高效CVT混合動力驅(qū)動改進(jìn)運(yùn)行性能

Bernd－Robert H?hn Hermann Pflaum Claus Lechner Thomas Dr?xl

1 前言

由于能源的限制，機(jī)動性能要求提高，氣候變化和嚴(yán)格排放規(guī)定，道路車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性必需增高，而其排放必需降低。電驅(qū)動裝置被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這些目的的一個(gè)有前途的方法。另一方面關(guān)于內(nèi)燃機(jī)的效率僅有限度地進(jìn)一步改進(jìn)。然而用電池驅(qū)動的車輛到目前為止仍然不能與常規(guī)驅(qū)動的車輛在經(jīng)濟(jì)速度范圍行車和使用壽命方面競爭，以及電池留下大的不能解決的是再充電問題。從良好駕駛的觀點(diǎn)，原始能量消耗在電動車輛起促進(jìn)作用方面是不需要的，而且駕駛員未必可能減少他們關(guān)于乘坐舒適性和適用性方面的預(yù)期。

混合驅(qū)動傳動系綜合了內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它是一個(gè)改善總傳動泵效率并關(guān)聯(lián)到滿足用戶預(yù)期的適當(dāng)措施?；旌向?qū)動通過它獨(dú)特的運(yùn)行模式如能量回收制動，發(fā)動起?；騼?nèi)燃機(jī)在較高負(fù)載工作點(diǎn)換檔等實(shí)現(xiàn)節(jié)油。一臺合適的電動機(jī)還可以在不降低車輛性能的情況許可內(nèi)燃機(jī)縮小尺寸。

目前已經(jīng)推薦了幾種不同的混合驅(qū)動裝置，它們可以分為并聯(lián)，串聯(lián)和功率分支等結(jié)構(gòu)。并聯(lián)混合驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是利用適當(dāng)?shù)母郊友芯抗ぷ饔沙Ｒ?guī)傳動系中推導(dǎo)得出，避免重迭能量轉(zhuǎn)換，內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動軸之間一條電能線路達(dá)到低損耗。在市區(qū)駕駛條件下，相對低的電功率和小的能量貯存量足夠大地改進(jìn)了燃油經(jīng)濟(jì)性。但一臺小尺寸的電動裝置將要求內(nèi)燃機(jī)起動和停止頻率降低，這種干擾可以被駕駛員和乘客感知（Colven and Masterson，2004；Kuang，2006）。

最佳化的CVT回答了綜合效率和運(yùn)行的要求，用一大速比區(qū)間的雙排CVT可使內(nèi)燃機(jī)有效地運(yùn)行。一臺新型發(fā)動機(jī)起動方法確?？焖夙憫?yīng)和急速自由起動，完成低速至高速范圍間無牽引間斷換檔。本文提出傳動系，變速器和其控制的概念，還介紹了運(yùn)行性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及燃油消耗和總的能量平衡。

2 傳動系和變速器概念

自1993年，在München技術(shù)大學(xué)，由齒輪研究中心（FZG）和電傳動裝置研究所之間合作，已經(jīng)進(jìn)行了轎車混合動力傳動裝置的研究。在DFG（法國研究基金）的合作研究中心SFB365，開發(fā)和研究了Autark混合動力驅(qū)動裝置（H?hn等，2003）。繼承課題TFB38結(jié)果，改進(jìn)傳動系概念，依賴于優(yōu)化CVT混合驅(qū)動傳動系（圖1）。它的中心組成部分是一雙排無級變速器（ivi變速器），為一橫向前輪驅(qū)動，它基于一鏈CVT。它是用－1.9l軌道車用柴油機(jī)（88kW）和一永磁同步電機(jī)（14kW）驅(qū)動，由于該尺寸，該裝置歸類于輕型混合動力驅(qū)動。雙層能量儲存器（超級能量儲存器）可用的能量為220kJ，它比采用能量儲存的電池組提供了高的能量密度和循環(huán)壽命（Dupasquier等，2003）。一總控制器負(fù)責(zé)各種傳動系管理和變速器控制。采用一些工業(yè)合作者的支持，創(chuàng)立了整個(gè)傳動系的樣機(jī)，放到一個(gè)部件試驗(yàn)臺上運(yùn)轉(zhuǎn)，再把它集成到能道路試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)車輛上。

圖1 優(yōu)化的CVT混合動力驅(qū)動傳動系構(gòu)造圖Fig.1 Structure of the optimised CVT Hybrid driveline

