汽車無級(jí)變速器控制技術(shù)發(fā)展綜述

孫賢安 仇 杰,2

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司技術(shù)中心，上海 201804；2.上海理工大學(xué)，上海 200093)

0 引言

汽車無級(jí)變速器(Continuously Variable Transmission，CVT)是一種自動(dòng)變速器，由于它是無級(jí)變速，理論上具有無數(shù)個(gè)速比，換擋平順。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線，在汽車運(yùn)行過程中CVT可以調(diào)節(jié)到任意匹配的轉(zhuǎn)速點(diǎn)位置，進(jìn)而達(dá)到最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。國內(nèi)外很多車型都配備了CVT。如何讓其充分發(fā)揮自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，更好地研發(fā)控制技術(shù)，是研究重點(diǎn)之一。

本文以CVT為研究對(duì)象，首先介紹了一種典型結(jié)構(gòu)，引出四大系統(tǒng)，分析其工作原理，將四大核心被控部件與四大系統(tǒng)串接起來；緊接著總結(jié)了CVT發(fā)展歷史，以及國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀。從控制技術(shù)角度，詳細(xì)闡述了四大件被控對(duì)象的控制目標(biāo)和控制機(jī)理，包括：液力變矩器(Torque Converter，TC)控制、前進(jìn)/倒檔(Drive/Reverse，D/R)離合器控制、鋼帶控制、液壓控制，并從整體角度，闡述了診斷控制的機(jī)理。最后，基于發(fā)展趨勢(shì)，從效率提升、系統(tǒng)控制、智能控制角度，對(duì)CVT控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行展望。

1 概述

1.1 工作原理

CVT典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為四大系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

圖1 CVT典型結(jié)構(gòu)Fig.1 CVT typical structure

機(jī)械系統(tǒng)元件包括：TC、D/R離合器、鋼帶和主/從動(dòng)帶輪，等。電氣系統(tǒng)元件包括：轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、油溫傳感器，等。液壓系統(tǒng)元件包括：油泵、電磁閥、滑閥，等?？刂葡到y(tǒng)元件包括：變速器控制單元(Transmission Control Unit，TCU)硬件、應(yīng)用層軟件、基礎(chǔ)層軟件，等。本文重點(diǎn)關(guān)注CVT控制，即控制系統(tǒng)中的應(yīng)用層軟件。

在CVT車輛的典型工況中，剛開始車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)駕駛員將換擋手柄從駐車檔(P)切換至行駛檔(D)時(shí)，D/R離合器結(jié)合。車輛從靜止過渡為起步狀態(tài)，隨著車速不斷增大，達(dá)到一定車速閾值，TC開始結(jié)合，同時(shí)，鋼帶開始移動(dòng)，進(jìn)而速比變化，達(dá)到CVT降速增扭的作用。在此過程中，液壓系統(tǒng)時(shí)刻在工作，相應(yīng)電磁閥在TCU控制指令作用下，控制對(duì)應(yīng)機(jī)械元件的動(dòng)作。

因此，可以看出，CVT有四大重點(diǎn)被控元件：TC、D/R離合器、鋼帶、電磁閥。

1.2 發(fā)展歷程

CVT發(fā)展歷程較長，最早起源于1886年[1]。在百余年的發(fā)展過程中，機(jī)械-液壓-電氣-控制技術(shù)都在不斷地進(jìn)步中。詳見表1。

表1 CVT發(fā)展歷程Tab.1 CVT development history

1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

技術(shù)研發(fā)方面，國際上，日本Doshisha大學(xué)很早就做了細(xì)致的理論推導(dǎo)和研究工作[2]。日本豐田Toyota公司開展CVT結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的研究[3]。美國通用GM公司也針對(duì)CVT進(jìn)行了研究[4]。德國博世Bosch公司在收購荷蘭VDT公司后，成為全球最大的鋼帶供應(yīng)商，致力于提升鋼帶效率[5]。德國舍弗勒Schaeffler公司選擇了鏈條作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)[6]。相對(duì)而言，國內(nèi)對(duì)CVT的研究起步比較晚。吉林大學(xué)[7]、重慶大學(xué)[8]、湖南大學(xué)[9]、同濟(jì)大學(xué)[10]等，都相繼開展了CVT控制技術(shù)研究。

