CN108361366A - 一种机械式自动变速器换挡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械式自动变速器换挡方法，包括如下步骤：获得当前车辆质量和当前坡度；以车辆可以达到的最大加速度为动力性能指标，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳动力性档位，作为车辆动力性换挡策略；以电机效率为经济性指标，在满足车辆的爬坡需求的基础上，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳经济性档位，作为车辆经济性换挡策略；对车辆当前动力性和经济性需求进行判断，选择车辆动力性换挡策略和车辆经济性换挡策略之一来确定换挡点。从而对于车辆的不同质量和道路的不同坡度，计算最佳的换挡策略，并通过基于路况信息和车辆状态的多目标优化方法，对换挡策略进行优化，以提高换挡的智能化水平，避免频繁换挡，使车辆的动力性、经济性达到最优。

Description

一种机械式自动变速器换挡方法

技术领域

本发明涉及汽车有级式自动变速器技术领域，具体地说是一种融合了道路坡度和整车质量辨识的电动汽车机械式自动变速器换挡方法。

背景技术

换挡策略定义了挡位决策的控制参数及由这些参数所确定的换挡时机，对于车辆的动力、经济等性能有重要影响，是自动变速系统的核心技术之一。

根据控制参数的差异，目前应用较为广泛的换挡策略有基于车速、油门开度的双参数换挡策略和基于车速、加速度、油门开度的三参数换挡策略，它们是基于水平良好的路面和恒定质量下制定的，而实际运行中路面坡度是不断变化的，车辆的重量也受货物或乘员的增减而不断变化，均会导致车辆的动力、经济等性能发生变化，引起车辆最佳换挡点发生变化。故对于人-车-路构成的闭环系统，需要根据道路坡度和整车质量对自动变速器的换挡策略进行优化，以提高自动变速器换挡策略的适应性。

换挡策略分为动力性换挡和经济性换挡，对于不同车辆运行状态和驾驶员意图，实时选择不同的换挡策略，是自动变速技术发展的必然要求，目前多采用基于道路坡度的阈值进行切换和基于驾驶员风格判断的换挡策略选择，基于道路坡度的切换只考虑了路况条件，没有把驾驶员和车辆状态考虑在内，基于驾驶员风格判断的换挡策略选择难以满足变化的工况下车辆的不同需求。

本发明的目的是解决上述换挡策略的不足之处，提出一种融合了道路坡度和整车质量的，综合考虑车辆动力性、经济性能的多目标综合自动变速器换挡优化方法，从而对于车辆的不同质量和道路的不同坡度，计算最佳的换挡策略，并通过基于路况信息和车辆状态的多目标优化方法，对换挡策略进行优化，以提高换挡的智能化水平，避免频繁换挡，使车辆的动力性、经济性达到最优。

发明内容

一种机械式自动变速器换挡方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：以车辆可以克服等效阻力的能力为动力性能指标，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳动力性档位，作为车辆动力性换挡策略；

步骤2：以电机效率为经济性指标，在满足车辆的爬坡需求的基础上，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳经济性档位，作为车辆经济性换挡策略；

步骤3：获得当前车辆当前质量和当前坡度；

步骤4：对车辆当前动力性和经济性需求进行判断，选择车辆动力性换挡策略和车辆经济性换挡策略之一来确定换挡点。

进一步地，所述步骤1通过如下步骤实现：

等效阻力是滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力以外的阻力之和；

计算车辆在相同车速、相同加速度、相同油门开度、相同质量和相同坡度下相邻档位克服等效阻力的能力，根据克服等效阻力能力和车速曲线得到车辆在该车速、加速度、油门开度、质量和坡度下的最佳动力性档位；

依次分别遍历不同车速、不同车辆加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度，得到不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度组合下的最佳动力性档位。

