本發(fā)明屬于新能源汽車領(lǐng)域,具體涉及新能源汽車自動變速器動力換擋控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

隨著能源枯竭和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，世界各國積極尋求開發(fā)低排放、高效率的新能源交通工具，新能源汽車被視為解決上述問題的重要途徑之一得到廣泛關(guān)注。

純電動汽車(PEV)作為新能源汽車的重要組成部分，近些年來越來越受到國家以及各整車廠的重視，是我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。

純電動汽車對變速器的采用對車輛的整體性能有著顯著的作用；電機(jī)的運(yùn)行曲線對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)來說有著明顯的優(yōu)勢。動力換擋過程具有更優(yōu)的換擋品質(zhì)，其控制過程較非動力換擋過程更為復(fù)雜，電機(jī)轉(zhuǎn)速同步過程要求電機(jī)調(diào)速快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，電機(jī)的調(diào)速性能直接影響換擋時(shí)間及換擋的平順性；變速箱摘擋和掛擋過程要求電機(jī)絕對零扭矩輸出；換擋規(guī)律和變速箱速比分配是否合理直接關(guān)系到整車動力性、經(jīng)濟(jì)性及平順性。電動車自動變速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)是取消了離合器和同步器，依靠電機(jī)的調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)換擋過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速與下一擋位齒輪轉(zhuǎn)速的同步。

換檔規(guī)律是自動變速器控制策略最為核心的技術(shù)，它決定了動力傳動系統(tǒng)最優(yōu)性能的發(fā)揮，如何選擇理想的換檔時(shí)機(jī)和合適的檔位對車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性影響很大。電動汽車的永磁驅(qū)動電機(jī)與發(fā)動機(jī)的巨大差異，使得在制定換檔規(guī)律時(shí)也有明顯的不同。本發(fā)明以純電動車的最佳動力性和經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律以及相關(guān)的負(fù)載識別技術(shù)為基礎(chǔ)制定出自動變速器的綜合換檔規(guī)律。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

新能源汽車自動變速器動力換擋控制系統(tǒng)，其特征在于,包括信號輸入模塊、變速箱控制器TCU、信號輸出模塊、電機(jī)控制器MCU及整車控制器VCU；

所述信號輸入模塊包括換擋機(jī)構(gòu)傳感器、手柄、轉(zhuǎn)速傳感器、制動踩踏板及鑰匙開關(guān)，所述換擋機(jī)構(gòu)傳感器采集手柄換擋位置并傳輸給變速箱控制器TCU，所述轉(zhuǎn)速傳感器采集車速并傳輸給變速箱控制器TCU，所述制動踩踏板控制車速并通過傳感器傳輸給變速箱控制器TCU，所述鑰匙開關(guān)控制車輛的啟停并通過傳感器傳輸給變速箱控制器TCU；

所述信號輸出模塊包括顯示儀表、電機(jī)及繼電器，所述顯示儀表與變速箱控制器TCU之間通過CAN或LIN通信，所述電機(jī)通過PWM輸出，所述繼電器用于開關(guān)量輸出；

所述電機(jī)控制器MCU、變速箱控制器TCU及整車控制器VCU依靠CAN總線實(shí)現(xiàn)各控制器間控制信息、控制指令的通訊。

新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟(1)，變速箱控制器TCU中運(yùn)行控制軟件，所述控制軟件分為BDI層和ACS層，所述BDI層負(fù)責(zé)TCU的初始化、設(shè)備驅(qū)動等工作，所述ACS層負(fù)責(zé)上層控制策略，完成檔位決策、起步、換檔等功能；

步驟(2)，控制軟件通過車載傳感器和CAN總線獲取整車狀態(tài)，進(jìn)而識別駕駛員的操作意圖；

步驟(3)，變速箱控制器TCU根據(jù)駕駛員的操作意圖及整車狀態(tài)計(jì)算純電動汽車的最佳動力性和最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律，確定整車最合理狀態(tài)和最佳檔位；

