基于CVT的輕度混合動力啟停技術(shù)

曹成龍，張飛鐵，岳有緣，羅 威，傅 兵

（1.湖南容大智能變速器股份有限公司，長沙 410205；2.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，長沙 410082）

隨著我國汽車保有量的逐年增加，日益嚴峻的環(huán)保形勢對汽車產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排提出了越來越高的要求。零排放的純電動汽車由于現(xiàn)有電池、電機等技術(shù)難題，目前來看，離大批量生產(chǎn)還有一段距離，而混合動力汽車由于在環(huán)保方面具有一定優(yōu)勢，是一個不錯的選擇。48 V輕度混合動力啟停技術(shù)，是一項投入不大，且易于推廣的節(jié)能減排技術(shù)。

啟停技術(shù)就是讓汽車在停止時發(fā)動機自動熄火，且在需要啟動時，立即啟動發(fā)動機并快速起步。48 V啟停技術(shù)，在傳統(tǒng)的燃油車基礎(chǔ)上改動不大，具有較大的成本優(yōu)勢，且能快速解決目前降低整車油耗和排放的問題。有關(guān)啟停技術(shù)的研究文獻也較多，徐小東等[1-2]對發(fā)動機怠速自動啟停系統(tǒng)進行了試驗研究，研究表明在循環(huán)工況測試中能大大減少排放和油耗，在實際擁堵的城市工況下，效果更為明顯，說明啟停系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。PRUCKA等[3]開發(fā)了怠速啟停系統(tǒng)，對發(fā)動機啟停系統(tǒng)開發(fā)進行了研究，綜合考慮了發(fā)動機、整車等系統(tǒng)集成。其它一些學(xué)者對啟停系統(tǒng)的研究也都主要基于發(fā)動機層面的考慮[4-9]。

CVT有著天然的駕駛舒適性及節(jié)能潛力，所以受到市場的青睞，但受制于國內(nèi)自動變速器技術(shù)的發(fā)展，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動變速器技術(shù)非常少，基于自動變速器的啟停技術(shù)研究更加稀少。因此，目前國內(nèi)自主品牌啟停系統(tǒng)主要集中在手動變速器車型上，而自動變速器車型啟停系統(tǒng)由于技術(shù)或者成本的原因，量產(chǎn)車型很少。本文基于國內(nèi)某量產(chǎn)CVT匹配車型，開發(fā)了基于CVT的啟停裝置，根據(jù)CVT液壓系統(tǒng)原理，設(shè)計計算電子油泵參數(shù)及選型。該電子油泵布置在殼體的主油路上，對CVT本體改動較少，降低了開發(fā)成本。由于自動變速器相對手動變速器來說，啟停系統(tǒng)控制策略比較復(fù)雜，需結(jié)合CVT本身的系統(tǒng)需求，如果CVT不滿足啟停條件，則啟停系統(tǒng)禁止激活。本研究根據(jù)駕駛員意圖、整車系統(tǒng)狀態(tài)、發(fā)動機啟停需求、CVT自動變速器傳動系統(tǒng)等條件，開發(fā)了基于CVT自動變速器啟停的協(xié)同控制器，確保滿足車輛的起步舒適性、車輛安全性、降低油耗和排放等需求，對自動變速器的啟停項目推廣起到了積極作用。

1 CVT啟停裝置原理及設(shè)計

CVT啟停裝置，首先從功能需求來看，CVT在發(fā)動機熄火狀態(tài)下，液壓系統(tǒng)的動力源油泵已經(jīng)停止工作，離合器壓力降為0，如果車輛快速起步，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩能力初始也為0。此時液壓動力建壓響應(yīng)滯后，不能滿足車輛立即起步的需求，解決這一問題有兩種可行方案：（1）在液壓系統(tǒng)油路增加大的蓄能器，該方案因蓄能器體積大，對本體布置改動較大，且對蓄能器泄露技術(shù)要求高，所以暫不采用。（2）在傳統(tǒng)CVT中加裝電子油泵，該方案對本體改動極少，且可以根據(jù)液壓系統(tǒng)流量需求改變電子油泵轉(zhuǎn)速，如圖1所示，集成的電子油泵加裝在殼體的油路上，大大簡化了機械設(shè)計并降低了成本。

