CN109177742B - 一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法，属于电动汽车领域。包括：在单级减速电动汽车上安装模拟离合器、模拟挡位器、扭矩控制器和发动机声音模拟器；获得离合器踏板位置，挡杆挡位，车速、加速踏板位置和制动踏板位置，计算出当前状态下对应的发动机模拟转速；发动机声音模拟器根据计算出的发动机模拟转速，发出相应声响和频率的发动机模拟噪声；根据获得的发动机模拟转速和加速踏板位置，扭矩控制器进行车辆驱动扭矩控制，获取不同工况下的驱动电机输出扭矩。本发明采用安装离合器模拟器和挡位模拟器的方法，最大限度的模拟出传统统燃油手动挡汽车的扭矩输出策略并实现模拟发动机制动、车辆抖动和怠速等功能。

Description

一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车领域，具体涉及一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法。

背景技术

电动汽车作为“绿色的交通工具”，与普通内燃机燃油汽车相比，具有无污染、噪声小及能耗低等特点，逐渐成为车主购车和驾校选择驾培车时的首要选择。当前电动汽车的变速系统大多采用单级或两级减速器方案，没有传动燃油车上的多挡手动变速器，无法实现手动换挡变速功能。为了满足部分消费者手动挡驾驶习惯和驾校学员考取手动挡驾照的需求，整车厂必须开发具有手动换挡功能的电动汽车。当前，针对这一需求，普遍的做法是直接将单级或两级减速器换装成普通离合器和多挡变速器的方案，但是驱动电机的工作特性与传统汽油机工作特性不同，具有扭矩响应快等特点，极易造成离合器烧毁，并且换装离合器和多挡变速箱价格昂贵，离合器和多挡变速箱属于易磨损件，后期维护保养费用大。

发明内容

本发明针对以上问题提供一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法，结合布置在电动汽车上的模拟离合器和模拟挡位器，通过扭矩控制器来模拟实现电动车上模拟手动换挡变速的功能。

本发明提供的一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法，包括：

(1)在单级减速电动汽车上安装模拟离合器、模拟挡位器、扭矩控制器和发动机声音模拟器。

模拟离合器由离合器踏板和霍尔传感器组成，离合器踏板安装在制动踏板左侧，霍尔传感器安装在离合器踏板的后方。模拟离合器的霍尔传感器根据离合器踏板的位置输出测量的模拟电信号给扭矩控制器。

模拟挡位器由手动挡换挡挡杆和霍尔传感器组成，实现方式是：将车辆的自动挡换挡挡杆替换为手动挡换挡挡杆，在挡杆的每个挡位位置的下方布置一个霍尔传感器。模拟挡位器的6个霍尔传感器输出模拟电信号给扭矩控制器。

(2)在单级减速电动汽车上的扭矩控制器，从模拟离合器接收的信号中获得离合器踏板位置，从模拟挡位器接收的信号中获得挡杆挡位，从整车控制器获得车速、加速踏板位置和制动踏板位置，通过线性插值和车速倒推计算的方式计算出当前状态下对应的发动机模拟转速；

(3)发动机声音模拟器根据计算出的发动机模拟转速，发出相应声响和频率的发动机模拟噪声；

(4)根据获得的发动机模拟转速和加速踏板位置，扭矩控制器进行车辆驱动扭矩控制，获取不同工况下的驱动电机输出扭矩，包括：

首先，测量对标手动挡燃油车在不同加速踏板开度和不同转速下的发动机最大输出扭矩，建立发动机扭矩输出云图，通过二元函数插值法计算出在不同加速踏板位置和发动机模拟转速下的发动机输出扭矩T_engine；

然后，通过模拟离合器传递出的扭矩T_clutch＝T_engine×α，α为离合器的扭矩传递系数；

通过模拟挡位器传递出的扭矩T_transmission＝T_clutch×t_k，t_k为模拟挡位器在挡位k下的传动比；

离合器输出的扭矩传递到变速器，变速器传出的扭矩经过主减速器传递至车轮，通过对标手动挡燃油车的主减速比t_final，传递至车轮的扭矩T_wheel＝T_transmission×t_final；

进而，得到发动机的输出扭矩T_motor＝T_wheel/t_single，t_single为单级减速器的传动比。

(5)根据车辆前后挡位的变化、离合器踏板位置信号、车速和发动机模拟转速，扭矩控制器模拟车辆跳挡状态下发动机制动功能，模拟由于离合器结合不当造成的发动机转速过低引起的车辆抖动和熄火等功能。