步驟(4)，在合適的時(shí)機(jī)變速箱控制器TCU會根據(jù)情況提出換擋請求，換擋策略會根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判定；

步驟(5)，若可以換擋，變速箱控制器TCU采用CAN總線通信方式向電機(jī)控制器MCU發(fā)出指令，電機(jī)降低扭矩，換擋機(jī)構(gòu)掛空擋；

步驟(6)，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱轉(zhuǎn)速一致時(shí)，換擋機(jī)構(gòu)掛檔，換擋完成，電機(jī)再恢復(fù)扭矩。

進(jìn)一步，步驟(1)中所述ACS層包括輸入模塊Sensor、決策模塊Strategy、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊Actuator組成，分別完成信號轉(zhuǎn)換、決策控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等功能。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過信號輸入模塊將采集的駕駛員的意圖、當(dāng)前車輛行駛情況傳送給變速箱控制器TCU，變速箱控制器TCU根據(jù)接收的信號決定當(dāng)前的換擋策略，并控制汽車的換擋，TCU向電機(jī)控制器MCU發(fā)出換擋指令能很好地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)合理的換擋規(guī)律及速比分配，實(shí)現(xiàn)整車在行駛過程中的動力性、經(jīng)濟(jì)性及平順性。

附圖說明

圖1為新能源汽車自動變速器動力換擋控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖2為新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法的換擋控制原理圖；

圖3為新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法的軟件結(jié)構(gòu)簡圖；

圖4為新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法的模塊組成框圖；

圖5為本發(fā)明AMT調(diào)度模塊組成框圖；

圖6為新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法的換擋進(jìn)步過程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示，新能源汽車自動變速器動力換擋控制系統(tǒng)，包括信號輸入模塊、變速箱控制器TCU、信號輸出模塊、電機(jī)控制器MCU及整車控制器VCU；

信號輸入模塊包括換擋機(jī)構(gòu)傳感器、手柄、轉(zhuǎn)速傳感器、制動踩踏板及鑰匙開關(guān)，換擋機(jī)構(gòu)傳感器采集手柄換擋位置并傳輸給變速箱控制器TCU，轉(zhuǎn)速傳感器采集車速并傳輸給變速箱控制器TCU，制動踩踏板控制車速并通過傳感器傳輸給變速箱控制器TCU，鑰匙開關(guān)控制車輛的啟停并通過傳感器傳輸給變速箱控制器TCU；

信號輸出模塊包括顯示儀表、電機(jī)及繼電器，顯示儀表與變速箱控制器TCU之間通過CAN或LIN通信，電機(jī)通過PWM輸出，繼電器用于保護(hù)整個控制系統(tǒng)；

電機(jī)控制器MCU、變速箱控制器TCU及整車控制器VCU依靠CAN總線實(shí)現(xiàn)各控制器間控制信息、控制指令的通訊。

自動變速箱控制器TCU包括開關(guān)量輸入電路、模擬量輸入電路、脈沖量輸入電路、電源電路、中央處理器、晶振電路、CAN通信電路、開關(guān)量輸出電路及PWM輸出電路；自動變速箱控制器TCU接收的信息包括加速踏板位置，電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)當(dāng)前扭矩，電機(jī)、電池狀態(tài)信息及整車相關(guān)控制模式標(biāo)志位、故障信息；自動變速箱控制器TCU接收的信息包括電機(jī)轉(zhuǎn)速請求，電機(jī)扭矩請求，電機(jī)控制模式，手柄、檔位信息及AMT相關(guān)控制模式標(biāo)志位、故障信息，以計(jì)算最佳的換擋時(shí)刻，控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成自動換擋。

整車控制器VCU綜合車輛各個能源部件和車輛狀態(tài)判斷車輛的行駛性能，包括了電源系統(tǒng)可以供給的能量、車輛行駛狀態(tài)(前進(jìn)、后退或者駐車)、車速、目標(biāo)需求驅(qū)動力和制動力等，并將這些信息通過CAN總線廣播或者定向發(fā)送。