產(chǎn)品應(yīng)用方面，國際上，日系車CVT產(chǎn)品非常普遍，日系三大汽車公司有不少車型搭載了；美系車也有不少搭載了CVT產(chǎn)品。在國內(nèi)市場(chǎng)，上汽乘用車公司在2018年10月推出了小扭矩CVT產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)完全自主開發(fā)，在多款車型產(chǎn)品中應(yīng)用。上汽通用公司搭載了中大扭矩CVT產(chǎn)品。很多整車廠也搭載了國際知名供應(yīng)商的CVT產(chǎn)品，如加特克Jatco、愛信Aisin、邦奇Punch等公司。還有一些國內(nèi)自主開發(fā)公司，如湖南容大、浙江萬里揚(yáng)公司，都有著自己的CVT產(chǎn)品，并在給整車廠供應(yīng)。

2 CVT控制技術(shù)

根據(jù)被控對(duì)象，可以將CVT控制技術(shù)分為TC控制、D/R離合器控制、鋼帶控制、液壓控制以及診斷控制這五方面。

2.1 TC控制

TC是以自動(dòng)變速器油為工作介質(zhì)，通過控制液力變矩器鎖止離合器(TCC，Torque Converter Clutch)的鎖止或解鎖來實(shí)現(xiàn)液力和摩擦傳動(dòng)的切換。TCC實(shí)質(zhì)上是對(duì)鎖止/解鎖時(shí)機(jī)和過程的控制。

鎖止/解鎖時(shí)機(jī)，會(huì)影響到整車油耗和NVH性能。若是TC鎖止車速過高，則整車油耗大；若是鎖止車速過低，TC無法過濾掉發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過來的振動(dòng)，可能會(huì)帶來整車共振等NVH問題。因此會(huì)增加滑摩控制，平衡駕駛性和燃油經(jīng)濟(jì)性。日本豐田Toyota公司在其新一代CVT設(shè)計(jì)中，通過提前鎖止時(shí)機(jī)及推遲解鎖時(shí)機(jī)，降低鎖止時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的飛升以及擴(kuò)大滑行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油區(qū)域，進(jìn)而改善燃油經(jīng)濟(jì)性[11]；文獻(xiàn)[12]在研究傳動(dòng)系扭振特性基礎(chǔ)上，結(jié)合TC本身液力特性，確定起步滑摩控制區(qū)域，并研究滑摩控制的算法。

鎖止/解鎖過程，會(huì)影響到整車的平順性。當(dāng)駕駛員踩下一定油門開度時(shí)，達(dá)到鎖止點(diǎn)，TC電磁閥開始給予一定電流，TCC開始結(jié)合，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速完全同步為止。鎖止過程分為3個(gè)階段[13]：第一階段為開環(huán)控制階段，通過逐漸增加TCC的目標(biāo)鎖止容量，快速消除發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速的速差。待速差降到一直閾值后，進(jìn)入第二階段，即閉環(huán)控制階段，該階段根據(jù)目標(biāo)速差與實(shí)際速差的偏差對(duì)目標(biāo)鎖止容量進(jìn)行修正，確保速差的平穩(wěn)消除。第三階段為速差同步后的鎖止容量快速增加階段，最終的TCC目標(biāo)鎖止容量可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行修正，需避免鎖止容量過大導(dǎo)致緊急踩制動(dòng)后解鎖不及時(shí)，或者鎖止容量過小而出現(xiàn)頻繁的結(jié)合以及分離。圖2是TC鎖止過程控制原理。

圖2 TC鎖止過程控制原理Fig.2 The control principle of TC engagement process

在鎖止過程中，如果出現(xiàn)駕駛員快松油門(圖3)，此時(shí)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩快速降低TCC的鎖止容量，避免出現(xiàn)鎖止容量過高導(dǎo)致的快速結(jié)合沖擊。與此類似，如果駕駛員在鎖止過程中快踩油門，此時(shí)也需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩適當(dāng)增加TCC的前饋鎖止容量，避免速差增加過多，縮短結(jié)合時(shí)間。

