某型混合動力汽車AMT換擋控制策略的研究*

秦大同，杜 波，段志輝，劉永剛，林毓培

(1.重慶大學(xué)，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030;2.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 401120)

前言

機械式自動變速器(AMT)在換擋過程中存在動力中斷和沖擊等問題，影響整車的動力性和乘坐舒適性，如何根據(jù)混合動力汽車的特點尋求有效的換擋控制方法來減小AMT換擋時的動力中斷時間和換擋沖擊，成為混合動力汽車的研究熱點［1－2］。

目前，對裝備AMT的混合動力汽車主要利用電動機的輔助作用來改善換擋品質(zhì)。文獻［3］中利用混合動力系統(tǒng)中的電動機直接驅(qū)動車輛，減少了換擋過程中的動力中斷時間，提高了車輛的動力性能;文獻［4］中針對并聯(lián)式混合動力汽車換擋過程，提出了發(fā)動機和電動機聯(lián)合轉(zhuǎn)速控制策略，縮短了換擋過程動力中斷時間;文獻［5］中針對電動機置于離合器后的混合動力轎車的AMT換擋過程，提出了發(fā)動機和電動機的協(xié)調(diào)控制方法，縮短了換擋動力中斷時間，減小了同步器和離合器的磨損。文獻［6］中以混合動力客車換擋過程為研究重點，提出了電機－AMT綜合協(xié)調(diào)控制方法，縮短了換擋同步時間。文獻［7］中對輕度混合動力汽車的AMT換擋過程，提出了電動機、發(fā)動機和離合器聯(lián)合控制的換擋控制策略，減小了車輛的換擋沖擊和動力中斷時間。以上研究均利用電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，重點在于減小換擋沖擊和縮短換擋時間。

本文中根據(jù)某型混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作模式特點，對兩種典型工作模式下的AMT換擋控制策略進行了研究。針對發(fā)動機驅(qū)動模式下的換擋過程，采用電動機和發(fā)動機電子節(jié)氣門聯(lián)合調(diào)速的換擋控制策略;對于發(fā)動機和電動機2自由度混合驅(qū)動模式下的換擋過程，采用不分離離合器的電動機主動調(diào)速控制的換擋控制策略。并通過仿真和臺架試驗證明了所采用的換擋控制策略對縮短換擋過程的動力中斷時間和減小換擋沖擊的有效性。

1 某型混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中研究的某型混合動力系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上屬于并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，動力源由發(fā)動機和電動機組成，其動力通過動力耦合裝置輸出，動力耦合裝置由一個單排行星齒輪機構(gòu)、一個單向離合器和一組濕式離合器組成。該混合動力系統(tǒng)可實現(xiàn)純電動驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、行車充電、混合驅(qū)動和再生制動等多種工作模式。變速機構(gòu)采用5擋機械式自動變速器(AMT)，能夠根據(jù)混合動力汽車的運行狀態(tài)實現(xiàn)自動換擋，以進一步提升混合動力汽車的節(jié)能效率。

2 換擋控制策略

混合動力汽車在不同的工作模式下，由于動力源(發(fā)動機和電動機)的狀態(tài)和動力耦合裝置中離合器的狀態(tài)不同，所采用的換擋控制策略也不同。對于本文中研究的混合動力AMT汽車，當(dāng)動力耦合裝置中的濕式離合器處于接合狀態(tài)時，存在發(fā)動機單獨驅(qū)動、行車充電、發(fā)動機和電動機單自由度混合驅(qū)動(轉(zhuǎn)矩合成)模式;當(dāng)濕式離合器處于分離狀態(tài)時，存在純電動、發(fā)動機和電動機2自由度混合驅(qū)動(轉(zhuǎn)速合成)模式。本文中以該混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動模式和發(fā)動機與電動機2自由度混合驅(qū)動模式為例進行換擋控制策略的研究。