新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法的控制原理如圖2所示。

新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟(1)，變速箱控制器TCU中運(yùn)行控制軟件，控制軟件分為BDI層和ACS層，如圖3所示，BDI層負(fù)責(zé)TCU的初始化、設(shè)備驅(qū)動等工作，ACS層負(fù)責(zé)上層控制策略，完成檔位決策、起步、換檔等功能；BDI層和ACS層之間采用固定的API接口進(jìn)行通信，方便ACS層在其他環(huán)境下的移植；

ACS層包括輸入模塊(Sensor)、決策模塊(Strategy)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊(Actuator)，分別負(fù)責(zé)信息輸入、決策控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制。

Sensor模塊對從BDI層獲得的原始信息做如下處理：①濾波：將信息輸入過程中的干擾噪聲濾除，獲得有用信息；②標(biāo)度轉(zhuǎn)換：將信息轉(zhuǎn)換為程序內(nèi)部能夠識別的單位一致的信息，方便主模塊進(jìn)行處理；③故障識別：排除信息輸入過程中的由于過度干擾或傳感器失效引起的故障。

Strategy模塊是程序的核心，各種控制策略在此實(shí)現(xiàn)。模塊由各個子模塊組成，如圖4所示。各個子模塊的作用分別如下，整車控制策略模塊：整車上電后初始化、自檢、AMT調(diào)度模塊、關(guān)電處理、故障模式的判斷與調(diào)度；系統(tǒng)初始化模塊：初始化系統(tǒng)各模塊狀態(tài)；自檢模塊：電機(jī)狀態(tài)、選換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器信號自檢；AMT調(diào)度模塊：整車狀態(tài)切換，時(shí)序控制；關(guān)電處理模塊：駕駛員關(guān)鑰匙門后處理；故障處理模塊：故障狀態(tài)下整車控制。

其中AMT調(diào)度模塊又包括起步控制模塊、停車控制模塊、選換檔控制模塊、行駛模塊、換檔規(guī)律模塊，如圖5所示。各模塊的作用分別如下，起步控制模塊：爬行和起步控制；停車控制模塊：停車狀態(tài)控制；選換檔模塊：換檔過程中，改變檔位控制；行駛模塊：前進(jìn)和倒車行駛狀態(tài)控制；換檔規(guī)律模塊：分析駕駛員意圖和整車狀態(tài)，計(jì)算最佳檔位，并發(fā)出換檔請求。

Actuator模塊處于ACS層的最下層，接受策略模塊的控制指令，完成換擋電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)的控制。

BDI層軟件采用嵌入式C語言開發(fā)，需針對不同的TCU定制開發(fā)，但對外界保持統(tǒng)一的接口，供上層調(diào)用；ACS層使用MATLAB Simulink/Stateflow開發(fā)，利用RTW(Real-Time Workshop)工具自動生成代碼，可以在多種開發(fā)平臺上編譯，如Freescale CodeWarrior、TASKING等，具有移植性強(qiáng)、模塊化、易維護(hù)等特點(diǎn)。

步驟(2)，控制軟件通過車載傳感器和CAN總線獲取整車狀態(tài)，進(jìn)而識別駕駛員的操作意圖。

步驟(3)，變速箱控制器TCU根據(jù)駕駛員的操作意圖及整車狀態(tài)計(jì)算純電動汽車的最佳動力性和最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律，確定整車最合理狀態(tài)和最佳檔位；

最佳動力性換檔規(guī)律：

欲保證動態(tài)狀態(tài)下最佳的動力性能，應(yīng)該以相鄰兩檔加速度曲線交點(diǎn)對應(yīng)的車速作為動力性換檔點(diǎn)，即需要滿足：

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

式中，u-電動汽車最高車速，t-電動汽車加速時(shí)間；

根據(jù)汽車行駛方程式，在n檔時(shí)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-傳動系統(tǒng)回轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，m-電動汽車的總質(zhì)量(kg)，Tq-發(fā)動機(jī)特性，i_o-主減速器速比，i_gn-變速器n檔的傳動比，η_T-傳動系統(tǒng)效率，r-車輪的滾動半徑(m)，g-重力加速度(m/s²)，C_D-空氣阻力系數(shù)，f-滾動阻力系數(shù)，A-迎風(fēng)面積(m²)，u_a-最佳動力性換檔點(diǎn)；

