第 1 章 绪论
1.1研究背景与意义
随着汽车工业发展速度的提升，在给人们生活带来便利的同时，也给环境和能源带来了危机。因此，在解决生存环境与能源双重危机的呼声愈发高涨下，发展低排放(或零排放)、低噪声、使用可再生能源的新一代汽车已是大势所趋。纯电动汽车动力来自车载电源，完全靠电机提供驱动力行驶，具备结构简单可靠、噪声小和零排放的优点，是一种环保的绿色汽车，对解决日益严重的环境恶化问题有积极作用。它所使用的电能属二次能源，其来源广泛，风能、太阳能、水能等可再生能源都可以转换为电能供车辆行驶，可缓解人们对石油资源日益枯竭的担心[1]。因此包括纯电动汽车在内的新能源汽车技术开发已成为国家中长期科技的发展战略[2]。与传统内燃机汽车类似，为使车辆具备在各种道路工况行驶的能力，纯电动汽车也需要有适应自身动力源的动力传动系统。内燃机汽车的动力传动系统使用驱动特性转换装置[6](变速器)，对内燃机驱动特性(如降低转速、增加转矩等)加以转换，以适应车辆行驶的需要。对纯电动汽车而言，其动力源为驱动电机，具有可以在有负载情况下由零转速启动；电机调速范围较宽；驱动转矩较大等动力特性，理论上可以省略变速器直接驱动车辆。但实际中，电机直接驱动车辆仍存在诸多问题，首先，制造低转速大转矩的驱动电机工艺复杂，成本很高，给车辆降低成本带来困难；其次，直接驱动车轮，电机启动电流很大，不利于动力电池的维护；最后，由于没有变速器，驱动电机工作点不能保证总处于高效率区内，车辆行驶经济性不好，尤其是在目前动力电池能量密度仍然较低的技术现状下，行驶经济性就显得尤为突出[8]。
综合以上分析，说明研究纯电动汽车的动力传动系统具有现实意义。双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission, DCT)由传统手动变速器发展而来，兼具传动效率高和换档平顺性好的优点，是一种新型变速器。同时，它还具备换档过程动力不中断的特点，据 Porsche 公司的试验数据，使用 DCT 的车辆百公里加速时间较安装同款手动变速器(Manual Transmission, MT)的车辆要少 0.8s[9]，具有良好的换档动力性。DCT 应用前景广阔，继承性好，是目前业内较为看好的一类自动变速器。鉴于 DCT 传动效率高、换档品质好的优点，本文尝试将双离合器自动变速器应用到纯电动汽车上，并以此对基于 DCT 的纯电动汽车传动系统协调控制技术展开研究，借此希望为双离合器自动变速器在纯电动汽车平台的研发工作起到抛砖引玉的作用。
1.2纯电动汽车传动系统的研究现状
目前国内外研究人员对纯电动汽车传动系统研究较少，而企业、学者的注意力主要集中在混合动力电动汽车传动系统的动力耦合上。出现此现象的原因，笔者分析主要是由以下两个方面原因造成的：其一，混合动力汽车由多动力源驱动，驱动力需要各动力源经过汇总和功率的合理分配后(即动力耦合)才可以得到输出，不能出现相互干涉的情况，技术复杂，需要投入大量精力进行研究，而纯电动汽车由于动力只有驱动电机，动力来源相对简单，许多学者认为传动系统沿用传统汽车的即可，无需再进行独立研究；其二，混合动力汽车产业化条件已经日趋成熟，日本著名的普锐斯混合动力汽车的巨大成功极大的鼓舞了各汽车厂商，竞相推出了自己的混合动力汽车车型，而纯电动汽车技术瓶颈较多，如续驶里程短、价格高、充电时间长等，很难在短时间内得到解决，因此各厂商为迅速占领目前市场，对混合动力汽车研究的投入力度要大于纯电动汽车。
事实上，纯电动汽车传动系统有其自身特点，首先，驱动电机的驱动场与内燃机不同，电机驱动场在低转速时恒转矩输出，高转速时是恒功率输出，高转速时转矩会出现下降，而内燃机转矩接近常值，高转速时转矩下降少，但低转速时，功率会急剧下降。这说明，若将传统内燃机汽车传动系统直接移植到纯电动汽车，会出现“排异反应”，尤其是不合适的速比和换档策略，会极大的影响车辆行驶性能；其二，纯电动汽车虽然目前技术尚不成熟，但由于其自身对环境友好，能量来源广泛，驱动效率高等优点，是未来汽车发展的大势所趋，混合动力汽车只是为人类提供了未来汽车的过渡方案与解决纯电动汽车技术瓶颈的时间。尽管如此，国内外研究者对纯电动汽车动力传动系统的研究仍取得了一定成果。德国 Darmstadt 科技大学的 B. Eberleh和 Th. Hartkopf研究装备感应电机与两速自动变速器的传动系统，进行仿真和台架试验，并与固定速比传动系统加以对比，结果表明两速自动变速器的纯电动车辆具有潜在的优势，为未来电动车辆提供了一种可能的驱动方式[10]。荷兰 Eindhoven 科技大学的 T. Hofman 和 C.H. Dai[11]使用向后仿真方法对装备固定速比、CVT 变速器的纯电动车辆的电能利用效率加以对比，提出提高能量利用率的换档策略。