圖3 TC鎖止過程中松油門控制原理Fig.3 The control principle of tip out during TC engagement process

考慮到不同TCC扭矩特性TorqueMap的差異以及液壓系統(tǒng)壓力跟隨的偏差，TCC控制中會(huì)通過增加微滑摩功能，實(shí)現(xiàn)TorqueMap自適應(yīng)，克服硬件系統(tǒng)偏差，其控制原理如圖4所示。TCU在監(jiān)測(cè)到整車處于穩(wěn)定駕駛工況后，通過控制TCC的鎖止容量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定滑差，然后計(jì)算此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與目標(biāo)控制油壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，修正原特性，最終實(shí)現(xiàn)硬件特性偏差的自適應(yīng)控制。

圖4 TC TorqueMap自適應(yīng)控制原理Fig.4 The control principle of TC Torque Map adaption

2.2 D/R離合器控制

CVT D/R離合器結(jié)合主要集中在靜態(tài)等低速工況。如何快速平穩(wěn)地結(jié)合離合器，是難點(diǎn)之一。這是因?yàn)?，DR離合器控制與離合器摩擦片u-v特性、TC液力特性、液壓系統(tǒng)不同油溫的壓力響應(yīng)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制和扭矩響應(yīng)特性、以及動(dòng)力總成懸置等多方面因素相關(guān)，且低速工況下結(jié)合沖擊更容易被駕駛員感知，很難控制。很多論文都提及了快-慢-快的分段式控制[14]，或者采用了多種智能控制方法進(jìn)行控制[15-16]。但是，結(jié)合D/R離合器液壓和機(jī)械特性的控制算法開發(fā)，更為必要。

換擋手柄從P檔切換至D檔，離合器會(huì)從打開狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)合狀態(tài)，其控制原理見圖5?？紤]液壓特性，離合器結(jié)合的開始階段，設(shè)置預(yù)充油過程，這是為了讓離合器油腔內(nèi)先充滿油液，并克服回位彈簧的阻力及消除離合器摩擦副間的間距，控制離合器壓力處于半結(jié)合點(diǎn)位置附近，傳遞較小扭矩。第二階段是滑摩控制階段，該階段下，隨著控制壓力的逐漸增加，摩擦片間的摩擦力矩逐漸增大，直至轉(zhuǎn)速同步，該階段摩擦片u-v特性以及油液特性對(duì)滑摩控制影響較大，此階段對(duì)性能的影響也最為突出。第三階段為轉(zhuǎn)速同步后快速增加結(jié)合壓力至大于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩一定安全系數(shù)值，確保離合器壓死，由于轉(zhuǎn)速已經(jīng)同步，因此該階段對(duì)性能影響較小。

圖5 D/R離合器控制原理Fig.5 The control principle of D/R clutch

一旦在離合器鎖止過程中駕駛員踩油門，此時(shí)為了離合器能夠快速結(jié)合，減小滑摩功，發(fā)送降扭請(qǐng)求，待轉(zhuǎn)速接近同步后再快速恢復(fù)降扭請(qǐng)求，以便能夠快速響應(yīng)駕駛員的動(dòng)力需求。如圖6所示。

圖6 D/R離合器控制原理(TCU發(fā)送降扭請(qǐng)求)Fig.6 The control principle of D/R clutch(TCU torque reduction request)

2.3 鋼帶控制

從鋼帶被控對(duì)象角度，可以分為三方面：夾緊力控制(包括主動(dòng)帶輪PS和從動(dòng)帶輪SS)、換擋圖控制、速比控制。圖7是整體的鋼帶控制架構(gòu)。

