【2019WNEVC】悉尼科技大学教授张农：电动汽车变速器及其换挡控制研究

经国务院批准，世界新能源汽车大会（WNEVC）于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召开。大会着眼于全球汽车产业的转型升级和生态环境的持续改善，通过聚集全球专家智慧和产业精英，共同交流探讨新能源汽车在技术创新、产业创新、政策创新、市场模式创新等领域的成功经验与发展趋势，凝聚产业共识，明晰汽车产业转型升级的方向，探索电动化、智能化、共享化协同发展的有效路径。在“先进电驱动技术”的主题峰会上，悉尼科技大学教授张农发表了演讲，内容如下：

谢谢龚总的介绍。非常荣幸有这样的机会跟大家做一个分享，把我的研究跟大家做一个分享。现在我有两个团队在悉尼科技大学，这项工作有一部分在悉尼科技大学，还有一部分是在河北工程大学做的。报告分为四个方面来分享：

第一，为什么我们电动汽车也要用变速器呢？背景稍微讲一下；

第二，电动汽车动力总乘的能量管理有什么想法，有了变速器以后对于能量管理有什么特别之处；

第三，前面几位讲的时候都没有讲换档有什么问题，如果换档很容易做到，两档三档多可以，档位越多越方便，肯定换档有技术的挑战；

第四，换档用双电机输入进一下，双电机输入有驱动模式的切换，驱动模式的切换要注意什么呢？

这是传统路上看到电动汽车用的，我们叫一档定速比的一个驱动系统（直驱）。当然直驱肯定是简单、成本低、好控制的优点，但是缺点是什么呢？缺点就是加速的动力性不好，另外就是总体来讲，在整个驱动范围里讲，它的驱动效率也不是最佳的，这是它明显的一个特点。在行业界是不是大家都同意，我们的孙逢春院士也做这方面的研究，简单来讲，他下了一个结论：机械变速箱将成为将来新能源汽车的一个标配，他认为做好的话，少档位的变速箱做好可以成为电动汽车的标配。著名的专家徐老师（北航的）也做这方面的介绍。这方面的性能待会儿讲一下，从驱动性能、动力性能的增加和效率的增加待会儿会有数据分析。行业内的专家都认为联合变速箱来运用，假如说我把一块车的主要参数定下来，最大的速度需要多少呢？从每百公里加速的时间定下来，把爬坡度和驱动里程定下来以后，我刚才用的一档，现在用两档的驱动点在这个范围用，这个范围是电机的高效率，特别在两档的时候基本上可以把电机锁在高效。这对于性能有好处，扭动性能增加了也有好处，与一档比的最大速度提高38%，加速的时间可以节省6.6%，以及它的爬坡性能增加24%，续航性可以到6和7。换一个车来看看，用B-Class和E-Class的车来比较一下，做了城市工况效率各方面的比较，用了两档，与一档比效率提高16%，如果用三档和四档没有明显的提高，成本降低了。用了E档增加10%的效率，三档没有这样的变化，四档有明显的改变，这是我们用的一个特例，不一定完全正确，至少讲出了不同性，大家肯定会做到成本，成本有什么好处呢？这个数据有点旧，电池的成本价格一直降下来，我们用六档可以把电池做小，电池省下的成本，同样的续航里程，电池省4000美元，两大变速器要增加这么大，但是综合来讲的成本会降下来，你说我自夸，成本降低40%左右，数字不一定准确，但是空间是有的。

我今天的分享不在于成本降多少，我讲如果用两档或者多档变速箱在车上碰到的问题怎么用控制方法来达到换档的平衡性和换档能量管理的优化呢？实现能量管理的优化。国内有没有人做两档变速器呢？有的，蔡总用两档变速器，还有一家现在正在开始的做宜宾的，清华大学的一个团队，也是做纯电动汽车用的，共性是什么，取决于用什么样的变速器，你要把动力缩短还要满足动力的需求就是一个矛盾点，那就需要一个妥协的方案，包括动力损失最小，换档时间最小，减少冲击度，冲击度对于换档的平衡性很重要。你看手动档的时候顿车性很明显，但是对于电动汽车，一般的驾驶人员不能接受这样的情况。用了多档变速器以后有可靠性的问题，有时候多次挂档挂不上，这与设计机构所定的标定有关系。纯电动汽车动气总乘，直驱的系统换成两浪，还可以做成什么呢？双电机做成电力总乘，与分布式驱动不一样。如果电机比较大，实际上把电机一分为俩，用前轮的安排有两个电机的输入，用两个电机驱动对于机械来讲是一个模式，单电机驱动是一个模式，另外一个电机驱动也是一个模式，真正需要操车大功率大扭矩两个模式可以驱动。这种模式在公交车或者客车上面，把控制方法做得好的话控制效率会很多。这是前驱轮的，前驱轮控制非常紧凑，很好控制，也是双电极输入，你用平衡轴的。我们把两个典型的动力总乘进行了一些仿真分析和比较，给大家分析一下。我刚才讲的就是有四种，对于纯电动汽车有直驱，如果不是直驱就换成两档，还有就是双电机驱动用两档，这是一个模块，能量管理上可以做什么样创新性进一步来提高效果。

