混動專用變速箱DHT離合器故障處理策略研究

代顯軍 陳景俊

(聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

0 引言

混動專用變速箱DHT是目前國內(nèi)外應(yīng)用的比較廣泛的一類混動變速箱，它高度集成了發(fā)電機、驅(qū)動電機、動力耦合裝置、換擋裝置等，與傳統(tǒng)的Add-On混動變速箱相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、模式多樣、綜合性能優(yōu)異等優(yōu)點。當前主流研究多集中在DHT的拓撲結(jié)構(gòu)[1]，工作模式[2]及能量管理方面[3]，和DHT故障處理相關(guān)的研究論文尚少。本文基于典型的串并混聯(lián)DHT，結(jié)合其動力耦合裝置離合器功能，設(shè)計了離合器故障處理策略并進行了實車驗證。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的故障處理策略能最大程度地保證車輛在不停車條件下仍然安全跛行回家。本研究可為DHT混動系統(tǒng)設(shè)計及離合器故障處理功能的開發(fā)和試驗研究提供參考。

1 DHT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及離合器控制

1.1 DHT基本結(jié)構(gòu)

典型的DHT基本結(jié)構(gòu)示意如圖1所示：主要由發(fā)電機、驅(qū)動電機、動力耦合裝置、換擋裝置等組成。其中動力耦合裝置最典型的為濕式離合器(串并混聯(lián)DHT/Serial-Parallel DHT，以本田iMMD[4]為主要代表)和行星齒輪(功率分流DHT/Power Split DHT，以豐田THS[5]、通用Voltec[6]為主要代表)。換擋裝置能形成多個固定速比將發(fā)動機或驅(qū)動電機扭矩放大后作用到輸出端。

圖1 DHT基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of DHT basic structure

基于DHT動力耦合裝置的不同，兩種典型的DHT對比如表1所示，從表中可以看出：與功率分流DHT相比，串并混聯(lián)DHT在達到相同性能的條件下，具有專利壁壘低、控制相對簡單、可推廣性容易等優(yōu)點。

表1 兩種典型的DHT對比Tab.1 Comparisons of two classic DHT

1.2 DHT工作模式及離合器控制

基于上述DHT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以最典型的串并混聯(lián)單檔DHT為例進行研究，根據(jù)動力源及離合器的狀態(tài)不同，其工作模式如表2所示，動力系統(tǒng)能量流如圖2所示。

表2 串并混聯(lián)單檔DHT工作模式Tab.2 Working modes of serial-parallel DHT with one single gear

圖2 串并混聯(lián)單檔DHT能量流Fig.2 The power flow of serial-parallel DHT with one single gear

基于DHT的工作模式及能量流，其控制器HTCU(Hybrid Transmission Control Unit)需要響應(yīng)來自整車控制器VCU(Vehicle Control Unit)的離合器目標控制指令(結(jié)合、分離)和目標傳遞扭矩請求，并結(jié)合壓力傳感器采集的實際離合器油壓，精確快速控制離合器的結(jié)合及分離，并實時反饋離合器的實際狀態(tài)，離合器可用狀態(tài)及故障處理請求。

當VCU決策目標模式為并聯(lián)時，會發(fā)送離合器結(jié)合請求給HTCU，HTCU需要控制離合器快速結(jié)合。當離合器兩端速差低于一定值且離合器壓力大于最小穩(wěn)態(tài)壓力時，會反饋結(jié)合狀態(tài)給VCU，此時車輛可切換到并聯(lián)模式。

在并聯(lián)或純發(fā)動機模式，VCU會基于系統(tǒng)效率最優(yōu)，將駕駛員需求扭矩分配給發(fā)動機和驅(qū)動電機。此時為了傳遞發(fā)動機扭矩，VCU需要發(fā)送離合器目標扭矩給HTCU，HTCU需要實時控制離合器油壓跟蹤該目標扭矩保證在穩(wěn)態(tài)并聯(lián)時離合器不會出現(xiàn)打滑而燒蝕損壞。

當VCU決策目標模式為串聯(lián)或者純電時，會發(fā)送離合器分離請求給HTCU，HTCU需要快速控制離合器分離，當其檢測到離合器壓力低于一定值后，反饋分離狀態(tài)給VCU，此時車輛可切換到串聯(lián)或純電模式。

上述三種工況對應(yīng)了離合器的結(jié)合過程、穩(wěn)態(tài)結(jié)合及分離功能。當變速箱出現(xiàn)故障時，會導致離合器存在無法結(jié)合故障、打滑速比故障和無法分離故障。這三種故障會直接影響整車的工作模式，HTCU需要實時進行故障處理并反饋給VCU進行整車故障響應(yīng)，保證車輛安全行駛。

2 DHT離合器故障處理策略

2.1 離合器無法結(jié)合故障處理

離合器無法結(jié)合故障處理流程如圖3所示,在離合器結(jié)合過程中，若在一定時間內(nèi)，離合器前后兩端速差無法消除，則定義為一次無法結(jié)合，此時HTCU會控制離合器分離，并反饋給VCU離合器不可用狀態(tài)。延遲一段時間后，HTCU反饋給VCU離合器可用狀態(tài)，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令。一個駕駛循環(huán)內(nèi)，若連續(xù)3次出現(xiàn)離合器無法結(jié)合后，HTCU會報離合器無法結(jié)合故障，離合器直接打開，本次駕駛循環(huán)不再允許離合器結(jié)合，HTCU反饋給VCU離合器強制脫開故障處理請求，VCU只允許整車進行串聯(lián)或純電行駛。

