电动汽车机械自助变速器控制策略研究
（泰山科技学院 山东泰安271002 ）
摘要：现代化背景下电动车越来越多，电动汽车使用领域越发广泛，电动汽车机械自主变速器可解决机械式自动变速器换挡过程中出现的动力中断问题。在这一背景下，分析自主变速器的控制，对电动汽车的机械控制有很好帮助。文章围绕这个要点展开分析，论述自主变速器的控制策略，论述新时期的自主变速器优化途径，在优化、提升过程中，需要在确保动力的基础上，确保换挡的舒适性，通过优化换挡，实现对自主变速器的优化。
关键词：电动汽车；变速器；控制
新时期我国十分重视环保建设，汽车排放尾气对环境生态保护工作十分不利，受到现代化的影响我国开始重视不同领域的环保建设。电动汽车是绿色、环保的代名词，在近两年之内快速普及，走向市场。电动汽车是通过车载电源作为供电，以电源驱动电机，这些机械设计在短时间之内席卷汽车市场。未来的发展中新能源是我国工业发展、市场研制创新的主要方向。在这个背景下，进行电动汽车的机械自助变速器控制研究，是新时期电动汽车技术水平提升的重要表现，对我国的现代化建设有十分积极的意义。
一、电动汽车市场概述
电动汽车在我国的发展十分普遍，已经有多年的历史，随着这几十年的发展、实践，我国的电动汽车在发展过程中仍旧存在十分显著的限制问题，比如电动汽车的续航里程短，整车的动力欠缺，同时造价高，储能技术不够先进等等，这些技术都在很大程度上限制了电动车市场在新时期的发展。如续航里程，现阶段市场上推广的电动汽车，续航里程基本上是100～300km，这个里程相当理想。驾驶员驾驶车辆前进的过程中，遇到的路况复杂度等情况，会影响到实际的运行，实际的续航只有50~150KM，这会严重影响到汽车的推广。在动力方面，在0~100KM 之内，加速时间与内燃汽车不能相比，内燃汽车的动力显然更受欢迎。新时期如何提高电动汽车在动力方面的优势，强化续航里程，实现这一系列则需要研究电动汽车的动力系统，优化变速器等。
现阶段市场上推广的电动汽车，多选择驱动电机、单级减速器的形式来设计的整体构造，行驶过程中驱动电机的需要在汽车恒定行驶中提供稳定的动力输出，但不同的地段，比如高速行驶、滑坡的时候，就需要提供较高的运行速度、扭矩，如此才可以满足需求。这种设计并不能满足需求，尤其是高速、低速、爬坡路段，这导致所在区域之内，电动汽车的动力不能达到汽车行进的需要。现阶段电动汽车市场面临诸多困境，因此需要通过控制电动汽车变速器，进行合理换挡切换，优化电动汽车的动力，尤其是多档变换，满足对不同路段要求[1]。
二、电动汽车自动变速系统发展现状
（一）电动汽车变速器的结构研制过程
现阶段全球主流的纯电动汽车使用电机匹配单级减速器的，单级减速器结构简单，整体功能也很容易实现。电动汽车变速器主要功能是协调发动机转速、车辆前进的变速，确保发动机可以发挥性能。电动汽车的电机工作范围为0~15000rpm之间，低转速下也需要输出很大的转矩，高速下输出恒功率，因此在构造上不需要多挡变速器，增加单级减速器即可满足需求。因此市场上纯电动汽车基本上都采用单速变速器，比如宝马i3、北汽、比亚迪e5，使用单速变速器的优势是成本低和结构简单，缺陷是电动汽车速度达到极限之后，提升空间小，所以速度受到制约。在NEDC工况下，电驱动效率仅仅只有84%，最高或者最低负荷下电驱动效率会降低到60%～70%，这严重浪费电能。同时车辆高速行驶的时候电机如果要维持高速，随之产生噪声与NVH的机械问题。
