混合動(dòng)力汽車集成式兩檔DHT研究應(yīng)用

周權(quán)，曠龍，滿興家，葉年業(yè)，謝嵩松

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 前言

隨著汽車保有量的不斷增加，節(jié)能減排大勢(shì)所趨，同時(shí)為了積極響應(yīng)滿足國(guó)家汽車“雙積分”政策及“雙碳”目標(biāo)，在現(xiàn)有燃油車基礎(chǔ)上結(jié)合電驅(qū)動(dòng)發(fā)展混合動(dòng)力技術(shù)是一種很好的發(fā)展途徑。各種架構(gòu)的汽車混合動(dòng)力技術(shù)在蓬勃發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)乘用車品牌向上及增加混合動(dòng)力技術(shù)儲(chǔ)備，將集成式兩檔P1+P3架構(gòu)混合動(dòng)力專用變速箱(DHT)新技術(shù)成功應(yīng)用在CN30S7 HEV功能樣車上，相比傳統(tǒng)燃油車提高了整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛性及噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度(NVH)性能[1]，可以有力推動(dòng)混合動(dòng)力集成式DHT新技術(shù)研究應(yīng)用向前邁進(jìn)。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

該CN30S7 HEV功能樣車作為中大型運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(SUV)，擁有高顏值的外觀、寬敞舒適的內(nèi)部空間、智能豐富的科技配置，輔以油電混合動(dòng)力可進(jìn)一步提升整車品質(zhì)。根據(jù)目前汽車行業(yè)DHT在研或量產(chǎn)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，采用直驅(qū)兩檔集成式P1+P3架構(gòu)的DHT能更有效地提高整車加速性能、動(dòng)力的快速響應(yīng)性、高速巡航的經(jīng)濟(jì)性和行駛品質(zhì)。集成式DHT相比分體式DHT擁有更小的尺寸、更輕的質(zhì)量、更低的成本，更便于在有限的前艙空間里進(jìn)行布置并降低整車質(zhì)量。結(jié)合仿真分析論證，研究采用1.5 T渦輪增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)匹配兩檔DHT(殼體齒軸、電機(jī)和電機(jī)控制器三合一)與2.2 kW·h電池包的動(dòng)力組合對(duì)CN30S7 HEV功能樣車進(jìn)行改制及整車標(biāo)定測(cè)試。

2 研究改制策略方案

2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)邊界

根據(jù)混合動(dòng)力總成的改制方案并基于基礎(chǔ)車得出DHT的數(shù)模邊界進(jìn)行設(shè)計(jì)，DHT數(shù)模初版發(fā)布進(jìn)行總布置匹配校核，并匹配混合動(dòng)力總成的懸置接口、280 T發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合面、冷卻管路接口、高低壓電氣接口等，進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)，避開干涉并保留足夠的安全距離。電池包直接借用量產(chǎn)件布置在后備箱中，將第3排座椅及功放模塊進(jìn)行拆除以騰出空間。

2.2 樣機(jī)設(shè)計(jì)組裝

根據(jù)改制策略方案設(shè)計(jì)鎖定DHT的齒軸速比(P1發(fā)電、發(fā)動(dòng)機(jī)兩檔直驅(qū)、P3電驅(qū))、結(jié)構(gòu)數(shù)模及圖紙進(jìn)行樣機(jī)的制造組裝,如圖1、圖2所示。

圖1 集成式DHT主要組成部分

圖2 集成式DHT臺(tái)架測(cè)試

2.3 換檔控制

根據(jù)整車對(duì)混合動(dòng)力控制單元(HCU)、變速箱控制單元(TCU)與微控制單元(MCU)的功能需求，在混合動(dòng)力汽車基礎(chǔ)上重新定義硬件驅(qū)動(dòng)、匹配內(nèi)部接口電路、定義控制器局域網(wǎng)(CAN)通信矩陣接口,以及基于兩檔DHT的整車Simulink控制模型開發(fā)底層軟件和應(yīng)用層軟件并進(jìn)行硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試。MCU在量產(chǎn)軟件基礎(chǔ)上開展P1、P3電機(jī)臺(tái)架標(biāo)定，生成萬有特性效率脈譜圖便于下一步整車標(biāo)定選擇電機(jī)高效工作點(diǎn)，電子控制單元(ECU)基于現(xiàn)有混合動(dòng)力汽車通信矩陣更新為適配混合動(dòng)力汽車車型的軟件，并提供發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性及效率脈譜圖。

TCU換檔功能定義、換檔時(shí)序圖的研討分析確定如圖3所示。

圖3 TCU換檔控制

直驅(qū)一檔、二檔的換檔點(diǎn)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)高效工作區(qū)間及各車速下對(duì)應(yīng)不同的油門踏板開度進(jìn)行標(biāo)定，以滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的需求。根據(jù)離合器所需傳遞扭矩的大小，TCU控制無刷直流電機(jī)電壓驅(qū)動(dòng)液壓泵產(chǎn)生不同的結(jié)合壓力滿足扭矩傳遞。

3 標(biāo)定典型問題分析優(yōu)化

3.1 整車標(biāo)定準(zhǔn)備及開展

根據(jù)制定的零部件改制清單對(duì)車輛進(jìn)行手工改制、組裝，使車輛成功調(diào)整高低壓電，以及發(fā)動(dòng)機(jī)啟停，開始全面進(jìn)入整車標(biāo)定階段。

