CN107933546B - 基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法，行进过程中，通过卫星定位判断若当前车辆处于预设的换挡地点，则检测加速踏板开度变化率和制动踏板的开度变化从而设定相应的挡位；当前车辆按照公交车规划路线行驶时，卫星定位系统记录各路段的路况，通过自学习存储路况数据和二挡变速器挡位切换地理位置，按照自动提前换挡策略进行换挡。本发明根据实时地理位置给自动变速器发出提前换挡准备信号，卫星定位系统用于定位公交车的实时地理位置，整车控制器按照预先设定的换挡策略进行实时换挡，在保证驾驶员行驶意图的情况下，使得汽车的动力性与经济性处于更佳的状态。

Description

基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法及系统

技术领域

本发明属于纯电动城市公交控制领域，具体涉及一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法及系统。

背景技术

电动汽车包含纯电动汽车、混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车。在当前环境以及科技技术发展促动下，城市公交已经越来越多地采用纯电动汽车代替传统的燃料汽车。其采用的电机通常为永磁同步电机。

城市公交行驶的路况主要为交通状况复杂的城区道路，同时也需要应对城市路面状况的变化。因此，对纯电动城市公交的要求远远高于其它汽车。车速变化是城市公交的一个显著特征，其次，爬坡能力也是城市公交的必备要求。在此背景下，二挡变速器成为了城市纯电动公交车必不可少的一部分。而二挡自动变速箱的目标挡位对于整车的动力系统有着直接的影响，二挡自动变速器挡位的正确选择对于提升纯电动汽车系统效率至关重要。因此，优化二挡变速器在各个工况下的挡位可以直接提升整车的效率以及降低车辆的能源消耗，对于城市公交极其适用。

当前阶段，城市公交已经基本具备了卫星定位技术，可以对汽车下一位置的路况以及行驶状况进行实时定位，将这些定位反馈到纯电动城市公交的控制器上。可以利用当前先进的卫星定位技术，对车辆进行实时定位，让二挡变速器实现提前换挡，让车辆具有更为充足的后备功率以及更稳定的车速，既能保证乘坐的舒适度，又能提升城市公交的安全性能。

城市公交行驶工况主要包含驻车、起步、加速、爬坡、制动等。涉及到的挡位主要包含空挡、一挡、二挡。因此，对城市公交二挡变速器制定好相应的换挡策略极为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法及系统，能够利用卫星实时定位进行提前换挡准备。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法，其特征在于：它包括：

驻车时：空挡；起步、倒车时：一挡；

行进过程中，通过卫星定位判断若当前车辆处于预设的换挡地点，则检测加速踏板开度变化率，并按以下方式控制：

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板没有开度变化，则根据当前位置所处路况进行设置挡位，控制变速器换为设置挡位；

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且小于预设的阈值b，则不做处理；

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且大于预设的阈值b，则设置为一挡行驶，并控制变速器换为一挡；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板没有开度变化，则发出提前换挡指令，按照预定挡位控制变速器换挡；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且小于预设的阈值b，则不做处理；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且大于预设的阈值b，则设置为一挡行驶，并控制变速器换为一挡；

所述的预设的换挡地点、当前位置所处路况、预设的阈值a和b、预定挡位由以下方式获得：当前车辆按照公交车规划路线行驶时，卫星定位系统记录各路段的路况， 通过自学习存储路况数据和驾驶员的换挡位置，按照自动提前换挡策略进行换挡。

按上述方法，所述的自动提前换挡策略具体为：根据卫星定位系统识别的路况，进行以下策略控制：

对拥堵路段、爬坡路面，提前换到一挡；

对路况好、平坦路面，提前换到二挡；

在指定的载客站点前第一距离，换到一挡；在指定载客站点前第二距离，换到空挡；所述的第一距离大于第二距离；

设置一挡换二挡的升挡车速和二挡换一挡的降挡车速。

按上述方法，所述的第一距离为80米，第二距离为20米。

按上述方法，所述的一挡换二挡的升挡车速为35Km/h，二挡换一挡的降挡车速为25Km/h。

一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡系统，其特征在于：它包括存储器，存储器中存有计算机程序可供整车控制器调用以完成所述的基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法。

本发明的有益效果为：根据实时地理位置给自动变速器发出提前换挡准备信号，卫星定位系统用于定位公交车的实时地理位置，整车控制器按照预先设定的换挡策略进行实时换挡，在保证驾驶员行驶意图的情况下，使得汽车的动力性与经济性处于更佳的状态。

