CN107117160A - 一种电动汽车驱动系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种电动汽车驱动方法及控制方法，系统包括：驱动电机、电机控制器，AMT变速器、AMT变速器控制器，电机控制器连接驱动电机，且变速器控制器连接变速器，且变速器的；驱动电机包括驱动电机转子；AMT变速器包括齿轮齿圈、拨叉、接合套、换挡电机、变速器输入轴、转速传感器、变速器输出轴；驱动电机的驱动电机转子的连接变速器的变速器输入轴；变速器输入轴上设有齿轮齿圈，变速器输出轴上设有接合套以与齿轮齿圈的不同尺寸的齿圈啮合；还包括换挡电机和拨叉，换挡电机连接拨叉以通过拨叉控制接合套与齿轮齿圈分离以实现摘档或通过拨叉控制接合套与齿轮齿圈的不同齿轮啮合以实现挂档。

Description

一种电动汽车驱动系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其是指一种电动汽车驱动方法及控制方法。
背景技术
随着社会的发展，电动汽车已经逐渐进入了家庭。电动汽车的驱动系统完全不同于普通燃油车辆，我国普遍采用高密度永磁同步电机为代表的车用电机。在电机设计方面，采用现代车用电机系统设计理念，初步解决多目标高性能车用电机的极限设计，结合应用控制策略系统集成仿真技术，采用结构集成设计技术，实现了电机与变速器在机械、电磁、热的高度一体化设计与应用。电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显。机电一体化的发展从结构集成到控制集成和系统集成，汽车动力的电气化成分越来越高。不同耦合深度的机电耦合动力总成系统使得电机与变速器两者的联系变得越来越紧密。目前，市场上的电动汽车多采用固定速比的减速器，这种传动方式结构简单、成本低。但是采用一个档位的减速器对驱动电机提出了较高的要求，使得驱动电机既要在恒转矩区提供较高的瞬时转矩，又要在恒功率区提供较高的运行速度。同时这种驱动系统的电机利用效率低，影响了电动车辆的续驶里程。
现有常用的电动汽车两档变速器有AMT变速器、行星齿轮变速器和DCT变速器：
AMT变速器是在传统的手动齿轮式变速器基础上改进而来，具有结构简单、易于制造、传动效率高、制造成本低等优点；但是采用AMT结构时需要使用同步器，如果同步出现偏差会造成较大的换档冲击，同时还会加速同步器的磨损，进而降低了AMT的使用寿命。
采用DCT变速器和行星齿轮变速器时，由于变速器只有两个档位，此时会使得变速器的制造成本和使用成本增加很多。
因此现有技术中亟待提出一种成本低、结构简单、换档冲击小、使用寿命长的车用电机—变速器一体化的驱动系统以及控制方法。
发明内容
针对现有技术中的电动汽车驱动方法存在着各种缺陷的问题，本发明实施例要解决的技术问题是提出一种结构更为合理且效率高的电动汽车驱动方法及控制方法。
为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种电动汽车驱动系统，包括：驱动电机、电机控制器，AMT变速器、AMT变速器控制器，其中所述电机控制器连接所述驱动电机，且所述变速器控制器连接所述变速器，且所述变速器的；所述驱动电机包括驱动电机转子；AMT变速器包括齿轮齿圈、拨叉、接合套、换挡电机、变速器输入轴、转速传感器、变速器输出轴；其中所述驱动电机的驱动电机转子的连接变速器的变速器输入轴；其中变速器输入轴上设有齿轮齿圈，变速器输出轴上设有接合套以与齿轮齿圈的不同尺寸的齿圈啮合；还包括换挡电机和拨叉，所述换挡电机连接所述拨叉以通过所述拨叉控制所述接合套与齿轮齿圈分离以实现摘档或通过所述拨叉控制所述接合套与齿轮齿圈的不同齿轮啮合以实现挂档。
同时，本发明实施例还提出了一种利用前述系统的控制方法，其中所述电机控制器和ATM变速器控制器换挡时执行以下操作：
步骤1、当换档时，电机控制器根据接收到的整车控制器发来的卸载指令，电机控制器控制驱动电机从的转矩以实现传动系统卸载；且ATM变速器控制器通过换挡电机进行摘档以使ATM变速器的接合套与齿轮齿圈分离；
步骤2、控制所述驱动电机的转速以进行主动同步，以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr；
步骤3、当检测到变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr时，ATM变速器控制器通过换挡电机进行挂档以使ATM变速器的接合套与齿轮齿圈目标档位对应的齿圈啮合；
