电动车新型双速不间断机械传动的设计与控制外文翻译资料

英语原文共 21 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

电动车新型双速不间断机械传动的设计与控制

概述

• 我们提出了一种允许电动汽车无缝换档的创新型2速变速器。
• 基于FLC确认的驾驶员意图在EV中得到了实现。
• 与AMT相比，传动具有更好的动态和舒适性能。
• 在控制器中实现模型预测控制和凸优化。
• 结果表明，采用FLC和最优控制的性能有所提高。

摘要

传统的纯电动车（EV）由于成本低，制造简单，采用单速变速器。然而，随着这种传动系统的采用，EV技术的发展导致驱动电机的性能要求不断提高。向EV引入多速或双速变速器可使整个动力总成的效率提升。本文介绍了一种创新的双速不间断机械传动（UMT），由行星齿轮传动系统，离心离合器和制动带组成，允许在两个齿轮之间进行无缝换档。此外，驾驶员的意图被基于模糊逻辑控制器（FLC）的控制系统识别，其主要利用了车速和加速踏板位置的信号。与具有相同传动比的AMT相比，新型UMT显示出更好的动态和舒适性能。本文介绍了驾驶员意图识别的控制策略与常规双参数换档策略的比较。详细介绍了优化换档控制算法的仿真与分析。结果表明，采用FLC和优化控制方式的UMT提高了EV的能源效率，动态性能和换挡舒适性。

关键词

电动车 AMT 不间断机械传动(UMT) 模糊逻辑控制器（FLC） 最优控制 无缝换挡

1. 介绍

随着环境污染，全球变暖和石油资源短缺问题的加剧，政府部门对汽车燃油经济性和排放量进行了更严格的监管。同时，电动车具有零排放，原油独立，能源效率高等优点，得到汽车生产商和消费者的高度重视。

回顾电动汽车的发展，其历史包含三个阶段^{[1] [2][3]}。自1834年以来，电动汽车发明，直到二十世纪初，电动汽车经历了发展的第一关键时期。正是在此期间，北美和欧洲许多公司生产和销售电动汽车，而不是内燃机车辆（ICEV）。然而，由于电池技术的局限性，EV发展缓慢，而IECV的技术和制造经历了快速发展的时期。因此，EV自20世纪30年代以来被ICEV取代。直到20世纪70年代初，当石油危机和环境问题出现时，一些国家开始寻找替代ICEV的替代品。因此，电动车以及混合动力汽车（HEV）和燃料电池车辆（FCV）重新占据了市场。

电动汽车具有比传统化石燃料汽车更先进的能源和更智能的能源管理。 然而，电动汽车需要提高整体成本效益，从而在市场上具有更强的竞争力。 电动汽车有三个主要问题需要关注，即电池性能和管理的优化，推进效率的提高和充电设施的分配^[4][5]。

根据EV动力系统优化，已经做了大量工作，其中包括关于能源管理架构和建模的研究，电动汽车先进电力系统的研究^{[6] [7]}，以及不同电动机传动系之间的比较^[8]。此外，电动汽车传动系统的研究工作正在进行中。在^{[9] [10] [11] [12] [13] [14]}目前的研究工作表明，用更适用的传动系统替代传统的单速减速器可能会显著提高电动汽车的性能。传统的手动变速器（MT）和无级变速器（CVT）已经通过在几个标准驱动循环中的EV的建模和仿真与单速减速器进行了比较。双速自动手动变速箱（AMT）通过模拟以及试验台上的实验^[14]引入到EV中^{[15] [16]}，使用位于变速箱后部的干式离合器研究了反向AMT，从而可以消除传统AMT的牵引中断^{[17]。 [18]}也实现了双速双离合变速器（DCT）。此外，通过在传统的双速MT中添加单向楔形离合器来设计双速变速箱的新结构^[19][20]。虽然在电动汽车上实施AMT可以提高能源效率，但由于机制和原理的限制，换档期间的电源中断导致不良的舒适性能，因此，平稳的换档对于EV的传动系统来说是必要和至关重要的^[21]。本文提出了一种新型的双速传动系统，利用机械结构优势，实现无缝换档。与传统MT ^[19]开发的传动系统相比 ^{[20] [21]}，本文提出的新型传动系统实现了更紧凑的结构，更容易控制。