附图说明

图1为整车机构布置示意图。

图2为本发明一实施例的方法流程图。

图3为驱动力-阻力平衡曲线图。

图4为电机输出效率MAP图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法，如图2所示，包括：

驻车时：空挡；起步、倒车时：一挡；

行进过程中，通过卫星定位判断若当前车辆处于预设的换挡地点，则检测加速踏板开度变化率，并按以下方式控制：

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板没有开度变化，则根据当前位置所处路况进行设置挡位，控制变速器换为设置挡位；

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且小于预设的阈值b，则不做处理；

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且大于预设的阈值b，则设置为一挡行驶，并控制变速器换为一挡；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板没有开度变化，则发出提前换挡指令，按照预定挡位控制变速器换挡；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且小于预设的阈值b，则不做处理；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且大于预设的阈值b，则设置为一挡行驶，并控制变速器换为一挡；

所述的预设的换挡地点、当前位置所处路况、预设的阈值a和b、预定挡位由以下方式获得：当前车辆按照公交车规划路线行驶时，卫星定位系统记录各路段的路况， 通过自学习存储路况数据和二挡变速器档位切换地理位置，按照自动提前换挡策略进行换挡。

本实施例中，所述的自动提前换挡策略具体为：根据卫星定位系统识别的路况，进行以下策略控制：

对拥堵路段、爬坡路面，提前换到一挡；

对路况好、平坦路面，提前换到二挡；

在指定的载客站点前第一距离（例如80米），换到一挡；在指定载客站点前第二距离（例如20米），换到空挡；所述的第一距离大于第二距离；

设置一挡换二挡的升挡车速（35Km/h）和二挡换一挡的降挡车速（25Km/h）。

按上述方法，所述的第一距离为80米，第二距离为20米。

本发明还提供一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡系统，它包括存储器，存储器中存有计算机程序可供整车控制器调用以完成所述的基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法。

本发明提出了基于驾驶员意图和行驶工况的纯电动城市公交的二挡变速器换挡策略，并利用卫星实时定位进行提前换挡准备。所述纯电动城市公交包含永磁同步电机、自动二挡变速箱、卫星定位系统、整车控制器及各部件控制器。电机与自动二挡变速器相连接，用于传递动力。卫星定位系统与整车控制器相连接，可根据实时地理位置给自动变速器发出提前换挡准备信号。卫星定位系统用于定位公交车的实时地理位置，整车按照预先设定的换挡策略进行实时换挡。在保证驾驶员行驶意图的情况下，使得汽车的动力性与经济性处于更佳的状态。

如图1所示，所述纯电动城市公交动力传递系统包含永磁同步电机、二挡自动变速器、传动机构、差速器、车轮，控制部分包含卫星定位、整车控制器、电机控制器、挡位控制器。所述电动机与自动变速器相连接，后将动力经各传动机构传至车轮。所述纯电动城市公交的挡位切换基于驾驶员意图，由卫星实时定位决定。所述纯电动城市公交的换挡策略是基于工况和驾驶员意图而制定的，同时更大程度的满足车辆行驶的动力性以及经济性。通过自学习过程中换挡地理位置的确认，利用卫星实时定位，对城市公交进行提前换挡，提升城市公交的动力性、经济性、安全性。

卫星实时定位的提前换挡操作，是基于驾驶员未踩下制动踏板的前提下进行的。所述车辆接收到制动踏板信号，则所述卫星定位提前换挡将暂时失效，实行制动优先策略。

城市公交到达指定驻车位置前，所述二挡自动变速器将自动提前切换至空挡。

城市公交起步时所述变速器自动进入一挡。所述城市公交站点起步以及停车场起步全部使用一挡。

城市公交按照上述正常起步后，在起步过程中根据加速踏板的变化速率决定是否进入二挡。所述城市公交的加速踏板开度的变化速率由∆θ/∆t表示。若所述加速踏板∆θ/∆t大，则保持一挡行驶。若所述加速踏板∆θ/∆t小，则二挡变速器可根据位置选择进入二挡。