本发明的优点与积极效果在于：(1)采用安装离合器模拟器和挡位模拟器的方案，只需布置离合器踏板、换挡挡杆和霍尔传感器，既可实现车辆手动挡操作的功能。与传统的手动挡汽车相比，该方案省去了在车辆上布置离合器和手动挡变速箱，简化了车辆的布置方案，节省了车辆的空间。同时，离合器和变速器都属于易磨损件，该方案可以大大提高车辆的可靠性与耐久性。(2)本发明的车辆驱动扭矩控制策略采用电动汽车对标的传统燃油手动挡汽车扭矩控制策略的方案，可以最大限度的模拟出传统统燃油手动挡汽车的扭矩输出策略并实现模拟发动机制动、车辆抖动和怠速等功能。

附图说明

图1是本发明提供的一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方案实现原理图；

图2是本发明提供的发动机模拟转速计算的流程示意图；

图3是本发明提供的模拟发动机熄火控制的流程示意图；

图4是本发明提供的模拟抖动扭矩控制的流程示意图；

图5是本发明提供的模拟发动机制动控制的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法是在单级减速电动汽车上安装模拟离合器和模拟挡位器、扭矩控制器等，模拟离合器由离合器踏板和霍尔传感器组成，模拟挡位器由手动挡换挡挡杆和霍尔传感器组成。本发明还在电动汽车上设置有发动机声音模拟器。

本发明实施例在单级减速电动车辆的制动踏板左侧，即传统手动挡燃油车安装离合器踏板的位置，安装一个离合器踏板和霍尔传感器，霍尔传感器安装在离合器踏板的后方，根据霍尔传感器检测到的离合器踏板的不同位置信号，扭矩控制器模拟出离合器的分离、结合或半联动状态，实现手动挡汽车的离合器功能。

本发明的模拟挡位器的实现方式是：将单级减速电动车辆的自动挡换挡挡杆换成了一个带有六个挡位(5个前进挡和1个倒挡)功能的手动挡换挡挡杆，并在换挡挡杆每个挡位的下方布置了一个霍尔传感器，通过测量6个霍尔传感器的电压信号判断换挡挡杆所处的位置，实现手动挡汽车的挡位识别功能。

在单级减速电动汽车上的扭矩控制器根据模拟离合器的霍尔传感器测得的模拟电信号，通过AD转换将其转换成数字电信号，通过预设阈值的方案，将离合器的位置转换成分离、半联动或结合状态，并通过非线性插值的方法计算出离合器处于不同位置时的传递系数。

扭矩控制器根据模拟挡位器6个挡位下方布置的霍尔传感器测得的模拟电信号，通过AD转换将其转换成数字电信号，通过预设阈值的方案，若6个挡位下的某个霍尔传感器的测量值超过了设定的阈值，则判定车辆当前处于该挡位，若6个霍尔传感器测量的数字电信号都没有超过预设的阈值，则判定车辆处于空挡状态。

如图1所示，扭矩控制器根据模拟离合器和模拟挡位器输入的霍尔传感器检测的电信号，检测出离合器位置信号和挡位信号。整车控制器收集电池管理系统发来的电池信号、加速踏板发来的加速踏板位置信号、制动踏板发来的制动踏板位置信号以及车辆当前的车速信号等，通过CAN总线传输给扭矩控制器。扭矩控制器根据车速信号、离合器踏板位置信号、加速踏板位置信号、制动踏板位置信号和挡杆挡位信号等，通过线性插值(空挡或离合器分离时)和车速倒推计算的方式计算出当前状态下对应的发动机模拟转速。发动机声音模拟器根据计算出的发动机模拟转速，发出不同声响和频率的发动机模拟噪声。

本发明根据加速踏板位置信号、制动踏板位置信号、离合器踏板位置信号、挡杆位置信号和发动机模拟转速信号，结合传统汽油发动机的动力传输特性，通过二维线性插值法计算出不同工况下的驱动电机输出扭矩。根据车辆前后挡位的变化、离合器踏板位置信号、车速和发动机模拟转速，通过制动能量回收施加制动扭矩模拟出车辆跳挡状态下(如1挡直接换5挡等)的发动机制动功能。根据车速、离合器位置信号和发动机转速，通过电机输出震荡扭矩，实现由于离合器结合不当造成的发动机转速过低从而引起车辆抖动的功能。

