某款电驱桥新能源电动车换挡问题分析及优化

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【摘要】本文以某款电驱桥新能源电动车为对象，介绍其换挡机械结构，提炼出与传统燃油车换挡过程的不同，总结换挡流程，开发换挡控制策略模型，基于台架、实车测试数据，列举分析换挡过程中的换挡问题，通过对数据进行详细分析，指出换挡问题产生的原因，为新能源电动车的换挡问题提出优化建议，可以很好地缩短换挡动力中断时间、减轻换挡顿挫问题，提高换挡品质。

【关键词】新能源；电驱桥；换挡问题分析

随着新能源电动车的发展，动力系统也变得多种多样，如电机加减速机构、电机加变速箱、电驱桥等动力系统，多数动力系统都面临着电机与变速机构的换挡问题。本文针对某款电驱桥新能源电动车，对其换挡结构和执行机构进行介绍，并对换挡流程进行总结，同时进行换挡控制策略模型的搭建，利用开发完成的控制策略进行台架和实车测试，基于实测的数据，对换挡过程中的问题进行汇总分析，并提出优化措施。

1 换挡结构及换挡流程介绍

本文所研究的为某款电驱桥总成，见图 1。该款电驱桥搭载高速电机，将电机 + 变速机构 + 驱动桥实现集成一体化，其内部可以通过变速机构实现挡位的切换，可以更好地调节电机运行点，更好地发挥电机的特性，提升电驱桥总成的经济性和动力性。该电驱桥内部的变速机构是没有同步器的，其结构是采用滑套加电机调速 [1] 的方式进行换挡，换挡结构如图 2所示。

基于该电驱桥总成的特点和内部的结构原理，其与传统燃油车的换挡存在一些不同。一，新能源电动车的动力源为驱动电机，传统燃油车的动力源是发动机，动力源不同、特性也不同。二，该款电驱桥内部带有换挡机构，但没有离合器；而传统燃油车的发动机与变速机构之间一般存在离合器、液力变矩器等部件。三，该款电驱桥内部的变速机构不存在同步器，同步过程是利用驱动电机的快速响应特性来实现换挡前后转速的同步 [2-4]；而传统燃油车的变速机构大部分都是存在同步器的。

该款电驱桥新能源电动车与传统燃油车相比，由于存在上述的不同，其换挡流程必然也不完全相同，特将其换挡流程 [5] 进行总结，如下图所示。

2 换挡控制策略模型的建立

基于换挡流程，针对该电驱桥的电机特性和内部机械传动结构，利用Simulink[6] 开发换挡控制策略，并建立模型。

整个换挡控制策略模型主要包括自动变速控制模块、执行机构控制模块、换挡控制模块、整车状态检测模块、电机特性标定模块和电机输出控制模块等几大部分。

自动变速控制模块，主要是进行推荐挡位的处理，给出合适的挡位，为挡位的自动切换提供清晰的目标。执行机构控制模块，主要负责进挡和摘挡的换挡动作控制，实现挡位的保持和分离。换挡控制模块，主要判断是否可以进行换挡、什么时候进行换挡，并负责检测挡位位置信号，判断当前实时挡位，同时在换挡前后干预整车扭矩。整车状态检测模块主要是识别整车状态，为换挡控制提供可靠的整车数据支持。电机特性标定模块是基于电机特性对电机进行标定控制。电机输出控制模块是负责电机的输出扭矩、输出转速以及电机工作模式的控制，综合各方的决策，裁定最终的电机输出指令。

通过该模型的搭建，可以实现对整套电驱桥总成的换挡控制，保证电驱桥总成的换挡功能正常，确保车辆可以更加平稳可靠地进行挡位切换及运行。

3 换挡问题分析及优化

通过对电驱桥总成的结构分析、换挡流程的总结以及控制模型的建立，可以顺利实现换挡的基本控制，但要保证车辆非常平稳地进行换挡，还需要进行深入分析与优化。本部分基于台架测试和实车测试过程中遇到的问题，通过实测数据的详细分析和比对，提出优化措施和解决方案，为提升换挡品质提供一定的指导。