2.1 發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下的換擋控制策略

2.1.1 換擋過程動力學(xué)模型

由于汽車的動力傳動系統(tǒng)可認(rèn)為是一多剛體系統(tǒng)，為便于建模，忽略其中的阻尼和彈性元件，將各元件視為剛性無阻尼的慣性元件，用集中質(zhì)量的形式表示［8］，從而可建立該混合動力汽車在發(fā)動機驅(qū)動模式下的換擋過程動力學(xué)模型，如圖2所示。

根據(jù)圖2中的模型，可得換擋過程中傳動系統(tǒng)的動力學(xué)方程為

式中:Te為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩;Tm為ISG電機充電轉(zhuǎn)矩;Tcl為換擋離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩;Ts為同步器傳遞的轉(zhuǎn)矩;Tv為地面阻力矩?fù)Q算到同步器從動端的等效阻力矩;ωe為發(fā)動機/離合器主動盤角速度;ωc為變速器輸入軸/離合器從動盤角速度;ωv為變速器輸出軸/同步器從動端角速度;Je為發(fā)動機等效轉(zhuǎn)動慣量;Jm為電機等效轉(zhuǎn)動慣量;Jc為折算到變速器輸入軸的等效轉(zhuǎn)動慣量;Jv為換算至變速器輸出軸的等效轉(zhuǎn)動慣量;ig為變速器速比。

2.1.2 換擋控制策略

傳統(tǒng)AMT汽車在換擋離合器分離以后，雖然可利用發(fā)動機電子節(jié)氣門轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)減小離合器主、從動盤的轉(zhuǎn)速差，但電子節(jié)氣門響應(yīng)較慢，調(diào)速能力有限，對換擋品質(zhì)的改善效果不明顯。本文中研究的混合動力AMT汽車在發(fā)動機驅(qū)動模式下，動力耦合裝置中的濕式離合器一直處于接合狀態(tài)，行星齒輪機構(gòu)鎖止，ISG電機和發(fā)動機同軸布置，在換擋離合器分離以后，可采用ISG電機與發(fā)動機電子節(jié)氣門共同調(diào)節(jié)離合器主動端的轉(zhuǎn)速，這樣就可在離合器接合之前，將離合器主動端的轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)至目標(biāo)擋位的離合器從動盤轉(zhuǎn)速，減小離合器接合時主、從動盤的轉(zhuǎn)速差，提高換擋品質(zhì)。

基于上述思想，對該混合動力AMT汽車在發(fā)動機驅(qū)動模式下的換擋過程，采用了ISG電機和發(fā)動機電子節(jié)氣門聯(lián)合轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的換擋控制策略，下面分3個階段詳細(xì)闡述。

(1)離合器分離階段 當(dāng)AMT控制器發(fā)出換擋指令后，首先減小電子節(jié)氣門開度至發(fā)動機怠速開度，并迅速分離離合器，盡可能縮短分離時間。

(2)選擋和掛擋階段 離合器徹底分離后，進入選擋階段，由于該過程時間較短，可近似認(rèn)為車速不變。掛擋后速比發(fā)生變化，離合器主、從動盤間產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)速差，可通過ISG電機和電子節(jié)氣門聯(lián)合轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)快速減小離合器接合前主、從動盤間的轉(zhuǎn)速差。此時電機控制的目標(biāo)角速度就是掛擋后離合器從動盤的角速度ωtar，即

式中:ig(n+1)為新?lián)跷凰俦?r為車輪滾動半徑，m;vveh為車速，km/h。

電子節(jié)氣門控制的目標(biāo)開度就是發(fā)動機空載時，目標(biāo)轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的節(jié)氣門開度［7］?？深A(yù)先將節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)至目標(biāo)開度，以減小ISG電機的負(fù)載，提高控制的響應(yīng)速度。

(3)離合器接合階段 掛擋完成后，為縮短換擋時間，無論離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速是否一致，都必須開始接合離合器。此時須對離合器接合速度進行控制，以提高換擋品質(zhì)［9］。