圖1 CVT啟停裝置及電子油泵

CVT液壓系統(tǒng)如圖2所示，電子油泵布置在液壓系統(tǒng)主油路上，當機械油泵停止工作后，可由電子油泵提供液壓源。該液壓系統(tǒng)分三級油路，第一級到主動和從動帶輪液壓缸，電子油泵為帶輪液壓缸提供一定的小壓力，使得在啟動時，液壓缸油液預(yù)先充滿帶輪活塞缸，滿足啟動流量需求；第二級油路，為各個先導(dǎo)閥提供供給壓力，控制各個滑閥；第三級油路為潤滑冷卻等輔助油路，為離合器等提供液壓油。

圖2 CVT啟停液壓系統(tǒng)原理

2 啟停裝置參數(shù)制定

2.1 電子油泵排量

如圖3所示，根據(jù)質(zhì)量守恒定律， CVT變速時可利用的流量Qshift_av為油泵輸出的流量減去泄漏流量、離合器及變矩器所需流量及潤滑流量。

式中：Qpump為電子油泵總的流量輸出；Qleak為液壓系統(tǒng)總的泄漏量；Qaux為離合器和液力變矩器流量；Qlub為CVT金屬帶等潤滑系統(tǒng)所需要的流量。

圖3 CVT 流量需求

在車輛停止狀態(tài)，變速流量Qshift_av=0，Qaux=0，液壓系統(tǒng)總的泄漏量Qleak可通過總成測試得出泄露量，潤滑系統(tǒng)流量Qlub為目標設(shè)計流量，那么電子油泵總需求Qpump就很容易得出。

電子油泵排量：

式中：Vth為電子油泵排量；npump為電子油泵轉(zhuǎn)速；ηvol為油泵容積效率。

2.2 電子油泵功率設(shè)計

根據(jù)功率平衡原理，電子油泵的轉(zhuǎn)矩為：

式中：Tpump為電子油泵轉(zhuǎn)矩；Δppump為電子油泵建立壓力；Vth為電子油泵排量；ηhm為油泵機械效率。

發(fā)動機停機后，駕駛員起步，這時需滿足車輛能快速平穩(wěn)起步，即離合器需施加一定的壓力。根據(jù)怠速轉(zhuǎn)矩Tidle可計算離合器起步時的初始壓力：

式中：Tidle為怠速轉(zhuǎn)矩；μ為離合器摩擦因數(shù)；R為離合器摩擦片有效半徑；N為摩擦片個數(shù)；ntur為泵輪轉(zhuǎn)速；fc為油液離心系數(shù)；Fspring為離合器彈簧力；A為離合器活塞缸面積。

電子油泵的功率為：

2.3 電子油泵參數(shù)確定

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，確定滿足啟停裝置要求的電子油泵參數(shù)見表1。

表1 電子油泵參數(shù)

3 啟停系統(tǒng)控制策略

3.1 啟停系統(tǒng)功能需求

啟停系統(tǒng)的主要功能為：車輛停止時使發(fā)動機熄火，駕駛員起步時能快速響應(yīng)并啟動發(fā)動機，從而驅(qū)動車輛行駛。這也對啟停系統(tǒng)也提出了苛刻的要求，第一，要滿足舒適性要求，在發(fā)動機熄火和快速起步的過程中，不能額外產(chǎn)生較大的噪聲和振動。第二，為了滿足安全要求，啟停策略不能出現(xiàn)違背駕駛員意圖的邏輯或者意外停止起步。第三，能改善排放及油耗。