所述的离合器踏板位置信号表示为一个0～100的数字信号，不同数值代表踏板不同位置，取值为0时代表驾驶员没有踩离合器踏板。所述的加速踏板位置信号表示为一个0～100的数字信号，不同数值代表踏板不同位置，取值为0时代表驾驶员没有踩加速踏板。制动踏板位置信号表示为0或1的信号，取值为0时代表驾驶员没有踩制动踏板。

如图2所示，为扭矩控制器对发动机模拟转速进行计算的过程。

为了模拟出发动机因转速过低而熄火等特殊工况，本发明通过利用插值和车速倒推两个方案相结合的方式计算出发动机的模拟转速。通过测量本发明的电动汽车对标的传统手动挡燃油汽车处于空挡或离合器分离时发动机转速随加速踏板位置的变化关系，通过插值法，计算出发动机转速随加速踏板位置的变化曲线。

当车辆处于空挡或离合器分离且加速踏板信号等于0时，怠速发动机模拟转速为800rpm。

当车辆处于空挡或离合器分离且加速踏板信号大于0时，通过预设的发动机转速随加速踏板位置的变化曲线，采用非线性插值法，计算出不同加速踏板位置下的发动机模拟转速。

当车辆离合器为半联动或结合状态且车辆挡位处于非空挡且车速等于0时，对于传统手动挡燃油车，由于离合器处于半联动滑膜状态，此时车速虽然为0，但发动机转速不等于0。为了模拟出这一状态下的发动机转速，通过实测对标手动挡传统燃油车在车速为0状态下不同离合器踏板位置下的随加速踏板位置变化的发动机转速，通过插值法，计算出此状态下发动机转速在不同离合器踏板位置下随加速踏板位置的变化曲线，从而计算出不同加速踏板位置下的发动机模拟转速。

当车辆离合器半联动/结合且车辆挡位处于非空挡且车速大于0时，根据车速V、模拟挡位器不同挡位k下的传动比t_k、对标的手动挡传统燃油车的主减速比t_final、车轮的滚动半径R和离合器的扭矩传递系数α，倒推发动机的模拟转速E_speed，计算公式为：

其中，离合器的扭矩传递系数α定义为：离合器处于不同状态下的输入扭矩T_Cin和输出扭矩T_Cout的比值。对标传统手动挡燃油汽车的离合器，测量离合器在几个不同位置(主要取样点为半联动区间)下的扭矩传递系数，并通过非线性插值的方法计算出离合器处于不同位置时的传递系数。模拟挡位器不同挡位k下的传动比t_k获得方式是：根据模拟挡位器输出的不同挡位，对标传统手动挡燃油汽车不同挡位的传动比，得到了模拟挡位器在不同挡位下的模拟传动比t_k，k代表挡位。

下面说明车辆驱动扭矩控制的实现。传统手动挡燃油汽车的唯一动力源是发动机，为了计算出模拟的手动挡电动汽车在不同工况下的驱动扭矩，首先需要模拟出发动机的输出扭矩T_engine。本发明通过测量对标手动挡燃油车在不同加速踏板开度和不同转速下的发动机最大输出扭矩，建立发动机扭矩输出云图(map图)，通过二元函数插值法，计算出在不同加速踏板位置和发动机模拟转速下的发动机输出扭矩T_engine。

对于传统手动挡燃油汽车，发动机输出的扭矩直传传递到离合器的主动盘上，并通过主动盘与从动盘之间的摩擦力传递扭矩。本发明定义了不同离合器踏板位置时的离合器扭矩传递系数α，因此，通过模拟离合器传递出的扭矩T_clutch可以表示为：

T_clutch＝T_engine×α

离合器输出的扭矩传递到变速器。本发明通过挡位模拟器模拟了手动挡汽车的不同挡位及其在不同挡位下的传动比t_k，因此，通过模拟挡位器传递出的扭矩T_transmisson可以表示为：

T_transmission＝T_clutch×t_k＝T_engine×α×t_k

变速器传出的扭矩经过主减速器传递至车轮，通过对标传统手动挡燃油车的主减速比(t_final)，传递至车轮的扭矩表示为：

T_wheel＝T_transmission×t_final＝T_engine×α×t_k×t_final

本发明采用单级减速器电动汽车模拟手动挡汽车，通过模拟挡位器计算得出的车轮扭矩与驱动电机通过单级减速器传递至车轮的扭矩相同。因此，发动机的输出扭矩T_motor可以表示为：