在空行程階段，由于沒有轉(zhuǎn)矩傳遞，應(yīng)快速接合離合器;在離合器滑摩階段，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩可近似表示為

式中:μcl為摩擦材料的摩擦因數(shù)，Rcl為摩擦片平均摩擦半徑，Xcl為離合器接合行程，Z為摩擦副數(shù)目，Kcl為離合器線性近似剛度。

同時，為了滿足換擋品質(zhì)的要求，沖擊度須滿足以下約束條件:

將式(3)和式(4)帶入式(1)中，并結(jié)合沖擊度的定義，可得離合器接合速度的取值范圍為

式中:jmax為乘客滿意的沖擊度最大值，一般取德國推薦值10m/s3。

當(dāng)離合器接合速度滿足式(5)，就能保證在滿足沖擊度要求的前提下，控制離合器以較快速度接合，縮短滑摩時間，減小滑摩功。

在同步階段，離合器主、從動盤轉(zhuǎn)速差已經(jīng)很小，接合速度對車輛沖擊影響很小，應(yīng)加快離合器的接合速度，使之盡快完全接合。

2.2 2自由度混合驅(qū)動模式下的換擋控制策略

2.2.1 換擋過程動力學(xué)模型

在該模式下，系統(tǒng)具有2個自由度，發(fā)動機和電機以轉(zhuǎn)速合成的方式輸出動力，其換擋過程的動力學(xué)模型，如圖3所示。

根據(jù)動力學(xué)模型，可得換擋過程中傳動系統(tǒng)的動力學(xué)方程為

式中:Ts、Tr、Tc分別為太陽輪、齒圈和行星架的內(nèi)力矩;ρ為太陽輪與齒圈齒數(shù)比。

2.2.2 換擋控制策略

該混合動力汽車在發(fā)動機和電動機2自由度混合驅(qū)動模式下，動力耦合裝置中的濕式離合器處于分離狀態(tài)，行星齒輪機構(gòu)具有2個自由度，ISG電機和發(fā)動機以轉(zhuǎn)速合成的方式輸出動力。當(dāng)車輛在該模式下?lián)Q擋時，雖然也可采用ISG電機和發(fā)動機電子節(jié)氣門聯(lián)合調(diào)速控制策略，但這種方式存在離合器的分離和接合過程，換擋時間難以縮短。

通過對行星齒輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩特性分析可知，太陽輪、齒圈和行星架傳遞的轉(zhuǎn)矩始終成比例關(guān)系，太陽輪傳遞的轉(zhuǎn)矩取決于電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，齒圈傳遞的轉(zhuǎn)矩取決于發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，行星架的輸出轉(zhuǎn)矩即是變速器輸入軸的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)ISG電機輸出轉(zhuǎn)矩為零時，太陽輪上沒有轉(zhuǎn)矩，行星架上也沒有轉(zhuǎn)矩傳遞至變速器的輸入軸。因此，可利用行星齒輪機構(gòu)的這一特點，在換擋過程中不分離換擋離合器，以縮短換擋時間和減小換擋沖擊。

同時可通過ISG電機的主動調(diào)速控制來減小同步器的轉(zhuǎn)速差，減小同步器的磨損。

基于上述思想，提出了該混合動力汽車在發(fā)動機和電動機2自由度混合驅(qū)動模式下采用不分離換擋離合器的電機主動調(diào)速控制的換擋控制策略，其控制流程見圖4。下面分3個階段進行詳細(xì)闡述。

(1)當(dāng)車速達到換擋點時，首先減小發(fā)動機電子節(jié)氣門開度至發(fā)動機怠速開度，以減小發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，并控制電動機進入零轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，保證變速器輸入軸和輸出軸之間的齒輪嚙合力足夠小，以便于摘擋操作。

