CN107606129B - 电动车两挡变速箱自动换挡控制方法及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动车两挡变速箱自动换挡控制方法及其控制系统，属于电动车换挡控制技术领域，具体步骤为：判断是否满足换挡条件，满足条件进入换挡模式，换挡电机控制器(简称TCU)替代整车控制器控制驱动电机控制器，将驱动电机扭矩按照一定曲线下降到零扭矩；零扭矩时，TCU控制换挡执行机构，将挡位退到空挡；在空挡，TCU利用一定算法，求出控制扭矩将驱动电机转速调节到目标转速；达到目标转速之后，TCU控制换挡执行机构，完成换挡；进入非换挡模式，扭矩按一定曲线缓增至油门信号对应扭矩，通过按照特定曲线降扭矩和升扭矩，及TCU使用扭矩模式调速，缩短调速时间，实现快速换挡，能有效减轻换挡时动力中断导致的顿挫感，提高了驾驶感觉。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动车两挡变速箱自动换挡控制方法及其控制系统，属于电动车换挡控制技术领域。
背景技术
传统电动车多为单级减速器驱动方式，其主要存在以下问题：最大输出扭矩小，爬坡度不足；固定传动比，中高速性能不足；需要电机最大转速高，电机重量比较大、成本比较高，针对这些问题，两挡变速箱更能将电动车的经济性和驾驶性有效的结合，目前现有的两挡变速箱换挡过程中在判断满足换挡条件时，直接在驱动电机工作状态(电机扭矩不为零)时退挡，进入空挡调速，完成调速之后挂挡，直接响应油门信号，没有考虑退挡前缓降扭矩和挂挡后缓升扭矩，这样就导致汽车在高速运行时突然失去动力(进入空挡)，完成挂挡后又突然给很大的扭矩，产生向前的冲力，给人明显的顿挫感，严重影响驾驶感觉；另外现有方法调速一般依靠电机的调速模式进行调速，调速时间长，导致换挡时间长，意味着失去动力的时间长，影响驾驶感觉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动车两挡变速箱自动换挡控制方法及其控制系统，在换挡电机控制器的控制下自动完成换挡，减轻换挡过程中产生的顿挫感，解决了现有技术中出现的问题。
本发明所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，包括以下步骤：
S1：换挡电机控制器实时采集油门踏板信号、刹车信号、驱动电机转速信号以及车速信号；
S2：换挡电机控制器根据步骤S1中采集到的数据判断是否进入换挡模式；
S3：进入换挡模式后，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器的扭矩命令在时间T1内逐渐降为零，使得驱动电机不再响应油门踏板对应的扭矩；
S4：当换挡电机控制器检测到驱动电机实际扭矩降为零后，换挡电机控制器控制换挡执行机构退挡；
S5：当换挡电机控制器检测到挡位在空挡时，换挡电机控制器控制驱动电机控制器对驱动电机进行调速；
S6：当驱动电机转速达到目标转速时，换挡电机控制器控制换挡执行机构将当前挡位推进另一挡位；
S7：当挡位位于目标挡位时，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器控制命令，使得驱动电机将当前扭矩缓增到油门信号对应扭矩，退出换挡模式，进入非换挡模式，开始响应油门踏板信号，完成换挡过程；
所述的步骤S3中换挡电机控制器发送给驱动电机控制器的扭矩命令在时间T1内逐渐降为零，所述的扭矩按照以下公式对应的曲线下降：
Tcmd＝Tini*[cos(t*π/T1)+1]/2，t∈[0,T1]
其中T1为扭矩逐渐降为零的时间，实际数值通过测试标定来确定；Tini为进入换挡模式前的初始扭矩；t为时间变量；Tcmd为换挡电机控制器发给驱动电机控制器的扭矩。
为减轻换挡过程中产生的顿挫感，换挡电机控制器控制驱动电机控制器的扭矩命令按照特定的曲线在相应的时间范围内逐渐降为零。