步骤、当接合套与齿轮齿圈啮合后，电机控制器控制驱动电机由转速控制模式切换到转矩控制模式，使驱动电机的输出转矩达到目标值以完成换档；
其中所述步骤2的主动同步具体包括：根据以下公式确定允许差值Δωr：
其中，通过以下方法控制所述驱动电机的转速：
确定PID调节器：
U(t)＝kpe(t)+ki∑e(t)+kdec(t) (5)
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数；e(t)为电机转速偏差；ec(t)为电机转速偏差变化率；
利用模糊推理算法，以偏差及偏差变化率为输入量，通过模糊推理，输出PID调节器kp、ki、kd的变化量Δkp、Δki、Δkd；
其中，通过以下公式确定PID调节器kp、ki、kd：
其中，kp0、ki0、kd0分别为比例系数、积分系数及微分系数的初始值。
其中，所述步骤2还包括：获取驾驶员踩下加速踏板或制动踏板的参数，以获取驾驶者驾驶规律曲线，并根据所述驾驶规律曲线确定换挡时刻；具体包括：
以车速、加速踏板开度及加速踏板开度变化率为输入参数，利用模糊推理算法对输入参数进行模糊处理，得到三种驾驶员意图，所述驾驶员意图包括：经济型需求、综合型需求、动力型需求；
如果驾驶员意图为动力型需求，则控制驱动电机以大于预设速率来增加转矩以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr；如果驾驶员意图为经济型需求，则控制驱动电机以小于预设速率来增加转矩以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr；如果驾驶员需求为综合型，则控制驱动电机以预设速率来增加转矩以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种
提出了一种取消离合器及同步器的一体化驱动系统，减少了系统的零件数目，从而降低了一体化系统的制造成本、使用成本，使得一体化系统结构变得更紧凑、更简单。离合器的控制设计往往也是技术难点，取消了离合器，一体化系统的控制难度也相应降低。
提出了一种基于模糊PID控制的电机主动同步调速控制策略，在模糊PID控制下，换档过程中的驱动电机转速变化曲线变得平滑，可以有效地减少换档冲击，有利于顺利换档，从而提升换档品质，延长变速器使用寿命。
提出了一种基于驾驶员意图的电机转矩恢复控制策略，满足驾驶员不同的需求。
提出了一种针对无离合器无同步器的一体化驱动系统的换档控制策略。该换档控制策略利用基于模糊PID控制的电机主动同步调速控制策略以及基于驾驶员意图的电机转矩恢复控制策略，可以有效地缩短换档时间，减小换档冲击，满足不同驾驶员的需求。另外通过在调速过程中引入延时判断，可以避免转速超调对后续挂档的影响，保证挂档时间短、冲击小。
附图说明
图1为本发明实施例的电动汽车驱动系统的的系统架构图；
图2为PID控制器及模糊推理算法的原理图；
图3为现有的驱动电机换挡时的电机转速示意图；
图4为本发明实施例的方法驱动电机换挡时的电机转速示意图；
图5为驾驶员意图的示意图；
图6为三种驾驶员意图的示意图；
图7为换档过程控制策略的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
驱动电机作为一体化系统的重要组成部分，其在电机控制器控制作用下，根据驾驶员意图，将动力电池电能转换成机械能，输出纯电动汽车实际行驶工况下需求的转矩和功率。
所述的电机控制器作为整个驱动系统的控制中心，它由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收电池输送过来的直流电电能，逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。控制器接受电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行为时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加速或者减速的目的。在换档过程中，电机控制器主要接收来自整车控制器、AMT控制器、转速传感器传来的信息，然后按照相关的换档要求进行不同工作模式的切换，并输出相应的转速或者转矩值。
所述的两档AMT通过减速增扭，使得电动汽车能够以低速档爬坡，高速档加速，从而扩大电机的工作效率区间，减少电能损耗。
