新能源汽车自动变速器动力换挡控制系统及控制方法与流程

本发明属于新能源汽车领域,具体涉及新能源汽车自动变速器动力换挡控制系统及控制方法。

背景技术：

随着能源枯竭和环境污染问题日益严重，世界各国积极寻求开发低排放、高效率的新能源交通工具，新能源汽车被视为解决上述问题的重要途径之一得到广泛关注。

纯电动汽车(PEV)作为新能源汽车的重要组成部分，近些年来越来越受到国家以及各整车厂的重视，是我国七大战略性新兴产业之一。

纯电动汽车对变速器的采用对车辆的整体性能有着显著的作用；电机的运行曲线对于传统发动机来说有着明显的优势。动力换挡过程具有更优的换挡品质，其控制过程较非动力换挡过程更为复杂，电机转速同步过程要求电机调速快速、准确、稳定，电机的调速性能直接影响换挡时间及换挡的平顺性；变速箱摘挡和挂挡过程要求电机绝对零扭矩输出；换挡规律和变速箱速比分配是否合理直接关系到整车动力性、经济性及平顺性。电动车自动变速系统在结构上最大的特点是取消了离合器和同步器，依靠电机的调速功能实现换挡过程中电机转速与下一挡位齿轮转速的同步。

换档规律是自动变速器控制策略最为核心的技术，它决定了动力传动系统最优性能的发挥，如何选择理想的换档时机和合适的档位对车辆的动力性、经济性及舒适性影响很大。电动汽车的永磁驱动电机与发动机的巨大差异，使得在制定换档规律时也有明显的不同。本发明以纯电动车的最佳动力性和经济性换档规律以及相关的负载识别技术为基础制定出自动变速器的综合换档规律。

技术实现要素：

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

新能源汽车自动变速器动力换挡控制系统，其特征在于,包括信号输入模块、变速箱控制器TCU、信号输出模块、电机控制器MCU及整车控制器VCU；

所述信号输入模块包括换挡机构传感器、手柄、转速传感器、制动踩踏板及钥匙开关，所述换挡机构传感器采集手柄换挡位置并传输给变速箱控制器TCU，所述转速传感器采集车速并传输给变速箱控制器TCU，所述制动踩踏板控制车速并通过传感器传输给变速箱控制器TCU，所述钥匙开关控制车辆的启停并通过传感器传输给变速箱控制器TCU；

所述信号输出模块包括显示仪表、电机及继电器，所述显示仪表与变速箱控制器TCU之间通过CAN或LIN通信，所述电机通过PWM输出，所述继电器用于开关量输出；

所述电机控制器MCU、变速箱控制器TCU及整车控制器VCU依靠CAN总线实现各控制器间控制信息、控制指令的通讯。

新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，变速箱控制器TCU中运行控制软件，所述控制软件分为BDI层和ACS层，所述BDI层负责TCU的初始化、设备驱动等工作，所述ACS层负责上层控制策略，完成档位决策、起步、换档等功能；

步骤(2)，控制软件通过车载传感器和CAN总线获取整车状态，进而识别驾驶员的操作意图；

步骤(3)，变速箱控制器TCU根据驾驶员的操作意图及整车状态计算纯电动汽车的最佳动力性和最佳经济性换档规律，确定整车最合理状态和最佳档位；

步骤(4)，在合适的时机变速箱控制器TCU会根据情况提出换挡请求，换挡策略会根据实际情况进行判定；

步骤(5)，若可以换挡，变速箱控制器TCU采用CAN总线通信方式向电机控制器MCU发出指令，电机降低扭矩，换挡机构挂空挡；

步骤(6)，直到电机转速与变速箱转速一致时，换挡机构挂档，换挡完成，电机再恢复扭矩。

进一步，步骤(1)中所述ACS层包括输入模块Sensor、决策模块Strategy、执行机构控制模块Actuator组成，分别完成信号转换、决策控制、执行机构控制等功能。

本发明的有益效果是：本发明通过信号输入模块将采集的驾驶员的意图、当前车辆行驶情况传送给变速箱控制器TCU，变速箱控制器TCU根据接收的信号决定当前的换挡策略，并控制汽车的换挡，TCU向电机控制器MCU发出换挡指令能很好地控制电机转速、电机扭矩，实现合理的换挡规律及速比分配，实现整车在行驶过程中的动力性、经济性及平顺性。