圖7 鋼帶控制架構(gòu)Fig.7 The control structure of belt

2.3.1 夾緊力控制

鋼帶作為CVT動(dòng)力傳遞的部件，與傳統(tǒng)的齒輪傳遞方式不同，它在不同工況下都需要被夾緊，而夾緊力的選擇，非常關(guān)鍵。夾緊力過小，容易帶來鋼帶打滑現(xiàn)象；從鋼帶本身來講，原則上，全生命周期內(nèi)不允許出現(xiàn)一次打滑現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)，在錐盤表面留有打滑印記的微小凹痕，隨著鋼帶在錐盤的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，此凹痕會(huì)逐步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致鋼帶整體失效。夾緊力過大，意味著機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能損失，變速器效率低；過大的夾緊力，甚至?xí)?dǎo)致硬件異常磨損或疲勞斷裂，引起鋼帶失效[17]。

夾緊力控制，包括臨界夾緊力和安全系數(shù)計(jì)算。其中，臨界夾緊力計(jì)算，主要基于扭矩計(jì)算。對(duì)于常規(guī)工況，扭矩按照發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩及相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)件的慣量扭矩進(jìn)行正向計(jì)算。如公式(1)：

(1)

式中，Ps_threshold表示臨界夾緊力，F(xiàn)ax表示傳遞一定扭矩的最小軸向夾緊力，As表示油缸面積，Tin表示主動(dòng)帶輪缸的輸入扭矩，θ表示準(zhǔn)盤錐角，μs表示鋼帶與錐盤的摩擦系數(shù)，Rp表示主動(dòng)帶輪半徑。

對(duì)于特殊惡劣工況，如仍然按照正向計(jì)算，則會(huì)因?yàn)榇嬖谘舆t等因素造成較大偏差而引起鋼帶打滑。譬如制動(dòng)工況，加載在驅(qū)動(dòng)輪上的制動(dòng)力，在被路面附著力抵消一部分后，剩余制動(dòng)力均通過鋼帶系統(tǒng)反向傳遞至TC及發(fā)動(dòng)機(jī)等較大慣量件，因此該工況下要根據(jù)制動(dòng)扭矩加載情況及路面附著系數(shù)估算情況進(jìn)行反向計(jì)算。

安全系數(shù)計(jì)算，對(duì)鋼帶夾緊及傳遞效率影響較大[18-20]，要綜合考慮液壓響應(yīng)特性及油壓跟蹤精度、扭矩變化快慢及計(jì)算偏差、有無沖擊載荷等因素。

2.3.2 換擋圖控制

基于駕駛員意圖，綜合動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和駕駛性等因素，計(jì)算獲得目標(biāo)速比，實(shí)現(xiàn)降速增扭的目標(biāo)。換擋圖主要分為動(dòng)力性換擋和經(jīng)濟(jì)性換擋兩種。

由于CVT是無級(jí)變速，所以對(duì)于平順性有著較大的優(yōu)勢(shì)。為了滿足駕駛員手動(dòng)換擋的樂趣，可以設(shè)置手動(dòng)模式換擋。此外，為了滿足駕駛員對(duì)有級(jí)式換擋操作的熱衷，CVT也可以模擬有級(jí)式自動(dòng)變速器動(dòng)力換擋方式，給予駕駛員不同的駕駛體驗(yàn)。

2.3.3 速比控制

當(dāng)目標(biāo)速比確定后，接下來就要確保速比既快又好地跟蹤。速比控制，主要是實(shí)際速比對(duì)目標(biāo)速比的跟蹤，包括前饋控制和反饋控制[21]。

前饋控制，可以通過推力比特性獲得，包括穩(wěn)態(tài)推力比K0特性和動(dòng)態(tài)推力比Ki特性。其中，K0是主動(dòng)和從動(dòng)帶輪缸軸向夾緊力的比值，可以利用變速箱或鋼帶盒進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，通過穩(wěn)定速比一定時(shí)間，獲取不同情況下穩(wěn)定速比K0特性。Ki是主從動(dòng)平衡力之外的軸向力與速比變化率的比值[22]，同樣可以臺(tái)架測(cè)試，通過穩(wěn)定速比后的壓力階躍與速比變化率的關(guān)系，獲取不同情況下的Ki特性。

