CN111859550A - 基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法 - Google Patents

基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法 Download PDF

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CN111859550A CN202010740240.0A CN202010740240A CN111859550A CN 111859550 A CN111859550 A CN 111859550A CN 202010740240 A CN202010740240 A CN 202010740240A CN 111859550 A CN111859550 A CN 111859550A
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Abstract

基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，包括以下步骤：由车轮半径、主减速比、电机峰值功率及峰值扭矩计算得初步确定动力性升档点；将初步确定的动力升档点与一挡时电机最高转速对应的车速取小，得到最终确定的动力性升挡点
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
；动力性升挡点设置偏移量
Figure 375753DEST_PATH_IMAGE002
，得到经济性升档点
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE003
，由此获得完整的升档曲线；升挡曲线向x轴负方向偏移
Figure 854138DEST_PATH_IMAGE004
，得到降档曲线；在硬件在环台架上，对不同
Figure 700872DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 754147DEST_PATH_IMAGE004
进行标准循环工况仿真测试，得到最优经济性对应的
Figure 748648DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 30725DEST_PATH_IMAGE004
值。本发明简化了升降挡曲线的标定，对经济性升挡偏移量和降挡偏移量两个参数进行不同值的标定，并进行标准循环工况的硬件在环仿真测试，选取经济性最优的参数值，全过程无需对整车控制器做任何软件更改。

Description

基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，更为具体地说是指一种基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法。
背景技术
目前，纯电动客车除了不带变速箱的电机直驱形式以外，还有一种较为主流的方案，即搭载两个挡位的变速箱，该方案可以显著提高车辆中低速的动力性以及爬坡能力，而且可使电机小型化。同时，该方案对车辆行驶控制也提出了新的要求，车辆需要具备一套合适的换挡策略。由于客车产品的特殊性，车辆配置繁多，一款变速箱可能装载于多款不同车型，而不同车型间车辆的参数配置差异较大，例如电机峰值扭矩、峰值功率、电机效率特性、主减速比、轮胎半径等。基于以上，需要制定一个方法，从而能够快速确定车辆换挡点，其中包括动力性升挡点、经济性升挡点、升降挡速差。
公开号为CN105383325A的发明专利提供了一种纯电动汽车的换挡控制方法及系统，利用相邻两挡的汽车加速度曲线得到动力性换挡曲线，利用相邻两挡的电机效率曲线得到经济性换挡曲线，比较动力性换挡曲线和经济性换挡曲线的变化趋势，将两个曲线最接近的负荷点作为切换点，得到综合性升挡规律曲线，并采用等延迟型方法获得综合性规律曲线（包括升挡和降挡），在不改变硬件的基础上，实现了纯电动车经济性与动力性的同时兼顾，因此接近了现有技术中的难题。该专利利用理论计算的方法，确定了动力性换挡曲线和经济性换挡曲线。但是该方法过分依赖于理论计算，没有考虑不同档位下的能量回收对整车经济性的影响，也没有基于行驶工况对换挡点进行研究，忽略了纯电动车辆的特殊性以及行驶工况和换挡策略的相关性。同时，该方法确定的升降挡曲线，形态较为复杂，难以通过较少的参数对曲线进行标定，难以适应客车行业多车型、多配置的情况，会降低软件开发的效率，并且增加了软件开发的复杂度。
公开号为CN103267117A的发明专利涉及一种利用纯电动汽车经济性换挡规律的换挡方法，方法为：先制取最佳经济性换挡规律曲线，将电机在1挡和2挡时的驱动特性曲线和效率曲线关系图作在同一图上；在1挡和2挡效率图的重合区作一恒定驱动力扭矩T0的水平线；将牵引力T0所对应的1挡和2挡不同车速时的效率值曲线作在一图中，两条曲线的交叉点即为理想的换挡点；计算出1挡和2挡的升挡点和降挡点油门的开度值；将所得到的升挡点和降挡点连起来，即可得到最佳经济性换挡规律。然后将该换挡规律曲线写入TCU换挡控制程序中；换挡时电动汽车的TCU接收驾驶员油门开度信号、车速信号后，经过判断，当达到理想的换挡点时，TCU即控制变速箱换挡执行机构，实现换挡动作。该专利将换挡规律曲线写入变速箱控制器中，由变速箱控制器主导换挡策略，这种方法也不适用于客车行业多车型、多配置的情况，不利于车辆软件状态的管控。且上文专利号CN105383325A存在的问题，该专利也同样存在。