所述的AMT控制器的作用包括两个方面。第一个作用是接收来自驾驶员、车速、行驶路况等信息，依据换档规律，识别电动汽车行驶过程中的换档点。第二个作用是接收来自电机控制器、整车控制器、档位传感器、转速传感器等部件传来的信息，对驱动电机—变速器一体化系统进行综合协调，以确保换档控制策略的顺利实现。
所述的换档执行机构包括接合套、拨叉、换档电机等部件。换档电机通过正反旋转，推动拨叉左右移动，然后拨叉推动接合套左右移动，进而实现升档或者降档。
所述的转速转矩传感器的作用是用于获取变速器输出轴的转速及转矩信号，将其反馈给AMT控制器，便于其执行换档控制策略。
AMT变速器的换档过程是通过控制器根据车辆状态信息(如车速、加速踏板开度、挡位状态、电机效率)在换档过程控制策略协调下完成的，其过程极其短暂，持续时间约1s～2s。在如此短暂的时间内，驱动电机的动力需要经过多个工作状态，才可从某一挡位顺利转移到目标挡位。为了保证不同工作状态之间能够稳定、快速且准确过渡，需要对其涉及到的工作阶段进行详细划分。结合无离合器无同步器的驱动电机+AMT一体化系统换档过程的动力学特点，可将其分为六个阶段：
阶段1：摘挡前。换档前，车辆以正常状态行驶在路上，动力传递稳定无中断。
阶段2：驱动电机卸载。换档开始后，整车控制器发出卸载指令，电机控制器通过对电机的转矩控制实现传动系统卸载，此时驱动电机仅输出微小转矩值，以克服电机旋转引起的阻尼力矩。
阶段3：摘挡。AMT控制器控制换档电机，通过换档电机输出摘挡力，驱使处于啮合状态的接合套与当前挡齿轮齿圈分离，将接合套摘至空挡位置，切断动力源与传动系统间的连接，此时车辆处于动力中断状态。
阶段4：驱动电机调速主动同步。由于驱动电机+AMT变速器一体化系统中无离合器和同步器，为了保证换档顺利完成，在变速器挂挡之前需要对驱动电机进行转速主动同步控制，使得变速器输入轴转速同目标挡齿轮转速差值以最短时间进入到允许值范围内。因此，摘挡操作完成后，电机控制模式由转矩切换成转速模式，并根据目标转速值进行调速。
在主动同步调速过程中，驱动电机根据待啮合齿轮转速ω2进行转速调整，使得变速器输入轴转速与待啮合齿轮转速差值进入到允许范围之内。调速过程中有如下关系式成立：
由前述可知，驱动电机+AMT变速器一体化系统的换档时间主要由以下几部分组成，如式2所示：
tshift＝tdow％+tdise％gage+tsy％+te％gage+tup+tdelay (2)
式中，tdow％为电机转矩卸载时间；tdise％gage为换档执行机构摘挡时间；tsy％为驱动电机主动调速同步时间；te％gage换档执行机构挂挡时间；tup驱动电机转矩恢复时间；tdelay为相应传感器及执行器信号延迟时间。
由AMT变速器换档过程台架实验结果可知，电机的主动同步调速时间tsy％在换档时间tshift中所占比例较大，其与传动系其他控制参数的数学关系式如下所示：
由式3可知，电机主动同步调速时间tsy％同变速器输出轴转速、目标挡位同当前挡位传动比差值、接合套与待啮合齿轮转速差值的允许值以及电机主动同步时的调速转矩有关。在此过程中，Δωr与电机动态响应特性有关，电机调速精度越高，允许值Δωr可越小，从而调速时间tsy％也随之相应减小。另外，在不影响车辆及电机性能的前提下，为了减小调速时间tsy％，还可适当提高调速转矩，从而有效减少换档总时间。
阶段5：挂入目标挡位。当检测到接合套与目标挡带啮合齿轮齿圈转速差值满足允许差值Δωr后，AMT控制器通过换档电机输出挂挡力，驱使换档拨叉推动接合套，将接合套挂至目标档位置，使其与带啮合齿轮齿圈进行啮合，从而恢复动力源与传动系统间的连接。
阶段6：驱动电机转矩恢复。当接合套内齿与啮合齿轮齿圈外齿啮合后，为保证二者充分啮合，变速器换档执行机构驱使换档拨叉继续推动接合套沿轴向移动一小段位移。此阶段，在保证车辆行驶平顺性的情况下，驱动电机需快速地由转速控制模式切换到转矩控制模式，使车辆转矩输出恢复到目标值完成换档。此过程中换档冲击度为：
从式4可知，在驱动电机转矩恢复阶段，换档冲击度与电机转矩Tm和地面阻力矩TL变化率成正比。由于整个换档过冲持续时间较短，而整车的惯量非常大，可认为电动汽车的行驶阻力矩TL在换档过程中为一常量。因此为了减小换档冲击度，并将其控制在一定范围内，需要对驱动电机转矩恢复方式进行合理设计，以此保证动力传输过程平稳过渡。
在阶段4中，换档过程中的电机主动同步调速结果不仅对摘挡过程持续时间长短有影响，还影响最终能否实现成功挂挡。本发明通过利用模糊控制算法和PID算法相结合的方法对驱动电机的转速进行控制，使其调速结果能够满足快速、平顺挂挡需求。