第 2 章 基于两档 DCT 的纯电动汽车传动系统的参数选择
电动汽车行驶性能的优劣很大程度上取决于车辆的传动系统。电动汽车的传动系统主要由驱动电机、变速器两大总成构成。由于电动汽车的动力来自动力电池，动力电池技术参数的变化会影响到其他总成参数的选择。因此，电动汽车传动系统参数选择是包含对动力电池、驱动电机和变速器三个总成参数的综合设计匹配。本章在满足电动汽车国家标准基础上，分析电动汽车传动系统参数特性，根据车辆的设计目标对动力电池容量、驱动电机功率和变速器速比进行匹配设计，并对匹配结果进行仿真计算和实车验证。
2.1 电动汽车行驶性能要求及基本参数
虽然目前已出现直接驱动车轮的低速轮毂电机，但需要相当复杂和稳定的电子控制系统来保证车辆行驶稳定性，尚处于实验室阶段。而传统驱动电机技术成熟，与变速器、差速器为机械连接，可靠性好，更容易在传统车型基础上进行研发，但传统驱动电机通常转速较高而转矩较低，因此不装备变速器的电动车辆很难满足车辆全部行驶需求。鉴于上述因素，下文将针对电动汽车变速器展开讨论。变速器档位越多，驱动电机工作在高效率区的机会越大[25]，但会造成变速器结构复杂和重量、成本的增加。由于驱动电机的转速范围较宽，而低转速时亦可以输出较大转矩，因此电动汽车变速器配置两个或三个档位就可以基本满足车辆的行驶需求。
第3章 两档 DCT 纯电动汽车传动控制........... 49-89
3.1 纯电动汽车传动控制系统的组.......... 49-50
3.2 两档 DCT 的控制系统.......... 50-85
3.2.1 干式双离合器转矩传递模型.......... 50-61
3.2.2 两档 DCT 液压换档机构.......... 61-78
3.2.3 DCT 控制系统的硬件组成.......... 78-82
3.2.4 DCT 的液压换档机构控制试验.......... 82-85
3.3 电动汽车驱动电机的控制系统.......... 85-87
3.3.1 电机驱动器及接口定义.......... 85-86
3.3.2 电机 CAN 通信控制器.......... 86-87
3.4 本章小结.......... 87-89
第4章 纯电动汽车传动系统协调控制.......... 89-105
4.1 纯电动汽车的 DCT 基本换档规律.......... 89-96
4.1.1 动力性换档规律的制定 .......... 90-93
4.1.2 经济性换档规律的制定 .......... 93-94
4.1.3 综合性换档规律的制定 .......... 94-96
4.2 纯电动汽车传动系统协调控制.......... 96-101
4.3 制动能量回收模式中换档规律的制定.......... 101-102
4.4 综合性换档规律与协调控制.......... 102-104
4.5 本章小结 .......... 104-105
第5章 基于 DCT 的纯电动汽车传动系统.......... 105-143
5.1 换档品质评价指标 .......... 105-108
5.2 DCT 换档过程动力学模型.......... 108-116
5.3 基于粒子群优化算法的传动系统换档.......... 116-134
结论
本文在国内外对电动汽车及双离合变速器研究现状基础上，针对装备双离合器变速器的纯电动汽车，深入研究其传动系统协调控制关键技术，提出了纯电动汽车传动系统协调控制 DCT 换档规律以及传动系统换档过程协调控制策略，并通过实车试验验证了研究结果的有效性。通过本文的研究，为搭载双离合器变速器的电动汽车提升行驶经济性、改善换档品质提供了可以借鉴的方法。本文的主要研究内容与结论如下：