聯(lián)立式(1)和式(2)便可求得最佳動力性換檔點(diǎn)u_a。

最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律：

從能量的消耗角度分析，汽車行駛過程中電池的能量主要用來消除汽車的行駛阻力以及熱量的耗散，若電池儲存的總的能量為W，則有：

W·η_b·η_e·η_T＝∑F·L (3)

式中，∑F-汽車行駛過程中受到的所有外界阻力之和(N)，L-電動汽車的續(xù)駛里程(m)，η_b-動力電池組的效率，η_e-驅(qū)動電機(jī)及其控制器的效率，η_T-傳動系統(tǒng)效率。

從式(3)可以看出，在動力電池和傳動系統(tǒng)已經(jīng)確定的情況下，其各自的效率基本不變，唯一影響行駛里程的就是驅(qū)動電機(jī)和其控制器的效率(下簡稱電機(jī)效率)。純電動汽車的經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律的制定是以電機(jī)的傳動效率為依據(jù)，保證電機(jī)始終工作在可能的最高效區(qū)。以某一油門下相鄰兩檔的電機(jī)效率最大為原則，即如果當(dāng)前檔位的電機(jī)效率低于下一檔位的效率，那么此時(shí)車速就是最佳經(jīng)濟(jì)性換檔點(diǎn)。

由于電動汽車的行駛環(huán)境是復(fù)雜多變的，僅由符合單一路況的換檔規(guī)律不能適應(yīng)汽車各種工況下對檔位的要求，這就需要識別行駛環(huán)境的變化，用以對換檔規(guī)律進(jìn)行動態(tài)的修正，達(dá)到滿足車輛整體性能的目的。

車輛負(fù)載變化對換檔規(guī)律的影響很大：

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

式中，u_z-空載時(shí)電動汽車最高車速(m/s)，F(xiàn)_L-車輛負(fù)載(N)，F(xiàn)_t-當(dāng)前車輛驅(qū)動力(N)，F(xiàn)_fZ-零負(fù)載狀態(tài)滾動阻力(N)，F(xiàn)_wZ-零負(fù)載狀態(tài)空氣阻力(N)；

動力性換檔規(guī)律是在以F_L為零前提下相鄰兩檔加速度相等為條件計(jì)算的，當(dāng)F_L不為零時(shí)，由式(4)可知，若仍以零負(fù)載狀態(tài)下的車速作為換檔點(diǎn)，這時(shí)計(jì)算得到的加速度將不再相等，加速度差值為：

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

從式(5)可以看出，F(xiàn)_L越大，換檔后加速度的變化就越大，尤其在上坡的時(shí)候，車輛動力性能在換檔后將大幅降低。動力性升檔后，新檔位的驅(qū)動力低于原檔位的驅(qū)動力，若F_L的值剛好滿足在該檔位達(dá)到換檔車速，即換檔時(shí)加速度為零，那么在換檔后加速度將為負(fù)值，車輛驅(qū)動力不足開始減速行駛，如果坡道足夠長，減到降檔點(diǎn)降檔后，驅(qū)動力恢復(fù)，又會重復(fù)之前的過程，造成換檔循環(huán)，極大的降低了乘坐舒適性。若汽車在坡道上是以經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律行駛，換檔后加速度變成負(fù)值的概率將更大。

另一方面，針對裝載基于驅(qū)動電機(jī)主動同步的自動變速系統(tǒng)的汽車在上較大坡道時(shí)應(yīng)該避免換檔，這是因?yàn)?，此自動變速系統(tǒng)在換檔過程中會有短時(shí)間的動力中斷，若坡道阻力過大，車速會下降很快，影響換檔性能。

