某型混合動力汽車AMT換擋控制策略的研究*

秦大同，杜 波，段志輝，劉永剛，林毓培

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030;2.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶 401120)

前言

機械式自動變速器(AMT)在換擋過程中存在動力中斷和沖擊等問題，影響整車的動力性和乘坐舒適性，如何根據混合動力汽車的特點尋求有效的換擋控制方法來減小AMT換擋時的動力中斷時間和換擋沖擊，成為混合動力汽車的研究熱點［1－2］。

目前，對裝備AMT的混合動力汽車主要利用電動機的輔助作用來改善換擋品質。文獻［3］中利用混合動力系統中的電動機直接驅動車輛，減少了換擋過程中的動力中斷時間，提高了車輛的動力性能;文獻［4］中針對并聯式混合動力汽車換擋過程，提出了發動機和電動機聯合轉速控制策略，縮短了換擋過程動力中斷時間;文獻［5］中針對電動機置于離合器后的混合動力轎車的AMT換擋過程，提出了發動機和電動機的協調控制方法，縮短了換擋動力中斷時間，減小了同步器和離合器的磨損。文獻［6］中以混合動力客車換擋過程為研究重點，提出了電機－AMT綜合協調控制方法，縮短了換擋同步時間。文獻［7］中對輕度混合動力汽車的AMT換擋過程，提出了電動機、發動機和離合器聯合控制的換擋控制策略，減小了車輛的換擋沖擊和動力中斷時間。以上研究均利用電動機的轉速調節，重點在于減小換擋沖擊和縮短換擋時間。

本文中根據某型混合動力系統的結構與工作模式特點，對兩種典型工作模式下的AMT換擋控制策略進行了研究。針對發動機驅動模式下的換擋過程，采用電動機和發動機電子節氣門聯合調速的換擋控制策略;對于發動機和電動機2自由度混合驅動模式下的換擋過程，采用不分離離合器的電動機主動調速控制的換擋控制策略。并通過仿真和臺架試驗證明了所采用的換擋控制策略對縮短換擋過程的動力中斷時間和減小換擋沖擊的有效性。

1 某型混合動力系統結構

本文中研究的某型混合動力系統如圖1所示。該系統在結構上屬于并聯式混合動力系統，動力源由發動機和電動機組成，其動力通過動力耦合裝置輸出，動力耦合裝置由一個單排行星齒輪機構、一個單向離合器和一組濕式離合器組成。該混合動力系統可實現純電動驅動、發動機驅動、行車充電、混合驅動和再生制動等多種工作模式。變速機構采用5擋機械式自動變速器(AMT)，能夠根據混合動力汽車的運行狀態實現自動換擋，以進一步提升混合動力汽車的節能效率。

2 換擋控制策略

混合動力汽車在不同的工作模式下，由于動力源(發動機和電動機)的狀態和動力耦合裝置中離合器的狀態不同，所采用的換擋控制策略也不同。對于本文中研究的混合動力AMT汽車，當動力耦合裝置中的濕式離合器處于接合狀態時，存在發動機單獨驅動、行車充電、發動機和電動機單自由度混合驅動(轉矩合成)模式;當濕式離合器處于分離狀態時，存在純電動、發動機和電動機2自由度混合驅動(轉速合成)模式。本文中以該混合動力系統的發動機驅動模式和發動機與電動機2自由度混合驅動模式為例進行換擋控制策略的研究。

2.1 發動機單獨驅動模式下的換擋控制策略

2.1.1 換擋過程動力學模型

由于汽車的動力傳動系統可認為是一多剛體系統，為便于建模，忽略其中的阻尼和彈性元件，將各元件視為剛性無阻尼的慣性元件，用集中質量的形式表示［8］，從而可建立該混合動力汽車在發動機驅動模式下的換擋過程動力學模型，如圖2所示。

根據圖2中的模型，可得換擋過程中傳動系統的動力學方程為

式中:Te為發動機輸出轉矩;Tm為ISG電機充電轉矩;Tcl為換擋離合器傳遞的轉矩;Ts為同步器傳遞的轉矩;Tv為地面阻力矩換算到同步器從動端的等效阻力矩;ωe為發動機/離合器主動盤角速度;ωc為變速器輸入軸/離合器從動盤角速度;ωv為變速器輸出軸/同步器從動端角速度;Je為發動機等效轉動慣量;Jm為電機等效轉動慣量;Jc為折算到變速器輸入軸的等效轉動慣量;Jv為換算至變速器輸出軸的等效轉動慣量;ig為變速器速比。