综上，目前的相关技术未对纯电动车辆换挡动作的执行和换挡策略的制定进行确定的功能划分，对换挡曲线的设计，较为依赖理论分析，产生的换挡曲线比较复杂，难以通过简单的参数进行标定，这也导致增加了纯电动客车控制软件开发的难度。并且，与传统燃油车的换挡策略不同的是，纯电动车辆存在电机能量回收，不同挡位下，电机的电回收功率能力和变速箱输出的负扭矩能力也都不同，所以换挡曲线不再仅仅影响车辆驱动的动力性和经济性，仅仅靠分析驱动状态下的动力性和经济性已经远远不够。
发明内容
本发明提供一种基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，以克服现有两档箱电动客车对换挡曲线的设计，较为依赖理论分析，产生的换挡曲线比较复杂，增加了纯电动客车控制软件开发的难度，影响车辆驱动的动力性和经济性等缺点。
本发明采用如下技术方案：
基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，包括以下步骤：
步骤一、由车轮半径
Figure 808407DEST_PATH_IMAGE001
、主减速比
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、电机峰值功率
Figure 663231DEST_PATH_IMAGE003
及峰值扭矩
Figure DEST_PATH_IMAGE004
计算得到初步确定的动力性升档点
Figure 974126DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤二、将计算得到初步确定的动力升档点
Figure 775860DEST_PATH_IMAGE005
，与一挡时电机最高转速对应的车速取小，得到最终确定的动力性升挡点
Figure 324653DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤三、定义小油门开度状态下的升档点为经济性升档点
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，并由
Figure 84799DEST_PATH_IMAGE007
计算得到经济性升档点
Figure 289515DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为经济性升挡偏移量，由此获得完整的升档曲线；
步骤四、使升挡曲线向x轴负方向偏移
Figure 426098DEST_PATH_IMAGE009
，得到降档曲线，
Figure 891715DEST_PATH_IMAGE009
为降档偏移量；
步骤五、在硬件在环台架上，对不同
Figure 619499DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 780353DEST_PATH_IMAGE009
进行标准循环工况仿真测试，得到最优经济性对应的
Figure 48524DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 244013DEST_PATH_IMAGE009
值。
进一步地，所述两档箱纯电动客车的换挡动作，由整车控制器和变速箱控制器共同完成，整车控制器确定换挡策略，升降挡曲线在整车控制器中进行设置，变速箱控制器作为执行机构，与整车控制器建立CAN通讯连接，接收整车控制器发出的换挡指令。
进一步地，根据基于实际电机外特性变速箱输出扭矩图，设定一挡二挡曲线交点对应的车速为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,二挡电机基速对应的车速为
Figure 611540DEST_PATH_IMAGE011
，取动力性升挡点
Figure 384324DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 65972DEST_PATH_IMAGE011
，定义为车辆满油门开度状态下的升挡点。
进一步地，所述满油门开度是指开度百分比>APS_high，APS_high取值范围为80%～95%。
进一步地，所述步骤一中初步确定的动力性升档点
Figure 443864DEST_PATH_IMAGE005
由以下公式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
进一步地，所述小油门开度是指开度百分比<APS_low，APS_low取值范围为5%～20%。
优选地，所述
Figure 982293DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为5 km/h～20km/h，所述
Figure 445635DEST_PATH_IMAGE009
的取值范围为5 km/h～20km/h。
进一步地，中间油门开度下的升挡点是由
Figure 55608DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 225689DEST_PATH_IMAGE005
对油门开度线性插值获得。
进一步地，所述步骤五的具体过程如下：将车辆参数及电机效率MAP图导入整车控制器硬件在环台架的整车模型内，并对整车控制器进行不同
