的换挡力，所述的变速器控制单元TCU(04)控制换挡执行电机(11)达到转速同步控制的目的，转速同步之后在换挡力的作用下同步器锁环拨正，接合套才可继续移动；因此设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉(14)的位移大于设定的阈值S1；
所述的7)变速器进挡具体为：
同步控制完成之后接合套在执行机构的作用下继续移动实现进挡操作，控制目标为换挡拨叉(14)的位移，根据设计控制算法切换到下一阶段的条件：换挡拨叉(14)实际位移与目标位移的差值小于设定的阈值eS3；
所述的8)驱动电机转矩恢复具体为：
进挡完成之后，所述的驱动电机(06)可为车辆提供驱动转矩，根据所述的车辆控制器VCU(01)决策的驾驶员目标需求转矩，经所述的电机控制单元MCU(03)控制驱动电机(06)的输出转矩，当驱动电机(06)输出转矩与驾驶员目标需求转矩之差小于设定的阈值eT3时，认为换挡完成。
8.根据权利要求1所述的一种基于无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车换挡控制系统，其特征在于，考虑车辆起步时的进挡和换挡的控制差异，对各控制算法进行删减和修改即可用于使用无离合器两挡自动变速器的纯电动汽车的起步时的进挡控制。
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