摘要：通过ADVISOR软件环境下建立了电机控制、换挡控制等模型，针对提升新能源汽车电驱系统的动力性能和工作效率，结合驱动电机精准调速调矩的控制特性，从电机和变速箱综合控制环节提出基于输出扭矩动力总成传动系统的观点，并进行仿真和实验加以验证。

1引言

    电动汽车用电机的控制在平直路面基本可以满足车辆的运行要求。某些特殊工况难以应付，如：车辆下坡电机负载很小接近于零，再施加加速信号可能带来安全隐患，须使转速在一个较宽工作领域连续可调；瞬间启动需要较大的转矩，易使永磁电机退磁，可通过变速机构通过增大转速比提高输出转矩。文中是将变速箱作为输出扭矩和电机转速的综合协调部件，整个动力系统包括：电机控制系统、变速箱控制系统、整车控制系统和一些功能子模块。

2系统设计方案和模型建立

    动力总成传动系统在永磁同步电机矢量调速系统基础上加装机械式自动变速器（AMT），通过一整套电控执行单元优化提升车辆动力性能，如图1所示。电控单元（TCU）作为整个变速箱控制核心，纯电动汽车的选换挡机构中取消了离合控制，控制单元需要采集加速、制动踏板信号，并和换挡单元、电机控制模块进行通信，同时还集成整车控制器（EVCU）的功能。

    通过ADVISOR软件进行电动汽车模型仿真，如图2所示。由电机直驱方式加入变速器模型构成新型总成仿真模型，并进行仿真研究。

    电动汽车仿真模型中动力总成模型进行调整之后，变速箱的选换挡电机的端电压作为输入量，把电机的转动速度作为输出量，进行推导并建立选换挡传递函数：图3所示为两档变速箱仿真模型。

    变速换挡时，驱动电机的电流环工作状态，通过速度、转矩两参数调节的方法来完成换挡控制。传统的扭矩控制理论主要有以下两种：（1）直接把扭矩降到零；（2）降扭过程有曲线过渡平滑的降到零。本文采用的降扭控制策略，换挡之前计算需求扭矩，再结合降扭曲线到达预定值，如图4所示。

    需求扭矩Te取决于加速踏板Acc、制动踏板信号Bra、档位信号Ks、车速Vcar、驱动电机转速Vmotor、电池组电压水平U、电流大小I、电池负荷Qs等参量。

    扭矩函数式可以拆解成驾驶期望速度函数式Vexp和需求扭矩函数式Teneed：

    驱动电机控制采用的是内嵌式永磁电机电流、速度闭环矢量控制。矢量控制的实质就是建立的旋转磁场和定子的磁场要相同步，其两者相位角关系满足：定子磁场滞后旋转磁场π/2。从驱动电机的传感器获得信号反馈，计算PWM信号占空比，最终实现控制算法。永磁电机的有感调速方法基础上提出变频调速的方法提高驱动电机输出转矩。假令控制周期时间为2T，对应的波形函数f（x），进行傅里叶展开研究其电流的谐波，为了简化计算令f（x）是偶函数。

    上式中

    f（x）是偶函数

    上式中，dpwm为直流分量且和占空比线性相关这也是产生电机扭矩的主要的电压部分。其余谐波正弦分布，fsw为PWM的频率，谐波的频率满足fsw的整数倍，谐波频率随基频变化。电机属于感性负载，电感电流特性为：通直阻交、通低频阻高频。越高次谐波频率较高，电感效应明显。电机控制过程PWM频率适当降低从而降低谐波频率，系统谐波分量变大，电机输出扭矩平均值增大。利用谐波扭矩的控制策略特别适合在电机低速时增大输出转矩，提升电动汽车动力总成系统的动力性能。

3系统仿真结果分析

    如图5所示，两档变速箱变比3:1，在选换挡电机模型中，部分参数取值情况如下:电枢电感L=0.8mH；电枢电阻R=0.5Ω；转矩常数Kt=0.05N·m/A；转动惯量J=0.2g·m2；反电势常数Ke=0.05v·s/rad。设定电机额定转速为700r/min，驱动电机输出转矩峰值为25N·m，会分别对选档信号、换挡信号、输出转速、电机转矩进行跟踪。结合传递函数可知：

    图6所示分别反映的是选档电机、换挡电机的工作情况，在纵坐标数值2.5处虚线表示，丝杆运动的归中点，实线表示直流电机目标位置，虚线表示选换挡电机动作的实际位置，开始阶段换挡机构处在空挡位置，0.25S处入一档，完成进档后驱动电机转速和转矩提升，达到换挡点时，一档进入二挡。换挡过程驱动电机转矩降到需求转矩，换挡成功后，再次提升转矩和转速，动力总成的输出转速达到要求值，此时电机稳定运行。

    对电机矢量控制系统的仿真结果进行分析，从得到的转速与转矩波形，如图7所示，可以大致看出电机控制系统的转矩脉动不大，响应速度快，非常灵敏而且波动很小，整个系统能够稳定地运行。

4台架实验和数据分析

     实验台架主要结构见图8。整个实验台架耗能较低，可以按照设定的程序进行加载动作，记录变速器的输入转速、转矩，输出转速、转矩，效率曲线等。①大功率散热鼓风机；②高效内嵌式永磁同步电机；③集成选换挡机构的国产法士特变速箱；④传动轴；⑤扭矩、转速传感器集成箱为验证传动系统电机调速和基于扭矩的换挡控制策略，实验台架主要工作：选换挡测试、通信测试、效率测试，监控动力总成系统从起步到稳定速度匀速运行过程，变速箱控制器和电机控制器之间通过CAN通信协同工作，并且并生成相应的数表。

    测试系统主要参数：变速器总成输入扭矩范围0-200Nm；扭矩测量精度±0.05%FS、输出信号频率60±30KHz、变速器输入转速范围0-6500rpm、转速传感器精度±1rpm、变速比参考变速箱铭牌（1档3.816、2档2.15）、驱动电机（额定功率16KW、最大转矩180Nm、额定转速1800rpm、最高转速6000rpm）。电机额定转速为1800rpm，变速箱的变速比为1档3.816、2档2.15，进行输出转速换算可知一档时电机达到额定转速时输出转速大概在470rpm，二挡时电机达到额定转速时输出转速约为837rpm。将目标转速设定为1000rpm，在动力总成的提速踏板开度方式恒定，达到目标转速前，对应不同的车速，分别对一档、二挡、加入换挡控制三种情况绘制效率曲线。

    如图9所示，连续的自动换挡工作曲线表明系统能够正常工作，单独某一挡位下的效率曲线在超出合理转速工作区后明显下降，采用本文控制策略的系统效率比单一某挡位工作的效率要高，而且高效率工作区明显较大。

5结语

    本研究完成了对基于扭矩的纯电动汽车动力总成传动系统仿真和台架实验。永磁同步电机在矢量闭环控制算法下，对电机转速、转矩、三相电流进行跟踪，又利用ADVISOR软件把汽车模型进行调整分析；根据台架实验数据得出动力总成效率曲线，验证了动力总成系统控制方案对于动能传递，能量管理，增加续航里程有重要意义。