Figure 262915DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 620079DEST_PATH_IMAGE009
的参数标定，对每个标定的
Figure 705846DEST_PATH_IMAGE013
，进行一次硬件在环台架的标准工况仿真测试，取能耗结果最优的单次测试所对应的
Figure 589489DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 266458DEST_PATH_IMAGE009
值为目标值。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明简化了升降挡曲线的标定，通过对车辆基础参数的标定，即可立即确定车辆的动力性升挡点。对经济性升挡偏移量和降挡偏移量两个参数进行不同值的标定，并进行标准循环工况的硬件在环仿真测试，选取经济性最优的参数值，即完全确定了车辆的升降挡曲线，全过程无需对整车控制器做任何软件更改，只需要对两个参数进行标定即可。同时，仿真过程基于标准工况，保证了换挡策略和工况之间的适配性，而且仿真的结果也将不同换挡曲线对能量回收的影响包括在内，直接取仿真结果最优的参数值，完全避免了能量回收造对驱动经济性和制动经济性造成的耦合性影响，大大简化了软件开发的难度。
2、本发明清晰定义了两档箱纯电动车辆换挡动作的功能分配，整车控制器作为换挡策略的发起部件，而变速箱控制器作为执行机构，仅需操纵机械结构完成换挡动作。该方法可实现，对应任何的车辆配置，变速箱控制器只需要同一版软件即可，亦无需对不同的配置进行不同的标定。
附图说明
图1为本发明纯电动客车的连接示意图。
图2为本发明理想电机外特性下的一档二挡输出扭矩图。
图3为本发明实际电机外特性下的一档二挡输出扭矩图。
图4为本发明的换挡曲线图。
图5为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。对于公知的组件、方法及过程，以下不再详细描述。
本发明纯电动客车，参照图1，设有整车控制器1、电池管理系统2、动力电池3等。整车控制器1通过CAN通信与电池管理系统2连接，动力电池3通过电机控制器4与电机5电气连接，电机5通过两档变速箱6及减速器8与两端车轮9机械连接，两档变速箱6上对应连接一个变速箱控制器7。
本发明的两挡箱的纯电动客车，一般一挡速比
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，二挡为直接挡，
Figure 907655DEST_PATH_IMAGE015
。车辆换挡动作，由整车控制器1和变速箱控制器7共同完成。整车控制器1确定换挡策略，升降挡曲线在整车控制器1中进行设置。变速箱控制器7，作为执行机构，与整车控制器1建立CAN通讯连接，接收整车控制器1发出的换挡指令。若整车控制器1有换挡需求，则发送当前期望的目标挡位，变速箱控制器7控制两档变速箱6，完成具体的挡位切换。变速箱控制器本身不参与换挡策略的制定。
电机的理想外特性存在特点：低速为恒扭矩区，电机转速在该区域时，电机能够输出峰值扭矩
Figure 62692DEST_PATH_IMAGE004
(Nm)；高速为恒功率区，电机转速在该区域时，能够输出峰值功率
Figure 930068DEST_PATH_IMAGE003
(kW)。恒扭矩区和恒功率区的分界点对应的电机转速为基速
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。用一个分段函数表达式来描述电机的理想外特性：
Figure 981201DEST_PATH_IMAGE017
，上式中，r为电机当前转速，T(r)为在该转速下电机能够产生的最大扭矩值。
车辆在满油门加速时，电机输出外特性扭矩，由上述公式可以得知，若车辆由一挡换至二挡后，电机转速满足
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，则能够保证换挡前后变速箱输出至轮端的扭矩相等，车辆此时拥有最优的动力性。若车辆由一挡换至二挡后，电机转速
Figure 844114DEST_PATH_IMAGE019
，则车辆在换挡后变速箱输出至轮端的扭矩要小于换挡前，意味着车辆加速度减小，且有可能在车辆爬大坡时，因为换挡后扭矩减小，不足以提供车辆前进，车速持续下降，触发降挡动作，导致车辆频繁升降挡。由图2可以直观得到，车速大于二挡下电机基速对应的车速时，一挡和二挡变速箱输出的扭矩完全相等。
基于理想电机外特性的分析结果，对于实际的电机外特性，往往在基速附近达到峰值功率，而后随着电机转速的升高，峰值功率出现部分衰减，而且对于不同的整车电压状态、不同的电机型号，电机高转速区呈现功率衰减程度也不同。图3为实际电机外特性下的一档二挡输出扭矩图，设一挡二挡曲线交点对应的车速为
Figure 865160DEST_PATH_IMAGE010
,二挡电机基速对应的车速为
Figure 333182DEST_PATH_IMAGE011
。在车速大于
Figure 148691DEST_PATH_IMAGE010
时，一挡能够输出的最大扭矩开始小于二挡，且随着车速的提高，一挡和二挡能够输出的扭矩差值逐渐增大。综合以上分析，为了满足不同型号以及不同整车电压平台下的电机的功率特性，取动力性升挡点
Figure 295638DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 730162DEST_PATH_IMAGE011
