家用乘用車檔位設(shè)置及檔位控制策略的研究

李家雄　黃振華　許聲堂

摘 要：本文首先分析討論了車輛檔位設(shè)置的類型和定義，明確討論內(nèi)容;然后提煉了車輛的狀態(tài)分類，規(guī)范研究方向;最后，利用列表法重點(diǎn)討論了搭載不同類型動(dòng)力系統(tǒng)的乘用車的檔位控制策略。本文研究結(jié)果有一定的普遍性，在進(jìn)行某一車型的具體匹配時(shí)，應(yīng)根據(jù)車型的開發(fā)需求具體分析，制定針對(duì)性的檔位控制策略。

關(guān)鍵詞：檔位 動(dòng)力系統(tǒng) 換檔策略 整車架構(gòu)

Research on the Gear Setting and Gear Control Strategy of Household Passenger Cars

Li Jiaxiong Huang Zhenhua Xu Shengtang

Abstract：This article first analyzes and discusses the types and definitions of vehicle gear settings， and clarifies the content of the discussion; then refines the vehicle state classification and standardizes the research direction; finally， using the list method， the article focuses on the discussion of the gear control strategies of passenger cars equipped with different types of power systems. The research results of this paper have a certain generality. When the specific matching of a certain model is carried out， a specific analysis should be made according to the development needs of the model， and a targeted gear control strategy should be formulated.

Key words：gear position， power system， shift strategy， vehicle architecture

1 引言

本文討論的家用乘用車，是指轎車、SUV、MPV等乘用車，區(qū)別于卡車，農(nóng)用車，特種汽車等商用車。檔位設(shè)置，狹義上是指汽車變速器的檔位設(shè)置，本文對(duì)車輛的檔位的定義在應(yīng)用對(duì)象方面進(jìn)行了拓展和類比。檔位控制策略，是給車輛的使用狀態(tài)設(shè)置合適的車輛檔位，從而使車輛在使用過程中滿足駕乘舒適性，操控性，動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。

隨著新能源汽車的崛起和擴(kuò)張，汽車動(dòng)力系統(tǒng)和整車控制策略日趨復(fù)雜化。車輛的檔位設(shè)置和檔位控制策略，是動(dòng)力系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)的銜接部分，對(duì)此進(jìn)行研究可以加深對(duì)整車控制架構(gòu)的了解，從而優(yōu)化整車架構(gòu)，不斷完善整車控制策略。

2 車輛檔位設(shè)置

人們提到汽車檔位時(shí)，一般都默認(rèn)指的是汽車變速器的檔位。本文討論的是整車的檔位設(shè)置和檔位控制，在這里對(duì)車輛檔位的定義作進(jìn)一步的拓展及定義，把車輛檔位分成以下三種類型：

1、整車檔位：車輛實(shí)際的狀態(tài)，倒如前進(jìn)，倒退，原地駐車等;

2、變速器檔位：變速器位于動(dòng)力源到車輪之間，是控制整車檔位狀態(tài)的關(guān)鍵零部件，變速器的檔位狀態(tài)可分為空檔，前進(jìn)檔，倒檔，駐車檔（自動(dòng)檔汽車）等;

3、換檔器檔位：換檔器的作用是把駕駛員的意圖及換檔動(dòng)作傳遞給變速器或整車，從而改變整車的實(shí)際狀態(tài)，并同時(shí)向駕駛員顯示整車狀態(tài)。換檔器檔位是指可從換檔器讀取到的檔位信息，換檔器的檔位信息可通過換檔器的機(jī)械狀態(tài)（例如換檔桿的位置）或信號(hào)狀態(tài)（例如點(diǎn)亮檔位字符燈）來識(shí)別。

3 車輛狀態(tài)分析

車輛狀態(tài)是指在外界輸入不變的情況下，車輛可長期保持的一種狀態(tài)。當(dāng)車輛處于某種狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為車輛的檔位也處一個(gè)固定的檔位。車輛狀態(tài)的分析和確認(rèn)是進(jìn)行車輛檔位設(shè)置和控制的前提。

一般的家用乘用車，行駛路況大多數(shù)是鋪裝路面，包括城市路況，鄉(xiāng)村路況，高速路況等以及少量的山路或壞路況。在整車耐久性，動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，底盤可靠性等功能開發(fā)時(shí)，需要針對(duì)這些工況對(duì)整車進(jìn)行匹配優(yōu)化。