进一步地，所述步骤2通过如下步骤实现：

获得不同油门开度和不同车速下，实现最优电机效率对应的第一经济性档位；

根据当前油门开度和当前车速确定第一经济性档位，根据当前确定的第一经济性档位、车辆质量、加速度以及油门开度计算车辆的极限爬坡性能能否满足当前坡度需求，

若能，将当前确定的第一经济性档位为最佳经济性档位；

若不能，将当前确定的第一最佳经济性档位降低一档作为最佳经济性档位；

遍历车辆的质量和加速度，得到不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳经济性档位。

进一步地，所述步骤3通过如下步骤实现：对车辆的质量范围以及坡度范围进行离散化处理，根据离散化真值表得到目标质量和目标坡度作为当前质量和当前坡度。

进一步地，所述步骤3通过如下步骤实现：利用重量传感器和坡度传感器获取车辆当前质量和当前坡度。

进一步地，所述步骤4通过如下步骤实现：基于模糊控制，以当前质量、当前坡度和当前车辆加速度为输入，通过模糊化处理与模糊推理规则库，对车辆当前动力性和经济性需求进行判断。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2位本发明动力性能评价指标说明图；

图3为本发明五参数最佳动力性换挡规律计算流程；

图4为本发明五参数最佳经济性换挡规律计算流程；

图5为本发明基于设定工况的质量辨识结果图；

图6为本发明基于设定工况的坡度辨识结果图；

具体实施方式

为达到上述发明目的，本发明一种机械式自动变速器换挡方法包括如下步骤：

步骤1：以车辆可以克服等效阻力的能力为动力性能指标，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳动力性档位，作为车辆动力性换挡策略；

步骤2：以电机效率为经济性指标，在满足车辆的爬坡需求的基础上，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳经济性档位，作为车辆经济性换挡策略；

步骤3：获得当前车辆质量和当前道路坡度；

步骤4：对车辆当前动力性和经济性需求进行判断，选择车辆动力性换挡策略和车辆经济性换挡策略之一来确定换挡点。

对所述步骤1，按照如下方法进行：

步骤1.1：本方案中，当车辆遇到其它阻力，如泥沙、冰雪路面的额外滚动阻力，变化的空气阻力等，滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力以外的其它阻力用等效阻力F_f’表示，车辆可以克服的F_f’越大，表明其后备功率越大，可达到的最大加速度越大，车辆的动力性能越好，因此可以通过车辆可克服F_f’的能力来判断车辆的动力性能。F_f’的计算方法如下：

行驶过程中，车辆的阻力有滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力以及等效阻力，行驶方程如下：

F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j+F_f’

最终通过I的大小来判断车辆的动力性能。

其中，F_t为汽车驱动力；F_f为滚动阻力；F_w为空气阻力；F_i为坡道阻力；F_j为加速阻力；T_tq为发动机转矩i_g、i₀分别为变速箱传动比和主减速比，η_T为传动效率，r为轮胎半径；f为车辆的滚动阻力系数，C_D和A为空气阻力系数和车辆迎风面积；δ为等效惯性系数，i为道路坡度，α为油门开度，u_a为车速km/h，为行驶加速度,m为整车质量。

步骤1.2：计算车辆在相同加速度、相同油门开度、相同质量和相同坡度下相邻档位的动力性指标I的大小，绘制不同档位的I-u_a曲线，不同档位的交点即为车辆在该油门开度、加速度、质量和坡度下此相邻两挡的最佳动力性换挡点。以附图2为例，绘制了四个挡位在80％油门开度，加速度为0.5，车辆质量为15t，当前坡度为0的I-u_a曲线，可以看到，在车速较低时，低挡位克服等效阻力的能力较强，随着车速升高，低挡位动力性能下降较快，会与相邻高挡位有交点，在此交点处，相邻两挡克服等效阻力能力相同，此后，高挡位拥有较高的动力性能，因此该交点即为车辆在该油门开度、加速度、质量和坡度下此相邻两挡的最佳动力性换挡点。

步骤1.3：如附图3所示，依次分别遍历不同油门开度、不同质量、不同坡度和不同加速度，得到不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳动力性换挡点及最佳动力性换挡点对应的车速，加速度、油门开度、质量、坡度和最佳动力性换挡点对应的车速构成了车辆五参数动力性换挡策略。

对所述步骤2，按照如下方法进行：

步骤2.1：电驱动汽车经济性换挡策略的关键是换挡策略能使电驱动汽车在连续行驶时能保持较高的驱动电机效率策略。对于某一挡位，计算不同的车速和油门开度下，电机的转速和转矩。

步骤2.2：根据电机的转速和转矩，查电机MAP图，得到电机效率。

步骤2.3：比较相同油门开度下不同挡位的电机效率-车速曲线，得到该油门开度下，不同车速下最优电机效率对应的双参数最佳经济性换挡点，依次遍历油门开度，得到不同油门开度和不同车速下的双参数最佳经济性换挡曲线。