因此，啟?？刂破餍杩紤]各個部件的需求，進行協(xié)同控制，本研究定義該控制器為啟停協(xié)同控制器。該啟停協(xié)同控制器需考慮啟動響應(yīng)時間，如發(fā)動機噴射系統(tǒng)、啟動馬達、油門踏板和駕駛員意圖；需考慮車輛安全性，如發(fā)動機蓋位置、換擋桿手柄、坡道保持、制動真空助力以及門鎖安全帶等；需考慮整車能源狀態(tài)，如電池電壓等。

3.2 啟停系統(tǒng)控制邏輯

啟停協(xié)同控制器，包括發(fā)動機控制器（EMS）和CVT控制器（TCU）的握手協(xié)調(diào)，該握手確保TCU在不滿足CVT本身啟停需求時，能禁止任何啟停動作，同時，在激活啟?；虬l(fā)動機熄火之前，確保CVT離合器處于分離狀態(tài)。如圖4所示，啟停協(xié)同控制器應(yīng)滿足以下需求：（1）當發(fā)動機控制器EMS滿足啟停條件，發(fā)動機發(fā)送啟停請求信號給TCU。（2）當TCU接收到啟停請求后，TCU首先判斷CVT是否滿足啟停條件，如果滿足條件，則發(fā)送啟停禁止信號，同時將CVT離合器打開。（3）當啟停禁止信號為假，則發(fā)動機控制器激活啟停。

圖4 發(fā)動機熄火

發(fā)動機啟動策略：發(fā)動機能根據(jù)駕駛員意圖在任何時候重新啟動， 所以TCU任何時候都不能禁止發(fā)動機重啟，以免發(fā)生違背駕駛員意圖的安全事件。如圖5所示，此過程中，啟停禁止信號復(fù)位，發(fā)動機啟動達到目標發(fā)動機轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機啟停也復(fù)位。

圖5 發(fā)動機啟動

根據(jù)以上分析，進行啟停策略定制，如圖6所示。首先，對駕駛員意圖進行識別，包括啟停開關(guān)是否開啟，制動踏板是否踩下，車速降至4 km/h以下，為了減少擁堵工況下的頻繁啟停，也可以設(shè)置是否超過最高車速Vmax作為判斷條件等。然后對整車狀態(tài)進行評估，包括蓄電池電壓是否過低，空調(diào)壓縮機是否開啟，真空助力是否不足，發(fā)動機蓋位置或者門鎖安全帶等可成為可選項目。以上條件都滿足則EMS發(fā)送啟停請求信號，請求發(fā)動機熄火。

TCU對CVT狀態(tài)進行檢查，如圖7所示，包括：CVT速比是否回到最大速比，擋位是否在前進擋，變速器油溫是否在合理范圍，是否處于緊急制動工況，CVT是否存在故障等，如果以上條件都滿足，則TCU發(fā)送啟停禁止信號。

圖6 啟停策略

圖7 TCU 判斷是否滿足啟停條件

對于車輛停車后再起步的過程，兩個重要的評價指標是起步時間和起步平順性。由于車輛停止后，液壓系統(tǒng)只有電子油泵工作，建立很小的離合器壓力，此外，發(fā)動機啟動過程中，處于臨界狀態(tài)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動大，這對快速起步和保持車輛平順性造成了一定的困難，所以必須對離合器結(jié)合過程進行重新標定和測試，從而區(qū)別于正常的離合器結(jié)合過程，滿足駕駛員重新快速起步。

最后，協(xié)同控制器判斷發(fā)動機是否啟動成功，啟動成功則設(shè)置相應(yīng)的標志位。

4 啟停功能測試

如圖8所示，車輛在14.3 s，駕駛員踩制動踏板，車輛車速從10 km/h降到3 km/h，啟停協(xié)同控制器根據(jù)車輛情況判斷滿足熄火條件，發(fā)動機在17.3 s熄火；在24.6 s時，駕駛員開始起步，發(fā)動機重新啟動，并在26.6 s時車速開始從0變化，完成起步過程。