但整車的檔位設(shè)置及檔位控制策略關(guān)系的其實(shí)是整車的動(dòng)力控制策略，在汽車行駛過程中，不管是上述的哪種路況，為了適應(yīng)行駛路況及駕駛員性格，車輛的檔位狀態(tài)都會(huì)處于一種不斷變化的狀態(tài)。因此，需要對(duì)汽車工況進(jìn)行進(jìn)一步的提煉及分類。

在本文的討論中，汽車穩(wěn)定狀態(tài)分為以下幾個(gè)類型：

1、原地駐車：車輛停在原地不動(dòng)，動(dòng)力源不工作;

2、原地怠速：車輛停在原地不動(dòng)，動(dòng)力源工作;

3、前進(jìn)行駛：車輛向前勻速或加速運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力源輸出;

4、前進(jìn)滑行：車輛靠慣性向前運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力源不輸出;

5、倒車行駛：車輛向后勻速或加速運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力源輸出;

6、倒車滑行：車輛靠慣性向后運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力源不輸出

以上狀態(tài)均包括帶坡度的路況。

4 檔位控制策略分析

在規(guī)范了車輛檔位設(shè)置和車輛狀態(tài)的定義后，下面進(jìn)行檔位控制策略進(jìn)行分析，按車輛動(dòng)力系統(tǒng)類型來進(jìn)行分類討論。

4.1 手動(dòng)檔車型

在手動(dòng)檔車型中，從換檔器到變速器之間為機(jī)械連接，變速器檔位和換檔器檔位是一致的。當(dāng)換檔器換到某個(gè)前進(jìn)檔時(shí)，假設(shè)為1檔，那此時(shí)變速器檔位也是前進(jìn)檔中的1檔，空檔和倒檔也是同樣的情況。比較特殊的是駐車檔，手動(dòng)檔變速器一般沒有駐車機(jī)構(gòu)，手動(dòng)檔車型的駐車檔為通過手剎控制車輪制動(dòng)來駐車，為了方便討論，把手剎也包含在廣義的換檔器里面。把車輛狀態(tài)、檔位設(shè)置進(jìn)行列表匯總，得到手動(dòng)檔車型換檔策略，如表1所示。

從表1中可以看出，車速為0時(shí)整車為駐車檔，變速器檔位則與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)變速器要為空檔，發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)則變速器檔位無要求，變速器檔位與整車檔位以及換檔器均發(fā)生分離。整車前進(jìn)或后退時(shí)，變速器為相應(yīng)的檔位或空檔，這樣換檔器檔位與變速器檔位一致，并同時(shí)與整車檔位發(fā)生分離。

由此來見，雖然手動(dòng)檔車型聽起來檔次不高，但其整車檔位控制策略仍有一定的復(fù)雜性。目前市場上反應(yīng)手動(dòng)檔車型檔位控制相關(guān)的故障較少，主要有兩個(gè)原因：一是手動(dòng)檔車型的檔位控制中樞是駕駛員的大腦，這比比任何自動(dòng)控制芯片都更靈活，更可靠，可快速響應(yīng)各種整車工況來進(jìn)行整車調(diào)整;二是因?yàn)槭謩?dòng)檔車型檔位控制相關(guān)部件均為機(jī)械連接，結(jié)構(gòu)簡單，容錯(cuò)率高，出現(xiàn)故障時(shí)往往駕駛員獨(dú)自即可進(jìn)行排錯(cuò)重啟，不需要到維修點(diǎn)或4S店，從而顯得故障少。

手動(dòng)檔車型控制策略變化少，大多數(shù)整車廠的整車開發(fā)重點(diǎn)為提升換檔舒適性。

4.2 自動(dòng)檔車型

在自動(dòng)檔車型中，由于電子換檔器的加入，換檔器與變速器之間的機(jī)械連接被切斷或部分切斷，整車檔位，變速器檔位，換檔器檔位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系開始發(fā)生化，典型的場景是，駕駛員把換檔器切換到D檔（前進(jìn)檔）位置，但此時(shí)駕駛員仍踩著剎車或沒有解除駐車開關(guān)，那整車控制系統(tǒng)會(huì)把變速器檔位切換到空檔。在這種狀態(tài)下，換檔器檔位為前進(jìn)檔，變速器檔位為空檔，整車檔位狀態(tài)為原地駐車，三個(gè)檔位狀態(tài)不一致。

在電子換檔器的應(yīng)用中，有的會(huì)集成駐車開關(guān)，有的仍單獨(dú)設(shè)置駐車開關(guān)，而駐車開關(guān)的應(yīng)用類型，也有控制變速器P檔駐車機(jī)構(gòu)，控制車輪制動(dòng)器，同時(shí)控制變速器P檔駐車機(jī)構(gòu)和車輪制動(dòng)器等多種類型。因此，在自動(dòng)檔車型的討論中仍單獨(dú)考慮駐車開關(guān)，檔位設(shè)置及控制策略見表2。