該ivi變速器（圖2）具有14.2一個(gè)大的速比范圍，以便達(dá)到在電模式好的起動性能和內(nèi)燃機(jī)在高速有效運(yùn)行，圖3示變速器的運(yùn)動簡圖。CVT的帶輪安裝在兩輸入軸W1和W2上，它們用拉緊型（搖臂銷）鋼鏈連接。該CVT速比iCVT由轉(zhuǎn)速比確定，電機(jī)安裝在軸W2上，內(nèi)燃機(jī)通過濕式，液力促動多盤離合器LK可與軸 W1相連。軸 W1和W2分別以速比i13和i23通過斜齒輪驅(qū)動中間軸W3。功率流直接經(jīng)過這些相互同步嚙合的齒輪，液力作動離合器K1（位于W3）和K2（在W2上）。前轎差速器通過其他齒輪以終速比i34驅(qū)動。設(shè)有機(jī)械的反轉(zhuǎn)齒輪，因這里的反轉(zhuǎn)是用開關(guān)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)的。用電力驅(qū)動的泵來提供CVT和離合器LK的液體壓力，這樣可確保有效的油壓與內(nèi)燃機(jī)無關(guān)，而是可以按要求來調(diào)整泵的功率。

一般車輛起動進(jìn)行電控，然而車輛靜止時(shí)由內(nèi)燃機(jī)起動并可能采用LK起動離合器。例如對于爬陡峭高坡。離合器K與變速器嚙合組合成一低速范圍V1和CVT在速比2.42起動，即鏈在大直徑W1帶輪和小直徑W2上運(yùn)轉(zhuǎn)，電子機(jī)械和輸出間總傳動比為25.7。因此最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩82Nm對可接受的加速度是足夠的。

圖2 ivi變速器：樣機(jī)和CAD模型Fig.2 ivi transmission：pototype and CAD model

圖3 ivi變速器運(yùn)動簡圖Fig.3 Schematic of the ivi trans mission

根據(jù)駕駛員對功率要求，車輛速度在7km/h和20km/h之間起動內(nèi)燃機(jī)。這是采用一新型的動態(tài)發(fā)動起動方法完成的（Schlurmann和Schr?der，2006）。CVT變換速比很快趨向其范圍的另一端，軸W2包含電子機(jī)械的慣量使其減速（圖4）。飛輪作用產(chǎn)生一動態(tài)轉(zhuǎn)矩J·ω·，在電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動車輛時(shí)，它用LK同時(shí)嚙合轉(zhuǎn)移到內(nèi)燃機(jī)。噴射燃油立刻內(nèi)燃機(jī)達(dá)到一最小轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)在0.3s和0.5s間起動，而后發(fā)動機(jī)立即與變速器輸入速度同步。確保自發(fā)的功率有效性和起動沒有牽引間斷。

內(nèi)燃機(jī)起動后，它通過一固定速比i13·i14與驅(qū)動軸聯(lián)接，通過CVT再建立一功率流，K2必需接合而K1必需脫開，這種稱為高速范圍配置，獲得最大舒適性和性能的這種換檔過程也可以無間斷牽引下完成。這意味著K1和K2兩者必需暫時(shí)保持嚙合。當(dāng)它們兩者的轉(zhuǎn)速沒有差異時(shí)，兩離合器才有可能重迭換檔，只有一個(gè)CVT速比為0.413才提供這些條件。該速比涉及同步點(diǎn)iCVT，Syn，它是接近速比范圍較低邊界，且正常達(dá)到發(fā)動機(jī)起動要求CVT換檔界端。

圖4 動態(tài)發(fā)動機(jī)起動原理圖Fig.4 Principle of the dynamic engine start

3 用同步離合器動力換檔

由于控制偏差，保持CVT速比精確接近同步點(diǎn)，不可能使K1和K2接合。在動力換檔過程中如果該速比明顯偏離該點(diǎn)，內(nèi)部的功率循環(huán)將要發(fā)生，可能使變速器破壞，這些損失必需避免。設(shè)計(jì)在換檔軸套同步離合器的換檔輪齒具有根切，并自由齒輪避免未預(yù)期脫開（圖5）。由于這種特性，該離合器不可能在高轉(zhuǎn)矩下脫開。因此，必需確保離合器每次換檔，短時(shí)間內(nèi)由轉(zhuǎn)矩脫離才脫開，如果在小的區(qū)間以規(guī)定方向通過該同步點(diǎn)這是可能的（H?hn等2009a）。