(2)摘擋后AMT進入空擋階段，此時變速器輸入軸與輸出軸的機械連接中斷，接近于空載。由于行星齒輪機構(gòu)具有2個自由度，發(fā)動機和電動機均可以進行調(diào)速控制，為了簡化控制，選取動態(tài)性能好的電動機單獨調(diào)速，同時控制發(fā)動機維持一定的轉(zhuǎn)速。通過電機轉(zhuǎn)速的主動調(diào)節(jié)，使變速器輸入軸轉(zhuǎn)速迅速達到同步轉(zhuǎn)速，其目標(biāo)角速度［10］為

同時，根據(jù)行星齒輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)速關(guān)系，可得到將變速器輸入軸角速度調(diào)節(jié)至目標(biāo)值時的電機角速度:

(3)當(dāng)變速器輸入軸轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，再次控制電動機進入零轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，待轉(zhuǎn)速完全同步以后，進行掛擋操作。掛入目標(biāo)擋位以后，逐漸恢復(fù)電動機和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，車輛以新?lián)跷恍旭偂?/p>

這樣，在不分離換擋離合器的條件下，通過ISG電機的轉(zhuǎn)速控制消除掛擋前后變速器輸入軸的轉(zhuǎn)速差，可減小換擋沖擊和同步器的磨損。

3 仿真分析

根據(jù)以上兩種工作模式下建立的換擋動力學(xué)模型和制定的換擋控制策略，利用Matlab/Simulink仿真平臺建立整車模型，進行換擋過程仿真分析。

3.1 發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下的換擋控制仿真

在發(fā)動機單獨驅(qū)動模式下，應(yīng)用本文中提出的換擋控制策略進行2擋升3擋的換擋過程仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可見，當(dāng)車速達到30km/h后，控制器發(fā)出換擋指令，節(jié)氣門開度減小，離合器快速分離。在選擋階段，電動機發(fā)出負(fù)轉(zhuǎn)矩，對離合器主動盤進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在掛入3擋后，離合器主動盤轉(zhuǎn)速已接近離合器從動盤轉(zhuǎn)速，此時開始接合離合器，離合器接合速度控制在最大沖擊度要求以下。當(dāng)離合器完全接合以后，使電動機的輸出轉(zhuǎn)矩變?yōu)榱?，同時逐漸增大節(jié)氣門開度，恢復(fù)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩。整個換擋過程引起的沖擊度最大值為7.7m/s3，滑摩功為40J，換擋時間約為0.82s。

在相同的初始條件下，采用傳統(tǒng)控制策略進行2擋升3擋的換擋過程仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可見，當(dāng)離合器分離以后，由于無電機參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，發(fā)動機響應(yīng)滯后，轉(zhuǎn)速下降較慢。掛入3擋后，離合器從動盤轉(zhuǎn)速迅速減小，當(dāng)離合器開始接合時，因主、從動盤的轉(zhuǎn)速差較大，須減小離合器接合速度，直到主、從動盤接近同步，再快速接合離合器。整個換擋過程引起的沖擊度最大值為14.5m/s3，滑摩功為163J，換擋時間約為0.98s。

通過仿真結(jié)果的對比可看出，與傳統(tǒng)換擋策略相比，該混合動力汽車在發(fā)動機驅(qū)動模式下采用電機和節(jié)氣門聯(lián)合轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的換擋控制策略能減小換擋沖擊、縮短換擋時間，減少離合器的磨損。

3.2 2自由度混合驅(qū)動模式下的換擋控制仿真

在2自由度混合驅(qū)動模式下，采用不分離離合器的電動機主動調(diào)速換擋控制策略進行4擋降3擋的換擋仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)車速降至40km/h時，控制器發(fā)出降擋指令，隨即發(fā)動機電子節(jié)氣門開度減小，電動機轉(zhuǎn)矩迅速下降為零，以便于摘擋操作。在空擋階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在怠速附近，電動機轉(zhuǎn)速上升，以調(diào)節(jié)變速器輸入軸轉(zhuǎn)速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變速器輸入軸轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，電動機轉(zhuǎn)矩再次降低為零，并進行掛擋操作。掛擋完成后，發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)矩逐漸恢復(fù)，車輛按3擋行駛。整個換擋過程引起的沖擊度最大值為6.3m/s3，換擋時間約為0.67s。