其中，t_single为单级减速器的传动比。

车辆怠速扭矩控制。传统手动挡燃油汽车在怠速工况时，发动机转速为800rpm，当离合器半联动/结合且变速器挡位不是空挡时，发动机的输出扭矩为10Nm。本发明采用单级减速电动汽车模拟手动挡，因此，当模拟离合器半联动/结合且模拟挡位器挡位不是空挡时，驱动电机输出的模拟怠速扭矩T_motor2为：

当模拟离合器半分离或模拟挡位器挡位是空挡时，驱动电机输出的模拟怠速扭矩为0，此时，只有模拟转速输出。

如图3所示，为扭矩控制器进行车辆模拟熄火控制的流程。传统手动挡燃油车在车辆起步或者挡位操作不当时，发动机转速过低并持续一段时间后便会熄火。车辆熄火的主要判断依据就是发动机的转速，因此，根据测量对标的手动挡燃油车的熄火转速阈值，设定当发动机模拟转速低于或等于该阈值时开始计时，若计时时间大于1秒，则扭矩控制器向整车控制器发送熄火信号，整车下高压，模拟出熄火功能。若转速在计时过程中发动机模拟转速恢复到大于熄火转速阈值，则停止计时，车辆正常运行。

如图4所示，为扭矩控制器进行车辆抖动扭矩控制的流程。对于传统手动挡燃油车，由于离合器踏板松开过快或者其他误操作会造成发动机运转不平稳时，车辆的驱动扭矩小于当前车速下车辆需要的最小扭矩，驾驶员能够感受到明显的车身抖动状态，此时如果不纠正错误操作，会造成发动机熄火，整车需要重新起步。对于单级减速电动汽车，车辆驱动扭矩过低或驱动电机转速过低时，车辆产生减速但没有产生抖动。本发明对于单级减速电动汽车，测量对标的手动挡燃油车在发生抖动状态时的发动机转速，并设置该转速为抖动阈值，当发动机模拟转速低于或等于抖动阈值时，计时器开始计时，当达到预设的时间阈值时，判断车辆是否处于空挡或离合器处于分离状态，若否，进入抖动程序，扭矩控制器向电机控制器发出脉冲扭矩信号，驱动电机输出脉冲扭矩，模拟手动挡汽车的抖动。若在计时器未达到预设的时间阈值时，发动机模拟转速超过了抖动阈值，则车辆正常运行。若计时器计时超过预设的时间阈值，但车辆处于空挡或离合器处于分离状态，此时车辆也正常运行，不发生抖动。

如图5所示，为扭矩控制器模拟发动机制动扭矩控制的流程。手动挡燃油车在某些工况下，当车速与挡位不匹配时，发动机会形成制动扭矩作用于行驶的车辆，为了让电动汽车能够完全模拟出手动挡燃油车的驾驶感受及驾驶操作，本发明利用电动汽车驱动电机模拟发动机的制动扭矩。通过测试对标手动挡燃油车在不同挡位下的最低和最高车速，当模拟手动挡电动汽车在某一挡位下的车速低于对标车在该挡位下的最低车速或高于该挡位下的最高车速时，扭矩控制器向电机控制器发出制动能量回收信号，通过驱动电机制动的方式，模拟手动挡燃油车的发动机制动功能。图5中设模拟挡位器处于k(k＝1,2,…6)挡时，测得的对标手动挡燃油车的最低车速为V_kmin，最高车速为V_kmax。

显然，所描述的实施例也仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种电动汽车模拟手动挡燃油车扭矩控制方法，其特征在于，该方法包括：

(1)在单级减速电动汽车上安装模拟离合器、模拟挡位器、扭矩控制器和发动机声音模拟器；

模拟离合器由离合器踏板和霍尔传感器组成，离合器踏板安装在制动踏板左侧，霍尔传感器安装在离合器踏板的后方；模拟离合器的霍尔传感器根据离合器踏板的位置输出测量的模拟电信号给扭矩控制器；

模拟挡位器由手动挡换挡挡杆和霍尔传感器组成，实现方式是：将车辆的自动挡换挡挡杆替换为手动挡换挡挡杆，在挡杆的每个挡位位置的下方布置一个霍尔传感器；模拟挡位器的6个霍尔传感器输出模拟电信号给扭矩控制器；

(2)扭矩控制器从模拟离合器接收的信号中获得离合器踏板位置，从模拟挡位器接收的信号中获得挡杆挡位，从整车控制器获得车速信号、加速踏板位置和制动踏板位置，通过线性插值和车速倒推计算方式计算出当前状态下对应的发动机模拟转速；所述的(2)中，扭矩控制器计算发动机模拟转速的方法包括：