城市公交按照上述一挡完成起步进入正常行驶后，所述城市公交根据效率、动力性换挡曲线以及经济特性，将正常行驶升挡准备车速定为30Km/h。

城市公交按照上述进入巡航状态后二挡变速器将在车速35Km/h时进入二挡并保持二挡行驶。

城市公交因到达指定位置而进行正常减速时，按照动力换挡规律及经济效率特性，同时为了避免车速波动导致二挡变速器挡位振荡，将降挡速度定为25Km/h。

城市公交行驶中根据卫星定位系统遇到拥堵以及爬坡情况，所述变速器将在到达这些路况前提前进入一挡。

城市公交根据所述卫星定位系统提供的巡航路段，可提前进入二挡。

城市公交倒车过程中二挡变速器全部处于一挡位置。

城市公交基于卫星定位到达站点80米前二挡变速器自动提前进入一挡行驶，到达站点20米前二挡变速器自动进入空挡继续行驶。

一、本发明基于电机及二挡变速器动力经济性制定换挡策略的具体说明如下：

1.驻车时使用空挡。所述永磁同步电机在无电源接入的情况下，无法承受外界提供的转矩。非空挡的情况下，驻车受到外力时电机将随着二挡自动变速箱转动。同时内部产生感应电动势，影响了电机内部结构，并存在一定的安全隐患。所述电机要求在驻车时二挡变速器处于空挡状态。

2.所述城市公交起步时使用一挡进行起步。所述城市公交主要用于载客，起步所需力矩较大，为了保证汽车具有较高的后备功率，必须输出较大的力矩。所述二挡变速器一挡具有减速比大、驱动力大的特点。可保证汽车平稳起步，增加乘坐的舒适性。所述城市公交频繁起步，而起步时转速低、所需力矩大，从图3所示的驱动力—阻力平衡图中可以看出，一挡满足起步时的这些要求。从图4所示的电机输出效率MAP图中可以看出，同转速情况下，电机输出扭矩增大可使得输出效率提升。城市公交起步时，同速度状况下一挡可使电机的输出转矩更高，可有效提升效率。

3.倒车过程中全部使用一挡。所述城市公交大多行驶在人员密集的场所，为保证行驶安全，倒车时所述城市公交必须处于低速状态。所述永磁同步电机在低速状态下可以提供大的力矩，具有很好的动力性。电机的后备功率也会上升，适合于面对城市交通各种工况。

4.所述城市公交起步完成后在一挡换入二挡的过程中需要进行动力性以及经济性的匹配。城市公交在行驶过程中会遇到路况状态良好，交通状况最优的道路。在此期间，电动汽车进入正常驱动状态，车辆需在较短时间内加速至稳定车速后进入稳定车速阶段。此过程中，一二挡的切换至关重要。换挡过程首先应该满足驾驶员的驾驶意图，其中驾驶员的意图包含加速踏板信号、制动踏板信号、方向盘信号、挡位面板信号，同时结合电动汽车的动力性，最后考虑电动汽车的经济性。因此，由动力性换挡规律曲线发现，所述城市公交的最佳升挡车速设置为35Km/h。此换挡规律可有效利用所述卫星定位系统，提前找到下一瞬间工作状态，制定了提前换挡准备策略。将提前换挡准备车速定为30Km/h。对于驾驶员行驶意图，可利用自学习过程，在驾驶员初次驾驶时提前录入，找到满足驾驶员换挡意图的换挡地理位置，行车中提前做出换挡准备。这样可以保证升挡是基于驾驶员意图优先的策略，满足驾驶员对挡位的控制。

5.所述城市公交起步后行车过程中将遵循制动优先的策略。城市公交在行车过程中，因为城市人群的复杂状况，制动随时都有可能发生。二挡自动变速器纯电动汽车在制动时，电机在条件满足的情况下将进入发电工作模式。此过程中可以对能量进行回收，并且产生电磁转矩。最终可以经过传动系统的传递转化为车轮制动力。因此，一旦制动踏板开始作用，二挡变速箱将维持原来的一挡，不进行换挡。根据控制器发出的指令信号，在制动进行的瞬间，加速踏板将不再输入加速信号，其信息将被隔断。对于所述二挡城市公交而言，若正处于升挡准备状态，则制动优先维持原挡可使汽车处于低速挡，有利于安全。同时，一挡具有比二挡更大的传动效率损失，维持原挡位即一挡可有效消耗能量，有利于制动的进行。

6.所述城市公交起步后根据加速踏板开度的变化速率决定是否提前进入高速挡。∆θ/∆t代表着驾驶员踩加速踏板的缓急。

①.当∆θ/∆t数值较大时，代表着驾驶员急于踩下加速踏板。此时车辆面对的是大扭矩或者爬坡工况，车辆需要进入动力驱动模式。若此时切换二挡，则很容易出现动力不足使得车辆无法达到正常行驶的需求，无法满足驾驶员驾驶意图。因此，此时二挡变速器应该维持原来的一挡继续行驶，使得汽车在同等加速踏板开度下提高电机的转矩载荷系数，输出的转矩将更高。从图3所示的驱动力-阻力平衡图上可以看出，汽车在起步低速时，一挡所能提供的力矩远远大于二挡。保持一挡可以继续获得较大的力矩，满足车辆当前所需要的急加速或者爬坡工况。