为确保电驱动的效率和平衡电机运行的成本，另外一种方式就是使用两档变速器，这也是未来发展的主要趋势。这种变速器将电机效率分为两个部分，保证低速大扭矩加速的效率，也可以兼顾高速低扭矩效率。根据市场发展来看，预测在2030年之前，电动汽车将占据中国80%的产量，在短期之内，纯电动汽车仍旧是以减速器为主流。
（二）系统分析
汽车行业的自动变速器让汽车的行驶和续航都获得了很好的保证，因此自动变速器也是电动汽车未来发展、创新的方向。现阶段自动变速器控制类型主要有液压机械，简称AT，无级自动简称CVT，DCT是双离合自动变速，AMT是电控机械自动变速器，这几种方式有截然不同的优势和不足。其中，AMT的结构简单且成本比较低，因此在现阶段的电动汽车中使用十分普遍。AMT电控自动变速器是从手动机械变速箱的结构上演变而来的，以电控换挡取代传统的手工，在传统的换装置位置增加微机控制系统，即可实现对汽车的自动换挡[2]。
系统的传感器信号采集保护部分集中了车速、电动机、电门和档位等等，传感器在运行的时候，采集不同单元的设备运行信号，将其发送给TCU，TCU控制系统包含不同的通信模块，再将通信指令传输给换挡操作单元，操作单元执行指令，这就是实现了电控，实现换挡。该系统的工作原理是根据汽车驾驶员的思路和意图，接收到油门、转速和制动信号之后，并且切换即可。在运行过程中，AMT会将预设转速传送给电机以减少换挡的时间，确保换挡舒适高效。在这个过程中AMT系统控制简单，所以成为广大汽车制造商的主要技术。
三、电动汽车两档减速器四种技术路线
（一）同步器换挡（AMT）
同步器换挡的两档变速器是通过输入轴、中间轴、变速器和齿轮组组成。输入轴与电机相连接，在轴上，设置一档、二档主动齿轮，中间的轴布置从动齿轮和主动减齿轮，差速器的则实现对左右轮控制。中间轴的两个齿轮之间，结构也可以同步在输入轴上面，换挡可以通过电机、液压来实现控制。通过同步器左右的挡位切换，变速器根据挡位切换输出不同的动力，满足电动汽车的动力性，从而提高电机的工作效率。同步器换挡的缺陷最关键就是在换挡的时候动力会中断。由于电机调速性比较灵活，可以在电动车行进的过程中解决电动车的动力中断情况。同步器换挡的两档变速器和担当的变速器相比，只需要齿轮和同步器配合执行机构，结构与造价都十分简单，是比较优质的配比方案[3]。
（二）单离合器结构
在结构中存在两个分开的离合器来控制不同挡位的动力。输入轴上有一挡主动齿轮，另一挡从动齿轮与离合器外毂相连接，离合器内毂连接中间轴接通离合器，满足电动汽车运转过程中一档的动力传输。二挡的主动齿轮和离合器的外毂相连接，内毂连接输入轴，齿轮固定在中间轴上，实现离合器的分离与连接，电动车运转过程中传递二挡动力或者是中断动力。在设计中通过两个单离合器实现换挡，可以通过湿式与干式离合器实现无动力的自动换挡，整车舒适性能更好。
（三）双离合器
这种结构中离合器的换挡、两档变速器的零件是双离合器结构，发动机、双离合器外毂两者相连接，外输入轴连接一档的主动齿轮，内输入轴连接二挡，一档、二挡的齿轮固定在中间轴，再连接差速器。在整个运行过程中控制器根据车辆的运行状态来决定挡位的升降，切换的过程中只需要使用两个离合器切换即可。
（四）行星齿轮结构
单排单级行星齿轮机构是由太阳轮、行星架、离合器等组成。在系统当中，输出轴连接行星齿轮的太阳轮，行星轴和输出轴相连接，内毂与输入轴相连接，外毂连接行星架，采取一端连接箱体。在系统中离合器打开后制动器关闭，动力传输到太阳轮，在动力的驱动下，行星齿轮开始转动，在整个系统当中齿轮圈被制动器固定，因此在旋转的时候动力会传输给输出轴，此时变速器属于一档。根据行星齿轮机构的特征来看，可以实现动力的增减。在整个系统中离合器关闭，离合器将太阳轮和行星架连接形成整体带动输出轴运转，此时处于2档。
