1、简述
近年来，减少二氧化碳排放和提高燃料经济性的需求使得电动汽车更受欢迎。据预测，今后加强燃油经济性规定，电动汽车将进一步普及，但在续航里程、行驶性能等方面还存在问题。双速变速器是提高电动汽车续航里程和行驶性能的措施之一。特别是为了提高巡航里程和降低换挡冲击，提出了一种利用磁致伸缩力矩传感器对离合器和电机进行反馈控制的换挡控制方法。本文通过使用磁致伸缩扭矩传感器实现反馈控制，并在台架测试中演示了无缝换挡，展示了磁致伸缩扭矩传感器在大速比阶差双速传动系统中的实用性。
图1双速传动系统性能优劣对比示意图
2、无缝切换的概念
2.1电动汽车换挡的必要性
目前，许多电动汽车通过固定减速比的减速器来实现扭矩的输出，但在驱动力和最高车速方面往往不如同级别的ICE汽车。因此，在减速器上增加双速换挡功能，既可以获得较大的驱动力，又可以最大限度地提高车速，如图1所示。此外，通过增加换挡机构，实现扩大高效范围的功能，可以提高车辆的续航里程，如图2所示。
图2双速变速系统（续航里程提升）示意图
2.2提高续航里程，降低换挡冲击
提高续航里程需要机构中增加大速比和小速比之间的速比阶差。当速比较小时，由于电机的高效点重叠，无法有效增加高效面积。因此，续航里程的提升很小。图3所示，续航里程与WLTC模式下的速比阶差变化关系，这是简单地从运行阻力计算得出。将速比阶差设置为2.5左右，可以最大限度地提高续航里程。另一方面，增加速比阶差会引起换挡冲击问题。图3提高巡航距离的双速变速器最优速比阶差对比示意图
2.3无缝切换的定义
无缝换挡是指换挡过程中输出轴扭矩不发生变化。本节介绍实现无缝切换的理想控制。图4显示了由一组行星齿轮、一个湿式多片离合器和一个单向离合器组成的系统在大速比和小速比下的扭矩流动。在大速比模式下，单向离合器起刹车作用，在大速比模式下，湿式多片离合器啮合。图4低/小速比两种模式下双速变速器转矩流图
理想的无缝上移系统如图5所示。时间轴表示输入/输出转速、扭矩和离合器扭矩容量的变化。在上移时，模式按低模式、扭矩阶段、惯性阶段和高模式的顺序进行移位。假设车辆惯量较大，输出转速几乎不变。在惯性阶段，降低电机转矩以加快模式转换。式(1)表示转矩阶段的输出转矩。在转矩阶段，离合器转矩容量和电机转矩决定输出转矩。随着离合器扭矩容量的增加，扭矩流从大速比切换到小速比。尽管减速比随着转矩流转移到小速比模式而下降，但电机转矩增加以防止输出转矩下降。
图5理想的无缝换挡控制示意图
式(2)表示惯性阶段的输出转矩。
由于输出扭矩几乎等于离合器在惯性阶段的扭矩容量，当离合器扭矩容量保持恒定时，输出扭矩也保持恒定。因此，如果能够准确估计离合器在转矩阶段和惯性阶段的转矩能力，就有可能实现无缝换挡。
2.4离合器扭矩容量误差因素
离合器扭矩容量计算，如式(3)所示。
离合器扭矩容量与摩擦系数和离合器力成正比。另一方面，摩擦系数随速度、温度、老化等因素的变化，如图6所示。因此，在换挡过程中，通过估算正确的离合器扭矩容量来控制电机和离合器，但却很难保持恒定的输出扭矩。图6离合器的摩擦系数波动示意图
3、通过扭矩反馈控制实现无缝换挡
3.1系统的配置
本文证明了转矩反馈控制可以在不受离合器转矩容量估计误差影响的情况下实现无缝换挡。图7显示了建议的系统配置。在输出轴上装有磁致伸缩扭矩传感器，在监测输出扭矩的同时，实现对离合器力和电机扭矩的反馈控制。
图7带扭矩传感器的无缝换挡双速变速器系统配置
图8显示了磁致伸缩扭矩传感器的结构。磁致伸缩扭矩传感器测量轴不需要任何特殊材料或加工。此外，它很薄，与轴无接触，这提高了数据传输的准确性。它安装在轴承的外圈在我们的设置。当轴被扭曲时，由于磁致伸缩的逆效应，磁导率发生变化。这种现象被检测为线圈电感的变化，电感的变化被转换为转矩。图8磁致伸缩扭矩传感器结构示意图
3.2、转矩反馈控制
3.2.1扭矩阶段
图9(a)显示了无转矩反馈控制时转矩相位的移位。在这种情况下，根据估算的离合器转矩能力控制电机转矩，实现无缝换挡。然而,如上所述，估算离合器扭矩准确的容量是困难的。例如，如图9(a)所示，由于摩擦系数的估计误差，离合器扭矩容量增大，输出扭矩减小。图9力矩阶段反馈控制示意图
3.2.2惯性阶段
图10(a)显示了惯性阶段无转矩反馈的换挡控制。在惯性阶段，离合器扭矩容量几乎等于输出扭矩。因此，通过保持离合器扭矩容量不变，可以保持输出扭矩不变。然而，由于离合器处于扭矩阶段，因此很难准确地估算离合器的扭矩容量。如果摩擦系数存在误差，则输出转矩不能如图所示保持恒定。图10(b)显示了带转矩反馈控制的换挡。即使输出转矩下降，由于通过对摩擦系数的估算误差，通过反馈控制提高离合器力来保持输出转矩不变，同时对输出转矩进行监测。因此，反馈控制电机转矩在转矩阶段和离合器力在惯性阶段相位实现无缝切换，对离合器扭矩能力的估计误差具有鲁棒性。采用扭矩传感器的反馈可以有效地补偿换挡过程中摩擦系数的波动。换句话说，我们的扭矩传感器可以通过电机和离合器的反馈控制实现无缝换挡。图10惯性阶段反馈控制示意图