附图说明

图1为新能源汽车自动变速器动力换挡控制系统硬件结构图；

图2为新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法的换挡控制原理图；

图3为新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法的软件结构简图；

图4为新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法的模块组成框图；

图5为本发明AMT调度模块组成框图；

图6为新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法的换挡进步过程图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，新能源汽车自动变速器动力换挡控制系统，包括信号输入模块、变速箱控制器TCU、信号输出模块、电机控制器MCU及整车控制器VCU；

信号输入模块包括换挡机构传感器、手柄、转速传感器、制动踩踏板及钥匙开关，换挡机构传感器采集手柄换挡位置并传输给变速箱控制器TCU，转速传感器采集车速并传输给变速箱控制器TCU，制动踩踏板控制车速并通过传感器传输给变速箱控制器TCU，钥匙开关控制车辆的启停并通过传感器传输给变速箱控制器TCU；

信号输出模块包括显示仪表、电机及继电器，显示仪表与变速箱控制器TCU之间通过CAN或LIN通信，电机通过PWM输出，继电器用于保护整个控制系统；

电机控制器MCU、变速箱控制器TCU及整车控制器VCU依靠CAN总线实现各控制器间控制信息、控制指令的通讯。

自动变速箱控制器TCU包括开关量输入电路、模拟量输入电路、脉冲量输入电路、电源电路、中央处理器、晶振电路、CAN通信电路、开关量输出电路及PWM输出电路；自动变速箱控制器TCU接收的信息包括加速踏板位置，电机转速，电机当前扭矩，电机、电池状态信息及整车相关控制模式标志位、故障信息；自动变速箱控制器TCU接收的信息包括电机转速请求，电机扭矩请求，电机控制模式，手柄、档位信息及AMT相关控制模式标志位、故障信息，以计算最佳的换挡时刻，控制换挡执行机构完成自动换挡。

整车控制器VCU综合车辆各个能源部件和车辆状态判断车辆的行驶性能，包括了电源系统可以供给的能量、车辆行驶状态(前进、后退或者驻车)、车速、目标需求驱动力和制动力等，并将这些信息通过CAN总线广播或者定向发送。

新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法的控制原理如图2所示。

新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，变速箱控制器TCU中运行控制软件，控制软件分为BDI层和ACS层，如图3所示，BDI层负责TCU的初始化、设备驱动等工作，ACS层负责上层控制策略，完成档位决策、起步、换档等功能；BDI层和ACS层之间采用固定的API接口进行通信，方便ACS层在其他环境下的移植；

ACS层包括输入模块(Sensor)、决策模块(Strategy)、执行机构控制模块(Actuator)，分别负责信息输入、决策控制、执行机构控制。

Sensor模块对从BDI层获得的原始信息做如下处理：①滤波：将信息输入过程中的干扰噪声滤除，获得有用信息；②标度转换：将信息转换为程序内部能够识别的单位一致的信息，方便主模块进行处理；③故障识别：排除信息输入过程中的由于过度干扰或传感器失效引起的故障。

Strategy模块是程序的核心，各种控制策略在此实现。模块由各个子模块组成，如图4所示。各个子模块的作用分别如下，整车控制策略模块：整车上电后初始化、自检、AMT调度模块、关电处理、故障模式的判断与调度；系统初始化模块：初始化系统各模块状态；自检模块：电机状态、选换档执行机构、传感器信号自检；AMT调度模块：整车状态切换，时序控制；关电处理模块：驾驶员关钥匙门后处理；故障处理模块：故障状态下整车控制。

其中AMT调度模块又包括起步控制模块、停车控制模块、选换档控制模块、行驶模块、换档规律模块，如图5所示。各模块的作用分别如下，起步控制模块：爬行和起步控制；停车控制模块：停车状态控制；选换档模块：换档过程中，改变档位控制；行驶模块：前进和倒车行驶状态控制；换档规律模块：分析驾驶员意图和整车状态，计算最佳档位，并发出换档请求。