我把四个列出来了，这是常规直驱的一个动力总乘，这不是直驱，我加了两个档位，这样一档和二档可以进行切换，双电机输入是二档，但是机械构成不一样，这是一个平行轴的，这是一个行型轮，行型轮的好处就是没有中断，平顺性的控制比较好。我们把车的要求，爬坡性能不小于40%，最大速度要百公里，百公里的加速时间小于10S，总的车的动力是100千瓦，或者最高的驱动扭矩300牛顿比，做了四个动力总乘的仿真计算，从零加速到每小时180公里，如果是第一个直驱系统定速比扭矩的变化是这样的，这儿有一个扭矩功率到这个位置，如果改成两档可以把扭矩提高很多，驱动扭矩可以提高很多，到了一定阶段又下来。所以你从这里来看驱动性能在这个红线最佳，我用行型齿轮的，行型齿轮是紫色的线，它的驱动扭矩最小，但是同样达到加速的速度。我用平行轴呢？我上来的扭矩也是比较大，从加速性能来讲，肯定是红线比较好，但是从能量的耗能来讲，其实是紫色这条线的耗能是最好的，耗能小又能达到你的要求，这个结果是不一样的，这个结果怎么得来的呢？肯定有一些优化的方法，这个部分不讲了，大部分是工艺界来的，如果是学校的话可以读一下博士生的一篇文章。

看一下结果，我们用了两种常用的工况做了比较。这种工况是大家提的综合工年做的比较，还有欧洲的循环工况来使用的，四种工况最高的效率，工况的最高效率是蓝线。这个蓝线就是刚刚说的用双电机输入，行型轮系统的效率最好，其次就是双电机输入用平衡轴的，红线代表的是纯电动动力总乘，但是用的两档变速器，不是双输入，是单输入的，黑线是最差的，这个区域很明显。结果换到另外一个工况做的时候得到更明显，明显双电机输入作为一个总乘远远高于单电机输入，双电机输入的驱动模式可以改，所以给你提供了很多的自由度。原因就是看工作点，工作点就是电机高效率工作点比较多一点。我们的仿真技术有点简化，但是只是代表一种方式，不能说是完全假设度都对。有了不同的动力总乘和变速箱的构成也是可以得到不同的能量优化的结果。接下来讲齿轮的换档，换档过程中怎么实现动力中断最小，又要使冲击度最小，还要使振动的平顺性最好。我们这里自己也提出了一个新的同步器，我这个叫做犬牙式的同步器。这里面有一个专利，专利已经在国内拿到授权的一个专利，用了一个导入环。导入环实际上你可以看一下，它可以来缓冲我的冲击效果，我把离合器分成六个步骤，第一部就是开始定位，准备插入，第二个让他进来咬合换档，有一个导入环，导入环可以缓冲一下，导入环的电机同步做。这样导入环来挡一挡，让弹簧有一个相当于缓冲剂，碰到它的时候就用力插进去，这个过程完全可以用计算机通过动力仿真模型来一步一步看是否可以这样做，下一步就是做的仿真。这边就是简单化了，这边就是车的速度，这边是马达的速度，这边是电机速度，电机到齿轮之间有一个轴有一个一定的弹性，齿轮咬合要合上，我要合上那一档的齿轮，这是我导入快的。这是导入快的，这个我要把这个同步插入进去，这样速度就可以同步介入在一起。刚才断总讲同步以后，同步以后把两个手臂咬下来合住，把两个速度同步以后只要导入进去就锁住了，实际上用结构来帮助平顺的导入。