反饋控制，可以通過合理的控制理論加以實(shí)施，如根據(jù)鋼帶遲滯特性選擇抗積分飽和、變速積分、步進(jìn)式積分、帶死區(qū)PID等多種控制方式相結(jié)合的反饋控制[23]。

公式(2)、(3)、(4)，分別代表PS夾緊力、前饋力、反饋力的計(jì)算公式。

FPSRat=FFF+FFB

(2)

(3)

(4)

式中，F(xiàn)PSRat表示僅考慮速比控制時(shí)的主動(dòng)帶輪錐盤對(duì)鋼帶的目標(biāo)推力。FFF表示前饋控制推力。FFB表示反饋控制推力。FSSClmp表示從動(dòng)帶輪錐盤對(duì)鋼帶的推力。K0表示穩(wěn)態(tài)推力比，Ki表示動(dòng)態(tài)推力比。ditgt/dt表示目標(biāo)速比變化率。反饋控制中，KP表示P項(xiàng)參數(shù)，KI表示I項(xiàng)參數(shù)，KD表示D項(xiàng)參數(shù)。iact表示隨時(shí)間變化的實(shí)際速比。itgt表示隨時(shí)間變化的目標(biāo)速比。

2.4 液壓控制

液壓系統(tǒng)對(duì)于CVT而言，極其重要。一旦液壓系統(tǒng)出問題，譬如油壓過低，那么鋼帶就會(huì)有打滑風(fēng)險(xiǎn)，變速器有可能被損壞。液壓控制包括：電磁閥基礎(chǔ)控制、ML(主油壓)電磁閥補(bǔ)償控制。

電磁閥基礎(chǔ)控制，包括TC、D/R、PS、SS、ML電磁閥的控制，關(guān)鍵是基于液壓特性前提下的油壓跟蹤控制(可見圖8)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際油壓對(duì)目標(biāo)油壓的實(shí)時(shí)跟蹤。從系統(tǒng)角度，需要以下幾方面的控制保證。首先，在變速箱出廠檢測(cè)時(shí)，盡可能獲取精確的電磁閥壓力-電流特性曲線，這是前提條件，會(huì)涉及變速箱下線時(shí)的油溫、數(shù)采設(shè)備、測(cè)試流程等環(huán)節(jié)。第二，由于下線時(shí)只是某一溫度段的特性曲線，因此TCU軟件中需對(duì)這些電磁閥特性曲線，進(jìn)行多種補(bǔ)償，包括全油溫段、不同轉(zhuǎn)速區(qū)間等補(bǔ)償。第三，對(duì)于有壓力傳感器的電磁閥而言，采用實(shí)際油壓和目標(biāo)油壓的閉環(huán)控制，以提升兩者的匹配度。第四，在全生命周期內(nèi)，采用合理的自適應(yīng)控制，對(duì)耐久后的特性曲線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。通過這些方法，最終實(shí)現(xiàn)電磁閥實(shí)際油壓對(duì)目標(biāo)油壓的精確跟蹤控制，提高控制精度。

圖8 電磁閥壓力-電流控制原理Fig.8 The control principle of solenoid pressure-current

ML電磁閥補(bǔ)償控制，需要確保時(shí)刻不出主油路油壓異常問題，以及盡可能地高效控制。一般情況下，識(shí)別另外四個(gè)電磁閥目標(biāo)油壓的最大值，這是對(duì)液壓系統(tǒng)的最大油壓需求；在此基礎(chǔ)上，給予一定的補(bǔ)償量，確定ML目標(biāo)油壓。

2.5 診斷控制

CVT診斷控制非常重要。前述內(nèi)容提及，鋼帶全生命周期內(nèi)，只要發(fā)生一次打滑現(xiàn)象，變速器就很可能被損壞。因此，第一時(shí)間識(shí)別出潛在的故障現(xiàn)象，采取有效的診斷后處理控制方法，尤其重要。

以鋼帶液壓控制為例，是基于壓力傳感器做閉環(huán)控制[24]，有可能發(fā)生傳感器失效、也有可能發(fā)生液壓系統(tǒng)失效。但是兩者之間耦合度比較高，探測(cè)失效難度比較大，因此需要根據(jù)不同的失效形式采取不同的措施，以達(dá)到保護(hù)變速箱的目的。

