混動車輛變速箱油溫預估模型分析

吳光耀，李 偉，郭 靖，黃 喆

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司 產品規(guī)劃及汽車新技術研究院，廣東 深圳 518118）

汽車變速箱是汽車傳動系統(tǒng)中的重要部件，其主要功能是用來改變發(fā)動機扭矩和驅動輪的轉速范圍以適應各種不同路況的復雜行駛條件，如起步、加速、上坡等，同時還可以使發(fā)動機處于比較有利的條件下工作[1]。因此，變速箱的工作性能對整車傳動系的工作性能有著重要影響。通過各種研究和實踐發(fā)現(xiàn)，變速箱工作效率低下或者零部件損壞并不僅僅與變速箱各零部件結構有關，還與變速箱工作狀態(tài)下的內部發(fā)熱狀況有關。因此，變速箱熱平衡狀態(tài)對變速箱的工作性能有著重要影響[2-3]。

汽車變速器結構緊湊、傳遞扭矩較大、工況變化復雜，如果變速箱內部溫度過高會嚴重影響潤滑油的性能及零部件的使用狀態(tài)，進而影響變速箱的使用壽命及傳動效率[4]；同樣變速箱油的溫度過低，又會造成傳動效率低，對經濟性造成影響[5-6]。

隨著新能源汽車技術的發(fā)展，為減少變速箱在工作時齒輪嚙合產生的摩擦損失，變速箱的結構變動越來越集成化和簡單化。一些混動新能源車輛的變速箱擋位只有兩個擋位或者只有一個擋位，相比傳統(tǒng)變速箱，新能源變速箱的擋位少了很多，同樣的換擋動作會減少很多，所以擋位切換過程產生的熱量在混動車輛是不存在或者是可以忽略不計的；而且很多混動車輛和純電動車輛，為解決整車布置的問題，縮小機械器件所占的空間，將變速箱與驅動電機集成于一體[7]。

一些混動車輛的變速箱只有一個擋位，不存在換擋的工況，更沒有離合器。此變速箱油溫的升高主要是換擋過程中滑摩產生的熱量，當變速箱與發(fā)電機、驅動電機等集成于一體時，還要考慮電機本體的熱傳遞；此變速箱油溫的散熱主要靠風扇對油冷器的冷卻以及對變速箱油底殼的冷卻[8]。

1 油溫預估控制模型

混動車輛變速箱油溫的預估，行駛時的溫度預估是依靠油的流量、溫差產生的熱量和自然散熱綜合得到的；而車輛靜止時無油的流量，溫度的降低是依據(jù)自然冷卻散熱進行。

1.1 整車下電時的溫度預估

溫度預估模塊檢測到整車是否為整車下電的狀態(tài)，如果為整車下電狀態(tài)，如圖 1所示，則記憶下電時的時間和油溫。此時車輛的散熱是依靠和空氣的溫度差自然散熱的，變速箱進入自然冷卻狀態(tài)。此時的溫度預估策略為先計算溫度，溫差為下電時的油溫和當前車外溫度的差值。根據(jù)溫差查標定表確定當前油溫冷卻到大氣溫度所需要的時間TTRA，此表格是由溫差查找冷卻時間的一維表格。如果下電的時間超過該冷卻時間TTRA，則油溫等于車外溫度。如果車輛下電時間在TTRA時間之內，則根據(jù)溫差和下電時間查表確定下電后自然冷卻的溫度變化量，該表格是由溫差和下電時間所確定溫度變化量的三維表格，當前的油溫則等于下電時溫度減去下電后自然冷卻的溫度變化量。

圖1 變速箱油溫預估控制流程圖

1.2 整車上電時的溫度預估

當車輛不是處于下電狀態(tài)則整車處于工作狀態(tài)，變速箱也進入工作狀態(tài)。首先調取油溫初始化模塊，此模塊首先判斷當前車輛是否為該軟件的第一次上電，即指帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM）中是否有記憶的油溫值，如果沒有記憶的油溫值，則為第一次上電，如果有存儲的油溫值則不為第一次上電。如果該車輛為使用該軟件的第一次上電則初始化油溫T1默認為室外溫度，如果不為第一次上電，則初始化油溫T1等于TCOOL。

初始化油溫T1獲得后，進行一些基本量的計算。首先是溫差計算模塊，電機與油溫的溫差TMCUDIFF為電機溫度與油溫之差，發(fā)電機與油溫的溫差TGMCUDIFF為發(fā)電機與油溫之差，空氣和油溫的溫差TAIRDIFF為油溫與車外溫度之差。

再進入流量計算模塊，整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）判斷整車實際工作模式是否為電動車（Electric Vehicle, EV）模式，如果是則只進行驅動電機流量FMCU和油冷器流量FOIL的計算，否則不僅要進行驅動電機流量FMCU和油冷器流量FOIL的計算，還要進行發(fā)電機流量FGMCU的計算。其中驅動電機流量FMCU等于油泵流量與電機流量比例之積，發(fā)電機流量FGMCU等于油泵流量與發(fā)電機流量比例之積，油冷器流量FOIL等于油泵流量。