在工作时由换挡电机控制器判断是否满足换挡条件，满足条件进入换挡模式，换挡电机控制器(简称TCU)替代整车控制器控制电机控制器，将驱动电机扭矩按照一定曲线下降到零扭矩；零扭矩时，换挡电机控制器控制换挡执行机构，将挡位退到空挡；在空挡，换挡电机控制器利用一定算法，求出控制扭矩将驱动电机转速调节到目标转速；达到目标转速之后，换挡电机控制器控制换挡执行机构动作，驱动换挡执行机构将挡位齿轮与电机齿轮啮合，完成换挡；进入非换挡模式，扭矩缓增至油门信号对应扭矩，通过按照特定曲线降扭矩和升扭矩，以及换挡电机控制器使用扭矩模式调速，缩短调速时间，实现快速换挡，能有效减轻换挡时动力中断导致的顿挫感，提高了驾驶感觉。
所述的步骤S2中换挡电机控制器按照以下控制策略判断是否进入换挡模式：
当换挡电机控制器采集到的车速信号大于车速阈值V1，并有油门踏板信号输入时，满足低速挡换入高速挡条件；
当换挡电机控制器采集到的车速信号大于车速阈值V2,并有油门踏板信号输入时，满足高速挡换入低速挡条件；
当换挡电机控制器采集到的车速信号小于车速阈值V3时，满足高速挡换入低速挡条件；
若以上都不满足，则维持现状，其中车速阈值满足：V1>V2>V3。
换挡电机控制器根据采集到的车速信号与车速阀值进行对比，来控制挡位的切换。
所述的步骤S5中换挡电机控制器控制驱动电机控制器对驱动电机进行调速的过程包括以下步骤：
S11：换挡电机控制器通过采集当前车速，根据当前车速及当前挡位，求出换挡所需的驱动电机目标转速Vt；
S12：换挡电机控制器以驱动电机目标转速Vt为目标，以目标转速Vt与驱动电机当前转速V之间的差速为反馈量，通过PI算法T＝P*ΔV+I*∑ΔV得到控制扭矩T，式中ΔV为目标转速与驱动电机当前转速V之间的差速，P、I为控制参数；
S13：换挡电机控制器向驱动电机控制器发送控制扭矩进行调速，最后达到目标转速Vt退出调速模式。
所述的步骤S11中驱动电机目标转速Vt根据以下公式进行计算：
当当前挡位为低挡时，Vt＝V*(K1/K2)；
当当前挡位为高挡时，Vt＝V*(K2/K1)；
式中：K1为两挡变速箱的高挡传动比，K2为两挡变速箱的低挡传动比，V为驱动电机当前转速。
所述的步骤S12中换挡电机控制器通过PI算法计算控制扭矩T的过程包括：
当Vt>V时，换挡电机控制器以正向驱动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为正，随时间进行累加；
当Vt<V时，换挡电机控制器以制动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为负，随时间进行逐减；
当V+30>Vt且V-30<Vt时，认为驱动电机当前转速V达到驱动电机目标转速Vt，退出调速模式；
上述ΔV为驱动电机目标转速Vt与驱动电机当前转速V的差，ΔV＝Vt-V。
当驱动电机当前转速小于驱动电机目标转速时，换挡电机控制器以正向驱动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为正，随时间进行累加；当驱动电机当前转速小于且接近驱动电机目标转速时，ΔV值较小，控制扭矩T较小。
当驱动电机当前转速大于驱动电机目标转速时，换挡电机控制器以制动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为负，随时间进行逐减；当驱动电机当前转速大于且接近驱动电机目标转速时，ΔV值较小，控制扭矩T较小；驱动电机控制器根据接收到扭矩信号，控制驱动电机进行调速，当速度达到目标转速时，退出调速模式。
所述的步骤S7中，当挡位位于目标挡位时，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器控制命令，使得驱动电机将当前扭矩按以下曲线缓增到油门信号对应的扭矩：