传动控制系统的两个重要问题是换档决策和变速控制。 在换档决策方面，模糊逻辑技术已经在AT中被用于推断司机的加速意图^{[22] [23] [24]}。 在AMT中，驾驶员的意图和道路负荷均通过模糊逻辑模块使用车速、油门踏板位置及其变化率进行估计^{[25] [26] [27]}，发动机的扭矩和转速也被用于评估发动机工作状态^[28]。 除了上述参数外，还定义了相对加速器踏板位置，以帮助评估驾驶员的预期加速性能，从而使驾驶条件和驾驶员的意图相结合^{[29] [30]}。

在变速控制领域，已经对各种变速箱进行了变速控制优化的研究工作。考虑到驾驶员输入和车辆结构的不确定性^[29]，可以将Hinfin;控制和LMI（线性矩阵不等式）方法引入变速控制器，提供更好的性能^{[30] [31] [32] [33]}。 最优控制方法已经应用于车辆离合器接合^{[34] [35] [36]}，也被用于混合动力电动汽车变速控制^{[34] [37] [38]}。采用动态规划方法和最优控制方法，通过最小化AT变速过程中的性能测量，以精确的形式导出控制律^[22]。

在本文中，为了提高换档时的动态性能，确保换档点的选择更合适，降低能耗，基于模糊逻辑控制的方法和变速箱的最优控制算法识别驾驶员意图，在电动汽车变速器控制系统中得以实现。

在接下来的两节中，介绍了传动系统的机械布局和数学模型，包括两档齿轮和换档过程的状态。 在第4节中，开发了三层传动系统控制器，详细讨论了换档过程中控制方法的原理。 最后，提出的新型传动控制系统的性能通过一组仿真，结果在第5节中给出。

1. 新型传动系统的结构与工作原理

2.1传动结构

在自动变速器设计的三个关键因素，包括动态、经济和舒适性表现，三者如何达成协调成为了关键和难点。新型双速UMT的发展旨在通过在具有新结构的传动中应用改进的控制方法，实现更高的效率和更好的动态性能以及提高换档质量。在本节中，详细描述了UMT的机械结构。

UMT采用单级行星齿轮系统和不间断换档系统。传动结构与传统AT类似，但有两个显著差异。扭矩转换器通常用于传统的AT，但由于其相对较低的效率，在所提供的UMT中不采用。此外，UMT的换档系统使用电动助力，而常规AT使用液压助力。前者具有结构简单，部署容易，响应快的优点。

基于行星齿轮系统的两个自由度，可以在紧凑型结构内实现两档齿轮比。 为了确保换挡时的动力连续性，应用了不间断换档系统，既降低成本，也易于控制。 离心式离合器和制动带组成变速系统，如图1所示。与制动带配合使用，离心式离合器使新型变速器实现无缝变速和优异的换档质量，使其与电动车辆的常规单级变速器相竞争。

图1.新型双速变速器示意图

单级行星齿轮系统由太阳轮，齿圈和行星架上的一对行星齿轮组成。太阳齿轮用作输入并由驱动电机的输入转矩驱动，而行星架将输出转矩传递到差速器。离心式离合器的结构如图2（1）所示，这与传统的鼓式制动器类似，但是离合器片可以通过离合器板旋转，并且复位弹簧可以通过伺服电机进行调节。通过调节复位弹簧与离合器踏板的轴线之间的相对角度，可以改变复位弹簧的返回扭矩，从而改变离合器踏板和离合器鼓之间的接触力。当相对角度设定为零时，返回扭矩为零，离心式离合器的摩擦转矩达到最大。相反，返回扭矩较大，离合器摩擦转矩较小。换档系统的制动带通常由使用螺母副的电机控制，如图2（2）所示。

图2. 离心式离合器（1）和制动带（2）的结构示意图

2.2 工作流程

如图1所示，在第一档中，齿圈由制动带固定。 同时，离合器底盘处于离心式离合器系统内由复位弹簧提供的拉力作用下，与离合器系统的滚筒无接触，不产生摩擦力矩。 因此，由齿轮齿数确定的传动比大于1。 离心式离合器直到其离合器的转速达到规定值才开始啮合，并且在第二档中释放制动带，从而使传动装置做传动比为1的整体运动。