在相同的初始條件下，采用分離離合器的換擋控制策略進行4擋降3擋的換擋仿真結(jié)果見圖8。由圖可見，從換擋開始，先后經(jīng)歷了離合器分離、電動機和發(fā)動機電子節(jié)氣門聯(lián)合調(diào)速、掛擋和離合器接合4個階段，整個換擋過程引起的沖擊度最大值為9.4m/s3，滑摩功為35J，換擋時間為0.78s。

從仿真結(jié)果對比可以看出，在發(fā)動機和電動機2自由度混合驅(qū)動模式下采用不分離離合器的電動機主動轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)換擋控制策略，不存在離合器的磨損，能有效縮短換擋時間，減小換擋沖擊。

4 臺架試驗分析

4.1 臺架試驗系統(tǒng)

為驗證本文控制策略的有效性，搭建了如圖9所示的混合動力系統(tǒng)AMT換擋試驗臺。換擋離合器采用單片干式離合器，AMT變速器由5擋手動變速器加裝電控自動變速操縱機構(gòu)得到，操縱機構(gòu)包括離合器執(zhí)行機構(gòu)和選換擋執(zhí)行機構(gòu)。信號轉(zhuǎn)換箱將CAN信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，驅(qū)動器用于驅(qū)動三相交流伺服電機。慣性飛輪模擬整車質(zhì)量，測功機模擬車輛行駛阻力，升速箱用于提升轉(zhuǎn)速便于加載。T10F傳感器采集發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號，T4W3傳感器采集車輛輸出軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號。ECU、IPU和BCU通過CAN總線與HCU進行數(shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)試驗臺各參數(shù)的采集與控制。

4.2 發(fā)動機驅(qū)動模式下的換擋試驗

混合動力汽車在發(fā)動機驅(qū)動模式下采用電動機和電子節(jié)氣門聯(lián)合調(diào)速的升擋試驗結(jié)果如圖10所示。當(dāng)離合器徹底分離后，電動機發(fā)出負(fù)轉(zhuǎn)矩參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，動力源轉(zhuǎn)速迅速下降，很快接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速，減小了離合器接合時主、從動盤的轉(zhuǎn)速差，離合器接合階段的接合速度控制保證了輸出轉(zhuǎn)矩不發(fā)生大的躍變，減小了對系統(tǒng)的沖擊。

4.3 2自由度混合驅(qū)動模式下的換擋試驗

在發(fā)動機和電動機2自由度混合驅(qū)動模式下，采用不分離離合器的換擋策略進行降擋試驗的結(jié)果如圖11所示。在整個換擋過程中，首先將發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)至零，以便于摘擋。在空擋階段，通過電動機快速調(diào)節(jié)變速器輸入軸轉(zhuǎn)速至目標(biāo)值，掛新?lián)踔霸俅螌㈦妱訖C轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)至零，掛擋完成后恢復(fù)電動機和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，最終順利實現(xiàn)換擋，證明了不分離離合器換擋控制策略的可行性。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)某型混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作模式特點，對兩種典型工作模式下的換擋控制策略進行了研究。針對發(fā)動機驅(qū)動模式下的換擋過程，采用了電動機和發(fā)動機電子節(jié)氣門聯(lián)合調(diào)速的換擋控制策略;對于發(fā)動機和電動機2自由度混合驅(qū)動模式下的換擋過程，提出了無離合器分離的電動機主動調(diào)速換擋控制策略。

(2)仿真結(jié)果對比表明，與傳統(tǒng)AMT的換擋控制策略相比，本文提出的換擋控制策略能有效減小換擋沖擊和滑磨功，縮短了動力中斷時間。

(3)臺架試驗表明采用本文提出的換擋控制策略能有效提高混合動力AMT汽車的換擋品質(zhì)。

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