2.1.2 換擋控制策略

傳統AMT汽車在換擋離合器分離以后，雖然可利用發動機電子節氣門轉速調節減小離合器主、從動盤的轉速差，但電子節氣門響應較慢，調速能力有限，對換擋品質的改善效果不明顯。本文中研究的混合動力AMT汽車在發動機驅動模式下，動力耦合裝置中的濕式離合器一直處于接合狀態，行星齒輪機構鎖止，ISG電機和發動機同軸布置，在換擋離合器分離以后，可采用ISG電機與發動機電子節氣門共同調節離合器主動端的轉速，這樣就可在離合器接合之前，將離合器主動端的轉速快速調節至目標擋位的離合器從動盤轉速，減小離合器接合時主、從動盤的轉速差，提高換擋品質。

基于上述思想，對該混合動力AMT汽車在發動機驅動模式下的換擋過程，采用了ISG電機和發動機電子節氣門聯合轉速調節的換擋控制策略，下面分3個階段詳細闡述。

(1)離合器分離階段 當AMT控制器發出換擋指令后，首先減小電子節氣門開度至發動機怠速開度，并迅速分離離合器，盡可能縮短分離時間。

(2)選擋和掛擋階段 離合器徹底分離后，進入選擋階段，由于該過程時間較短，可近似認為車速不變。掛擋后速比發生變化，離合器主、從動盤間產生較大轉速差，可通過ISG電機和電子節氣門聯合轉速調節快速減小離合器接合前主、從動盤間的轉速差。此時電機控制的目標角速度就是掛擋后離合器從動盤的角速度ωtar，即

式中:ig(n+1)為新擋位速比;r為車輪滾動半徑，m;vveh為車速，km/h。

電子節氣門控制的目標開度就是發動機空載時，目標轉速所對應的節氣門開度［7］。可預先將節氣門開度調節至目標開度，以減小ISG電機的負載，提高控制的響應速度。

(3)離合器接合階段 掛擋完成后，為縮短換擋時間，無論離合器主、從動盤轉速是否一致，都必須開始接合離合器。此時須對離合器接合速度進行控制，以提高換擋品質［9］。

在空行程階段，由于沒有轉矩傳遞，應快速接合離合器;在離合器滑摩階段，離合器傳遞的轉矩可近似表示為

式中:μcl為摩擦材料的摩擦因數，Rcl為摩擦片平均摩擦半徑，Xcl為離合器接合行程，Z為摩擦副數目，Kcl為離合器線性近似剛度。

同時，為了滿足換擋品質的要求，沖擊度須滿足以下約束條件:

將式(3)和式(4)帶入式(1)中，并結合沖擊度的定義，可得離合器接合速度的取值范圍為

式中:jmax為乘客滿意的沖擊度最大值，一般取德國推薦值10m/s3。

當離合器接合速度滿足式(5)，就能保證在滿足沖擊度要求的前提下，控制離合器以較快速度接合，縮短滑摩時間，減小滑摩功。

在同步階段，離合器主、從動盤轉速差已經很小，接合速度對車輛沖擊影響很小，應加快離合器的接合速度，使之盡快完全接合。

2.2 2自由度混合驅動模式下的換擋控制策略

2.2.1 換擋過程動力學模型

在該模式下，系統具有2個自由度，發動機和電機以轉速合成的方式輸出動力，其換擋過程的動力學模型，如圖3所示。

根據動力學模型，可得換擋過程中傳動系統的動力學方程為

式中:Ts、Tr、Tc分別為太陽輪、齒圈和行星架的內力矩;ρ為太陽輪與齒圈齒數比。

2.2.2 換擋控制策略

該混合動力汽車在發動機和電動機2自由度混合驅動模式下，動力耦合裝置中的濕式離合器處于分離狀態，行星齒輪機構具有2個自由度，ISG電機和發動機以轉速合成的方式輸出動力。當車輛在該模式下換擋時，雖然也可采用ISG電機和發動機電子節氣門聯合調速控制策略，但這種方式存在離合器的分離和接合過程，換擋時間難以縮短。

通過對行星齒輪機構的轉矩特性分析可知，太陽輪、齒圈和行星架傳遞的轉矩始終成比例關系，太陽輪傳遞的轉矩取決于電動機的輸出轉矩，齒圈傳遞的轉矩取決于發動機的輸出轉矩，行星架的輸出轉矩即是變速器輸入軸的轉矩。當ISG電機輸出轉矩為零時，太陽輪上沒有轉矩，行星架上也沒有轉矩傳遞至變速器的輸入軸。因此，可利用行星齒輪機構的這一特點，在換擋過程中不分離換擋離合器，以縮短換擋時間和減小換擋沖擊。