理論研究和仿真表明，如果CVT速比由后同步（即iCVT＜iCVT，Syn）到前同步區(qū)別（iCVT＞iCVT，Syn）在總速比范圍約1%附近通過同步點(diǎn)可預(yù)期成功牽引換高檔。作用于離合器K2作動氣缸的接合壓力在達(dá)到同步點(diǎn)前是不夠的，K2主要在其鎖止位置直到同步環(huán)和自由齒輪之間轉(zhuǎn)速差為零，這基本上相同于一手動變速箱齒輪嚙合過程，僅僅不同的是轉(zhuǎn)速的同步不是因同步環(huán)上的磨擦轉(zhuǎn)矩而是由CVT速比外部強(qiáng)制造成的。它完全接合后，K2上轉(zhuǎn)矩立刻很快增加，在相同時(shí)間內(nèi)，CVT繼續(xù)換檔時(shí)，K2轉(zhuǎn)矩減少并其方向改變，該轉(zhuǎn)矩的零通過是采用脫開K1。測量CVT速比（由軸速度確定）是幾乎保持同步點(diǎn)始終在離合器搭接期間，因?yàn)樵谠撾x合器牽引力為正。由于換檔輪齒的撞擊，僅產(chǎn)生輕微故障。一旦變速器在高速范圍V2內(nèi)，CVT速比可用于自由選擇內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn)。

上述方法涉及作為換檔策略B，除牽引換高檔外，它還可以首先接合K1而后再接合K2用于換低檔慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。其次換檔策略A與換檔策略B僅在CVT換檔方向方面少許不同，速比通過同步點(diǎn)向下，即由前同步到后同步區(qū)間，換檔策略A是用于牽引換低檔并慣性運(yùn)行換高檔。在正常傳動條件下，這類換檔過程很少發(fā)生于ivi變速傳動，但是它證明是成功的。

圖5 K1在換高檔端脫開Fig.5 Disengaging K1at the end of an upshift

一個(gè)換檔控制程序在 MATLAB/Simulink/Staleflow內(nèi)并匯編完成的，快速控制樣機(jī)裝置，作用和整車控制器一樣。首次實(shí)際換檔工作是在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和小負(fù)載下在部件試驗(yàn)臺架（圖6）上進(jìn)行的，在不同的工作點(diǎn)得到多次重復(fù)的結(jié)果后，試驗(yàn)擴(kuò)展至瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和速度，并由實(shí)車試驗(yàn)證實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 在試驗(yàn)臺上優(yōu)化CVT混合動力驅(qū)動傳動系Fig.6 Optimised CVT Hybrid driveline on the test rig

和預(yù)期一樣在適度加速和制動工作時(shí)換檔，發(fā)現(xiàn)原始仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果間存在一些大的差異，在最佳CVT混合動力驅(qū)動傳動系，情況產(chǎn)生，在電力機(jī)械作用作為發(fā)電機(jī)（負(fù)轉(zhuǎn)矩）時(shí)，內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動車輛（正轉(zhuǎn)矩）。這樣可避免低效率的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)（負(fù)載變換）或充電超級電容器。開發(fā)換檔策略的實(shí)際情況是在采用兩輸入轉(zhuǎn)矩相反符號條件下不工作，這可以用仿真模型證實(shí)，但是不考慮初始狀況。該問題用修正換檔控制程序求解，在這樣方面，對各個(gè)牽引換檔過程電力機(jī)械的轉(zhuǎn)矩暫時(shí)由負(fù)增加到零，而內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩相應(yīng)于常變速器輸出轉(zhuǎn)矩減少。

因?yàn)橥近c(diǎn)位于靠近CVT速比范圍的邊界，它僅用一高帶輪夾緊力比來實(shí)現(xiàn)，在相同時(shí)間，傳遞高轉(zhuǎn)矩在兩帶輪上要求絕對高的夾緊力確保足夠安全的抗鏈的滑動。該最大的夾緊壓力由液壓系統(tǒng)限制為60bar，因?yàn)樗俦确秶鷰缀蜗拗圃虿豢赡軐?shí)現(xiàn)任意輸入轉(zhuǎn)矩。因此，對于動力換檔內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩暫時(shí)限制為110N·m。為補(bǔ)償由于該限制造成的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，如果必要可以增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩到它的最大值，這樣確保在驅(qū)動軸通過換檔過程有效轉(zhuǎn)矩達(dá)到1 500N·m。

除CVT和同步離合器控制器外，已經(jīng)開發(fā)了換高檔或低檔策略。關(guān)于換高檔，在大多數(shù)情況，發(fā)動機(jī)起動后，可以立刻自動檢測進(jìn)入CVT的功率流。在高速，例如換低檔，換檔到V2區(qū)間，也可感覺到電力驅(qū)動模式。此外如果已突然起動，內(nèi)燃機(jī)在太高速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，在車輛逐漸停止前，必須早點(diǎn)引發(fā)換低檔足夠使CVT回到其起動速比，這是用包含與車輛減速有關(guān)的換檔點(diǎn)的一個(gè)檢測表完成的。在突然車速在30km/h下全制動情況，時(shí)間直到停止完全不足以到降低檔到V1區(qū)間。內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低到零，這種情況脫開K2與通常的CVT速比無關(guān)，電機(jī)繼續(xù)無負(fù)載空轉(zhuǎn)，直到CVT達(dá)到起動速比。甚至車輛已經(jīng)逐漸停止，隨后它停止到可接合K1。