模糊控制控制算法的动态响应效果比较好，具有较强的鲁棒性，但由于其以偏差和偏差变化量为输入参数，缺少积分环节，即缺少消除静态误差的能力。PID控制器的动态响应效果较差，且不具有自适应能力，对于非线性、时变系统控制效果不佳，但是其具有很高的控制精度。本发明利用模糊推理规则对PID控制器的参数进行调整，将二者算法优势相结合，使得控制系统具有很好的自适应能力和鲁棒性，以此保证电机在换档时转速的快速同步，为挂挡阶段做好准备。
PID调节器的控制规律为：
U(t)＝kpe(t)+ki∑e(t)+kdec(t) (5)
上式中，kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数；e(t)为电机转速偏差；ec(t)为电机转速偏差变化率。图2中的模糊推理模块以偏差及偏差变化率为输入量，通过模糊推理，输出PID调节器kp、ki、kd的变化量Δkp、Δki、Δkd。模糊控制器在控制过程中通过实时检测输入量的偏差及其变化率，实现实时调制kp、ki、kd的值，即如式6所示：
上式中，kp0、ki0、kd0分别为比例系数、积分系数及微分系数的初始值。
PID控制器的三参数kp、ki、kd共同作用于驱动电机转速：比例系数kp影响系统的响应速度，过小会增加调节时间，过大会产生超调量；积分系数ki的作用是消除系统稳态误差，过小会增加消除误差的难度，过大会产生饱和积分；微分系数kd影响系统的动态响应，增大kd有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。因此根据不同控制情况，实时选取合理的kp、ki、kd参数是实现高精度PID控制的关键。
于是建立如图2所示的控制框图。
无转速控制时，电机转速在换档过程中变化如图3所示。模糊PID控制时，电机转速在换档过程中变化如图4所示。经过对比图3及图4可知，由于档位突变，无转速控制时，驱动电机转速在换档过程中剧烈波动，而在模糊PID控制下，驱动电机转速变化曲线较为平滑，有利于顺利换档。由此可得，本节所采用的模糊PID控制算法可以有效地减小换档过程中电机转速的波动，使得电机转速曲线变得平滑。
换档冲击度是评价换档平顺性的重要指标，由于本文发明所提出的驱动电机+AMT一体化系统省略了离合器及同步器结构，在挂档后电机转矩恢复过程中，冲击度的大小如式公式4所示，其值仅与驱动电机输出转矩的变化率成正比。因此，假如给驱动电机直接设置目标转矩恢复值，则将给整车带来较大的冲击，影响换档平顺性及驾驶舒适性，故在阶段6中需对驱动电机的转矩恢复过程进行相应控制，保证转矩恢复满足不同驾驶员需求。
由式4可得转矩恢复过程中电机转矩恢复速率与冲击度的关系，如下式所示：
式中，ig位变速器目标档速比；i0为主减速器传动比；ηt为传动系统效率；j为冲击度。由上式可知，电机转矩恢复速率与目标档位速比及冲击度大小有关。
目前在电机转矩恢复过程中，其恢复速率一般设置成固定值，没有考虑不同驾驶员的需求。而在车辆行驶过程中，电机转矩恢复的速率应当根据驾驶员对不同行驶路况的需求，进行相应的调整。如图5所示：本发明以车速、加速踏板开度及加速踏板开度变化率为输入参数，利用模糊控制的方法对输入参数进行模糊处理，得到三种驾驶员意图需求，分别为经济型需求、综合型需求、动力型需求。
如图6所示，如果驾驶员意图为动力型需求，这就要求转矩以较大速率进行恢复，以满足驾驶员对动力性的需求；如果驾驶员意图为经济型需求，这意味着驾驶员对整车动力性需求较弱，可以让电机转矩以较小速率进行恢复，以满足驾驶员对平顺性和经济性需求；如果驾驶员需求为综合型，则转矩恢复速率介于动力型及经济型之间。
基于上述发明内容，本发明提出车用电机+变速器一体化系统换档过程控制策略，如图7所示。车辆行驶在道路上，驾驶员通过加速踏板或制动踏板控制其速度，根据换档规律曲线判断换档时刻。当达到换档点后，AMT控制器(TCU)通过CAN总线发送卸载指令给驱动电机控制器(MCU)，驱动电机按给定卸载方式进行卸载；卸载完成后，AMT控制器控制换档操作机构执行摘档；当检测到变速器档位为空档时，驱动电机控制单元根据AMT控制器发出的目标转速调速指令，对驱动电机转速进行控制，当电机实际转速同目标转速的差值绝对值小于允许值，且经过延时T后仍然小于允许值，然后进入下一个环节。