基于混合動(dòng)力雙離合變速器起步控制研究

汪常遠(yuǎn) 趙治國(guó)

摘要：提出了一種混合動(dòng)力變速器離合器起步和電機(jī)蠕行起步的控制策略。首先介紹了混合動(dòng)力雙離合變速器的結(jié)構(gòu)，離合器起步及電機(jī)蠕行起步過(guò)程動(dòng)力傳遞路線(xiàn);之后提出了混合動(dòng)力變速器起步性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了離合器起步控制和電機(jī)蠕行起步控制策略;最后通過(guò)搭載實(shí)車(chē)進(jìn)行起步控制策略驗(yàn)證。結(jié)果表明，混合動(dòng)力變速器起步控制在平順性、動(dòng)力性以及駕駛員意圖解析等方面基本滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力變速器;起步控制;控制策略

0? 引言

混合動(dòng)力雙離合器自動(dòng)變速器（Hybrid Dual Clutch Transmission）具有傳統(tǒng)雙離合器自動(dòng)變速器機(jī)械效率高、換檔過(guò)程沒(méi)有動(dòng)力中斷等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在奇數(shù)軸集成了一臺(tái)動(dòng)力電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和混動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)不同的驅(qū)動(dòng)方式，是一種新型混合動(dòng)力自動(dòng)變速器。

隨著駕駛員對(duì)起步的平順性和舒適性要求越來(lái)越高，起步控制已成為混合動(dòng)力變速器控制策略開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)工作，其直接影響到駕駛員的駕駛感受。混合動(dòng)力雙離合變速器起步方式可以分為電機(jī)起步和離合器起步兩種類(lèi)型。本文針對(duì)一種搭載混合動(dòng)力雙離合器變速器的混合動(dòng)力汽車(chē)，研究其起步控制策略，主要探討了純電動(dòng)模式下電機(jī)蠕行起步控制和離合器參與起步過(guò)程控制策略，在實(shí)車(chē)條件下進(jìn)行的測(cè)試驗(yàn)證。

1? 混合動(dòng)力雙離合變速器

混合動(dòng)力雙離合自動(dòng)變速器總成包括：雙離合器模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒軸傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和變速器控制單元（TCU）等五大模塊。

1.1 混合動(dòng)力雙離合變速器結(jié)構(gòu)

如圖 1 所示為混合動(dòng)力雙離合自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖，該混合動(dòng)力雙離合自動(dòng)變速器具有七個(gè)前進(jìn)擋位和一個(gè)倒車(chē)擋，偶數(shù)軸集成一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。奇數(shù)軸擋位有1擋、3擋、5擋和7擋，偶數(shù)軸擋位有2擋、4擋、6擋和R擋，同步器A控制1擋和3擋的進(jìn)擋和退檔，同步器B控制4擋和R擋的進(jìn)擋和退檔，同步器C控制5擋和7擋的進(jìn)擋和退檔，同步器D控制2擋和6擋的進(jìn)擋和退檔。

1.2 混合動(dòng)力雙離合變速器起步過(guò)程動(dòng)力傳遞路線(xiàn)

混合動(dòng)力雙離合自動(dòng)變速器起步模式具體可以分為純電動(dòng)2擋電機(jī)前進(jìn)起步、純電動(dòng)2擋電機(jī)倒車(chē)起步、純電動(dòng)R擋電機(jī)倒車(chē)起步、傳統(tǒng)1擋發(fā)動(dòng)機(jī)起步、傳統(tǒng)R擋發(fā)動(dòng)機(jī)起步、混合動(dòng)力傳統(tǒng)1擋純電動(dòng)2擋聯(lián)合起步和混合動(dòng)力傳統(tǒng)R擋純電動(dòng)R擋聯(lián)合起步等7種起步模式。以下介紹兩種常用的起步方式純電動(dòng)2擋前進(jìn)起步和傳統(tǒng)1擋發(fā)動(dòng)機(jī)前進(jìn)起步的動(dòng)力傳遞路線(xiàn)。（圖2）