同時可通過ISG電機的主動調速控制來減小同步器的轉速差，減小同步器的磨損。

基于上述思想，提出了該混合動力汽車在發動機和電動機2自由度混合驅動模式下采用不分離換擋離合器的電機主動調速控制的換擋控制策略，其控制流程見圖4。下面分3個階段進行詳細闡述。

(1)當車速達到換擋點時，首先減小發動機電子節氣門開度至發動機怠速開度，以減小發動機輸出轉矩，并控制電動機進入零轉矩狀態，保證變速器輸入軸和輸出軸之間的齒輪嚙合力足夠小，以便于摘擋操作。

(2)摘擋后AMT進入空擋階段，此時變速器輸入軸與輸出軸的機械連接中斷，接近于空載。由于行星齒輪機構具有2個自由度，發動機和電動機均可以進行調速控制，為了簡化控制，選取動態性能好的電動機單獨調速，同時控制發動機維持一定的轉速。通過電機轉速的主動調節，使變速器輸入軸轉速迅速達到同步轉速，其目標角速度［10］為

同時，根據行星齒輪機構的轉速關系，可得到將變速器輸入軸角速度調節至目標值時的電機角速度:

(3)當變速器輸入軸轉速接近目標轉速時，再次控制電動機進入零轉矩狀態，待轉速完全同步以后，進行掛擋操作。掛入目標擋位以后，逐漸恢復電動機和發動機轉矩，車輛以新擋位行駛。

這樣，在不分離換擋離合器的條件下，通過ISG電機的轉速控制消除掛擋前后變速器輸入軸的轉速差，可減小換擋沖擊和同步器的磨損。

3 仿真分析

根據以上兩種工作模式下建立的換擋動力學模型和制定的換擋控制策略，利用Matlab/Simulink仿真平臺建立整車模型，進行換擋過程仿真分析。

3.1 發動機單獨驅動模式下的換擋控制仿真

在發動機單獨驅動模式下，應用本文中提出的換擋控制策略進行2擋升3擋的換擋過程仿真結果如圖5所示。由圖可見，當車速達到30km/h后，控制器發出換擋指令，節氣門開度減小，離合器快速分離。在選擋階段，電動機發出負轉矩，對離合器主動盤進行轉速調節。在掛入3擋后，離合器主動盤轉速已接近離合器從動盤轉速，此時開始接合離合器，離合器接合速度控制在最大沖擊度要求以下。當離合器完全接合以后，使電動機的輸出轉矩變為零，同時逐漸增大節氣門開度，恢復發動機轉矩。整個換擋過程引起的沖擊度最大值為7.7m/s3，滑摩功為40J，換擋時間約為0.82s。

在相同的初始條件下，采用傳統控制策略進行2擋升3擋的換擋過程仿真結果如圖6所示。由圖可見，當離合器分離以后，由于無電機參與轉速調節，發動機響應滯后，轉速下降較慢。掛入3擋后，離合器從動盤轉速迅速減小，當離合器開始接合時，因主、從動盤的轉速差較大，須減小離合器接合速度，直到主、從動盤接近同步，再快速接合離合器。整個換擋過程引起的沖擊度最大值為14.5m/s3，滑摩功為163J，換擋時間約為0.98s。

通過仿真結果的對比可看出，與傳統換擋策略相比，該混合動力汽車在發動機驅動模式下采用電機和節氣門聯合轉速調節的換擋控制策略能減小換擋沖擊、縮短換擋時間，減少離合器的磨損。

3.2 2自由度混合驅動模式下的換擋控制仿真

在2自由度混合驅動模式下，采用不分離離合器的電動機主動調速換擋控制策略進行4擋降3擋的換擋仿真結果如圖7所示。從圖中可以看出，當車速降至40km/h時，控制器發出降擋指令，隨即發動機電子節氣門開度減小，電動機轉矩迅速下降為零，以便于摘擋操作。在空擋階段，發動機轉速維持在怠速附近，電動機轉速上升，以調節變速器輸入軸轉速至目標轉速，當變速器輸入軸轉速接近目標轉速時，電動機轉矩再次降低為零，并進行掛擋操作。掛擋完成后，發動機和電動機轉矩逐漸恢復，車輛按3擋行駛。整個換擋過程引起的沖擊度最大值為6.3m/s3，換擋時間約為0.67s。

在相同的初始條件下，采用分離離合器的換擋控制策略進行4擋降3擋的換擋仿真結果見圖8。由圖可見，從換擋開始，先后經歷了離合器分離、電動機和發動機電子節氣門聯合調速、掛擋和離合器接合4個階段，整個換擋過程引起的沖擊度最大值為9.4m/s3，滑摩功為35J，換擋時間為0.78s。