從表2中可以看出，自動(dòng)檔汽車在原地時(shí)較易發(fā)生檔位檔位分離，在前進(jìn)或倒車行駛過程中，出于安全考慮，可以通過軟件控制保證變速器檔位與車輛檔位一致。同時(shí)，由于后臺(tái)控制軟件的存在，在行駛過程中換檔器的重要性降低，行業(yè)上有的會(huì)采取鎖止手段，保證換檔器檔位也與整車檔位一致，有的會(huì)為了給駕駛員保持一定的操作感，仍然保持為可切換狀態(tài)，具體設(shè)置方式可參照整車定位和控制風(fēng)格實(shí)施。

4.3 新能源汽車

最近幾年，新能源汽車飛速發(fā)展，隨著汽車動(dòng)力源的變化，汽車的檔位及控制也發(fā)生了了相應(yīng)的調(diào)整。這里分別從純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車兩種類型進(jìn)行闡述。

首先是純電動(dòng)汽車，它的動(dòng)力源是電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它可以快速的進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換，可以通過控制電機(jī)反轉(zhuǎn)來代替變速器中的倒檔。另外，電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的啟停性能，也不需要跟內(nèi)燃機(jī)汽車一樣用復(fù)雜的變速器檔位來協(xié)調(diào)動(dòng)力源轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速的速差。因此，在純電動(dòng)汽車中，變速器的結(jié)構(gòu)大大簡化，成為固定傳動(dòng)比的減速器，變速器檔位在汽車檔位的討論中失去了意義，不列入討論。此時(shí)車輛的前進(jìn)、后退完全由電機(jī)實(shí)現(xiàn)，而電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向由換檔器及電機(jī)控制器控制。所以純電動(dòng)汽車也是換檔器檔位與整車檔位一致的類型（變速器檔位已忽略）。

具體換檔策略參見表3，變速器保持為固定檔位，整車檔位完全由換檔器檔位控制，在原地時(shí)不會(huì)發(fā)生檔位分離，而在前進(jìn)或倒車行駛過程中，檔位分離也跟自動(dòng)檔車型一樣僅出于操作性的考慮，影響不大。

然后是混合動(dòng)力汽車，由于電驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)雙動(dòng)力源，變速器結(jié)構(gòu)及整車驅(qū)動(dòng)形式都發(fā)生了復(fù)雜的變化，汽車檔位及檔位控制也相應(yīng)的復(fù)雜化：

1、兩驅(qū)車型且變速器只有一條動(dòng)力傳遞路徑：內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)及變速器都集成在一套動(dòng)力總成上，且整車只有一套動(dòng)力總成。此時(shí)檔位控制邏輯基本上跟自動(dòng)檔車型一樣，但會(huì)新增一個(gè)制動(dòng)能量回收工況。

2、兩驅(qū)車型且變速器有多條動(dòng)力傳遞路徑：內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)及變速器都集成在一套動(dòng)力總成上，且整車只有一套動(dòng)力總成。由于變速器有多條動(dòng)力傳遞路徑，每條動(dòng)力傳遞路徑會(huì)分別處于不同的狀態(tài)，此時(shí)再變速器檔位就失去了意義。排除了變速器檔位的話，整車檔位跟換檔器檔位會(huì)保持一致。

3、四驅(qū)車型：內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)及變速器都集成在一套動(dòng)力總成上，裝在整車前軸，整車后軸另外裝有一套電驅(qū)動(dòng)橋，由電機(jī)和減速器組成。此時(shí)比兩驅(qū)型混合動(dòng)力汽車又會(huì)新增一種檔位控制模式，整車檔位為前進(jìn)檔，變速器檔位是空檔，換檔器檔位為前進(jìn)檔，此時(shí)整車由后驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)，前橋處于發(fā)電狀態(tài)。

因此，在討論混合動(dòng)力車型檔位控制時(shí)，引入動(dòng)力總成狀態(tài)的概念，它介于變速器檔位狀態(tài)與整車檔位狀態(tài)之間，控制策略為從整車檔位狀態(tài)確認(rèn)動(dòng)力總成狀態(tài)，再確認(rèn)動(dòng)力總成內(nèi)的變速器檔位狀態(tài)。