由于调速过程中电机转速可能会出现超调现象，本发明特加入延时操作，可以避免转速超调对后续挂档的影响，保证挂档时间短、冲击小；当驱动电机转速同目标转速差值稳定在允许值范围内时，AMT控制器控制换档操作机构执行挂档操作；待挂档完成，AMT控制发送转矩恢复指令给驱动电机控制单元，电机按指定转矩恢复方式将转矩恢复到目标值，至此换档结束。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电动汽车驱动系统，其特征在于，包括：驱动电机、电机控制器，AMT变速器、AMT变速器控制器，其中所述电机控制器连接所述驱动电机，且所述变速器控制器连接所述变速器，且所述变速器的；所述驱动电机包括驱动电机转子；AMT变速器包括齿轮齿圈、拨叉、接合套、换挡电机、变速器输入轴、转速传感器、变速器输出轴；其中所述驱动电机的驱动电机转子的连接变速器的变速器输入轴；其中变速器输入轴上设有齿轮齿圈，变速器输出轴上设有接合套以与齿轮齿圈的不同尺寸的齿圈啮合；还包括换挡电机和拨叉，所述换挡电机连接所述拨叉以通过所述拨叉控制所述接合套与齿轮齿圈分离以实现摘档或通过所述拨叉控制所述接合套与齿轮齿圈的不同齿轮啮合以实现挂档。
2.一种利用如权利要求1所述的电动汽车驱动系统的控制方法，其特征在于，其中所述电机控制器和ATM变速器控制器换挡时执行以下操作：
步骤1、当换档时，电机控制器根据接收到的整车控制器发来的卸载指令，电机控制器控制驱动电机从的转矩以实现传动系统卸载；且ATM变速器控制器通过换挡电机进行摘档以使ATM变速器的接合套与齿轮齿圈分离；
步骤2、控制所述驱动电机的转速以进行主动同步，以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr；
步骤3、当检测到变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr时，ATM变速器控制器通过换挡电机进行挂档以使ATM变速器的接合套与齿轮齿圈目标档位对应的齿圈啮合；
步骤、当接合套与齿轮齿圈啮合后，电机控制器控制驱动电机由转速控制模式切换到转矩控制模式，使驱动电机的输出转矩达到目标值以完成换档；
其中所述步骤2的主动同步具体包括：根据以下公式确定允许差值Δωr：
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ω1为当前档位时电机的转速，ω2为目标档位时电机的转速，ω0为变速器输出轴转速，i1为变速器当前档时的传动比，i2为变速器为目标档时的传动比，Δωs为电机需要调速的转速差值。
3.根据权利要求2所述的电动汽车驱动方法，其特征在于，通过以下方法控制所述驱动电机的转速：
确定PID调节器：
U(t)＝kpe(t)+ki∑e(t)+kdec(t) (5)
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数；e(t)为电机转速偏差；ec(t)为电机转速偏差变化率；
利用模糊推理算法，以偏差及偏差变化率为输入量，通过模糊推理，输出PID调节器kp、ki、kd的变化量Δkp、Δki、Δkd；
其中，通过以下公式确定PID调节器kp、ki、kd：
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其中，kp0、ki0、kd0分别为比例系数、积分系数及微分系数的初始值。
4.根据权利要求2所述的电动汽车驱动方法，其特征在于，所述步骤2还包括：获取驾驶员踩下加速踏板或制动踏板的参数，以获取驾驶者驾驶规律曲线，并根据所述驾驶规律曲线确定换挡时刻；具体包括：
以车速、加速踏板开度及加速踏板开度变化率为输入参数，利用模糊推理算法对输入参数进行模糊处理，得到三种驾驶员意图，所述驾驶员意图包括：经济型需求、综合型需求、动力型需求；
如果驾驶员意图为动力型需求，则控制驱动电机以大于预设速率来增加转矩以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr；如果驾驶员意图为经济型需求，则控制驱动电机以小于预设速率来增加转矩以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr；如果驾驶员需求为综合型，则控制驱动电机以预设速率来增加转矩以使变速器输入轴的转速域目标档位的齿轮转速差值不大于允许差值Δωr。
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