(1) 对电动汽车传动系统主要部件的关键参数进行选择，并通过仿真和试验对匹配方案进行检验，确定了两档 DCT 纯电动汽车传动系统的参数，为全文研究建立研究对象平台。根据本研究中确立的纯电动汽车性能要求及设计目标，对动力传动系统中的动力电池、驱动电机和变速器的各项关键参数进行了多方面的比较和分析，确定了两档双离合器变速器纯电动汽车传动系统的各项参数；建立了包含车辆动力学模型、变速器档位决策模块、动力电池模型、驾驶员模型等在内的整车仿真模型，并进行 ECE、ECE_EUDC 循环工况和等速工况仿真测试，结果表明按照本研究匹配参数装备的车辆在对目标车速的跟随性、加速性和续驶里程方面均可满足国家标准和设计目标要求；实施实车试验，验证车辆的行驶经济性、爬坡性和加速性均可满足国家标准和设计目标要求。
(2) 对两档 DCT 纯电动汽车的传动控制系统展开研究，建立能够对协调控制策略指令做出准确、快速响应的 DCT 和电机控制系统。建立传动控制系统的架构，分析各组成部分的功能和相互间的关系，重点对传动控制系统的两个重要组成部分——DCT 控制系统和电机控制系统展开详细研究。在 DCT 控制系统研究中，通过构建干式双离合器转矩传递的数学模型，建立离合器转矩传递与离合器分离轴承位移之间的关系；使用神经网络预测控制(NNPC)方法，结合比例流量阀模型，对离合器液压换档机构的分离轴承进行预测控制，使分离轴承位移能够跟随目标位移，实现离合器传递转矩对传动系统主控逻辑发出的目标转矩的跟随。在电机控制系统中，设计电机 CAN 通信控制器，使电机能够响应传动控制系统的主控制逻辑指令。通过上述研究，为电动汽车传动系统协调控制奠定了控制基础。
(3) 对纯电动汽车传动系统协调控制的两档 DCT 换档规律进行研究，制定出能够既满足车辆动力性需求、又提高车辆经济性的换档规律。在传统汽车换档规律基础上提出电动汽车的三种基本换档规律的制定方法，即动力性换档规律、经济性换档规律以及综合性换档规律。针对综合性换档规律不能完全兼顾动力性与经济性的问题，本文尝试引入传动系统协调控制的 DCT换档规律。在该换档规律下，加速踏板开度信号不再直接控制电机动力输出，而是解析为车辆的需求驱动转矩，将需求驱动转矩作为换档规律的输入，在满足当前驱动转矩的前提下，提高车辆行驶经济性。通过对综合性换档规律与传动系统协调控制的 DCT 换档规律进行 ECE 循环工况仿真对比分析，发现后者比前者的驱动效率高 8.4%，表明车辆行驶经济性得到改善。
(4) 对基于 DCT 的纯电动汽车传动系统换档过程协调控制策略进行研究，利用粒子群优化算法确定 DCT 换档过程中驱动电机与离合器的目标转矩。在分析传统换档品质评价指标基础上，建立以冲击度和滑摩功的加权和形式、以电机和两离合器的动力性参数作为输入变量的综合性换档品质评价指标，并结合对升、降档过程的动力学分析，建立各换档工况下两离合器及电机动力参数变量间关系的动力学模型。在此基础上，提出基于粒子群优化算法的传动系统换档过程协调控制策略：通过傅里叶级数分解法进行轨线优化问题的等价转换，并使用惩罚函数进行约束条件的处理，应用粒子群优化算法计算传动系统换档过程中的电机输出转矩与两离合器传递转矩的最优轨线，实现最佳综合换档品质。
(5) 对基于 DCT 的纯电动汽车传动系统换档过程协调控制策略实施实车试验验证，进行正转矩升、降档试验，并与传统换档策略进行比较。试验结果表明，本文提出的传动系统协调控制换档策略下的换档冲击小，舒适性较好，换档时间较短，滑摩功亦处于可以接受的范围，换档品质得到改善，为纯电动汽车双离合器换档控制提供了一种可供借鉴的方法。
参考文献
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[10] B. Eberleh, Th. Hartkopf. A high speed induction http://sblunwen.com/qczzlw/ machine with two speedtransmission as drive for electric vehicles [C]. International Symposium onPower Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2006.