已經(jīng)找到強(qiáng)的但非極度的常態(tài)和‘應(yīng)急’制動換檔過程的制動情況，折衷方案，即縱向加速度在－3ms－2范圍內(nèi)。雖然有足夠時(shí)間去轉(zhuǎn)換K1和K2，但是換低檔和回到起動速比以后調(diào)整CVT到同步點(diǎn)時(shí)間太長。因此用牽引間斷接合K1前脫開K2進(jìn)行在這樣條件下?lián)Q檔工作。替代等CVT速比達(dá)到同步點(diǎn)，在間斷階段直到K1轉(zhuǎn)速差為零電機(jī)加速。該極短的總換檔時(shí)間，由CVT換檔時(shí)間和加速電機(jī)必需的時(shí)間組成，達(dá)到的CVT速比約為1。與正常的動力換檔不同，這樣的換低檔駕駛員和乘客都會感覺到顛簸。這點(diǎn)被認(rèn)為是舒適性較小的損害，而高的加速度無論如何也影響到舒適性。

圖7示實(shí)驗(yàn)車輛路試時(shí)牽引換高檔。最高圖線表示內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩，由發(fā)動機(jī)控制單元（ECU）記錄，關(guān)于軸W1與電機(jī)轉(zhuǎn)矩相等。第二線圖中繪制了在中心控制臺測出的車輛速度和縱向加速度曲線。最下面線圖顯示了CVT速比（在座標(biāo)上記下的最小范圍）和K1及K2換檔導(dǎo)套的相對位置。起先換檔過程開始，CVT速比保持在后同步范圍，電機(jī)轉(zhuǎn)矩由小的負(fù)值上升到零，在大約0.5s造成邊緣擾動下測量CVT速比。該速比再改變到同步點(diǎn)之上，并再上升，在0.62s，K2移動到它的鎖止位置。當(dāng)達(dá)到同步點(diǎn)時(shí)，鎖止影響消失，K2完全接合。而后嘗試脫開K1，繼離合器接合以后0.13s期間，這是一個(gè)典型的持續(xù)時(shí)間，經(jīng)測量表明車輛和速度保持在0.75ms－2和1.25ms－2之間。在其他工作點(diǎn)換檔質(zhì)量與本實(shí)例比較也可得到。

圖7 用實(shí)驗(yàn)車輛在路試由V1到V2區(qū)間牽引換高檔Fig.7 Traction Upshift from V1to V2range in aroad test with the experimental vehicle

4 動態(tài)發(fā)動機(jī)起動

必需克服內(nèi)燃機(jī)曲軸上的阻力矩，該轉(zhuǎn)矩要加速發(fā)動機(jī)包括加速雙質(zhì)量飛輪（總慣量JIC）由靜止達(dá)到軸W1的轉(zhuǎn)速。該起動轉(zhuǎn)矩通過多盤離合器LK（圖8）由變速器傳遞到發(fā)動機(jī)：

μ＝f（Δω）是與轉(zhuǎn)速差有關(guān)的離合器的摩擦特性，PLK是測出的液體壓力，A是摩擦表面面積，F(xiàn)S是摩擦盤用于分離的彈簧力，d是名義磨擦直徑，N是摩擦面數(shù)。一旦壓緊了摩擦盤組件，只有PLK和μ是可變的。采用兩維檢查表，對于離合器滑動情況表示式（2）TLK＝f（PLK，Δω）。用離心力造成的附加壓力由第二壓力腔液體補(bǔ)償，并在控制器內(nèi)不必考慮。轉(zhuǎn)矩TIC，ECU由ECU記錄，這只有離合器沒有滑動時(shí)才證明是有效的。

傳動系試驗(yàn)臺許可雙質(zhì)量飛輪和多盤離合器之間變速器的輸入轉(zhuǎn)矩。圖9發(fā)動機(jī)起動時(shí)轉(zhuǎn)矩估算和測量值的比較，兩數(shù)值大多數(shù)時(shí)間能很好的一致，但在0.8s滑動階段結(jié)束，估算值暫時(shí)偏離。首次噴射前后很短時(shí)間（峰值表明大約為0.6s）ECU轉(zhuǎn)矩精確保持正好為零，但它不很精確。在離合器上測量的轉(zhuǎn)速差還表明發(fā)動機(jī)開始起動，因雙質(zhì)量飛輪激勵(lì)造成明顯的波動。然而這對摩擦轉(zhuǎn)矩有一個(gè)小的影響。