傳感器失效，在實(shí)車中主要表現(xiàn)為短時(shí)間的快速跳變，但在信號(hào)正常時(shí)又短時(shí)間回到正常情況下，如圖9所示。從現(xiàn)象來看，可能會(huì)發(fā)生較長時(shí)間的信號(hào)異常、也可能會(huì)發(fā)生瞬間短期的信號(hào)跳變。從診斷監(jiān)控角度，時(shí)刻監(jiān)控信號(hào)的異常跳變情況，不間斷探測(cè)傳感器的失效。當(dāng)確認(rèn)探測(cè)到傳感器失效后，會(huì)激活相應(yīng)后處理，包括關(guān)閉液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制，以及激活目標(biāo)控制壓力的提高，保護(hù)硬件。

圖9 傳感器失效原理Fig.9 The lose effectiveness principle of sensors

液壓系統(tǒng)失效，在實(shí)車中表現(xiàn)為目標(biāo)壓力較穩(wěn)定時(shí)，傳感器信號(hào)緩慢下降，進(jìn)而壓差增大；當(dāng)目標(biāo)壓力提高時(shí)，傳感器信號(hào)表現(xiàn)為壓力有一定提高，但會(huì)較長時(shí)間存在壓差。如圖10所示。當(dāng)診斷控制探測(cè)確認(rèn)是液壓系統(tǒng)失效時(shí)[25]，則會(huì)激活相關(guān)后處理措施。后處理會(huì)根據(jù)實(shí)際壓力能傳遞的扭矩，激活相應(yīng)限扭，避免傳遞過多扭矩造成鋼帶系統(tǒng)損壞。

圖10 液壓系統(tǒng)失效原理Fig.10 The lose effectiveness principle of hydraulic system

2.6 實(shí)車試驗(yàn)

圖11是某款自主開發(fā)CVT車型的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括如下信號(hào)：駕駛員輸入信號(hào)(換擋手柄和油門踏板)、車速、轉(zhuǎn)速(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速)、速比、電磁閥電流(TC、D/R離合器、PS、SS)。

圖11 實(shí)車試驗(yàn)曲線Fig.11 On-board experiment curve

這是描述了駕駛員手柄切換過程中的D/R離合器控制、車速到一定閾值時(shí)的TC鎖止控制、速比不斷調(diào)節(jié)及夾緊的鋼帶控制、實(shí)時(shí)的電磁閥控制，同時(shí)診斷控制也在實(shí)時(shí)監(jiān)控這些變量的變化。

3 發(fā)展趨勢(shì)

節(jié)能環(huán)保、智能化是汽車開發(fā)的重要方向，尤其是汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。下面從效率提升、系統(tǒng)控制、智能控制三個(gè)角度來談。

3.1 效率提升

CVT傳動(dòng)效率提升，有助于整車油耗的降低?？梢詮娜矫鎭碇v，CVT控制技術(shù)本身、與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(EMS)協(xié)同控制、混合動(dòng)力CVT控制。

3.1.1 CVT控制

其余型式自動(dòng)變速器中，主要是換擋圖控制與整車油耗有相關(guān)性。而對(duì)于CVT而言，與整車油耗關(guān)系有著更強(qiáng)的相關(guān)性。分解來說，不僅僅換擋圖控制，還有夾緊力控制、DR離合器控制，都有一定影響。以夾緊力控制為例，假若夾緊力過大，鋼帶夾緊帶來的熱量損失較大，同時(shí)部分工況下，帶來主油壓ML偏大，造成油泵損失較大，這兩者都會(huì)影響整車油耗。綜合考慮，有如下優(yōu)化方案。

從TC控制角度，考慮盡早結(jié)合TCC，有利于減少攪油損失，提高動(dòng)力傳遞效率。

從D/R離合器控制角度，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算獲取離合器處的傳遞扭矩，進(jìn)而計(jì)算離合器所需壓力，而非一直采用最大壓力，有利于提升CVT傳遞效率。

