一種混合動力專用變速器的控制方法

趙國強(qiáng)　孫明峰　喬運(yùn)乾　姜峰　史輝英

【摘? 要】針對2×3擋雙輸入AMT（重新開發(fā)，發(fā)動機(jī)2個擋、電機(jī)3個擋，只有2組換擋齒輪），即DHT系統(tǒng)，介紹混合動力專用變速器的控制方法，通過對發(fā)動機(jī)側(cè)擋位、電機(jī)側(cè)擋位、發(fā)動機(jī)扭矩和電機(jī)扭矩的協(xié)調(diào)控制，保證輸出扭矩的穩(wěn)定，解決AMT變速器換擋過程中的動力中斷過程，達(dá)到無動力中斷的換擋，增強(qiáng)動力性，提升駕乘舒適感。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的扭矩控制策略與未使用此策略時對比，前者車速上升，后者車速下降，解決了AMT的無動力換擋的問題。

【關(guān)鍵詞】DHT；AMT；控制策略；動力總成；動力連續(xù)

中圖分類號：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0019-03

A Control Method of Dedicated Hybrid Transmission

ZHAO Guo-qiang，SUN Ming-feng，QIAO Yun-qian，JIANG Feng，SHI Hui-ying

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】For the 2×3 gears double input AMT Transmission（redevelopment，two engine gears，two motor gears，only two groups shift gears），it is also named dedicated hybrid transmission（DHT）system，this paper introduces the control method of hybrid power transmission. Through the engine gear，motor gear，engine torque and motor torque coordination control，ensuring the stability of output torque. The method solves the power interruption process of AMT transmission shift，achieves the shift without power interruption，enhances the power performance，and improves the driving comfort. The test results show that the vehicle speed of the proposed torque control strategy increases，while the vehicle speed of the latter decreases，which solves the problem of non-dynamic shift of AMT.

【Key words】DHT；AMT；control strategy；powertrain；continuous power

混合動力系統(tǒng)的市場繼續(xù)擴(kuò)大，發(fā)展趨勢是純粹燃油發(fā)動機(jī)汽車將逐步全部混合動力化，目前開發(fā)新型專用混合動力變速器從性價比角度考慮就是一個好的捷徑，眾多主流汽車企業(yè)大力開發(fā)多種專用混合動力變速器也證明了這種趨勢。

專用混合動力變速器的定義是：通過集成一個或多個電動機(jī)到變速器中形成帶電動機(jī)的自動變速器系統(tǒng)，加上發(fā)動機(jī)輸入后即可實(shí)現(xiàn)混合動力驅(qū)動的功能[1]。

1? 整體設(shè)計方案

濰柴已完成第一代并聯(lián)式混合動力總成的自主開發(fā)，并開始進(jìn)行混聯(lián)系統(tǒng)的自主開發(fā)，但兩種技術(shù)路線的結(jié)構(gòu)、配置與市場同類產(chǎn)品基本相同，缺少創(chuàng)新性。

此次研究的混動技術(shù)，機(jī)械機(jī)構(gòu)以及控制邏輯不同于并聯(lián)或混聯(lián)的技術(shù)路線，通過全新開發(fā)的雙輸入AMT變速器以及空心軸電機(jī)，使動力總成在動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、成本等各方面都具有較強(qiáng)的競爭力，屬于濰柴的原創(chuàng)設(shè)計，具有換擋過程動力不中斷、換擋速度快、換擋次數(shù)少、效率高、氣耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。DHT的整車布置如圖1所示。

AMT是在傳統(tǒng)固定軸式手動變速器的基礎(chǔ)上，通過加裝自動換擋和離合器操縱機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的自動控制單元以實(shí)現(xiàn)自動變速功能。AMT仍屬于有級式變速系統(tǒng)，換擋時，首先要切斷動力系統(tǒng)傳遞至驅(qū)動輪的動力，一方面過長的換擋動力中斷時間會使車輛產(chǎn)生過大速度損失，影響車輛動力性和行駛平順性，另一方面，速度損失后重新加速車輛也需要消耗額外的燃油并增加排放，為此，動力傳動系統(tǒng)控制的一個首要問題就是盡量減小換擋時的動力損失并保證此時車輛不至產(chǎn)生過大的縱向沖擊和振動[2]。