步骤2.4：根据当前的车速和油门开度，利用上述步骤2.3确定的双参数最佳经济性换挡点及当前车辆质量、加速度以及油门开度，计算车辆的极限爬坡性能。

根据车辆的行驶方程，可求得坡道阻力：

其中θ为路面坡度角，车辆动力因子：

因此车辆最大爬坡度：i_max＝tanθ_max。

步骤2.5：实际坡度为i_current，如附图4所示，计算车辆在目标双参数经济性档位时的最大爬坡度，若最大爬坡度大于实际坡度时，表明车辆动力性能满足当前需求，保持当前目标经济性档位不变；当最大爬坡度小于等于实际坡度时，表明车辆动力性能不满足当前需求，目标挡位降低一挡。

步骤2.6：遍历车辆的质量和加速度，得到不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的五参数经济性档位，该五参数经济性档位即最佳五参数经济换挡点，不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的五参数经济性档位构成了车辆五参数经济性换挡策略。

所述步骤3按照如下方法进行：

步骤3.1：对于二阶系统：

y(t)＝b₀u(t)+b₁u(t-1)+b₂u(t-2)

用矩阵表示：

y(t)＝φ^T(t)θ

φ^T(t)＝[u(t),u(t-1),u(t-2)]

θ(t)＝[b₀,b₁,b₂]

考虑误差向量E，将系统模型改为MA差分模型：

Y^T＝φθ+E

E^T＝[ε(n+1),ε(n+2),…ε(2n+1)]

ε(t)＝y(t)-φ^T(t)θ

由最小二乘法，使残差平方和最小，即使：

在计算中实现最小二乘法递推计算，RLS最小二乘法形式更新如下：

P(k)＝(P(k-1)-P(k-1)L(k)φ^T(k))/λ

其中k为计算步骤数，L(k)为增益矩阵，P(k)为协方差矩阵，λ为遗忘因子。

步骤3.2车辆等效阻力计算式为：

考虑实际坡度角度时，上式变为：

将上式对加速度微分，得：

由于坡度变化较小，与车辆行驶加速度并不直接相关，且坡度的变化是随机的，因此坡度对加速度的微分：

因此可以忽略路面坡度对于车辆质量估算的影响，假设路面坡度为0，对车辆质量进行估计，

对于等效阻力公式：

正常行驶情况下，车辆的额外阻力较小，

写成矩阵形式：

y(t)＝φ^T(t)θ

φ^T(t)＝[φ₁,φ₂]

即：

φ₂＝-1

通过以上参数以及下式中RLS递推形式对整车质量进行更新：

P(k)＝(P(k-1)-P(k-1)L(k)φ^T(k))/λ

步骤3.3辨识出车辆质量后，再次利用RLS递推算法对道路坡度进行辨识：

写成矩阵形式：

y(t)＝θ

即：

θ＝i

通过以上参数以及下式中RLS递推形式对道路坡度进行更新：

P(k)＝(P(k-1)-P(k-1)L(k)φ^T(k))/λ

此外还可以利用重量传感器和坡度传感器获取车辆实际质量和道路坡度。

所述步骤4按照如下方法进行：

步骤4.1：考虑到实时更新会使换挡规律波动频繁，对系统稳定性造成影响，并且每次换挡策略的计算所需时间长计算量大实时更新换挡策略在整车控制器(VCU)中难于实现，因此采取整车质量和坡度离散化的方法。根据车辆的空载和满载质量，建立车辆质量离散化真值表；根据道路坡度范围以及车辆常驶路面条件，建立道路坡度离散化真值表；根据离散化真值表得到目标车辆质量和目标道路坡度。

步骤4.2：基于模糊控制，通过模糊化处理与模糊推理规则库，对车辆动力、经济性能需求进行判断。所述的模糊推理规则库，是根据优秀驾驶员的操作经验、专家知识，以车辆质量、道路坡度和车辆加速度为输入，驾驶员对动力性和经济性的期望量化值为输出，建立模糊推理规则。

其中，输出有7个模糊集合，有负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；

质量有7个模糊集合，有负大(FB)、负中(FM)、负小(FS)、零(Z)、正小(ZS)、正中(ZM)、正大(ZB)，模糊子集为{FB，FM，FS，Z，ZS，ZM，ZB}；