，定义为车辆满油门开度（开度百分比>APS_high）状态下的升挡点，该升挡点能够保证在匹配任何电机型号、任何电压平台的情况下，都不会出现满油门时二挡驱动力小于一挡的情况，且换挡前后的驱动力差值尽可能小。APS_high优选取值范围为80%～95%。
参照图5，基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，包括以下步骤：
一、由车轮半径
Figure 708482DEST_PATH_IMAGE001
、主减速比
Figure 304680DEST_PATH_IMAGE002
、电机峰值功率
Figure 938923DEST_PATH_IMAGE003
及峰值扭矩
Figure 36192DEST_PATH_IMAGE004
计算得到初步确定的动力性升档点
Figure 9965DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 104960DEST_PATH_IMAGE005
的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，由此可知，只要将式中的参数设置为标定量，根据不同车辆状态进行配置，即初步确定车辆的动力性升挡点。
二、将计算得到初步确定的动力升档点
Figure 695341DEST_PATH_IMAGE005
，与一挡时电机最高转速对应的车速取小，得到最终确定的动力性升挡点
Figure 799563DEST_PATH_IMAGE005
。
三、定义小油门开度状态下的升档点为经济性升档点
Figure 221317DEST_PATH_IMAGE006
，并由
Figure 690476DEST_PATH_IMAGE007
计算得到经济性升档点
Figure 830470DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 738383DEST_PATH_IMAGE008
为经济性升挡偏移量，由此获得完整的升档曲线。其中，
Figure 421169DEST_PATH_IMAGE008
的标定范围优选为5 km/h～20km/h。中间油门开度下的升挡点由
Figure 920283DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 750836DEST_PATH_IMAGE005
对油门开度线性插值获得。
以上小油门开度是指开度百分比<APS_low，APS_low取值范围为5%～20%；中间油门开度是指开度百分比在20%～85%之间。
四、使升挡曲线向x轴负方向偏移
Figure 868964DEST_PATH_IMAGE009
，得到降档曲线，
Figure 530890DEST_PATH_IMAGE009
为降档偏移量，参照图4。为了防止车辆在爬坡过程中频繁升降挡，
Figure 76272DEST_PATH_IMAGE009
不宜过小，同时为了保证车辆的动力性，
Figure 394121DEST_PATH_IMAGE009
亦不可过大，根据实际情况，
Figure 440574DEST_PATH_IMAGE009
推荐标定范围为5 km/h～20km/h。
五、在硬件在环台架上，对不同
Figure 160268DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 876552DEST_PATH_IMAGE009
进行标准循环工况仿真测试，得到最优经济性对应的
Figure 744014DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 531841DEST_PATH_IMAGE009
值。
以上步骤五的具体过程如下：将车辆参数及电机效率MAP图导入整车控制器硬件在环台架的整车模型内，并对整车控制器进行不同
Figure 778146DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 789964DEST_PATH_IMAGE009
的参数标定，对每个标定的
Figure 754509DEST_PATH_IMAGE013
，进行一次硬件在环台架的标准工况仿真测试，取能耗结果最优的单次测试所对应的
Figure 346027DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 571472DEST_PATH_IMAGE009
值为目标值。至此，升挡曲线和降挡曲线都已完全确定。
硬件在环的工况仿真，包含了驱动行驶和能量回收，直接取仿真的最优值，避免了因为能量回收的存在，而造成对换挡曲线的研究的复杂化。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、由车轮半径
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、主减速比
Figure 861664DEST_PATH_IMAGE002
、电机峰值功率
Figure DEST_PATH_IMAGE003
及峰值扭矩
Figure 39836DEST_PATH_IMAGE004
计算得到初步确定的动力性升档点
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤二、将计算得到初步确定的动力升档点
Figure 230953DEST_PATH_IMAGE005