Actuator模块处于ACS层的最下层，接受策略模块的控制指令，完成换挡电机、驱动电机的控制。

BDI层软件采用嵌入式C语言开发，需针对不同的TCU定制开发，但对外界保持统一的接口，供上层调用；ACS层使用MATLAB Simulink/Stateflow开发，利用RTW(Real-Time Workshop)工具自动生成代码，可以在多种开发平台上编译，如Freescale CodeWarrior、TASKING等，具有移植性强、模块化、易维护等特点。

步骤(2)，控制软件通过车载传感器和CAN总线获取整车状态，进而识别驾驶员的操作意图。

步骤(3)，变速箱控制器TCU根据驾驶员的操作意图及整车状态计算纯电动汽车的最佳动力性和最佳经济性换档规律，确定整车最合理状态和最佳档位；

最佳动力性换档规律：

欲保证动态状态下最佳的动力性能，应该以相邻两档加速度曲线交点对应的车速作为动力性换档点，即需要满足：

$\frac{du}{{\mathrm{dt}}_n}=\frac{du}{{\mathrm{dt}}_{n+1}}---\left(1\right)$

式中，u-电动汽车最高车速，t-电动汽车加速时间；

根据汽车行驶方程式，在n档时有：

${\mathrm{\δ}}_{n}m\frac{du}{{\mathrm{dt}}_n}=\frac{T_q{i}_o{i}_{gn}{\mathrm{\η}}_T}{r}-mgf-\frac{C_{D}A}{21.15}{u_a}^2---\left(2\right)$

其中，δ_n-传动系统回转质量换算系数，m-电动汽车的总质量(kg)，Tq-发动机特性，i_o-主减速器速比，i_gn-变速器n档的传动比，η_T-传动系统效率，r-车轮的滚动半径(m)，g-重力加速度(m/s²)，C_D-空气阻力系数，f-滚动阻力系数，A-迎风面积(m²)，u_a-最佳动力性换档点；

联立式(1)和式(2)便可求得最佳动力性换档点u_a。

最佳经济性换档规律：

从能量的消耗角度分析，汽车行驶过程中电池的能量主要用来消除汽车的行驶阻力以及热量的耗散，若电池储存的总的能量为W，则有：

W·η_b·η_e·η_T＝∑F·L (3)

式中，∑F-汽车行驶过程中受到的所有外界阻力之和(N)，L-电动汽车的续驶里程(m)，η_b-动力电池组的效率，η_e-驱动电机及其控制器的效率，η_T-传动系统效率。

从式(3)可以看出，在动力电池和传动系统已经确定的情况下，其各自的效率基本不变，唯一影响行驶里程的就是驱动电机和其控制器的效率(下简称电机效率)。纯电动汽车的经济性换档规律的制定是以电机的传动效率为依据，保证电机始终工作在可能的最高效区。以某一油门下相邻两档的电机效率最大为原则，即如果当前档位的电机效率低于下一档位的效率，那么此时车速就是最佳经济性换档点。

由于电动汽车的行驶环境是复杂多变的，仅由符合单一路况的换档规律不能适应汽车各种工况下对档位的要求，这就需要识别行驶环境的变化，用以对换档规律进行动态的修正，达到满足车辆整体性能的目的。

车辆负载变化对换档规律的影响很大：

$\frac{{\mathrm{du}}_z}{dt}=\frac{F_t-(F_{fZ}+F_{wZ})}{{\mathrm{\δ}}_{n}m}-\frac{F_L}{{\mathrm{\δ}}_{n}m}---\left(4\right)$

式中，u_z-空载时电动汽车最高车速(m/s)，F_L-车辆负载(N)，F_t-当前车辆驱动力(N)，F_fZ-零负载状态滚动阻力(N)，F_wZ-零负载状态空气阻力(N)；

动力性换档规律是在以F_L为零前提下相邻两档加速度相等为条件计算的，当F_L不为零时，由式(4)可知，若仍以零负载状态下的车速作为换档点，这时计算得到的加速度将不再相等，加速度差值为：

$\frac{{\mathrm{du}}_{z\left(n\right)}}{dt}-\frac{{\mathrm{du}}_{z(n+1)}}{dt}=(\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_{n+1}m}-\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_{n}m})F_L---\left(5\right)$