②.当∆θ/∆t数值较小时，此时驾驶员意图缓慢加速，车辆处于缓加速状态，结合卫星定位判断车辆位于平缓地带或者路况良好路段。此时车辆应该提前进入二挡。当加速踏板处于缓加速状态时，车辆所需要的力矩较小，此时二挡可以满足车辆的加速条件。将一挡效率随转速的变化曲线与二挡的变化曲线进行对比，可知二挡的效率高于一挡，所以提前进入二挡有利于车辆效率的提升。因此，对于所述电动城市公交，可以提前进入二挡。

7.所述车辆的加速踏板开度较小，仅用于克服车辆匀速行驶的阻力，此时车辆进入巡航状态。二挡自动变速器应根据地理位置选择提前进入二挡。由变速器一二挡的效率对比图可以发现，二挡的效率明显高于一挡，对于整车的经济性比较好。而从动力性换挡曲线上看，处于二挡位置更有利，此时二挡变速器应处于二挡。

8.所述车辆在巡航过程中因驾驶员意图减速而进行紧急制动时，二挡自动变速箱需要迅速切换至一挡。此时，电动机不输出转矩，一挡的能量损失高于二挡，可加速能量消耗从而加快制动。

9.所述车辆的起步状态完成之后，在正常运行状态下需根据车速以及加速踏板开度进行升挡以及降挡。根据图3所示的驱动力-阻力行驶平衡图可得出，所述电动城市公交的最佳升挡车速为40Km/h。但为了增强车辆的经济性以及整车总成传动效率，需对自动变速器进行提前换挡。从经济效率可以算出，对升挡车速提前5Km/h可使得车辆的经济性及效率更佳。车辆的升挡与换挡对应速度理论上应处于同一值，但为了挡位不因为速度的变动而频繁切换，故将对降挡点进行延迟，即降挡对应速度小于升挡对应速度。因此，所述电动城市公交对应的升挡速度为35Km/h，降挡速度为25Km/h。

基于上述二挡变速器换挡策略，在首次行车录入过程中依照实时车速执行上述换挡策略，并将换挡位置传输给控制器进行记录。后期行车过程中，利用本发明卫星定位的特点，根据地理位置实行提前换挡策略。

满足初次记录换挡位置换挡之后，可根据以下定位将提前换挡加入行车换挡位置记录中。

二、利用卫星定位录入换挡位置遵从以下策略

当前，城市道路公交的卫星定位系统已经比较完善，足够确定城市公交的地理位置以及车辆行驶下一状态。城市公交初次行驶时，卫星定位系统就可以记录各个路段的复杂路况，通过自学习存储路况数据和驾驶员换挡位置，后期行驶时将路况信息传输给整车控制器进行相应的提前换挡准备。

①.对于长期拥堵的路况，可以根据卫星定位提供的路况信息，提前做好更换一挡的准备。使得汽车到达路况拥堵的道路已经换好一挡。保证了汽车安全性，避免了紧急制动，增加了乘坐舒适性。

②.到达爬坡路面之前，提前更换一挡。提前更换一挡使得汽车具有较大的驱动力，为下一步的爬坡做好准备，提供足够的动力。

③.汽车到达平稳、路况良好的路面之前，提前进入二挡。二挡具有比一挡更高的效率，可以很好地节约能量，为公交车的续航省下更多的能量。

④.城市公交到达预定停车位置后二挡自动变速器处于空挡位置。如换挡控制策略所述，所述城市公交在驻车时处于制动状态更有利于车辆的安全状态。尤其是车辆到达指定站点，空挡更有利于乘客安全。