從鋼帶控制角度，一方面結(jié)合換擋圖控制，通過速比的控制，讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作中高效區(qū)間內(nèi)，這也是充分發(fā)揮了CVT自身的優(yōu)勢(shì)；另一方面實(shí)現(xiàn)夾緊力最優(yōu)化控制，即在車輛不同運(yùn)行工況下，根據(jù)此時(shí)系統(tǒng)的傳遞扭矩，綜合計(jì)算各子系統(tǒng)的潛在偏差，以決定帶輪夾緊力，最終提升CVT效率。

這套系統(tǒng)目前只支持佳能和尼康系統(tǒng)，最大TTL工作距離能夠達(dá)到夸張的240米，而且如果覺得距離不夠的話，MiniTT1還能在無線電引閃模式下以最大365米的距離進(jìn)行工作。FlexTT5支持高速同步功能，最快能夠支持相機(jī)以1/8000秒的快門速度進(jìn)行引閃。除此之外，它還擁有很多高階功能，比如頻道切換等等。值得一提的是，通過內(nèi)置的USB口，這款產(chǎn)品還能與電腦相連進(jìn)行固件升級(jí)。

從液壓控制角度，時(shí)刻對(duì)主油壓ML進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，確保主油壓采用最小的油壓補(bǔ)償，有利于降低油泵負(fù)載，提高效率。

3.1.2 動(dòng)力總成協(xié)同控制

變速器控制，與發(fā)動(dòng)機(jī)控制是分不開的。所以尋求一種動(dòng)力總成協(xié)同控制方法，更為重要。

換擋圖控制方面，在制定經(jīng)濟(jì)性換擋圖時(shí)，就是要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)油耗特性。

速比控制方面，減少速比的頻繁動(dòng)作，以降低鋼帶磨損。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備扭矩不足時(shí)，CVT快速提升速比，以便整車獲得駕駛員需求動(dòng)力；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備扭矩充足時(shí)，CVT保持速比，由發(fā)動(dòng)機(jī)快速提升扭矩，以滿足需求動(dòng)力。

3.1.3 混合動(dòng)力CVT控制

將發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)結(jié)合起來，形成混合動(dòng)力汽車(HEV)，這是當(dāng)前動(dòng)力源的一種技術(shù)路線[26]。不少公司和機(jī)構(gòu)在研究搭載CVT的混合動(dòng)力車型，這樣可以最大限度地利用現(xiàn)有技術(shù)積累和產(chǎn)線資源，不用做太大的技術(shù)更改和投資，就可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

電機(jī)位置的選擇有很多種方式。電機(jī)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)和CVT中間，也可以在CVT后面，甚至可以布置在CVT里，不同的布置方式有著不一樣的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。以電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)和CVT中間為例，這種結(jié)構(gòu)型式下，在低速時(shí)可以充分發(fā)揮電機(jī)扭矩大而快的優(yōu)勢(shì)，采用純電動(dòng)模式，避開發(fā)動(dòng)機(jī)低效區(qū)域；在中速時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)模式，利用了此高效區(qū)域；在高速時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作的方式，形成更充分的動(dòng)力源。

3.2 系統(tǒng)控制

汽車行駛過程，是人-車-環(huán)境組成的系統(tǒng)[27]，如圖12所示。因此，要從系統(tǒng)角度考慮。

圖12 人-車-環(huán)境組成的系統(tǒng)Fig.12 The human-vehicle-environment system

駕駛員通過對(duì)周邊環(huán)境(路面/坡道/海拔等)的觀測(cè)/認(rèn)知/判斷，進(jìn)而控制汽車；同時(shí)他會(huì)通過油門踏板、制動(dòng)踏板和換擋手柄等對(duì)汽車進(jìn)行操縱，以實(shí)現(xiàn)人-車-環(huán)境系統(tǒng)的閉環(huán)控制。而TCU作為裝載在汽車中CVT系統(tǒng)里的一個(gè)部件，實(shí)時(shí)地獲取上述三方面的信息。