基本量計算完成后，就要考慮在整車運行過程中所產生的熱量。首先是電機工作傳遞給變速箱油的熱變化量TMCU。熱量的計算是通過溫差TMCUDIFF和電機流量FMCU查表確定的。此表格為溫差和流量所確定溫度變化量的三維表格，表格是通過試驗標定得到的。其中，標定的數(shù)據(jù)直接關系到預估溫度的準確性。發(fā)電機的工作也會產生熱量傳遞給變速箱，導致變速箱油溫的升高。發(fā)電機工作導致變速箱油溫的升高是通過溫差TGMCUDIFF和發(fā)電機流量FGMCU查表確定的。此表格為溫差TGMCUDIFF和發(fā)電機流量FGMCU所確定溫度變化量的三維表格，也通過嚴格的試驗獲取數(shù)據(jù)。

考慮導致變速箱油溫度升高的因素后，要考慮散熱因素導致變速箱油溫度降低的因素。首先是變速箱油通過油冷器傳遞給空氣的熱量。車輛在正常運行中如果達到一定溫度條件，風扇是會根據(jù)策略進行占空比的控制的，風扇的運行也會對油冷器的散熱起到作用。VCU首先根據(jù)散熱風扇的占空比查表確定等效車速當量，此表格是由風扇占空比確定等效車速當量的一維表格。那么最終的等效車速為真實車速與等效車速當量之和。再根據(jù)空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和油冷器流量FOIL查表確定熱量變化當量HCOOL，此表格為空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和油冷器流量FOIL所確定溫度變化量的三維表格，此表格數(shù)據(jù)的確定也是完全通過試驗精準獲取。然后根據(jù)空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和等效車速查表確定熱量變化當量系數(shù)，最后油冷氣散熱的熱量變化當量TOIL為熱量變化當量HCOOL與熱量變化當量系數(shù)乘積。

導致變速箱油溫度降低的因素還有變速箱油底殼的自然散熱。首先根據(jù)溫差TAIRDIFF查表確定自然散熱變化量HAIR，此表格為一維表格；然后根據(jù)空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和等效車速查表確定熱量變化當量系數(shù)，最終的自然散熱熱量變化當量TOIL為HAIR與熱量變化當量系數(shù)之積。

最終的變速油油溫即為產生的熱量變化量與散熱的熱量變化量之差，所以，變速箱油溫T=初始化溫度T1+電機油熱量變化當量TMCU+發(fā)電機油熱量變化當量TGMCU-油冷器熱量變化當量TOIL-自然散熱量TAIR，如圖1所示。

1.3 溫度預估保護

變速箱油溫度預估最后經過保護模塊輸出。如圖 2所示，保護模塊即保證變速箱的溫度是大于環(huán)境溫度的，也小于發(fā)電機溫度和驅動電機溫度。當預估溫度小于環(huán)境溫度時則等于環(huán)境溫度處理，當預估溫度大于驅動電機溫度或者發(fā)電機溫度時，則預估溫度等于相應的驅動電機溫度和發(fā)電機溫度。

圖2 變速箱油溫保護模塊

2 實測對比

為驗證混動車輛變速箱油溫預估模型和標定數(shù)據(jù)匹配的正確性，共測試了 3輛不同型號的混動車輛，按照城市路況、高速路況的道路分類進行測試，其中高速路況又分為正常駕駛和激烈駕駛的駕駛風格進行測試驗證。

圖3為常溫城市路況變速箱油溫實測溫度和預估溫度的對比，基本差值都在5 ℃范圍之內。

圖3 城市路況變速箱油溫實測對比

圖4為常溫高速路況變速箱油溫實測溫度和預估溫度的對比，基本差值都在5 ℃范圍之內。

圖4 高速路況變速箱油溫實測對比

圖5為高溫高速路況正常駕駛變速箱油溫實測溫度和預估溫度的對比，基本差值都在7 ℃范圍之內。

圖5 高溫高速路況正常駕駛變速箱油溫實測對比

圖6為高溫高速路況激烈駕駛變速箱油溫實測溫度和預估溫度的對比，基本差值都在9 ℃范圍之內。

圖6 高溫高速路況激烈駕駛變速箱油溫實測對比

綜上，通過不同路況，不同駕駛風格和環(huán)境的測試，變速箱預估油溫與實際溫度的誤差都在10 ℃以內，滿足變速箱控制對油溫的要求，符合預期。

3 結論

對于混動車輛只有一個擋位的變速箱，為了降低整車制造成本，通過建立變速箱油溫預估模型來預估變速箱油的溫度，通過實車標定后，并經過常溫城市路況、常溫高速路況、高溫下高速工況正常駕駛，高溫下高速工況激烈駕駛實測對比，預估溫度與實際傳感器測試溫度的溫差都在10 ℃范圍內，滿足整車控制需求。