3.1 换挡扭矩控制

根据前文总结的换挡流程，对其细化分析可以发现，在换挡过程中必然存在扭矩变化。在扭矩变化过程中，如果对驱动电机的扭矩控制处理不到位，必然会引起换挡顿挫。

图 4 中上半部分为一挡换二挡的过程，在换挡前的第 4 秒，整车控制器控制电机进行降扭，此时若像图 4 中电机扭矩变化曲线所示，其扭矩从 200 Nm瞬间降为 0，由于车辆前一刻还存在200Nm 的扭矩输出，下一刻驱动电机扭矩瞬间降为 0，会给车辆造成瞬间的动力中断。通过图 4 上半部分中输出轴转速、车速、电机转速的变化曲线可以看出，它们都发生了不同程度的波动，车辆实际产生了一定的顿挫。即在换挡过程中如果扭矩处理不当、降扭过快，会引起输出轴转速、车速和电机转速的波动，引起车辆的震动，造成车辆的换挡顿挫。

如果在换挡时控制电机扭矩缓慢下降，如图 4 中下半部分第 93 秒所示，电机扭矩以一定斜率缓慢降低，通过输出轴转速、车速、电机转速的变化可以发现，此种情况下输出轴转速、车速、电机转速几乎没有波动，就可以大幅度降低车辆的换挡顿挫感。

3.2 摘挡与进挡控制

在进行降扭过程中，何时进行摘挡也会对换挡的效果产生很大的影响。在驱动电机仍有较大扭矩的时进行摘挡，声音会较大，还会引起后端车速、输出轴转速的变动；如果在电机扭矩较小时再进行摘挡，摘挡会比较平顺，车速和电机转速都不会有太大波动，车辆几乎没有顿挫感。图 5 中橙色标记处为二挡换一挡的摘挡过程，可以看到当电机扭矩很小、几乎为 0 时，进行摘挡回空，此时车速和电机转速都很平稳、几乎保持不变，没有产生波动，车辆没有任何顿挫的感觉。

同理，在进挡过程中也要考虑电机的扭矩，图 5 中浅蓝标记处为二挡换一挡的进挡过程。在进入一挡的瞬间，电机存在 50Nm 左右的扭矩，通过车速和电机转速变化曲线可以发现，这种电机带扭进挡势必会引起车速和电机转速的波动，引起车辆的进挡顿挫等不舒适感，因此在进挡时也要避免电机带扭矩进挡，以消除进挡完成后车辆的顿挫问题。

3.3 同步窗口控制

在换挡过程中，如果同步窗口太小，可能会发生顶齿问题，导致进挡困难、有异响，造成进挡不顺畅，引起换挡问题。图 6 中蓝色标记位置可看到，在进挡时电机转速的同步窗口太小，换挡执行机构执行进挡动作（阀 1 的命令数值为 1）后，通过蓝色标记的挡位位置信号可看到，挡位位置从空挡变化一段距离后，一直保持不变，挡位一直挂不到位，此时产生了顶齿问题，延长了换挡时间，同时可能引起换挡机构的磨损和异响。此时可利用第二次的电机调速，然后再进重新挂挡，图中黄色标记处的挡位位置可看到，其位置由 35 左右变化到了 45，顺利变为二挡、完成换挡。同时，如果同步窗口太大，也会造成进挡瞬间当前的转速与实际车速不匹配，引起车速抖动，导致顿挫。针对此问题，需要在台架和实车上进行多轮的标定测试，寻找最优的换挡转速差，避免速差太小或太大，从而实现平顺进挡。

3.4 调速控制

在进行换挡调速过程时，应保证在空挡，若不在空挡就调速，会引起车辆调速失败、非意愿降速和升速等问题，同时也会造成换挡异响、换挡机构的磨损等问题，加剧换挡顿挫。如图 7 所示，从一挡回空过程中，挡位位置信号从 18 变到 33 左右、又回到 25 左右，即挡位信号刚回空、然后又退回去，发生了回空不彻底的问题。此时若控制电机调速，就会产生下图 7 所示情况：驱动电机输出一个很大的负值扭矩（图中在 -200Nm ～ -300Nm）进行调速，然而由于挡位回空不彻底，电机即使输出了很大扭矩，也不能调速到目标转速值，同时导致车辆发生了非意愿的降速，产生了严重的换挡失败问题。在实际台架和车辆测试阶段，一定要杜绝为缩短换挡时间，忽略摘挡不彻底引起的换挡问题。