从式(5)可以看出，F_L越大，换档后加速度的变化就越大，尤其在上坡的时候，车辆动力性能在换档后将大幅降低。动力性升档后，新档位的驱动力低于原档位的驱动力，若F_L的值刚好满足在该档位达到换档车速，即换档时加速度为零，那么在换档后加速度将为负值，车辆驱动力不足开始减速行驶，如果坡道足够长，减到降档点降档后，驱动力恢复，又会重复之前的过程，造成换档循环，极大的降低了乘坐舒适性。若汽车在坡道上是以经济性换档规律行驶，换档后加速度变成负值的概率将更大。

另一方面，针对装载基于驱动电机主动同步的自动变速系统的汽车在上较大坡道时应该避免换档，这是因为，此自动变速系统在换档过程中会有短时间的动力中断，若坡道阻力过大，车速会下降很快，影响换档性能。

车辆的负载值可以根据式(6)直接求得，

F_L＝F_t-(F_fZ+F_wZ+F_jZ) (6)

式中，F_jZ-零负载状态加速阻力(N)；

实际应用时，负载识别的实现方法根据计算参数获取途径的不同可以分为两种方法，第一种是直接带入零负载状态下的车辆参数，则有：

$F_L=\frac{T_u{i}_g{i}_o{\mathrm{\η}}_T}{r}-m_{Z}gf-\frac{C_{D}A}{21.15}{u}^2-{\mathrm{\δ}}_n{m}_Z\frac{du}{dt}---\left(7\right)$

式中，T_u-当前车速下的电机扭矩，i_g-变速器某一档的传动比，m_Z-空载质量(kg)；

其中电机扭矩可由车辆行驶时电机的扭矩反馈实时获得，加速度需要对车速进行差分运算获得，这样，就可以计算任何车速下的车辆负载。这种方法实现起来很容易，但由于车辆参数与实际情况的差异，要想得到真实的负载变化，对参数的准确程度要求很高。

第二种是由实验标定获取计算参数。由式(7)可知，车辆负载FL只与电机扭矩、车速以及加速度的变化有关，可以将其简化为下式的形式：

$F_L={\mathrm{aT}}_u-b-{\mathrm{cu}}^2-d\frac{du}{dt}---\left(8\right)$

若使汽车在零负载状态下维持某车速u_a匀速行驶，可以得到下式：

0＝aT_ua-b-cu_a² (9)

可以看出，此时车速u_a和对应的电机转矩T_ua为定值，此式是关于系数a、b、c的三元一次方程，按此方法，获取2组以上的方程，便可求出a、b、c的值，通过增加采样点及实验次数，可以使其接近真实值。a、b、c确定以后，同样在零负载状态下以某加速度加速行驶，求取参数d，选取多组采样点以使其接近真实值。所有参数确定后，可在零负载状态基础上，单一增加固定载荷或选取固定坡度的道路进行实验，验证所识别的车辆负载与实际情况的一致性。这种方法求得的计算参数更接近真实情况，并且能够在对车辆参数未知的情况下进行负载识别，但对实验的规范要求较高，尤其是保证车辆匀速行驶的状态很难保证。

在实际实现负载识别时，可以将两种方法结合其来，先通过参数计算获得初始参数，在通过实验对其进行修正，并验证负载识别的准确性。

步骤(4)，在合适的时机变速箱控制器TCU会根据情况提出换挡请求，换挡策略会根据实际情况进行判定；

步骤(5)，若可以换挡，变速箱控制器TCU采用CAN总线通信方式向电机控制器MCU发出指令，电机降低扭矩，换挡机构挂空挡；

步骤(6)，直到电机转速与变速箱转速一致时，换挡机构挂档，换挡完成，电机再恢复扭矩。

根据本发明所述的新能源汽车自动变速器动力换挡控制方法，与传统控制过程比较如图6所示；通过对输入扭矩的控制减小输出扭矩的波动，提高换挡舒适性；从图6可以看出换挡方法的进步过程，图6(c)中的输出扭矩波动为一条直线，波动非常小，换挡的舒适性高。

以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。