變速器主要由傳動機(jī)構(gòu)和換擋系統(tǒng)組成。傳動機(jī)構(gòu)由多組不同齒數(shù)的齒輪副及齒輪軸等組成；換擋系統(tǒng)由外操縱機(jī)構(gòu)、內(nèi)操縱機(jī)構(gòu)和同步器組成，其主要作用是在汽車行駛過程中保證駕駛員準(zhǔn)確平穩(wěn)地完成摘擋或是掛擋的動作[3]。換擋系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

動力總成具有以下的優(yōu)點(diǎn)。

1）AMT變速器簡化擋位數(shù)量，用于發(fā)動機(jī)驅(qū)動的擋位只有2個，因此行駛過程中只有1次擋位變換，并且擋位變換時，電機(jī)直驅(qū)繼續(xù)輸出動力，避免了換擋過程造成的動力中斷和舒適性差的問題。

2）變速器在換擋時沒有選擋過程，并且電機(jī)處于變速器后端，變速器輸入軸沒有電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的影響，因此換擋時間更短。

3）變速器速比重新設(shè)計、電機(jī)全新開發(fā)，動力總成匹配程度好，電機(jī)電池采用高壓平臺，損耗小，有利于提升經(jīng)濟(jì)性。

4）新設(shè)計具有降低成本的潛力：①電機(jī)轉(zhuǎn)速提高、扭矩降低，采用高電壓平臺，電機(jī)成本降低；②AMT變速器簡化擋位數(shù)量（從并聯(lián)5組換擋齒輪簡化為2組），零部件數(shù)量減少，同時阻力降低、效率提高；③采用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。換擋機(jī)構(gòu)1所控制擋位為發(fā)動機(jī)、電機(jī)共用擋位，采用同步器結(jié)構(gòu)，換擋機(jī)構(gòu)2所控制擋位為電機(jī)專用擋位，采用滑套結(jié)構(gòu)。取消倒擋，由電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)倒車。換擋機(jī)構(gòu)1與2互相獨(dú)立，在1控制發(fā)動機(jī)換擋時，2可以控制電機(jī)工作在純電動3擋（直驅(qū)擋），由電機(jī)繼續(xù)輸出動力，從而動力不會中斷；換擋機(jī)構(gòu)1與2都沒有選擋過程，換擋速度快。DHT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2? 軟件控制策略設(shè)計

AMT車輛換擋過程中存在動力中斷，對換擋時間的控制是AMT控制的關(guān)鍵技術(shù)，換擋過程所需時間th的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

t_h=t₁+t₂+t₃+t₄+t₅

式中：t₁——離合器分離時間；t₂——摘擋時間；t₃——選擋時間；t₄——掛擋時間；t₅——離合器接合時間[4]。有的研究者將絕對動力中斷時間作為換擋時間。絕對動力中斷時間就是從摘擋開始到掛上擋為止，在該段時間里驅(qū)動動力源不向車輪傳遞任何轉(zhuǎn)矩[5]。由于換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為發(fā)動機(jī)側(cè)和電機(jī)側(cè)，獨(dú)立進(jìn)行操作，通過兩側(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)動力不中斷和換擋舒適性的提升，這是單執(zhí)行機(jī)構(gòu)AMT無法比擬的。為實(shí)現(xiàn)動力不中斷，需要在軟件的扭矩控制上實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)扭矩和電機(jī)扭矩的此消彼漲，即本文提供的方法。