，与一挡时电机最高转速对应的车速取小，得到最终确定的动力性升挡点
Figure 316720DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤三、定义小油门开度状态下的升档点为经济性升档点
Figure 138046DEST_PATH_IMAGE006
，并由
Figure DEST_PATH_IMAGE007
计算得到经济性升档点
Figure 549436DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 705479DEST_PATH_IMAGE008
为经济性升挡偏移量，由此获得完整的升档曲线；
步骤四、使升挡曲线向x轴负方向偏移
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，得到降档曲线，
Figure 594938DEST_PATH_IMAGE009
为降档偏移量；
步骤五、在硬件在环台架上，对不同
Figure 536349DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 649799DEST_PATH_IMAGE009
进行标准循环工况仿真测试，得到最优经济性对应的
Figure 778292DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 720709DEST_PATH_IMAGE009
值。
2.如权利要求1所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：所述两档箱纯电动客车的换挡动作，由整车控制器和变速箱控制器共同完成，整车控制器确定换挡策略，升降挡曲线在整车控制器中进行设置，变速箱控制器作为执行机构，与整车控制器建立CAN通讯连接，接收整车控制器发出的换挡指令。
3.如权利要求1所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：根据基于实际电机外特性的变速箱输出扭矩图，设定一挡二挡曲线交点对应的车速为
Figure 313364DEST_PATH_IMAGE010
,二挡电机基速对应的车速为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，取动力性升挡点
Figure 269819DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 947925DEST_PATH_IMAGE011
，定义为车辆满油门开度状态下的升挡点。
4.如权利要求3所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：所述满油门开度是指开度百分比>APS_high，APS_high取值范围为80%～95%。
5.如权利要求1所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：所述步骤一中初步确定的动力性升档点
Figure 913607DEST_PATH_IMAGE005
由以下公式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
6.如权利要求1或所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：所述小油门开度是指开度百分比<APS_low，APS_low取值范围为5%～20%。
7.如权利要求1或所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：所述
Figure 78878DEST_PATH_IMAGE008
的取值范围为5 km/h～20km/h。
8.如权利要求1或所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：中间油门开度下的升挡点是由
Figure 2972DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 106057DEST_PATH_IMAGE005
对油门开度线性插值获得。
9.如权利要求1或所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：所述
Figure 937747DEST_PATH_IMAGE009
的取值范围为5 km/h～20km/h。
10.如权利要求1或所述的基于硬件在环仿真的两档箱纯电动客车换挡曲线确定方法，其特征在于：所述步骤五的具体过程如下：将车辆参数及电机效率MAP图导入整车控制器硬件在环台架的整车模型内，并对整车控制器进行不同
Figure 177098DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 524290DEST_PATH_IMAGE009
的参数标定，对每个标定的
Figure 176988DEST_PATH_IMAGE014
，进行一次硬件在环台架的标准工况仿真测试，取能耗结果最优的单次测试所对应的
Figure 750052DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 109489DEST_PATH_IMAGE009
值为目标值。
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