电动汽车自动变速器设计研究

导读：本文首先简述了常见自动变速器的结构原理和优缺点，结合电动汽车电机特性和双离合器自动变速器的优点，提出将两挡双离合器自动变速器应用于电动汽车。

• 来源：齿轮传动

引言

电动汽车以可再生清洁的电能为动力，克服了传统内燃机汽车的环境污染和资源短缺问题；电动汽车牵引电机相对传统内燃机具有较宽的工作范围，并且电机低速时恒转矩和高速时恒功率的特性更适合车辆运行需求。然而固定速比减速器仅有一个挡位，使得电动汽车电机常处在低效率区域，既浪费宝贵电池能量而使续驶里程减少，又提高了对牵引电机的要求。电动汽车牵引电机既要在恒转矩区提供较高瞬时转矩，又要在恒功率区提供较高运行速度，才能满足车辆的高速、爬坡和加速等整车性能要求。为使电动汽车发挥其优越性，并降低电动汽车对动力电池和牵引电机要求，电动汽车传动系统应多挡化。

手动变速器换挡操纵复杂以及换挡过程中需要切断动力源影响电动汽车的驾驶性能和舒适性。自动变速是车辆变速发展趋势，自动变速器相对手动变速器具有较高整车的安全性、舒适性等性能。基于平行轴式手动变速器的双离合器自动变速器，不仅继承了手动变速器传动效率高、结构紧凑、价格便宜等许多优点；同时还解决了换挡动力中断问题，也保留了液力自动变速器、无级自动变速器等换档品质好的优点。因此电动汽车采用两挡双离合器自动变速器具有更好的整车性能。

1.电动汽车自动变速器结构原理

1.1 系统结构原理图

图1 所示为两挡双离合器自动变速器系统结构原理图，它以变速器电控单元为中心，接收制动踏板、选择开关、加速踏板等传感器获知的信号，同时可以利用CAN 总线技术接收来自整车控制器的信号，如车速、电机转速等信号。变速器电控单元采集当前路况信息，通过一定的换挡规律发出信号指令，控制离合器执行机构操纵离合器的分离与结合等动作。

1.2 传动结构原理

根据汽车行驶性能确定IdealⅡ纯电动汽车传动设计采用两挡变速器即可满足整车的动力性和经济性要求。图2 为两挡双离合器自动变速器传动结构图，低速挡1 挡与离合器CL1 联接，高速挡2 挡与CL2 联接。离合器CL1 输出轴为实心轴，套在实心轴外面是一个空心轴，即离合器CL2 输出轴。两输出轴同心使得结构使变速器更加紧凑。通过电机与减速增距结构使两个离合器的接合与分析实现两挡自动变速，不需要再增加换挡机构，简化了系统的结构，倒挡通过整车电机反转实现。

电动汽车处停车状态时，离合器CL1 和离合器CL2 都处于分离状态，故不传递动力。当电动汽车起步时，自动变速器电控单元控制离合器CL1 电机使离合器CL1 接合，当离合器CL1 完全接合时，电动汽车进入1 挡，此时离合器CL2 仍是分离的，不传递动力。当电动汽车加速并达到2 挡的换挡速度值时，通过变速器电控单元控制离合器电机使离合器CL1 开始分离的同时，离合器CL2 开始接合。

两个离合器交替切换，直到离合器CL1 分离完全，离合器CL2 接合完全，电动汽车升挡过程结束。当电动汽车进入2 挡车速运行后，变速器电控单元采集相关信号并判断电动汽车即将运行的挡位是否降挡。降挡过程只需将正接合离合器CL2 分离，同时将处分离状态的离合器CL1 接合即可。配合好两个离合器切换时序，按一定的换挡规律进行换挡，整个换挡即可有序完成。

1.3 控制系统原理

1.3.1 控制系统硬件原理

自动变速箱电控单元TCU 是整个双离合器自动变速器系统的控制核心，TCU 设计的好坏直接关系到整个双离合器自动变速器的品质和性能。本设计选用飞思卡尔公司16 位MC9S12C64 单片机。MC9S12C64 具有高速数字信号处理能力、实时性强、低功耗、集成度高等性能。它工作环境温度可在-40 ~ 125 之间，能克服汽车工作环境恶劣对单片机性能的影响。