圖8 多片離合器LK的橫截面圖（示意圖）Fig.8 Cross－Section（Schematic）of the multi－disc clutch LK

圖9 在試驗(yàn)臺架上發(fā)動機(jī)起動時(shí)離合器轉(zhuǎn)矩，壓力和轉(zhuǎn)速差Fig.9 Clutch torque，pressure and rotational speed difference during an engine start on the test rig

由于非線性和緩慢響應(yīng)特性，離合器轉(zhuǎn)矩難以用于作動可變，而且不適合發(fā)動機(jī)短時(shí)起動改正干擾。此外，為舒適一定向控制必需確保從摩擦轉(zhuǎn)矩到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩光滑轉(zhuǎn)遞。應(yīng)解決這樣一個(gè)問題，在發(fā)動機(jī)速度和溫度下進(jìn)一步測量發(fā)動機(jī)拖曳轉(zhuǎn)矩，同時(shí)對發(fā)動機(jī)起動的冷和熱要很好匹配。

軸W1的角加速度應(yīng)保持為常數(shù)，以便在發(fā)動機(jī)整個(gè)起動過程中保持車輛加速度為常數(shù)。除內(nèi)燃機(jī)和軸W2外，如果車輛質(zhì)量和整個(gè)傳動系慣量降低到軸 W1（Jred，W1），該軸的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

顯然經(jīng)過CVT驅(qū)動 W1的轉(zhuǎn)矩TCVT，W1必須補(bǔ)償，對于離合器轉(zhuǎn)矩也是可能的。用一個(gè)效率系數(shù)ηCVT以計(jì)算CVT損耗，它是速比，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。為了實(shí)際發(fā)動機(jī)起動，它發(fā)生在工作點(diǎn)的一個(gè)有限的范圍內(nèi)，ηCVT可假定為常數(shù)。對于軸 W2和電機(jī)的相應(yīng)平衡方程式（總慣量JW2，電轉(zhuǎn)矩 TE）為

由 W2傳遞到 W1轉(zhuǎn)矩TCVT，W2，因此

在括號內(nèi)第二項(xiàng)描述電機(jī)加速度與車輛加速度有關(guān)，不像第一項(xiàng)包含了CVT速比梯度，這部分沒有述及飛輪的影響。在軸W1，為起動發(fā)動機(jī)附加有用的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，這意味著：

大多數(shù)是在車輛加速狀況進(jìn)行發(fā)動機(jī)起動，因此，電機(jī)通常有一個(gè)少量的轉(zhuǎn)矩儲備，補(bǔ)償可能的牽引力損失。此外，為了保持固定的輸出轉(zhuǎn)矩直到發(fā)動機(jī)第一次點(diǎn)火，要求減少CVT速比增大TE。因此動態(tài)轉(zhuǎn)矩Tdyn，W1必須足夠起動發(fā)動機(jī)，而離合器轉(zhuǎn)矩TLK必須不超過Tdyn，W1。因?yàn)橛蒀VT換檔提供的總能量是有限的，故這種工況只能在很短時(shí)間間隔內(nèi)完成。由于CVT帶輪的幾何尺寸和最大液體流量限制了最大速比換檔速度diCVT/dt。它可表示為自身速比的函數(shù)，如圖10所示。動態(tài)轉(zhuǎn)矩的理論最大值接近于起動比，即在CVT換檔開始。該實(shí)際大典型值發(fā)生在十分之一秒以后，因?yàn)樗枰獣r(shí)間為液壓系統(tǒng)建立必需的流量，以及起動帶輪軸向移動。

此外，如方程式（6）所示，車輛慢速運(yùn)行（在V1區(qū)間ωW1與車輛速度成正比）快速換檔，必然產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩。換句話說，在高車輛速度下，需要CVT換檔，不必在開始速比下重新起動，因?yàn)樘峁┑淖銐虻膭討B(tài)轉(zhuǎn)矩和速比梯度小于可能的最大值。這可以用來快速響應(yīng)加速踏板的輸入。類似多盤離合器LK，CVT表示為非線和有關(guān)的慢響應(yīng)特性。

圖10 CVT換檔動力學(xué)Fig.10 CVT Shifting dynamics

比較在實(shí)際時(shí)精確確定CVT速比的幾種方法（圖11），它本身建議計(jì)算diCVT/dt作為其測量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。衍生出一噪聲信號（在下圖灰色曲線）將增強(qiáng)噪聲，因而要求低通過濾，實(shí)時(shí)過濾，在相關(guān)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動結(jié)果造成在同相位輸出換檔（陰影點(diǎn)劃線）。