式中，T1为扭矩缓增至最大值的时间，实际数值通过测试标定来确定；Tmax为驱动电机最大扭矩；t为时间变量；Tcmd为换挡电机控制器发给驱动电机控制器的扭矩。
当进入非换挡模式后，将扭矩按一定曲线缓增到油门信号对应的扭矩，避免突然加速导致身体后倾，使整车驾驶感保持平顺。
本发明所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制系统，包括整车控制器、换挡电机控制器、换挡执行机构、驱动电机控制器、驱动电机和两挡变速箱，换挡电机控制器通过CAN总线分别连接整车控制器和驱动电机控制器，驱动电机控制器连接驱动电机，换挡电机控制器还连接换挡执行机构，换挡执行机构与两挡变速箱机械联接。
在换挡过程中，换挡电机控制器接管驱动电机控制器的控制权，配合完成整个换挡动作，换挡电机控制器连接整车控制器，采集整车控制器内车辆的信息，根据采集到的车辆信息判断挡位信息，换挡执行机构与两挡变速箱机械联接，通过换挡执行机构配合两挡变速箱完成换挡。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
提供一种电动车两挡变速箱自动换挡控制方法及其控制系统，实现电动车两挡变速，提高整车的爬坡能力，提升整车的最大车速；自动换挡，提升整车驾驶性；换挡时按照一定曲线降扭矩和升扭矩，以及换挡电机控制器以扭矩模式控制驱动电机控制器进行调速，缩短了换挡时间，可以大大减轻两挡变速箱在换挡过程中由于动力中断导致的顿挫感，提高驾驶感觉，解决了现有技术中出现的问题。
附图说明
图1为本发明电动车两挡变速箱自动换挡控制方法中整体的步骤流程图；
图2为本发明电动车两挡变速箱自动换挡控制方法中换挡过程中驱动电机扭矩的下降曲线图；
图3为本发明电动车两挡变速箱自动换挡控制方法中换挡过程中驱动电机扭矩的上升曲线图；
图4为本发明电动车两挡变速箱自动换挡控制系统的连接框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1所示，本发明所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，包括以下步骤：
S1：换挡电机控制器实时采集油门踏板信号、刹车信号、驱动电机转速信号以及车速信号；
S2：换挡电机控制器根据步骤S1中采集到的数据判断是否进入换挡模式；
S3：进入换挡模式后，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器的扭矩命令在时间T1内逐渐降为零，使得驱动电机不再响应油门踏板对应的扭矩；
S4：当换挡电机控制器检测到驱动电机实际扭矩降为零后，换挡电机控制器控制换挡执行机构退挡；
S5：当换挡电机控制器检测到挡位在空挡时，换挡电机控制器控制驱动电机控制器对驱动电机进行调速；
S6：当驱动电机转速达到目标转速时，换挡电机控制器控制换挡执行机构将当前挡位推进另一挡位；
S7：当挡位位于目标挡位时，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器控制命令，使得驱动电机将当前扭矩缓增到油门信号对应扭矩，退出换挡模式，进入非换挡模式，开始响应油门踏板信号，完成换挡过程。
为了进一步说明上述实施例，步骤S2中换挡电机控制器按照以下控制策略判断是否进入换挡模式：
当换挡电机控制器采集到的车速信号大于车速阈值V1，并有油门踏板信号输入时，满足低速挡换入高速挡条件；
当换挡电机控制器采集到的车速信号大于车速阈值V2,并有油门踏板信号输入时，满足高速挡换入低速挡条件；
当换挡电机控制器采集到的车速信号小于车速阈值V3时，满足高速挡换入低速挡条件；
若以上都不满足，则维持现状，其中车速阈值满足：V1>V2>V3。
为了进一步说明上述实施例，步骤S3中换挡电机控制器发送给驱动电机控制器的扭矩命令在时间T1内逐渐降为零，所述的扭矩按照以下公式对应的曲线下降：
Tcmd＝Tini*[cos(t*π/T1)+1]/2，t∈[0,T1]