純電時，電機(jī)側(cè)掛在1擋，行駛到16km/h（可標(biāo)定）時，進(jìn)行模式切換，電機(jī)保持1擋傳動比。

模式切換完成后，發(fā)動機(jī)介入，此時為1擋混合驅(qū)動，電機(jī)側(cè)為1擋，發(fā)動機(jī)側(cè)為1擋。

車速到達(dá)換擋點(diǎn)30km/h（可標(biāo)定）時，進(jìn)行換擋。此時，電機(jī)側(cè)先換到2擋，待發(fā)動機(jī)側(cè)換擋到2擋后，電機(jī)側(cè)再換回到1擋。換擋過程中，電機(jī)側(cè)換擋過程會進(jìn)行清扭等動作，將電機(jī)側(cè)清扭的扭矩補(bǔ)償?shù)桨l(fā)動機(jī)側(cè)，保持總的驅(qū)動扭矩不變，進(jìn)而保證了換擋過程動力不中斷。

車速繼續(xù)升高到55km/h（可標(biāo)定）時，電機(jī)側(cè)由1擋換到2擋，電機(jī)進(jìn)行直驅(qū)輔助高速行駛。

換擋過程中，如果突然制動，且電機(jī)不在擋，繼續(xù)執(zhí)行完該階段，再轉(zhuǎn)入制動能量回收模式；否則，電機(jī)直接轉(zhuǎn)入制動能量回收模式。離合器的狀態(tài)對電制動和機(jī)械制動的影響不大。

高速減速至10km/h（可標(biāo)定）后再加速，這個時候變速器需要進(jìn)行1、2次換擋，根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)推算大概有1秒多的換擋時間，此時動力響應(yīng)會有延遲，如果考慮駕駛員從踩制動切換至踩油門大概需要1s時間，因此動力響應(yīng)延遲不會太長，駕駛員應(yīng)該可以接受。

通過車速估算、擋位估計、戰(zhàn)略優(yōu)化、扭矩決策、發(fā)動機(jī)管理、電機(jī)管理等模塊對邏輯進(jìn)行判斷，輸出驅(qū)動扭矩。換擋協(xié)調(diào)模塊軟件流程如圖4所示，DHT的換擋過程主要包括清扭、摘擋、調(diào)速和掛擋階段，通過對應(yīng)階段的換擋電機(jī)的動作指令，可以控制DHT在不同的擋位，達(dá)到換擋的目的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制流程圖如圖5所示。

3? 臺架試驗(yàn)結(jié)論（數(shù)據(jù)分析）

1）正常模式行駛時，打開動力不中斷使能開關(guān)，在換擋過程中電機(jī)扭矩和發(fā)動機(jī)扭矩是此消彼長的關(guān)系，當(dāng)發(fā)動機(jī)扭矩降低時，電機(jī)扭矩會補(bǔ)償發(fā)動機(jī)扭矩的降低值，從而保持總的驅(qū)動扭矩值總體不變，反之亦然。正常行駛下的扭矩變化如圖6所示。

2）正常模式行駛時，打開動力不中斷使能開關(guān)，動力不中斷，車速上升。正常模式行駛的車速變化如圖7所示。

3）正常模式行駛時，關(guān)閉動力不中斷使能開關(guān)，在換擋過程中電機(jī)扭矩和發(fā)動機(jī)扭矩沒有進(jìn)行相互補(bǔ)償導(dǎo)致動力中斷。動力中斷時扭矩變化如圖8所示。

4）正常模式行駛時，關(guān)閉動力不中斷使能開關(guān)，車速變化如圖9所示，動力中斷，車速下降。

4? 結(jié)束語

通過對發(fā)動機(jī)扭矩和電機(jī)扭矩的此消彼長控制，使總的扭矩保持穩(wěn)定，達(dá)到動力不中斷的目的。通過對比車速可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過控制扭矩動力不中斷時，車速上升，當(dāng)動力中斷時，車速下降。

本項目順利完成DHT系統(tǒng)的軟件控制策略開發(fā)，并達(dá)到開發(fā)項目要求。通過對兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，完成發(fā)動機(jī)啟停功能、駐車充電、最大車速限制、模式仲裁與切換、擋位決策與換擋控制、能量回收、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等功能開發(fā)工作，并且在換擋過程中實(shí)現(xiàn)了換擋動力不中斷。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯? 楊? 景）