⑤.城市公交基于卫星定位提供的地理位置在到达行驶载客站点80米前二挡变速器自动进入一挡，在到达站点20米前自动进入空挡行驶。

⑥.记录其余特殊升挡与降挡的位置点，满足驾驶员意图的情况下，到达换挡位置前做好换挡准备，保证换挡顺利进行。

满足了首次录入的换挡位置点，并将基于定位的提前换挡位置录入控制器。后期行车依照录入位置进行自动换挡。

三、换挡过程若受到驾驶员驾驶意图干涉，按照下述策略进行相应处理。

①.驾驶员驾驶换挡意图优先的换挡策略。驾驶员的驾驶意图可以从车辆部件的信号中反映出来，包括挡位操作杆、制动踏板、加速踏板。自动变速器挡位操作杆，一般包含空挡、驻车挡、前进挡、倒车挡等。在基于卫星定位的自动行驶换挡过程中，因为紧急情况驾驶员操作挡位操作杆时，此时应中断基于卫星定位系统自动换挡准备，待驾驶状态恢复后再按照原先预定挡位行驶。

②.驾驶员制动优先的换挡策略。驾驶过程中按照卫星定位自动换挡，但必须遵循驾驶员对制动踏板开度的控制。当驾驶员行进过程中踩下制动踏板，此时加速踏板的信号将被屏蔽，车辆将不再受到驱动力仅受到行驶阻力。此时二挡变速器的挡位应该从制动方面优先考虑。

从制动踏板判断驾驶员意图，可以从两个方面进行考虑。首先是制动踏板变化角度即∆θ。当制动踏板的开度逐渐增大至较大开度时，此时判断驾驶员需要较大的制动力，此时二挡变速器应快速进入一挡。因为一挡减速比大且啮合损失高于二挡，可快速消耗能量，达到快速制动的效果。当制动踏板的开度逐渐减小时，判断驾驶员意图为减小制动效果。但车辆仍处于制动状态，此时车辆应维持原挡位继续行驶。

另一方面是根据∆θ/∆t的大小确定驾驶员制动的缓急。当∆θ/∆t的值比较小时，代表制动缓慢，此时车辆应维持原挡位继续行驶，待确定下一状态后再进行挡位的选择。当∆θ/∆t的值比较大时，车辆处于紧急制动状态，此时二挡变速器应快速进入一挡，增大传动比同时增大传动的磨损，达到快速制动的目的。

要理解本文所述的实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码或其任意组合来实现。对于硬件实现方式，处理单元可以在一个或多个专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、数字信号处理器件（DSPD）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微处理器、微控制器、被设计以执行本文所述功能的其它电子单元、或其组合内实现。当以软件、固件、中间件或微代码、程序代码或代码段来实现实施例时，可以将它们存储在诸如存储组件的机器可读介质中。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法，它包括：

驻车时：空挡；起步、倒车时：一挡；

行进过程中，通过卫星定位判断当前车辆是否处于预设的换挡地点，其特征在于：若当前车辆处于预设的换挡地点，则检测加速踏板开度变化率，并按以下方式控制：

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板没有开度变化，则根据当前位置所处路况进行设置挡位，控制变速器换为设置挡位；

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且小于预设的阈值b，则不做处理；

当加速踏板开度变化率大于或等于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且大于预设的阈值b，则设置为一挡行驶，并控制变速器换为一挡；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板没有开度变化，则发出提前换挡指令，按照预定挡位控制变速器换挡；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且小于预设的阈值b，则不做处理；

当加速踏板开度变化率小于预设的阈值a，且制动踏板有开度变化且大于预设的阈值b，则设置为一挡行驶，并控制变速器换为一挡；

所述的预设的换挡地点、当前位置所处路况、预设的阈值a和b、预定挡位由以下方式获得：当前车辆按照公交车规划路线行驶时，卫星定位系统记录各路段的路况， 通过自学习存储路况数据和二挡变速器挡位切换地理位置，按照自动提前换挡策略进行换挡。

2.根据权利要求1所述的基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法，其特征在于：所述的自动提前换挡策略具体为：根据卫星定位系统识别的路况，进行以下策略控制：

对拥堵路段、爬坡路面，提前换到一挡；

对路况好、平坦路面，提前换到二挡；

在指定的载客站点前第一距离，换到一挡；在指定载客站点前第二距离，换到空挡；所述的第一距离大于第二距离；

设置一挡换二挡的升挡车速和二挡换一挡的降挡车速。

3.根据权利要求2所述的基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法，其特征在于：所述的第一距离为80米，第二距离为20米。

4.根据权利要求2所述的基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法，其特征在于：所述的一挡换二挡的升挡车速为35Km/h，二挡换一挡的降挡车速为25Km/h。

5.一种基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡系统，其特征在于：它包括存储器，存储器中存有计算机程序可供整车控制器调用以完成权利要求1至4中任意一项所述的基于卫星定位的纯电动城市公交二挡变速器换挡方法。