其中T1为扭矩逐渐降为零的时间，实际数值通过测试标定来确定；Tini为进入换挡模式前的初始扭矩；t为时间变量；Tcmd为换挡电机控制器发给驱动电机控制器的扭矩。
换挡过程中驱动电机扭矩的下降曲线图如图2所示，Tcmd初始值为进入换挡模式前油门信号对应的扭矩Tini；
Tcmd随时间t按曲线下降，根据公式，可以求出不同时间t对应的控制扭矩Tcmd，取Tini＝100N.m，取T1＝0.8s，当t＝0.4s时，Tcmd＝100*[cos(0.4*π/0.8)+1]/2＝50N.m；
如图2所示，横坐标表示时间t，纵坐标表示驱动电机当前扭矩Tcmd/驱动电机初始扭矩Tini，即Tcmd＝纵坐标的值*驱动电机初始扭矩Tini，Tcmd初始下降比较缓，中间下降幅度比较大，末尾下降又比较缓和，按照此曲线，可以有效减轻动力中断的顿挫感；当时间t到达T1时，Tcmd值降为零。
为了进一步说明上述实施例，步骤S5中换挡电机控制器控制驱动电机控制器对驱动电机进行调速的过程包括以下步骤：
S11：换挡电机控制器通过采集当前车速，根据当前车速及当前挡位，求出换挡所需的驱动电机目标转速Vt；
S12：换挡电机控制器以驱动电机目标转速Vt为目标，以目标转速Vt与驱动电机当前转速V之间的差速为反馈量，通过PI算法T＝P*ΔV+I*∑ΔV得到控制扭矩T，式中ΔV为目标转速与驱动电机当前转速V之间的差速，P、I为控制参数；
S13：换挡电机控制器向电机控制器发送控制扭矩进行调速，最后达到目标转速Vt退出调速模式。
为了进一步说明上述实施例，步骤S11中驱动电机目标转速Vt根据以下公式进行计算：
当当前挡位为低挡时，Vt＝V*(K1/K2)；
当当前挡位为高挡时，Vt＝V*(K2/K1)；
式中：K1为两挡变速箱的高挡传动比，K2为两挡变速箱的低挡传动比，V为驱动电机当前转速。
为了进一步说明上述实施例，步骤S12中换挡电机控制器通过PI算法计算控制扭矩T的过程包括：
当Vt>V时，换挡电机控制器以正向驱动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为正，随时间进行累加；
当Vt<V时，换挡电机控制器以制动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为负，随时间进行逐减；
当V+30>Vt且V-30<Vt时，认为驱动电机当前转速V达到驱动电机目标转速Vt，退出调速模式；
上述ΔV为驱动电机目标转速Vt与驱动电机当前转速V的差，ΔV＝Vt-V。
在调速的过程中，两挡变速箱的高挡传动比为K1，低挡传动比为K2，驱动电机当前当前转速V，可以求出驱动电机目标转速Vt：当当前挡位为低挡时，Vt＝V*(K1/K2)；当当前挡位为高挡时，Vt＝V*(K2/K1)；
上述ΔV为驱动电机目标转速Vt与驱动电机当前转速V的差，ΔV＝Vt-V；
当Vt>V时，TCU向驱动电机控制器发送的扭矩模式为正向驱动模式；
当Vt<V时，TCU向驱动电机控制器发送的扭矩模式为制动扭矩模式；
如果ΔV较大则相应的控制扭矩T较大，对ΔV随时间进行累加；通过标定P、I的参数，能够达到这样的效果，当ΔV变得很小时，控制扭矩T变的比较小，刚好维持当前转速且当前转速基本接近目标转速；
当V+30>Vt且V-30<Vt时，认为达到目标转速，退出调速模式，完成调速过程。
当Vt>V时，取P＝0.05，I＝0.001，若初始ΔV＝1000rpm，每10ms对ΔV进行一次累加,并假设每次ΔV的值如表1，可以分别求出控制扭矩T。
表1
| 时间t(ms) | ΔV(rpm) | ∑ΔV(rpm) | T(N.m) |
| t＝0 | 1000 | 1000 | 51 |
| t＝10 | 900 | 1900 | 46.9 |
| t＝20 | 800 | 2700 | 42.7 |
| t＝30 | 700 | 3400 | 38.4 |