基于变速器输入轴和转速之间的比例称为传动比，变速器的工作过程可分为三种状态：

bull;bull;第一档，制动带接合，离合器转矩为零，传动比等于第一档位;

bull;bull;第二档，离合器接合，制动器转矩为零，传动比等于1;

bull;bull;换档

电动车分别通过升档和降档的变速过程如图3所示。

bull;bull;在图3（1）的扭矩相位中，离合器扭矩逐渐上升以开始升档，这引起制动转矩的降低。如图所示，在第一档中的正常工作过程中，离合器扭矩保持为零。当需要升档到第二档时，离合器的离心力克服了离心式离合器内的复位弹簧的影响。随着与车辆速度成比例的行星架转速的增加，离合器的扭矩产生二次增加，导致制动带的静摩擦转矩相应减小。变速器的输入和输出轴之间的传动比保持不变，齿圈的转速为零，直到制动带扭矩下降到零。

bull;bull;在图3（1）的惯性阶段开始，制动转矩达到零，因此使齿圈旋转。在离心式离合器产生的摩擦转矩的作用下，齿圈与行星架之间的转速差减小。在升档的惯性阶段结束时，行星齿轮传动系统的每个部件的转速在离合器扭矩的作用下变得均匀。

bull;bull;制动带逐渐地接合在图3（2）的扭矩相位上，从而开始降档，而离合器扭矩随着行星架转速的减小而减小。在这个阶段，称为扭矩阶段，制动带滑动摩擦转矩的增加弥补了离心式离合器静摩擦转矩的降低，传动比保持不变。

bull;bull;当离合器扭矩变为零时，图3（2）的惯性相位开始，由于制动扭矩，齿圈速度降低。当齿圈停止时，惯性阶段结束。

图3. （1）在电动机转矩恒定的情况下升档，（2）在电动机的恒定制动转矩下再生制动期间降档

3.传动系统动力学建模

为了研究新型双速UMT的动态性能，为其设计了适当的控制系统，建立了描述电动汽车整体动力系统的仿真模型。 该模拟模型包括驱动器模块，电动机，电池，变速器和车辆纵向动力学，其中考虑到了电机时间常数，电池SOC的估计以及半轴扭转动态的影响。 在本节中，指定了传动系统的型号。

传动系统由电动机，传动系统，主减速器和车辆纵向动力学组成，如图4所示。 将传动系输入和输出轴的弹性建模为弹簧阻尼系统。 此外，传动系模型的其他部件被认为是刚体，通过刚性元件相互连接。

图4.传动系统仿真模型框图

3.1 电动机

电动机被模拟为旋转的刚体，忽略了电动机的高频振动和惯性矩。电动机的扭矩可以作为加速器踏板位置和电动机转速的函数。

（1）

如图5所示，电动机的效率作为电动机转速和电动机转矩的函数,可以从测量的特性图得到。 连接电动机和变速器的轴被建模为具有弹簧系数和阻尼系数的弹簧阻尼系统。 轴弹性的方程为：

（2）

其中角度是轴的扭转角，下一节将说明。

图5.电动机特征图

3.2 传动系统

在稳态条件下，行星系统的动力学可以定义如下：

（3）

其中，和是太阳齿轮，齿圈和行星架的转速。 变速器的第一档位表示为。 是行星齿轮和太阳齿轮之间传动比的负值，是齿圈与行星齿轮之间的传动比。 传动系统的总体方程如下：

(4)

(5)

其中，，和是从太阳齿轮惯量，载体惯量，齿圈惯量，单行星齿轮惯量和质量计算的惯性速度的简写，如下所示。 是太阳齿轮和行星齿轮的中心之间的距离。 n是小齿轮的数量

(6)

(7)

(8)

(9)

离合器扭矩是离合器速度的函数，其与载体速度，以及复位弹簧和离合器的相对角度有关，可以写为

(10)

其中是每个离合器瓦的质量，和是用于计算离合器的离心力和力矩的等效半径和力臂，和是复位弹簧的力和长度，是库仑摩擦系数 。 假设制动转矩与电力施加力成线性比例[40]。 因此制动转矩可以写为

(11)

其中比例系数，是带制动鼓半径，是库仑摩擦系数，是带制动器包角。

3.2.1 一档

当制动器完全接合时，传动系统处于第一档位，这意味着齿圈的转速为零，离合器转矩为零，变速器的传动比等于。 因此，第一档中行星架加速度的方程式为

(12)

从方程式可以看出，在某些负载条件下，行星架加速度可以完全由车辆电机转矩决定。 需要满足的制动器的最小静摩擦转矩要求如下：

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[137001]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word