3.2.1 TCU控制與車

從車的角度，主要是TCU控制與變速器硬件的匹配控制。由于在生產(chǎn)制造過程中，變速器硬件會(huì)有一定的差異，而TCU軟件在研發(fā)過程中，需要考慮這些差異，通過控制來覆蓋這些硬件的一致性問題。同時(shí)，變速器硬件在使用過程中，隨著車輛里程的不斷增多，會(huì)有不同程度的磨損，進(jìn)而帶來一些物理特性的差異和變更，只要這些差異是在偏差容忍范圍內(nèi)，TCU控制需要覆蓋這些差異。由此，TCU控制會(huì)有很多自適應(yīng)功能，包括：換擋圖自適應(yīng)控制，TC自適應(yīng)控制，D/R離合器自適應(yīng)控制，液壓自適應(yīng)等等。

3.2.2 TCU控制與人

從人的角度，駕駛員輸入信號(hào)是TCU控制的輸入，也是人-TCU唯一的交互點(diǎn)。那么，可以從駕駛員輸入信號(hào)中，提取一定的特征變量，轉(zhuǎn)化TCU控制所需的變量，包括換擋圖控制和速比控制。從而讓TCU控制根據(jù)駕駛員的不同需求而變化，甚至對(duì)于同一輛車，由不同駕駛員行駛，可以達(dá)到不一樣的駕駛感受。

3.2.3 TCU控制與環(huán)境

從環(huán)境的角度，因素很多，非常復(fù)雜。以路面為例，以往很難對(duì)道路狀況進(jìn)行精準(zhǔn)且快速地識(shí)別。但隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，可以將車輛獲得的路面相關(guān)信息，直接發(fā)至TCU 中。這樣TCU很容易做出匹配性控制。比如冰面道路或者單輪涉水路面下，CVT鋼帶夾緊力需要做相應(yīng)變更，那么通過這些道路信息的識(shí)別，TCU控制可以精確識(shí)別，并快速做出響應(yīng)。

3.3 智能控制與大數(shù)據(jù)

當(dāng)前量產(chǎn)車型上，CVT控制，很多是查表控制，其中有一部分采用PID閉環(huán)控制。隨著控制器硬件資源成指數(shù)函數(shù)式的提升，未來運(yùn)算速度和運(yùn)算量已不再是問題。因此，可以嘗試將更多的先進(jìn)控制理論，譬如模糊控制[28]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，融入進(jìn)CVT控制中，早日真正走向產(chǎn)品化市場(chǎng)。

以駕駛員意圖識(shí)別為例，根據(jù)駕駛員輸入信號(hào)(油門開度、制動(dòng)踏板、方向盤轉(zhuǎn)角、換擋手柄等)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，建立模糊規(guī)則庫，構(gòu)建模糊控制器，這樣可以建立輸入信號(hào)與意圖識(shí)別的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而節(jié)約很多人為標(biāo)定和驗(yàn)證時(shí)間?；诖?，結(jié)合大數(shù)據(jù)，對(duì)這些模糊規(guī)則，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，進(jìn)行自學(xué)習(xí)，不斷調(diào)整模糊推理知識(shí)庫，以期獲取更為合理的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

此外，現(xiàn)階段，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的工業(yè)化應(yīng)用越來越多。提取CVT車輛運(yùn)行的特征數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)挖掘，可以對(duì)CVT零部件的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便對(duì)其進(jìn)行更有效的控制。

4 結(jié)語

(1)通過一種典型CVT結(jié)構(gòu)，介紹其工作原理；總結(jié)CVT發(fā)展歷程中的技術(shù)更新，以及國內(nèi)外產(chǎn)品研究和應(yīng)用的概況；

(2)基于CVT四大被控對(duì)象，分別從TC控制、D/R離合器控制、鋼帶控制、電磁閥控制以及診斷控制這幾方面，提出了CVT控制技術(shù)的思路和目標(biāo)；

(3)從效率提升、系統(tǒng)控制、智能控制三個(gè)角度，給出了CVT控制的發(fā)展方向。