四、 纯电动汽车的直驱式AMT结构设计
（一）直驱式AMT结构
直驱式AMT传动结构组成的传动系统由两个电机组成，系统其他功能的实现还需要通过电机控制器、电池组、直驱AMT等，主电动机主要是驱动电动车的后轮，辅助电机回收能量，为整车的运行提供后备功率。主副电机则使用小功率电机，在正常工况下主电机对后轮供电，后轮驱动汽车前进，在汽车起步、加速运行的时候，电池组对主电机、副电机供电，控制器在这个过程中控制功率。在汽车运转的时候，尤其是制动、下坡等不同的环节，主辅电机参与到能量的回收中，基本上可以实现四个车轮的回收[4]。在整个系统当中永磁同步电机具备效率高和结构简单的特征，因此在结构中可选择永磁同步电机，两档直驱式AMT自动变速可以发挥积极的作用，发挥纯电动汽车的电动力输出的优势，确保动力支持。
（二）参数设计
通常，纯电动汽车基本参数为：整车质量1531kg；迎风面积1.98m3，最大爬坡度为30%，车轮滚动半径为0.308m，最高的车速为100km/h，风阻系数为0.35；传动效率为0.91。电动汽车在0~100km/h加速时间≤10s。
（三）设备选型
在整个设备的运行中，纯电动汽车驱动电机，电机控制器将动力电池的电能转化成为机械能，在这个过程中电机选型需要符合整车的动力需求。这个过程中涉及参数主要有额定功率、峰值、额定转速等。驱动电机极值的存在让电机的运行存在过载能力，电动汽车在起步、爬坡、加速这一类的短途极限行驶过程中，动力基本上可以保证[5]。但驱动电机不能长时间在峰值附近工作，如果电动汽车长时间运转在峰值附近，会导致电机出现故障，进而对电机使用寿命产生影响。在运转过程中，为企鹅包电动汽车以最高速行驶，通常需要根据最高车速来确定额定功率。正常状态下电动汽车的最高车速对应汽车的最高档。按照《汽车理论》中的相关知识点，通过汽车功率平衡方程可以得到汽车长时间高速行驶的额定功率。现阶段的设计中都需要确保驱动电机的额定功率大于PN ，单电机功率不能太大，如果太大会增加电机的负荷，也不符合现阶段汽车轻量化的设计理念，也不能符合当前经济效益的预设。电机功率增加，会导致电动汽车不能利用电机的高效，在汽车的行进过程中，会存在很大的电池电量消耗，导致汽车续航里程下降。
结语：
综上所述，新时期电动汽车机械变速器的换挡调速是当前研制的重点，文章分析了电动汽车机械自动变速器的结构系统，分析减速器的技术路线，最后阐述直驱式AMT的构造内容。结合当前发展内容来看，电动汽车变速器将会朝着多档、高速、模块化的方向发展。
参考文献：
[1] 谷志鹏,诸铁峰,高志鸿,等. 基于线性二次最优算法的电动汽车AMT换挡力控制[J]. 汽车实用技术,2023,48(8):46-52.
[2] 杨镇瑜,韩胜明,陈桥松,等. 纯电动汽车PMSM+AMT换挡控制策略[J]. 西华大学学报（自然科学版）,2023,42(5):1-10.
[3] 吴斌,王耀. 电动汽车无同步器AMT挂挡冲击分析与优化控制[J]. 北京工业大学学报,2022,48(8):860-868.
[4] 王灿. 四挡AMT参数设计的纯电动汽车换挡控制优化[J]. 牡丹江师范学院学报（自然科学版）,2022(4):38-44.
[5] 彭畇傲. 电动汽车无离合器AMT专用同步器创新设计与功能实现[D]. 河北:燕山大学,2022.
作者简介：王恒帅，1990.09，男，工学硕士，工程师，主要从事机械类专业的教学及教学研究工作。