圖11 在實(shí)際時(shí)間內(nèi)確定CVT速比梯度的不同的方法Fig.11 Different methods to determine the CVT ratio gradient in real time

為了滿足發(fā)動機(jī)起動控制，時(shí)間滯后10毫秒已經(jīng)變成不可接受了。根據(jù)觀察到的記錄測量數(shù)據(jù)但非真實(shí)時(shí)間可以計(jì)算出一非滯后的濾波信號（連續(xù)黑色曲線）。采用速比設(shè)置值（陰影曲線）代替測量值解時(shí)間滯后問題而甚至要求某些延誤。但是因?yàn)椴荒苷业礁蓴_數(shù)據(jù)缺乏重復(fù)性，導(dǎo)致有關(guān)數(shù)值不精確。預(yù)期一個(gè)真實(shí)的速比梯度是合乎最佳控制的需要，已經(jīng)為瞬態(tài)情況推薦了推型鏈CVT模型（例如Srivastava和Haque，2007），但還不能適應(yīng)我們對一高精度真實(shí)時(shí)間計(jì)算的需要。因此采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和培訓(xùn)使用測量數(shù)據(jù)模擬換檔動力學(xué)。根據(jù)作用于帶輪夾緊力的變化，在一給定的工作點(diǎn)，許可預(yù)測速比梯度（點(diǎn)劃線）（Schlurmann和Schr?der，2006），如果信號稍微滯后，它與實(shí)際速比梯度很好吻合，特別在速比換檔初始（高轉(zhuǎn)矩）階段。

在作動可變時(shí)，變速器輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，應(yīng)為常加速度發(fā)動機(jī)起動的最佳解決。該輸出轉(zhuǎn)矩可在試驗(yàn)臺架上反饋測量，但不是在試驗(yàn)車輛上。因此開環(huán)控制是用于第一級，考慮到上述多盤離合器和CVT的特點(diǎn)，最有前途的控制策略如下：

·離合器壓力PLK的開環(huán)控制，CVT速比iCVT作為預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)，在這方面TLK和Tdyn，W1幾乎相等。

·采用上述方法在實(shí)際時(shí)間內(nèi)估算實(shí)際的Tdyn，W1和TLK。

·采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩修正剩余差異，即

式中T＊E是車輛加速正常必需的參考轉(zhuǎn)矩（由加速踏板位置確定）。

采用整個(gè)傳動系詳細(xì)多體模型進(jìn)行設(shè)備控制器設(shè)計(jì)，選擇 MATLAB/Simulink和Simdriveline作為軟件外界條件，因?yàn)樗鼈冊S可把原始整車控制器集成部件變成沒有太多改變的模型。模型參數(shù)按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，以便對一大的工作點(diǎn)范圍和驅(qū)動位置得到精確的仿真結(jié)果。

車輛起步包括發(fā)動機(jī)和起動的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如圖12和13所示。傳動系在試驗(yàn)臺上進(jìn)行測量，其中包括兩個(gè)離合器轉(zhuǎn)矩（陰影黑曲線）和變速器輸出轉(zhuǎn)矩（連續(xù)黑曲線）。采用整車控制器的恰當(dāng)?shù)牟考妥鳛樵谌魏蔚胤蕉寄茉囼?yàn)的參數(shù)進(jìn)行仿真。在圖上方連續(xù)灰色曲線是由CVT速比離線按式（6）計(jì)算的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，該CVT速比本身在圖下方可以看到。為可以比較，所有表明的轉(zhuǎn)矩信息都與軸W1有關(guān)，該圖中部包含為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)矩建立（除影灰色曲線）在傳動系第一固有頻率輕微激勵(lì)開始測量。該實(shí)際在軸W2上馬達(dá)轉(zhuǎn)矩直到發(fā)動機(jī)起動保持為常量，根據(jù)轉(zhuǎn)矩由W2增大到W1和測得的CVT速比的變化造成明顯的波動。

圖12 加速踏板在60%位置車輛起步包括發(fā)動起動的仿真Fig.12 Simulation of a vehicle launch in cluding engine start at 60%accelerator pedal position

圖13 加速踏板在60%位置車輛起步包括發(fā)動加速的試驗(yàn)臺測量Fig.13 Test rig measurement of a vehicle launch including engine start at 60%accelerator pedal position