從仿真結果對比可以看出，在發動機和電動機2自由度混合驅動模式下采用不分離離合器的電動機主動轉速調節換擋控制策略，不存在離合器的磨損，能有效縮短換擋時間，減小換擋沖擊。

4 臺架試驗分析

4.1 臺架試驗系統

為驗證本文控制策略的有效性，搭建了如圖9所示的混合動力系統AMT換擋試驗臺。換擋離合器采用單片干式離合器，AMT變速器由5擋手動變速器加裝電控自動變速操縱機構得到，操縱機構包括離合器執行機構和選換擋執行機構。信號轉換箱將CAN信號轉換為脈沖信號，驅動器用于驅動三相交流伺服電機。慣性飛輪模擬整車質量，測功機模擬車輛行駛阻力，升速箱用于提升轉速便于加載。T10F傳感器采集發動機輸出的轉速轉矩信號，T4W3傳感器采集車輛輸出軸的轉速轉矩信號。ECU、IPU和BCU通過CAN總線與HCU進行數據交換，以實現試驗臺各參數的采集與控制。

4.2 發動機驅動模式下的換擋試驗

混合動力汽車在發動機驅動模式下采用電動機和電子節氣門聯合調速的升擋試驗結果如圖10所示。當離合器徹底分離后，電動機發出負轉矩參與轉速調節，動力源轉速迅速下降，很快接近目標轉速，減小了離合器接合時主、從動盤的轉速差，離合器接合階段的接合速度控制保證了輸出轉矩不發生大的躍變，減小了對系統的沖擊。

4.3 2自由度混合驅動模式下的換擋試驗

在發動機和電動機2自由度混合驅動模式下，采用不分離離合器的換擋策略進行降擋試驗的結果如圖11所示。在整個換擋過程中，首先將發動機和電動機轉矩調節至零，以便于摘擋。在空擋階段，通過電動機快速調節變速器輸入軸轉速至目標值，掛新擋之前再次將電動機轉矩調節至零，掛擋完成后恢復電動機和發動機轉矩，最終順利實現換擋，證明了不分離離合器換擋控制策略的可行性。

5 結論

(1)根據某型混合動力系統的結構與工作模式特點，對兩種典型工作模式下的換擋控制策略進行了研究。針對發動機驅動模式下的換擋過程，采用了電動機和發動機電子節氣門聯合調速的換擋控制策略;對于發動機和電動機2自由度混合驅動模式下的換擋過程，提出了無離合器分離的電動機主動調速換擋控制策略。

(2)仿真結果對比表明，與傳統AMT的換擋控制策略相比，本文提出的換擋控制策略能有效減小換擋沖擊和滑磨功，縮短了動力中斷時間。

(3)臺架試驗表明采用本文提出的換擋控制策略能有效提高混合動力AMT汽車的換擋品質。

［1］ 董翔宇，陳慧巖，李春芾．重型商用混合動力車自動變速技術綜述［J］．機械傳動，2011，34(12):75 －79．

［2］ 胡建軍，丁李輝，葉明，等．ISG型輕度混合動力AMT汽車換擋品質控制仿真分析［J］．汽車工程，2008，30(2):106 －110．

［3］ Baraszu R C，Cikanek S R．Torque Fill-in for an Automated Shift Manual Transmission in a Parallel Hybrid Electric Vehicle［C］//Proceeding of the American Control Conference Anchorage AK，2002，2:1431 －1436．

［4］ Lee Hyeoun Dong．Sul Seung-Ki，Cho Han-Sang，et al．Advanced Gear-shifting and Clutching Strategy for a Parallel-hybrid Vehicle［J］．IEEE Industry Applications Magazine，2000，6(6):26 －32．

［5］ 廖承林，張俊智，盧青春．混合動力轎車機械式自動變速器換擋過程中的動力系統協調控制方法［J］．機械工程學報，2005，41(12):37－41．

［6］ 羅玉濤，周斯加，趙克剛．混合動力汽車上AMT的換擋過程分析［J］．華南理工大學學報，2007，35(2):33 －36．

［7］ 葉明，秦大同，劉振軍，等．輕度混合動力AMT系統換擋品質控制［J］．機械工程學報，2009，45(5):108 －114．

［8］ 何忠波，梁憲福，韓正軍，等．AMT換擋過程動力學建模及換擋品質影響因素分析［J］．軍械工程學院學報，2004，16(6):45－49．

［9］ 金倫，程秀生，葛安林，等．AMT換擋過程的離合器控制［J］．汽車技術，2006(1):11－13．

［10］ 歐陽瑞璟．并聯混合動力汽車AMT無離合器操作換擋過程的研究［D］．長春:吉林大學，2006:28－34．