圖3 離合器無法結(jié)合故障處理策略Fig.3 Fault handling strategy of clutch close failure

2.2 離合器速比故障處理

離合器速比故障處理流程如圖4所示,在穩(wěn)態(tài)結(jié)合時，當HTCU檢測到離合器前后兩端速差大于一定值且延時一段時間后，則定義為一次速比異常，此時HTCU會控制離合器分離，并反饋給VCU離合器不可用狀態(tài)；延遲一段時間后，HTCU反饋給VCU離合器可用狀態(tài)，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令進入穩(wěn)態(tài)結(jié)合。一個駕駛循環(huán)內(nèi)，連續(xù)3次出現(xiàn)離合器速比異常后，HTCU會報離合器速比故障，離合器直接打開，本次駕駛循環(huán)不再允許離合器結(jié)合，HTCU會反饋給VCU離合器強制脫開故障處理請求，VCU只允許整車進行串聯(lián)或純電行駛。

圖4 離合器速比故障處理策略Fig.4 Fault handling strategy of clutch ratio failure

2.3 離合器無法分離故障處理

離合器無法分離故障處理流程如圖5所示,在發(fā)動機狀態(tài)為停機狀態(tài)，且車速大于一定值時，當HTCU檢測到發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于一定值且延時一段時間后，會報離合器無法分離故障。此時HTCU會反饋給VCU離合器粘連故障處理請求，VCU收到該故障處理請求后，會控制發(fā)動機斷油停機，進行純電行駛。因離合器無法分離，發(fā)動機始終剛性連接到車輪端，純電行駛時，整車會帶著發(fā)動機運行，高車速會有一定的能量損失，低車速會因發(fā)動機低轉(zhuǎn)速脈動扭矩導致整車有一定的抖動，但車輛都能安全跛行回家。此外，該工況下純電行駛時，因發(fā)動機曲軸不能反轉(zhuǎn)，VCU需限制整車不能跑倒擋以免直接損壞發(fā)動機。

圖5 離合器無法分離故障處理策略Fig.5 Fault handling strategy of clutch open failure

3 實車驗證

實車上對所設(shè)計的離合器故障處理策略分別進行驗證。圖6、圖7、圖8分別為離合器無法結(jié)合故障處理、速比故障和無法分離的實車數(shù)據(jù)。

圖6 離合器無法結(jié)合故障處理測試數(shù)據(jù)Fig.6 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch close failure

圖7 離合器速比故障處理測試數(shù)據(jù)Fig.7 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch ratio failure

圖8 離合器無法分離處理測試數(shù)據(jù)Fig.8 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch open failure

從圖6中可以看出，在離合器結(jié)合過程中(離合器狀態(tài)為結(jié)合過程中，定義為3)，當HTCU檢測到離合器兩端速差大于一定值持續(xù)一定時間，則診斷為一次無法結(jié)合，計數(shù)器加1，且立刻反饋離合器不可用，離合器自行分離，完成后離合器實際狀態(tài)為分離(定義為0)，車輛切換到串聯(lián)或者純電模式。延遲一段時間后，反饋離合器可用，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令，連續(xù) 3次檢測到無法結(jié)合后，HTCU會報離合器無法結(jié)合故障(定義為67)，同時反饋不可用狀態(tài)，并反饋離合器強制脫開故障處理請求(定義為1)。

從圖7中可以看出，在穩(wěn)態(tài)結(jié)合時(離合器狀態(tài)為結(jié)合，定義2)，當HTCU檢測到離合器兩端速差大于一定值持續(xù)一定時間，則診斷為一次速比異常，計數(shù)器加1，且立刻反饋離合器不可用，離合器自行分離，完成后離合器實際狀態(tài)為分離(定義為0)，車輛切換到串聯(lián)或者純電模式。延遲一段時間后，反饋離合器可用，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令，連續(xù) 3次檢測到速比異常后，HTCU會報離合器速比故障(定義為71)，同時反饋不可用狀態(tài)，并反饋離合器強制脫開請求(定義為1)。

從圖8可以看出，在發(fā)動機狀態(tài)為停機狀態(tài)(定義為1)且車速大于3 km/h后，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于200 r/min且持續(xù)0.5 s后，HTCU會報離合器無法分離故障(定義為70)，并反饋離合器粘連故障處理器請求(定義為9)，離合器實際狀態(tài)更新為結(jié)合(定義為2)，VCU會控制發(fā)動機斷油停機，車輛純電行駛，且不能跑倒擋。

4 總結(jié)

(1)分析了兩種主流的DHT基本結(jié)構(gòu)原理，并總結(jié)對比其差異；

(2)基于典型的串并混聯(lián)單檔DHT，分析了其工作模式、能量流及離合器功能；

(3)結(jié)合典型的串并混聯(lián)單檔DHT的離合器功能，設(shè)計了三種離合器故障處理策略：無法結(jié)合故障處理、速比故障處理、無法分離故障處理；

(4)針對所設(shè)計的故障處理策略，進行了實車驗證。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的故障處理策略能最大程度地保證車輛在不停車條件下仍然安全跛行回家。