車輛的負(fù)載值可以根據(jù)式(6)直接求得，

F_L＝F_t-(F_fZ+F_wZ+F_jZ) (6)

式中，F(xiàn)_jZ-零負(fù)載狀態(tài)加速阻力(N)；

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，負(fù)載識別的實(shí)現(xiàn)方法根據(jù)計(jì)算參數(shù)獲取途徑的不同可以分為兩種方法，第一種是直接帶入零負(fù)載狀態(tài)下的車輛參數(shù)，則有：

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

式中，T_u-當(dāng)前車速下的電機(jī)扭矩，i_g-變速器某一檔的傳動比，m_Z-空載質(zhì)量(kg)；

其中電機(jī)扭矩可由車輛行駛時(shí)電機(jī)的扭矩反饋實(shí)時(shí)獲得，加速度需要對車速進(jìn)行差分運(yùn)算獲得，這樣，就可以計(jì)算任何車速下的車輛負(fù)載。這種方法實(shí)現(xiàn)起來很容易，但由于車輛參數(shù)與實(shí)際情況的差異，要想得到真實(shí)的負(fù)載變化，對參數(shù)的準(zhǔn)確程度要求很高。

第二種是由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定獲取計(jì)算參數(shù)。由式(7)可知，車輛負(fù)載FL只與電機(jī)扭矩、車速以及加速度的變化有關(guān)，可以將其簡化為下式的形式：

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

若使汽車在零負(fù)載狀態(tài)下維持某車速u_a勻速行駛，可以得到下式：

0＝aT_ua-b-cu_a² (9)

可以看出，此時(shí)車速u_a和對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩T_ua為定值，此式是關(guān)于系數(shù)a、b、c的三元一次方程，按此方法，獲取2組以上的方程，便可求出a、b、c的值，通過增加采樣點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)次數(shù)，可以使其接近真實(shí)值。a、b、c確定以后，同樣在零負(fù)載狀態(tài)下以某加速度加速行駛，求取參數(shù)d，選取多組采樣點(diǎn)以使其接近真實(shí)值。所有參數(shù)確定后，可在零負(fù)載狀態(tài)基礎(chǔ)上，單一增加固定載荷或選取固定坡度的道路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所識別的車輛負(fù)載與實(shí)際情況的一致性。這種方法求得的計(jì)算參數(shù)更接近真實(shí)情況，并且能夠在對車輛參數(shù)未知的情況下進(jìn)行負(fù)載識別，但對實(shí)驗(yàn)的規(guī)范要求較高，尤其是保證車輛勻速行駛的狀態(tài)很難保證。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)負(fù)載識別時(shí)，可以將兩種方法結(jié)合其來，先通過參數(shù)計(jì)算獲得初始參數(shù)，在通過實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行修正，并驗(yàn)證負(fù)載識別的準(zhǔn)確性。

步驟(4)，在合適的時(shí)機(jī)變速箱控制器TCU會根據(jù)情況提出換擋請求，換擋策略會根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判定；

步驟(5)，若可以換擋，變速箱控制器TCU采用CAN總線通信方式向電機(jī)控制器MCU發(fā)出指令，電機(jī)降低扭矩，換擋機(jī)構(gòu)掛空擋；

步驟(6)，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱轉(zhuǎn)速一致時(shí)，換擋機(jī)構(gòu)掛檔，換擋完成，電機(jī)再恢復(fù)扭矩。

根據(jù)本發(fā)明所述的新能源汽車自動變速器動力換擋控制方法，與傳統(tǒng)控制過程比較如圖6所示；通過對輸入扭矩的控制減小輸出扭矩的波動，提高換擋舒適性；從圖6可以看出換擋方法的進(jìn)步過程，圖6(c)中的輸出扭矩波動為一條直線，波動非常小，換擋的舒適性高。

以上依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案詳細(xì)描述了具體實(shí)施方式。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以提出可相互替換的多種結(jié)構(gòu)方式以及實(shí)現(xiàn)方式。因此，上文描述的具體實(shí)施方式以及附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限定或限制。