坡度有7个模糊集合，有特小(VS)、小(S)、中小(MS)、中(M)、中大(MB)、大(B)、特大(VB)，模糊子集为{VS，S，MS，M，MB，B，VB}；

车辆加速度有5个模糊集合，有特小(VS)、中小(MS)、中(M)、中大(MB)、特大(VB)，模糊子集为{VS，MS，M，MB，VB}。

采用模糊控制对五参数动力性换挡策略和五参数经济性换挡策略进行切换和控制，模糊控制的输入量为车辆加速度以及得到的车辆质量、道路坡度，进行模糊化后，根据隶属度函数和模糊控制规则得到相应的输出值，输出为[-1,1]的响应。

其中，输出与输入的关系如下：

质量越大，输出响应越小；

坡度越大，输出响应越小；

加速度越大，输出响应越小。

步骤4.3根据模糊控制输出量进行判断，当输出值非负时采用五参数经济性换挡策略，挡输出值为负数时，采用五参数动力性换挡策略，并输出最终目标挡位。

下面结合附图，以某纯电动客车4挡电控机械式自动变速器的融合道路坡度和整车质量的换挡优化方法为具体实施例，对本发明作进一步说明。

参阅附图1，按照如下过程进行，首先计算基于车速、油门开度、车辆加速度、质量和道路坡度的车辆五参数动力性换挡策略和五参数经济性换挡策略；然后基于带遗忘因子的最小二乘法，对车辆质量和当前坡度进行，根据离散化真值表得到目标车辆质量和目标道路坡度；再对车辆的质量、加速度以及道路坡度进行模糊化输入，根据所建立的模糊控制规则，判定车辆的动力、经济性能需求，并得到当前状态最终的优化换挡策略。

本实施例中车辆基本参数如表1所示。

表1车辆参数

整备质量(kg)	12330
		满载质量(kg)	18000
迎风面积(m^2)	7.48
		风阻系数	0.65
滚阻系数	0.0095
		轴距	6000mm
电机峰值转速	5500r/min
		电机峰值转矩	830Nm
电机峰值功率	200kW
		各挡变速比	[4.396,2.427,1.483,1]
主减速比	6.43

根据表中数据，参阅附图2所示的计算流程，基于Simulink模型构造了递推最小二乘法的S-function函数，车辆质量和道路坡度进行在线参数。

其中输入u(1)，u(2)，u(3)分别为：

u(3)＝-1

递推流程为：

P(k)＝(P(k-1)-P(k-1)L(k)φ^T(k))/λ

计算求得的车辆质量和道路坡度。附图5所示为车辆质量结果，由结果可得，在初始化完成后，质量的最大误差为3.6％，满足精度需求；附图6所示为道路坡度结果，根据结果，坡度辨识的最大误差为3.9％，满足精度需求。

根据车辆参数，计算该车的五参数最佳动力性换挡策略。考虑到车辆上下坡对于加速度的影响，加速度取值范围为[-5m/s²,5m/s²],油门开度范围为[0,1]，质量取值范围为[12t,18t]，坡度取值范围为[0,30％]。

由上式所述动力性评价指标—等效阻力F_f’对各档位进行判断，得到最佳换挡点，并遍历车辆油门开度、质量、坡度、以及加速度，得到车辆五参数经济性换挡策略。

电机的额定转速为2000r/m，峰值转速为4500r/m，在电机转速达到额定转速之前，电机提供的转矩为：

T＝αT_max

其中T_max为电机峰值转矩，α为油门开度。在达到额定转速之后，电机提供的转矩为：

其中P_max为电机峰值功率，n为电机转速。

遍历电机转速和油门开度，根据电机的转速和转矩，查电机MAP图，得到电机效率，比较相同油门开度下不同挡位的效率车速曲线，得到最佳经济性换挡点。遍历油门开度，得到双参数经济性换挡曲线。

依次计算车辆各个档位在不同质量、不同车速、不同加速度、不同油门开度下的极限爬坡度，和坡度进行对比，当极限爬坡度大于坡度时保持目标挡位不变，当极限爬坡度小于坡度时对目标挡位进行降档处理，遍历坡度，得到最终的五参数经济性换挡策略。