4、磁致伸缩扭矩传感器无缝换挡测试
4.1测试设备
本节演示使用测试设备上的磁致伸缩扭矩传感器，通过反馈控制实现无缝切换。如图7所示的系统安装在测试台上；如图11所示。通过电机的转速控制，模拟了车辆在换挡过程中由于车辆惯性大而几乎没有速度变化的情况。
图12显示了双速传输测试设备的配置，具有大速比模式和小速比模式，速比阶差设置为2.（如表1所示）。离合器采用液压控制的湿式多片离合器，反向制动采用单向离合器。
表1所示为行星齿轮的齿轮数据。输出轴装有磁致伸缩扭矩传感器。该装置还有两个扭矩计用于输入扭矩的测量和对所开发扭矩的验证传感器。
图11无缝换挡实验验证系统配置
图12双速传动系统测试设备示意图
4.2实现无缝换挡控制
在某一特定模式下进行的挡位测试会改变离合器控制压力。试验表明，根据换挡模式，通过反馈控制转矩阶段的驱动电机转矩和惯性阶段的离合器力(即离合器控制压力)，可以保持输出转矩不变。图13(a)显示了扭矩阶段的框图。Tout、Tmot、Fcl、Fel和μa分别表示目标输出扭矩、电机扭矩命令值、离合器控制压力命令值、测量的离合器控制压力值和摩擦系数的标称值。输出转矩是否由前馈控制器和反馈控制控制器。图13(b)为惯性阶段的框图。在高阶模态下，将Tmot降低到目标转矩下，加快了模态转换。V为输入转速(太阳齿轮转速)和输出转速(载流子转速)的相对转速的测量值。考虑摩擦片的u-V特性，对扭矩传感器得到的输出扭矩进行反馈控制，以补偿离合器前馈控制器的误差。减速比的变化决定了从扭矩阶段到惯性阶段的转变。表1齿轮规格图13无缝换挡反馈控制系统
4.3换挡试验结果
图14显示了换挡测试的结果。横轴显示了图14(a)(d)中的时间轴。纵轴以百分比表示转速、扭矩、离合器控制压力和摩擦系数变化率。摩擦系数变化率由式(1)、(2)求得Te与实测的输入/输出扭矩计算得到。扭矩阶段末期的摩擦系数定义为%。从离合器啮合稳定在扭矩阶段开始，使用1毫秒采样周期中10个点的移动平均值计算摩擦系数。模式的切换顺序为:大速比(A之前)、转矩阶段(A~B之间)、惯性阶段(B~C之间)、小速比(C之后)。在大速比下，刹车(单向离合器)正在工作。因此，减减比为2.。离合器的液压腔充满液压油，以备换挡。
图14无缝换挡测试结果示意图
当离合器控制压力在扭矩阶段增加时，离合器的容量也增加。因此，转矩流转移到小速比模式，输出转矩趋于下降。输出转矩反馈控制增加电机的扭矩，以保持输出转矩恒定。在惯性阶段，控制离合器控制压力以保持输出扭矩恒定，直到输入转速(太阳齿轮转速)减小并与输出转速(载流子转速)匹配。换挡完成后，离合器完全啮合，过渡到小速比模式完成。在小速比模式下，输入轴和输出轴直接连接。在考虑速比阶差的情况下，控制电机转矩以保持换挡过程中输出功率恒定。图14(b)为绿线表示的前馈控制的电机转矩命令值与红线表示的输出转矩信息的反馈控制的测量值的对比。在在惯性阶段(B-C)，离合器压力由FF控制器和输出扭矩FB控制。FF控制器生成ramp命令来大致补偿u-v字符特性。FB控制补偿摩擦系数的建模误差显示在绿色和橙色线之间的差异。因此，图14(b)中蓝色线所示的输出扭矩在A和C之间保持恒定。这样，采用配备在输出轴上的磁致伸缩力矩传感器的反馈控制，可以控制电机在转矩阶段的扭矩，控制离合器在惯性阶段的力。这种方法实现了无缝换挡，在换挡期间、换挡前和换挡后都没有输出扭矩的波动。图14(d)比较了实际摩擦系数和用于控制的摩擦系数。由于换挡过程中摩擦系数随时间变化，很难准确地估计摩擦系数。即使实际摩擦系数与用于控制的摩擦系数存在差异，该无缝换挡测试结果也表明了输出转矩反馈控制的有效性。本文介绍了无缝换挡的控制方法。采用扭矩传感器的反馈控制可以任意控制输出扭矩，而不受离合器扭矩容量估计误差等干扰的影响。5、结论
在本文中，我们旨在提高换挡质量，以解决具有大速比阶差比的双速变速器的电动汽车驱动系统的问题。这有助于在不影响驾驶舒适性的前提下提高续航里程和驾驶性能。为了实现输出转矩的鲁棒性恒定控制，提出了一种采用磁致伸缩转矩传感器反馈控制转矩阶段电机转矩和惯性阶段离合器推力的换挡控制方法。我们通过在台架试验中实现无缝换挡，证明了磁致伸缩扭矩传感器在电动汽车大步进比双速传动系统中的有效性。
来源：
动力哥汽车动力总成