表4整理了混合動(dòng)力四驅(qū)車型的整車檔位與總力總成狀態(tài)的分布。其中動(dòng)力狀態(tài)定義了駐車、發(fā)電、驅(qū)動(dòng)、空檔四種主要模式;其中驅(qū)動(dòng)模式下細(xì)分了前進(jìn)檔跟倒檔兩種狀態(tài)，發(fā)電分成發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電與反拖發(fā)電兩種狀態(tài)。由于后橋只有電機(jī)，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，所以后橋的發(fā)電狀態(tài)只有反拖發(fā)電一種。

從表4可以看出，除了前進(jìn)行駛時(shí)有單前橋驅(qū)動(dòng)，兩橋驅(qū)動(dòng)，前橋發(fā)電后橋驅(qū)動(dòng)，兩橋驅(qū)動(dòng)同時(shí)前橋兼顧發(fā)電四種狀態(tài)外，原地駐車、前進(jìn)滑行、倒車行駛、倒車滑行時(shí)的動(dòng)力總成狀態(tài)比較簡單，這主要是為了簡化控制邏輯和提高零件壽命。在這些整車檔位下，有些是長期狀態(tài)不變，不需要變更狀態(tài)，有些是狀態(tài)短暫，頻繁變動(dòng)狀態(tài)會(huì)電機(jī)、控制模塊等零件壽命，所以有必要進(jìn)行動(dòng)力狀態(tài)數(shù)量簡化。

混合動(dòng)力汽車節(jié)油原理主要有兩方面：一是減少在起步、急加速等發(fā)動(dòng)機(jī)效率狀態(tài)不高的工況下使用發(fā)動(dòng)機(jī)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體燃油效率;二是直接用電驅(qū)動(dòng)代替發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直接減少燃油消耗。這兩種節(jié)油原理均要保證電動(dòng)機(jī)能正常工作，所以混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成都必須保留發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電的模式。在整車電量充足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以響應(yīng)整車行駛的驅(qū)動(dòng)需求為主，若整車電量不足，則進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電模式給電池充電，并兼顧整車行駛需求。在整車行駛過程中，系統(tǒng)需要保持對(duì)整車電量的監(jiān)控，在電量不足時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電充電。

除了表4列出的動(dòng)力總成狀態(tài)和整車檔位狀態(tài)，還需要制定變速器檔位狀態(tài)和換檔器檔位狀態(tài)的控制策略。在動(dòng)力總成狀態(tài)確認(rèn)后，變速器即可根據(jù)動(dòng)力總成狀態(tài)和變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，切換變速器的檔位。所以在混合動(dòng)力車型中，需要一個(gè)變速器控制模塊TCU來控制變速器檔位，另外還有一個(gè)混合動(dòng)力控制模塊HCU來控制整車的動(dòng)力總成狀態(tài)。

在混合動(dòng)力車型中，變速器檔位由動(dòng)力總成狀態(tài)確認(rèn)，汽車駕駛狀態(tài)更多與動(dòng)力總成狀態(tài)相關(guān)，所以換檔器檔位的控制邏輯需要改為與動(dòng)力總成狀態(tài)對(duì)應(yīng)。此時(shí)比較特殊的是空檔的設(shè)置，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力車型在起步時(shí)為電驅(qū)動(dòng)，不需要單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，所以動(dòng)力總成狀態(tài)中沒有空檔的的狀態(tài)。但仍不建議在換檔器檔位中取消空檔的設(shè)置，一方面是為了保持與其他動(dòng)力車型的一致性，降低駕駛更換駕駛車型的難度，另一方面是增加D/R切換的特殊性，增加提醒效果，提高安全性。同時(shí)，整車架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也可根據(jù)整車需要在空檔位置設(shè)置需求的其他功能。

5 結(jié)語

從原始的內(nèi)燃機(jī)手動(dòng)檔車型到最新的混合動(dòng)力車型，汽車的動(dòng)力總成技術(shù)越來越先進(jìn)，越來越環(huán)境友好，硬件結(jié)構(gòu)和控制方法也越來越復(fù)雜。但得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽車越來越智能化，對(duì)駕駛員的駕駛技術(shù)要求反而是越來越低的。汽車檔位控制作為汽車人機(jī)交互的第一界面，在汽車開發(fā)上的角色也越來越重要。在進(jìn)行整車架構(gòu)開發(fā)和控制策略開發(fā)時(shí)，汽車開發(fā)工程師必須從整車功能定位、市場需求、硬件技術(shù)基礎(chǔ)等方面統(tǒng)籌考慮，尋找最適當(dāng)?shù)臋n位控制策略。

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