换挡质量取值如表2所示。

表2换挡策略质量离散取值表

换挡道路坡度取值如表3所示。

表3换挡策略坡度离散取值表

坡度％	取值％	状态
			m<1.5	0	1
1.5≤m<4.5	3	2
			4.5≤m<7.5	6	3
7.5≤m<10.5	9	4
			10.5≤m<15	12	5
15≤m<25	20	6
			m≥25	30	7

所述的模糊推理规则为245条，见表4。

表4模糊推理规则

采用模糊控制对五参数动力性换挡和五参数经济性换挡进行切换和控制，模糊控制的输入量为车辆加速度以及得到的车辆质量、道路坡度，进行模糊化后，根据隶属度函数和模糊控制规则得到相应的输出值，其中为增加系统的稳定性，三个输入选择钟形隶属函数，为增加识别精度，输出选择梯形隶属函数，输出为[-1,1]的响应。根据模糊控制输出量进行判断，当输出值非负时采用五参数经济性换挡策略，挡输出值为负数时，采用五参数动力性换挡策略，并输出最终目标挡位。

按照图5所示工况变换质量，运行典型中国城市循环工况3000s所得结果如表5所示。

表5质量仿真结果

由上表可知，对于工况一，按照12000Kg换挡策略的平均电耗低于按照18000Kg换挡策略的平均电耗，采用质量的平均电耗最低，每百公里节省1.06Kwh；对于工况二，按照18000Kg换挡策略的平均电耗低于按照12000Kg换挡策略的平均电耗，采用质量的平均电耗最低，每百公里节省0.48Kwh。

按照图6所示工况变换坡度，运行15km/h等速工况2000s所得结果如表6所示。

表6坡度仿真结果

由上表可知，对于工况一，按照12％坡度换挡策略的平均电耗低于按照0％坡度换挡策略的平均电耗，采用坡度的平均电耗最低，经济性能提升了2.23％；对于工况二，按照0％坡度换挡策略的平均电耗低于按照12％坡度换挡策略的平均电耗，采用坡度的平均电耗最低，经济性能提升了3.54％。

综上所述，采用本发明的车辆质量与坡道坡度方法，可有效车辆质量与坡道坡度，提高了车辆质量与坡度的精度；采用本发明的自动变速换挡控制方法进行坡道换挡修正控制，可避免坡道频繁换挡，以提高换挡的智能化水平，避免频繁换挡，使车辆的动力性、经济性达到最优。

Claims (6)

1.一种机械式自动变速器换挡方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：以车辆可以克服等效阻力的能力为动力性能指标，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳动力性档位，作为车辆动力性换挡策略；

步骤2：以电机效率为经济性指标，在满足车辆的爬坡需求的基础上，计算不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳经济性档位，作为车辆经济性换挡策略；

步骤3：获得当前车辆当前质量和当前坡度；

步骤4：对车辆当前动力性和经济性需求进行判断，选择车辆动力性换挡策略和车辆经济性换挡策略之一来确定换挡点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1通过如下步骤实现：

等效阻力是滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速阻力以外的阻力之和；

计算车辆在相同车速、相同加速度、相同油门开度、相同质量和相同坡度下相邻档位克服等效阻力的能力，根据克服等效阻力能力和车速曲线得到车辆在该车速、加速度、油门开度、质量和坡度下的最佳动力性档位；

依次分别遍历不同车速、不同车辆加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度，得到不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度组合下的最佳动力性档位。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2通过如下步骤实现：

获得不同油门开度和不同车速下，实现最优电机效率对应的第一经济性档位；

根据当前油门开度和当前车速确定第一经济性档位，根据当前确定的第一经济性档位、车辆质量、加速度以及油门开度计算车辆的极限爬坡性能能否满足当前坡度需求，

若能，将当前确定的第一经济性档位为最佳经济性档位；

若不能，将当前确定的第一最佳经济性档位降低一档作为最佳经济性档位；

遍历车辆的质量和加速度，得到不同车速、不同加速度、不同油门开度、不同质量和不同坡度下的最佳经济性档位。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3通过如下步骤实现：对车辆的质量范围以及坡度范围进行离散化处理，根据离散化真值表得到目标质量和目标坡度作为当前质量和当前坡度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3通过如下步骤实现：利用重量传感器和坡度传感器获取车辆当前质量和当前坡度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4通过如下步骤实现：

基于模糊控制，以当前质量、当前坡度和当前车辆加速度为输入，通过模糊化处理与模糊推理规则库，对车辆当前动力性和经济性需求进行判断。