首先，测量电动汽车对标的手动挡燃油汽车处于空挡或离合器分离时发动机转速随加速踏板位置的变化，使用插值法计算出发动机转速随加速踏板位置的变化曲线；测量对标的手动挡燃油汽车的离合器为半联动或结合状态下在车速为0状态时不同离合器踏板位置下的发动机转速，使用插值法计算出不同离合器踏板位置下发动机转速随加速踏板位置的变化曲线；

然后根据车辆状态分情况计算发动机模拟转速：

(2.1)若车辆处于空挡或离合器分离且加速踏板位置信号等于0时，扭矩控制器输出怠速发动机模拟转速为800rpm；

(2.2)若车辆处于空挡或离合器分离且加速踏板位置信号大于0时，利用所述的发动机转速随加速踏板位置的变化曲线，计算不同加速踏板位置下的发动机模拟转速；

(2.3)若车辆离合器为半联动或结合状态且车辆挡位处于非空挡且车速等于0时，利用相应的离合器踏板位置下发动机转速随加速踏板位置的变化曲线，计算不同加速踏板位置下的发动机模拟转速；

(2.4)若车辆离合器为半联动或结合状态且车辆挡位处于非空挡且车速大于0时，根据如下的车速倒推计算方式来计算发动机模拟转速；

其中，E_speed为发动机的模拟转速，V为车速，t_k为模拟挡位器在挡位k下的传动比，t_final为对标的手动挡燃油车的主减速比，R为车轮的滚动半径；

(3)发动机声音模拟器根据计算出的发动机模拟转速，发出相应声响和频率的发动机模拟噪声；

(4)根据获得的发动机模拟转速和加速踏板位置，扭矩控制器进行车辆驱动扭矩控制，获取不同工况下的驱动电机输出扭矩，包括：

首先，测量对标手动挡燃油车在不同加速踏板开度和不同转速下的发动机最大输出扭矩，建立发动机扭矩输出云图，通过二元函数插值法计算出在不同加速踏板位置和发动机模拟转速下的发动机输出扭矩T_engine；

然后，通过模拟离合器传递出的扭矩T_clutch＝T_engine×α，α为离合器的扭矩传递系数；

通过模拟挡位器传递出的扭矩T_transmission＝T_clutch×t_k，t_k为模拟挡位器在挡位k下的传动比；

离合器输出的扭矩传递到变速器，变速器传出的扭矩经过主减速器传递至车轮，通过对标手动挡燃油车的主减速比t_final，传递至车轮的扭矩T_wheel＝T_transmission×t_final；

进而，得到发动机的输出扭矩T_motor＝T_wheel/t_single，t_single为单级减速器的传动比。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的(4)中，在车辆怠速时，扭矩控制器进行车辆驱动扭矩控制，发动机的输出扭矩

其中，t_single为单级减速器的传动比，t_final为对标手动挡燃油车的主减速比；当模拟离合器半分离或模拟挡位器挡位是空挡时，发动机输出的模拟怠速扭矩为0。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法中，扭矩控制器还进行车辆模拟熄火控制，实现过程包括：测量对标的手动挡燃油车的熄火转速阈值，设定当发动机模拟转速低于或等于熄火转速阈值时开始计时，若计时时间大于1秒，则扭矩控制器向整车控制器发送熄火信号，整车下高压，模拟出熄火功能；若发动机模拟转速在计时过程中恢复到大于熄火转速阈值，则停止计时，车辆正常运行。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法中，扭矩控制器还进行车辆抖动扭矩控制，实现过程包括：测量对标的手动挡燃油车在发生抖动时的发动机转速，并设置该转速为抖动阈值；扭矩控制器在计算到发动机模拟转速低于或等于抖动阈值时开始计时，当达到预设的时间阈值时，若此时电动汽车处于空挡或离合器处于分离状态，则车辆不发生抖动，否则扭矩控制器向电机控制器发出脉冲扭矩信号，驱动电机输出脉冲扭矩，模拟手动挡汽车的抖动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法中，扭矩控制器还模拟发动机制动扭矩控制，实现过程是：测试对标手动挡燃油车在不同挡位下的最低车速和最高车速，当扭矩控制器检测到电动汽车在某一挡位下的车速低于对标车在该挡位下的最低车速或高于该挡位下的最高车速时，扭矩控制器向电机控制器发出制动能量回收信号，通过驱动电机制动的方式，模拟手动挡燃油车的发动机制动功能。

Images