MC9S12C64 采用16 位微处理器S12CPU，具有较高的计算和处理能力。MC9S12C64拥有2KB内部RAM、64KB 的内部FLASH；一个8 路16 位TIM（定时器）模块，具有高效处理多路时间事件的能力，满足电动汽车自动变速器控制系统中多路转速信号采集要求；8 路10 位AD（模数转换）模块，满足多路模拟信号转换精度要求；6 路8 位PWM（脉宽调制）模块，可以满足电动汽车多路电机驱动信号输出要求；实现与其它电控单元进行通讯的CAN 总线模块。其他可用资源：80 脚封装有可用60 个通用I/O 口、两个8 位双向数字I/O 口、内部看门狗等。

以MC9S12C64 为核心TCU系统主要由主控制器模块、输入模块、电机驱动模块、显示和CAN通信模块等组成。信号输入包括模拟信号、开关信号和脉冲信号输入。其中电机转速采用霍尔脉冲式传感器，转速传感器输出的脉冲信号经过光电隔离、电平转换后输入到单片机引脚上测速。电机驱动模块采用PWM 对两个离合器控制电机进行转速和转向进行控制，PWM 具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等优点。CAN 通信模块可以将TCU 与整车电机控制器和制动防抱死系统进行数据传输，从而实现了双离合器自动变速器系统对电机转速和转矩的控制，不仅简化了设计，降低了系统制造成本，同时提高了TCU 的集成度和可靠性，改善了换挡品质和整车的动力性、舒适性。显示模块采用两个数码管，分别显示挡位和故障代码。故障报警采用发光二极管和蜂鸣器实现。

MC9S12C64 不具有内部EEPROM 和时钟，故要增加时钟电路以及掉电存储器。TCU 系统硬件原理图如图3 所示。

1.3.2 控制系统软件软件原理

双离合器自动变速器软件系统采用模块化程序设计方法，由主程序、信号处理、换挡决策、执行等模块组成。主程序是一个循环程序，它不断通过采集信号来读取整车状态，实时根据司机的操作，调用相应的子程序进行换挡决策、换挡和故障诊断，并显示挡位和故障代码显示与报警。

TCU 系统主程序由上电初始化子程序、停车挡处理子程序、空挡处理子程序、前进挡处理子程序、倒挡处理子程序、以及在线故障诊断显示程序等子程序组成。上电初始化子程序主要是对软件运行环境进行必要初始化。停车挡处理子程序、空挡处理子程序、前进挡处理子程序及倒挡处理子程序等子程序分别根据各自挡位处理特点和功能形成各自的循环体。故障诊断和显示功能对程序出现异常或者无法处理情况进行处理,并显示故障代码。自动变速器电控系统软件系统主程序流程图如图4 所示。

2.电动汽车自动变速器优点

根据纯电动汽车两挡双离合器自动变速器的结构特点，其具有以下几个方面优点：

（1）结构简单。纯电动汽车电机能够在一定范围内无级调速，所以此变速系统只要采用两个前进挡就能满足整车的动力性能和经济性，简化了传动结构；同时通过离合器换挡机构对离合器进行结合与分离控制即可达到自动变速的要求，不需要换挡执行机构。

（2）节省成本。双离合器自动变速器对原有自动变速器生产线继承性好，技术改造投入资金少；取消了液压系统等复杂机构，降低了制造成本；纯电动汽车电池和电机比较昂贵，采用两挡双离合器自动变速器可节省电池电量，降低电机性能要求，从而节省整车制造成本。

（3）换挡品质高。双离合器自动变速器结构简单，操纵稳定，在换挡过程不切断动力，具有良好的换挡品质及传动效率。

（4）维修方便，费用低。没有液压系统，取消了换挡执行机构等复杂结构，降低了维修难度和费用。

3.总结

在节能减排的社会背景下，电动汽车将有良好的发展前景。受限于电池技术和整车电机技术，电动汽车需采用并在未来一段时间内仍需采用两挡以上变速器来满足整车动力性和经济性。电动汽车两挡双离合器自动变速器既降低了电动汽车对电池和电机的要求，同时克服了手动变速器换挡品质差和AMT 换挡中断动力源问题，因此该两挡双离合器自动变速器具有较好的应用前景。