短短3s以后，速度達(dá)11km/h，CVT換檔開始，同時(shí)壓力作用于離合器。隨動態(tài)轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)轉(zhuǎn)矩開始減少，因?yàn)楣浪鉚LK低于Tdyn，W1，但是離合器轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩之間差值在離合器滑動階段始終較小，只需用電機(jī)作少量修正?？吹浇咏l(fā)動機(jī)速度，很明顯當(dāng)離合器轉(zhuǎn)矩已經(jīng)達(dá)到其最大值約100N·m時(shí)，發(fā)動機(jī)才開始運(yùn)轉(zhuǎn)。這是由于能量首先儲存在輔助的雙質(zhì)量飛輪的質(zhì)量中，接著通過彈簧傳遞到初級側(cè)。

加速階段0.4s以后，內(nèi)燃機(jī)與W1速度同步約1 300r/m，在低于1 000r/m燃油噴射已經(jīng)開始，甚至在完成起動過程以前阻轉(zhuǎn)矩已經(jīng)消失。這樣要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降，以避免激勵(lì)振動。在起動過程結(jié)束以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)光滑增大，在這種情況甚至進(jìn)入負(fù)的（發(fā)電機(jī)）區(qū)間。采用進(jìn)一步的開發(fā)和發(fā)動機(jī)起動控制器的試驗(yàn)可以使仿真和試驗(yàn)結(jié)果很好一致。一種改進(jìn)是采用輸出轉(zhuǎn)矩觀察器開發(fā)一個(gè)發(fā)動機(jī)閉環(huán)起動控制器（H?hn等2009b）。Goetz等（2005）已經(jīng)為雙離合器變速器推薦了類似方法。

5 燃油經(jīng)濟(jì)性和能量平衡

為詳細(xì)分析優(yōu)化CVT混合動力驅(qū)動的能量流和燃油消耗，在傳動系試驗(yàn)臺架（圖6）上進(jìn)行了不同的試驗(yàn)。在歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ECE）驅(qū)動環(huán)和最佳城市驅(qū)動循環(huán)（EUDC）期間測量出車輛速度曲線和許可的速度公差（灰線區(qū)）如圖14所示。由圖可見，試驗(yàn)臺的控制器繪出了很好的速度線圖，聯(lián)合電機(jī)功率（PE）曲線和內(nèi)燃機(jī)（PIC）繪出以下速度曲線。

如第4節(jié)所述，內(nèi)燃機(jī)只有在較高車輛速度下起動。在減速階段，制動能量由電機(jī)回收，并且只有在發(fā)電機(jī)功率不足或完全超載時(shí)才用來輔助制動。根據(jù)幾種邊界條件，車輛控制器通過總的最大的傳動系效率來選擇各部件的工作點(diǎn)。在低功率要求下，即在常速階段，車輛控制器選擇電機(jī)推進(jìn)，而內(nèi)燃機(jī)開關(guān)關(guān)閉，從而避免了內(nèi)燃機(jī)具有低燃油效率的部分負(fù)荷內(nèi)燃機(jī)工作。如果超載降低到確定極限以下的負(fù)載情況，內(nèi)燃機(jī)再開始起動。

盡管電驅(qū)動裝置尺寸?。↗?rg和Sch?der已詳細(xì)闡述，2008），在新的歐洲驅(qū)動循環(huán)（NEDC）中內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間僅45%，對這樣的循環(huán)，ECE和EUDC的工作時(shí)間組成為4∶1，確定最佳CVT混合動力驅(qū)動的總能量平衡（圖15）。柴油機(jī)的絕對燃油消耗為0.484kg，它相當(dāng)于5.271/100km 或53.5 mpg（UK）。制造商對批量生產(chǎn)車輛比較裝備相同內(nèi)燃機(jī)和6速手動變速器，相對可節(jié)約燃油達(dá)11%。部分驅(qū)動循環(huán)分析表明，在ECE循環(huán)中，燃油消耗為5.421/100km，在EUDC循環(huán)中，燃油消耗為5.221/100km，這樣相當(dāng)于在城市驅(qū)動（ECE）條件下有關(guān)節(jié)油約6%大于在EUDC的批量生產(chǎn)車輛，主要由于增加了重量（在樣機(jī)車輛內(nèi)約200 kg）。采用帶一個(gè)自動變速器的批量生產(chǎn)車輛作為參考，測量證明，在ECE燃油節(jié)約44%，在EUDC為5%，在整個(gè)NEDC為25%，電力推進(jìn)和采用CVT對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響除彼此外尚不能檢查，但pasquier（2004）的研究對這個(gè)課題提供了部分資料。

圖14 在標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動循環(huán)ECE（左）和EUDC（右）下車輛速度和功率曲線（電機(jī)PE，內(nèi)燃機(jī)PIC）Fig.14 Vehicle velocity and power curves（electric motor PE，IC engine PIC）during the standardised driving cycles ECE （left）and EUDC （right）

圖15 優(yōu)化CVT混合動力驅(qū)動在NEDC內(nèi)的能量平衡Fig.15 Energy balance of the optimised CVT Hybrid in the NEDC