圖8 啟停功能測試

啟停系統(tǒng)除了滿足基本功能外，還需滿足駕駛的平順性和快速起步要求。圖9～11為啟停激活后，駕駛員在不同的油門開度下進行起步的工況。由圖可知，不同油門開度下，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩控制和CVT變速器離合器壓力控制都有所變化，這是為了適應(yīng)不同起步工況，避免起步時較大的振動或不舒適的主觀感覺。

啟停對駕駛性能的影響，主要體現(xiàn)在起步時間響應(yīng)上。車輛停止后，由于CVT主油泵停止工作，離合器液壓油卸荷到油底殼，如果沒有電子油泵輔助，則汽車重新起步后，離合器建壓滯后，影響車輛起步延時。對不同油門下的起步時間進行對比，由圖可知，在啟停激活工況下的車輛起步平均為2.1 s，與正常關(guān)閉啟停功能的起步時間（平均約2.0 s）相差不大，說明采用電子油泵啟停方案能很好地滿足駕駛員快速起步需求，不影響車輛正常駕駛性能。

圖9 啟停后，小油門起步

圖10 啟停后，中油門起步

5 經(jīng)濟性仿真計算

仿真技術(shù)能建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而進行動力性、經(jīng)濟性的仿真計算以及控制策略驗證，能有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本文將通過對整車模型進行啟停控制策略驗證和整車經(jīng)濟性優(yōu)化，為實車匹配提供理論指導(dǎo)。如圖12所示，包含啟停控制模塊、駕駛員模塊、發(fā)動機管理系統(tǒng)、TCU控制系統(tǒng)和CVT物理模型，為對比測試效果，在駕駛員模塊里設(shè)置NEDC仿真循環(huán)工況，對比有啟停和無啟停系統(tǒng)下的油耗數(shù)據(jù)。

圖11 啟停后，大油門起步

圖12 仿真模型

圖13為NEDC循環(huán)工況的仿真結(jié)果，圖中實線表示傳統(tǒng)車輛數(shù)據(jù)曲線，虛線表示增加啟停功能的曲線，在發(fā)動機冷車狀態(tài)，啟停功能未啟動，在200 s時，從第二個城市工況循環(huán)開始，啟停功能開啟，其中發(fā)動機停機的時間占總循環(huán)時間的18.96%，且主要集中在城市工況中。仿真結(jié)果顯示，原整車油耗為6.32 L/100 km，增加啟停功能后的整車油耗為6.0 L/100 km，油耗的降幅達5.06%。

圖13 仿真計算結(jié)果

圖14為NEDC循環(huán)中發(fā)動機的運行工況在萬有特性圖中的分布情況，對于停機工況，會大大減少油耗。

圖14 發(fā)動機工作點

6 循環(huán)工況實車測試

為驗證帶啟停功能的車輛對油耗及排放的貢獻，如圖14所示，在油耗排放測試臺進行了實車NEDC+ECE油耗排放測試。原車油耗測試為6.4 L/100 km，裝備啟停裝置后油耗為6.13 L/100 km，下降了4.2%，同時排放測試報告顯示，在ECE工況排放明顯降低，包括一氧化碳、碳氫化合物和非甲烷總烴等含量減少12%，如果在更為擁堵的實際城市工況下，汽車尾氣減排更為顯著。

圖15 循環(huán)工況測試

7 結(jié)論

本文以48V輕度混合動力為平臺，匹配CVT車輛，進行了怠速啟停系統(tǒng)的設(shè)計，為啟停系統(tǒng)制定合適的電子油泵參數(shù)。電子油泵參數(shù)定制后，開發(fā)了相應(yīng)的啟?？刂撇呗?，并進行了功能測試，為驗證啟停控制系統(tǒng)的效果，搭建了仿真模型。仿真結(jié)果表明，油耗降低5.06%，同時，對搭載啟停系統(tǒng)的車輛進行了NEDC循環(huán)工況實車測試，結(jié)果表明，車輛的節(jié)能及減排效果明顯，達到了啟停系統(tǒng)預(yù)期效果。通過該啟停技術(shù)的研究，可以實現(xiàn)車輛低成本節(jié)能減排。