| t＝40 | 600 | 4000 | 34 |
| t＝50 | 500 | 4500 | 29.5 |
| t＝60 | 400 | 4900 | 24.9 |
| t＝70 | 300 | 5200 | 20.2 |
| t＝80 | 200 | 5400 | 15.4 |
| t＝90 | 100 | 5500 | 10.5 |
| t＝100 | 10 | 5510 | 6.01 |
为了进一步说明上述实施例，如图3所示，步骤S7中，当挡位位于目标挡位时，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器控制命令，使得驱动电机将当前扭矩按以下曲线缓增到油门信号对应的扭矩：
t∈[0,T1]，式中，T1为扭矩缓增至最大值的时间，实际数值通过测试标定来确定；Tmax为驱动电机最大扭矩；t为时间变量；Tcmd为换挡电机控制器发给驱动电机控制器的扭矩。
如图3所示，横坐标表示时间t，纵坐标表示换挡电机控制器发给驱动电机控制器的扭矩Tcmd/驱动电机最大扭矩Tmax，即Tcmd＝纵坐标的值*驱动电机最大扭矩Tmax，Tcmd随时间t按曲线增加，根据公式，可以求出不同时间t对应的控制扭矩Tcmd，假如Tmax＝200N.m，取T1＝0.8s，当t＝0.1s时，Tcmd＝(200/0.8)*0.1＝25N.m；
Tcmd随时间增加，当增加到油门对应扭矩时，Tcmd不再增加，退出换挡模式，开始响应油门踏板信号。
实施例2：
如图4所示，本发明所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制系统包括整车控制器、换挡电机控制器、换挡执行机构、驱动电机控制器、驱动电机和两挡变速箱，换挡电机控制器通过CAN总线分别连接整车控制器和驱动电机控制器，驱动电机控制器连接驱动电机，换挡电机控制器还连接换挡执行机构，换挡执行机构与两挡变速箱机械联接。
实施例2的工作原理为：在换挡过程中，换挡电机控制器接管驱动电机控制器的控制权，配合完成整个换挡动作，换挡电机控制器连接整车控制器，采集整车控制器内车辆的信息，根据采集到的车辆信息判断挡位信息，换挡执行机构与两挡变速箱机械联接，通过换挡执行机构配合两挡变速箱完成换挡。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法及其控制系统，在换挡电机控制器的控制下自动完成换挡，减轻换挡过程中产生的顿挫感，解决了现有技术中出现的问题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
S1：换挡电机控制器实时采集油门踏板信号、刹车信号、驱动电机转速信号以及车速信号；
S2：换挡电机控制器根据步骤S1中采集到的数据判断是否进入换挡模式；
S3：进入换挡模式后，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器的扭矩命令在时间T1内逐渐降为零，使得驱动电机不再响应油门踏板对应的扭矩；
S4：当换挡电机控制器检测到驱动电机实际扭矩降为零后，换挡电机控制器控制换挡执行机构退挡；
S5：当换挡电机控制器检测到挡位在空挡时，换挡电机控制器控制驱动电机控制器对驱动电机进行调速；
S6：当驱动电机转速达到目标转速时，换挡电机控制器控制换挡执行机构将当前挡位推进另一挡位；
S7：当挡位位于目标挡位时，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器控制命令，使得驱动电机将当前扭矩缓增到油门信号对应扭矩，退出换挡模式，进入非换挡模式，开始响应油门踏板信号，完成换挡过程；
所述的步骤S3中换挡电机控制器发送给驱动电机控制器的扭矩命令在时间T1内逐渐降为零，所述的扭矩按照以下公式对应的曲线下降：
Tcmd＝Tini*[cos(t*π/T1)+1]/2，t∈[0,T1]