優(yōu)化CVT混合動力驅(qū)動和批量生產(chǎn)車輛的內(nèi)燃機(jī)發(fā)生在ECE（左）和EUDC（右）的工作點(diǎn)的特性圖如圖16所示。根據(jù)一仿真模型確定批量生產(chǎn)車輛工作點(diǎn)（H?hn等2006），它明顯表明EUDC的大部分發(fā)動機(jī)是沿最佳燃油消耗率曲線工作。內(nèi)燃機(jī)相對效率（最小與平均燃油消耗率之比）達(dá)到約90%，對采用手動變速器的車輛為78%。在ECE循環(huán)，內(nèi)燃機(jī)效率對用最佳CVT混合動力驅(qū)動為84%，而對于批量生產(chǎn)車輛僅為43%，在車輛靜止階段，電力起步和回收制動停止內(nèi)燃機(jī)該結(jié)果則大大不同。

圖16 在ECE循環(huán)（左）和EUDC（右）對最佳CVT混合動力驅(qū)動（試驗(yàn)臺架測量）和批量生產(chǎn)車輛（6速手動變速器，仿真結(jié)果）內(nèi)燃機(jī)工作點(diǎn)Fig.16 IC engine operating points in the ECE cycle（left）and EUDC （right）for the optimised CVT Hybrid（test rig measurement）and the series－production vehicle（5－speed mannal transmissin，simulation results）

一個(gè)2.44MJ的電能加入52V的電網(wǎng)，它由電機(jī)，超級儲能器和高液壓組成。對于再推進(jìn)車輛采用1.08MJ，對為CVT和多盤離合器所供液壓采用0.55MJ。圖15還表明超級儲能器的高效率：充放電間僅損失0.1MJ，這相當(dāng)于效率系數(shù)為0.948。對于通常電驅(qū)動的車輛部件和低液壓電動泵（潤滑用）以及冷卻系統(tǒng)在車提供電功率是通過一雙向作動DC/DC變能器傳遞0.70MJ，12V電池僅作為緩沖之用。

在混合動力驅(qū)動車輛范圍方面，特別有趣的是注意大量的制動能量如何用電力機(jī)械去回收。為此目的，要計(jì)算在車輛制動階段發(fā)電機(jī)的電能（1.10MJ）和理論上要求的制動能量（1.95MJ）之間的比值，最大可能56%制動能量送回NEDC 52V的電網(wǎng)。

6 結(jié)論與展望

轎車的最佳CVT混合動驅(qū)動是一種并聯(lián)混合動力傳動系。它的核心元件是一具有大總速比新型的雙排CVT（ivi變速器）。采用兩同步離合器構(gòu)成并列的CVT控制，完成沒有牽引間斷的低速和高速范圍的換檔。車輛在運(yùn)行中采用新的方法起動內(nèi)燃機(jī)。用快速變換CVT速比，電機(jī)作為一飛輪驅(qū)動車輛，并通過一雙盤離合器把電機(jī)減速的慣量導(dǎo)致產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)傳遞到內(nèi)燃機(jī)。在這方面，隨車輛連續(xù)加速一脈沖自由發(fā)動機(jī)起動是可能的。這種動力換檔過程和動態(tài)發(fā)動起動已成功地在試驗(yàn)臺架和一實(shí)驗(yàn)車輛在滾道測功器上以及路試試驗(yàn)證實(shí)。它表明了高度可靠性和主觀良好的舒適性，雖然發(fā)動機(jī)起動例如通過閉環(huán)控制仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的趨勢。

進(jìn)一步研究的另一集中點(diǎn)是對換檔和起動舒適性的目標(biāo)估算，此外將詳細(xì)闡述動力換檔過程的仿真和其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較的檢測。

燃油經(jīng)濟(jì)性的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在城市交通驅(qū)動的條件下，與相應(yīng)帶手動變速器批量生產(chǎn)車輛相比較節(jié)油超過29%。這和上述仿真結(jié)果是一致的，并表明燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛操縱性能并不相互排斥。傳動系的電力和機(jī)械部件內(nèi)能量流的詳細(xì)分析顯示有損耗發(fā)生。這些研究結(jié)果可以作為未來混合動力驅(qū)動動力系的進(jìn)一步改進(jìn)的基礎(chǔ)。（劉青譯自Int.J.Vehicle Design，Vol.53，Nos.1/2，2010）

感謝

作者感謝DFG（Deutsche Forschungs gemein shft/German Research Foundation）和GM 歐洲動力系公司，IF Fviedrichshafen AG，IF Sachs AG 和EPCOS AG的財(cái)務(wù)和專業(yè)方面的支持。

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