看一下仿真的结构，这是同步器工作的六个步骤，这个速度上面写的就是图片的一个Top，这是车的速度，这是齿轮的速度，这是我驱动马达的速度，绿色的车就是我说的导入环的速度，你看我从位置来看，从第一步、第二步，这是第一步到第四步，导入环与Slive结合，Slive有一个弹簧，这样可以相对转动。之后进行锁住，到这个位置基本上滑进去了，滑进去以后就同步了，所以仿真上可以看，脑洞很小，振动只是导入牌上，导入牌很轻，虽然有动力学的速度变化，但是产生的冲动是很小的。所以是这样一个原理。

为了验证这样一个结果，我们进行了进一步的仿真计算，因为你说同步的时候肯定有相对转速差，同步以后的转速差从每分钟10转、20转、30转会变，相对转数差的时候冲击度还是比较差，如果做到同步的速度很小，每分钟5转的冲击速度就比较大了。第二个仿真是什么呢？我把转数比定时，我又看看不同的转数上的冲响应怎么样，转数高的时候冲击度不明显，比较小一点。第三个方针做了什么呢？我把速度定死，定了相当于1000转每分钟，同步的时候相差的时候每分钟10占，导向盘不是有一个缓冲的弹簧吗？我把缓冲的弹簧的钢度变一变，钢度小的时候冲击度大一点，钢度高的时候，冲击度几乎控制在4以下，这个结果非常好了。做过仿真就知道这个结果非常好了，不是光纸上谈兵，我们认认真真做了一个实验看结果，这是犬牙式同步器、驱动式电机的展合做了一个结果，你们可以看不同的转数下的冲击度还是相差比较明显的，总的来讲这是每分钟500转的时候相对转数20、40时候的冲击度，到40的时候明显增加很多，每分钟转的时候。

我在讲一下刚刚说的，前面蔡总提了，用ANT做了两档的变速器，用AT肯定好，AT没有动力中断，控制上一定要做了。建模分析控制做好。这是建模分析器用两档做了，用太阳能爆死，曝死之后从第一档换住第二档，锁住来定，锁的时候怎么加对于平衡性的影响非常大。我们做了一些分析提出不同的策略：第一个策略，输出扭矩长速，输出扭矩不管，输出扭矩有比较大的漏洞，比较大的漏洞反映在车上就是抖动。我们阶段性保证输出扭矩长速，我们叫Face是长速，书橱阶段还是长速，变化不大，但是抖动还是有的。第三个策略是什么呢？

第一个策略，让输出好，让输出扭矩不断保持长速，不断改输入电机的扭矩，因为电机可控，所以我来控制电机的扭矩，结果得到的效果最好，在平衡性的下面。

第二个策略，这个输入的扭矩保持长速，结果扭矩的变化最小，也就是说给动力性能的感觉或者动力中断的感觉最小，中速也是控制在一个范围以内。所以总结一下三个不同的控制方法，得到的效果明显地就是第三个保证输出扭矩长速的时候效果最好，一是控制的时间冲击度小了，而且最快，重点在哪里呢？摩擦的时候多耗费一点能量，但是换档的时候那些能量相对来讲还是有限的。

我再讲一下驱动模式的切换有什么好处呢？一是各行型轮的双电机输入，这个里面有一些方式，发表的文章里面都有。发明专利在2015年就授权了，控制方法就不详细讲了，我就讲结果，驱动模塑是1、2、3，它有目标扭矩和目标速度，是线性表示还是非线性变化，目标不一样。这是线性的变化，这是非线性的变化，当然非线性保证冲击度要小。看一下结果，如果用线性地做，虽然说大的看到了，但是细化以后迈动还是蛮大的，迈动对于摩擦线会有一些损伤。用了非线性的体现的效果就更为平顺，对于这些系统也做了同样比较。什么意思呢？你就是用了这种双电机输入的三个模式，在真正的驱动模式切换的时候，控制方法和建模还是非常重要，可以进一步优化。因为时间关系，我就把结果给大家进行分享，其实这里面有好几篇文章了。如果大学生来的话，你读一下在这个领域最高期刊发表的文章。讲一下结论，多速比的发动机输入还是有用的，可能双电机应用得到的驱动性的改善更多。如何把换档的平顺性和中断改善，平顺性提高，能量中断减少，这个过程都可以做好。用行型齿轮的方案更好一点，一般控制更好，只要把控制策略做好就行。要我们来用的话，在双电机输入的动力总乘还是有很大的优越性，大家争论的是成本的问题，因为我们还没有做过成本预算。

谢谢大家。

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