其中T1为扭矩逐渐降为零的时间，实际数值通过测试标定来确定；Tini为进入换挡模式前的初始扭矩；t为时间变量；Tcmd为换挡电机控制器发给电机控制器的扭矩。
2.根据权利要求1所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，其特征在于：所述的步骤S2中换挡电机控制器按照以下控制策略判断是否进入换挡模式：
当换挡电机控制器采集到的车速信号大于车速阈值V1，并有油门踏板信号输入时，满足低速挡换入高速挡条件；
当换挡电机控制器采集到的车速信号大于车速阈值V2,并有油门踏板信号输入时，满足高速挡换入低速挡条件；
当换挡电机控制器采集到的车速信号小于车速阈值V3时，满足高速挡换入低速挡条件；
若以上都不满足，则维持现状，其中车速阈值满足：V1>V2>V3。
3.根据权利要求1所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，其特征在于：所述的步骤S5中换挡电机控制器控制驱动电机控制器对驱动电机进行调速的过程包括以下步骤：
S11：换挡电机控制器通过采集当前车速，根据当前车速及当前挡位，求出换挡所需的驱动电机目标转速Vt；
S12：换挡电机控制器以驱动电机目标转速Vt为目标，以目标转速Vt与驱动电机当前转速V之间的差速为反馈量，通过PI算法T＝P*ΔV+I*∑ΔV得到控制扭矩T，式中ΔV为目标转速与驱动电机当前转速V之间的差速，P、I为控制参数；
S13：换挡电机控制器向驱动电机控制器发送控制扭矩进行调速，最后达到目标转速Vt退出调速模式。
4.根据权利要求3所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，其特征在于：所述的步骤S11中驱动电机目标转速Vt根据以下公式进行计算：
当当前挡位为低挡时，Vt＝V*(K1/K2)；
当当前挡位为高挡时，Vt＝V*(K2/K1)；
式中：K1为两挡变速箱的高挡传动比，K2为两挡变速箱的低挡传动比，V为驱动电机当前转速。
5.根据权利要求3所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，其特征在于：所述的步骤S12中换挡电机控制器通过PI算法计算控制扭矩T的过程包括：
当Vt>V时，换挡电机控制器以正向驱动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为正，随时间进行累加；
当Vt<V时，换挡电机控制器以制动模式向驱动电机控制器发送大小为T的扭矩值，ΔV为负，随时间进行逐减；
当V+30>Vt且V-30<Vt时，认为驱动电机当前转速V达到驱动电机目标转速Vt，退出调速模式；
上述ΔV为驱动电机目标转速Vt与驱动电机当前转速V的差，ΔV＝Vt-V。
6.根据权利要求1所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制方法，其特征在于：所述的步骤S7中，当挡位位于目标挡位时，换挡电机控制器发送给驱动电机控制器控制命令，使得驱动电机将当前扭矩按以下曲线缓增到油门信号对应的扭矩：
式中，T1为扭矩缓增至最大值的时间，实际数值通过测试标定来确定；Tmax为驱动电机最大扭矩；t为时间变量；Tcmd为换挡电机控制器发给驱动电机控制器的扭矩。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的电动车两挡变速箱自动换挡控制系统，其特征在于：所述的系统包括整车控制器、换挡电机控制器、换挡执行机构、驱动电机控制器、驱动电机和两挡变速箱，换挡电机控制器通过CAN总线分别连接整车控制器和驱动电机控制器，驱动电机控制器连接驱动电机，换挡电机控制器还连接换挡执行机构，换挡执行机构与两挡变速箱机械联接。
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