在已開發(fā)的可刷寫軟件中寫入桌面標(biāo)定數(shù)據(jù)后刷寫至HCU、TCU模塊作為初版標(biāo)定數(shù)據(jù)。MCU基于現(xiàn)有混合動(dòng)力汽車軟件集成兩檔DHT臺(tái)架標(biāo)定數(shù)據(jù)作為初版標(biāo)定數(shù)據(jù)。然后聯(lián)合各區(qū)域產(chǎn)品工程師(PE)刷新ECU、電池管理系統(tǒng)(BMS)、直流變換器(DC-DC)、換檔器控制單元(SCU)、空調(diào)控制器(AC)、電子轉(zhuǎn)向控制器(EPS)等控制模塊的數(shù)據(jù)軟件匹配樣車功能。各控制器模塊初版數(shù)據(jù)就緒后，首先進(jìn)行高低壓上下電的測(cè)試，上下電過程(模塊喚醒、自檢、激活、工作、離線、休眠等)中HCU與各模塊的信號(hào)交互、時(shí)序修正故障排除，確保無鑰匙進(jìn)入及啟動(dòng)系統(tǒng)(PEPS)操作整車可正常上、下高低壓電。HCU與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU聯(lián)調(diào)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)相關(guān)信號(hào)、時(shí)序，以及排除燃油泵線束故障后發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)啟停并正常響應(yīng)HCU目標(biāo)扭矩。HCU與其他各相關(guān)模塊功能實(shí)現(xiàn)的信號(hào)交互逐一核對(duì)、修正。

通過底盤檢查、整車電檢、四輪定位、制動(dòng)(ABS)檢測(cè)、轉(zhuǎn)轂車速檢測(cè)等過線檢測(cè)項(xiàng)目后，將該樣車分別在市區(qū)擁堵路況、郊區(qū)快速路、國(guó)道、高速路、環(huán)山路等路段進(jìn)行不同工況的標(biāo)定測(cè)試。主要標(biāo)定內(nèi)容見表1。

表1 不同工況的標(biāo)定測(cè)試內(nèi)容

3.2 整車頓挫問題優(yōu)化

針對(duì)直驅(qū)一檔大油門，車速為90 km/h左右，緩踩油門時(shí)整車有頓挫的情況，HCU提高油門開度，車輛加速至高速時(shí)緩踩油門，P1電機(jī)恢復(fù)扭矩斜率(換檔過程斜率和直驅(qū)斜率)，更好地平衡發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，命令P3電機(jī)不進(jìn)行補(bǔ)扭，抖動(dòng)現(xiàn)象基本消除。整車頓挫問題優(yōu)化前后數(shù)據(jù)分析如圖4、圖5所示。

圖4 整車頓挫問題優(yōu)化前

圖5 整車頓挫問題優(yōu)化后

3.3 換檔停機(jī)問題優(yōu)化

滑行過程變速器二檔退一檔時(shí)P1電機(jī)飛車，HCU請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，但由于此時(shí)離合器沒有脫開，發(fā)動(dòng)機(jī)沒有響應(yīng)停機(jī)，整車行車模式有異常跳變；當(dāng)離合器脫開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于施加正扭狀態(tài)，P1電機(jī)被帶飛。針對(duì)該問題，利用HCU軟件增加扭矩解析相關(guān)功能模塊。換檔停機(jī)問題優(yōu)化前后數(shù)據(jù)分析如圖6、圖7所示。

圖6 換檔停機(jī)問題優(yōu)化前

圖7 換檔停機(jī)問題優(yōu)化后

3.4 整車抖動(dòng)問題優(yōu)化

針對(duì)純電起步、低速(8～15 km/h)、小油門(約10%)、急踩油門、緩踩油門時(shí)整車抖動(dòng)的問題，采用MCU軟件開啟防抖功能，針對(duì)識(shí)別出來的固有抖動(dòng)頻率(6～8 Hz)P3電機(jī)補(bǔ)償扭矩[2]。整車抖動(dòng)問題優(yōu)化前后數(shù)據(jù)分析如圖8、圖9所示。

圖8 整車抖動(dòng)問題優(yōu)化前

圖9 整車抖動(dòng)問題優(yōu)化后

4 結(jié)果分析

經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼嚇?biāo)定測(cè)試，該CN30S7 HEV功能樣車圓滿完成，基本實(shí)現(xiàn)了研究目標(biāo)。

CN30S7 HEV功能樣車的0～100 km/h加速時(shí)間比基礎(chǔ)燃油車減少3 s，加速能力大幅提升；綜合工況道路實(shí)測(cè)油耗比基礎(chǔ)燃油車節(jié)省30%；NVH性能也得到顯著提升。動(dòng)力充沛、行車模式切換迅速及時(shí)、加速線性有力、行駛平順性好，基本沒有感受到換檔的抖動(dòng)、頓挫；油門踏板響應(yīng)能很好地跟隨駕駛員的行車需求和意圖。

集成式DHT硬件集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊利于總布置；現(xiàn)有成熟HCU模型架構(gòu)可以滿足兩檔DHT 混合動(dòng)力汽車的整車控制需求；整車動(dòng)力性、加速能力明顯增強(qiáng)；TCU控制換檔響應(yīng)迅速、平順性好；不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)、P1電機(jī)、P3電機(jī)可標(biāo)定高效區(qū)范圍廣，燃油經(jīng)濟(jì)性潛力大；各種激烈駕駛工況下荷電狀態(tài)更容易保持平衡。

5 結(jié)語

在汽車大變局時(shí)代，產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)用戶的需求和痛點(diǎn)的解決不斷改進(jìn)與升級(jí)。經(jīng)過此項(xiàng)研究，基本形成了集成式兩檔DHT的整車技術(shù)路線，對(duì)集成式兩檔DHT的整車表現(xiàn)有了直觀認(rèn)知及數(shù)據(jù)積累，所搭載開發(fā)的車型有助于滿足國(guó)家“雙積分”政策，并實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”的目標(biāo)。