1.2.1 純電動(dòng)2擋電機(jī)前進(jìn)起步

純電動(dòng)2擋起步動(dòng)力傳遞路線(xiàn)如圖2所示。當(dāng)整車(chē)動(dòng)力電池電量充足時(shí)，整車(chē)以純電動(dòng)方式前進(jìn)起步，該混合動(dòng)力變速器動(dòng)力傳遞是電機(jī)（Electric Motor）提供車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)控制同步器D實(shí)現(xiàn)2擋撥叉在位，驅(qū)動(dòng)力經(jīng)電機(jī)與偶數(shù)軸間的減速齒輪傳遞到偶數(shù)軸，動(dòng)力再經(jīng)偶數(shù)軸2擋齒輪傳遞到主減速器，動(dòng)力經(jīng)主減速器通過(guò)差速器傳遞到車(chē)輪，最終實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式下起步的動(dòng)力傳輸。

1.2.2 傳統(tǒng)1擋發(fā)動(dòng)機(jī)前進(jìn)起步

當(dāng)車(chē)輛動(dòng)力電池電量不足時(shí)，整車(chē)驅(qū)動(dòng)源只有發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供，車(chē)輛的起步通過(guò)離合器的結(jié)合控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。具體動(dòng)力傳遞路線(xiàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，混合動(dòng)力變速器通過(guò)控制同步器A實(shí)現(xiàn)1擋撥叉在位，在車(chē)輛起步過(guò)程中控制奇數(shù)擋離合器使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞上奇數(shù)軸上，再通過(guò)1擋齒輪傳遞到主減速器，動(dòng)力經(jīng)主減速器通過(guò)差速器傳遞到車(chē)輪，當(dāng)車(chē)速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與奇數(shù)軸轉(zhuǎn)速接近或相同時(shí)，奇數(shù)擋離合器實(shí)現(xiàn)結(jié)合，完成車(chē)輛的起步過(guò)程。傳統(tǒng)1擋起步動(dòng)力傳遞路線(xiàn)如圖3所示。

2? 混合動(dòng)力變速器起步評(píng)價(jià)指標(biāo)

混合動(dòng)力變速器起步控制可分為離合器起步控制和電機(jī)起步控制，本文分別研究了離合器參與起步過(guò)程控制和純電動(dòng)模式下電機(jī)蠕行起步控制，基于起步控制過(guò)程的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行離合器起步控制策略和電機(jī)起步控制策略設(shè)計(jì)。

2.1 離合器起步控制評(píng)價(jià)指標(biāo)

離合器起步過(guò)程主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有沖擊度和滑摩功[1]，沖擊度主要用來(lái)表征離合器結(jié)合控制過(guò)程平穩(wěn)、柔和，體現(xiàn)駕駛的舒適性。滑摩功通常可以體現(xiàn)離合器的磨損程度，用來(lái)表征離合器的使用壽命。在車(chē)輛起步過(guò)程中，另外考慮的兩個(gè)指標(biāo)是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和完成起步過(guò)程的時(shí)間。在起步過(guò)程中，離合器的接合不能使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拉到過(guò)低的轉(zhuǎn)速，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。完成起步過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短也是起步控制評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。

2.1.1 起步?jīng)_擊度

車(chē)輛起步的平順性通常用沖擊度來(lái)衡量，主要是指離合器在接合過(guò)程中控制平順，駕駛員主觀感覺(jué)的車(chē)輛舒適性較好。沖擊度反映的是車(chē)輛縱向加速度a的變化率。起步過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊主要是離合器在滑摩控制階段接合過(guò)快導(dǎo)致的，對(duì)于DCT，沖擊度的表達(dá)式為[2]：

式中，I0為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

對(duì)于沖擊度的控制要求，國(guó)內(nèi)的推薦值為|j|≤17.64m/s3[3]。

2.1.2 起步滑摩功

離合器的滑摩功W是指離合器主動(dòng)盤(pán)和從動(dòng)盤(pán)之間滑動(dòng)摩擦力所做的功，反映了離合器機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的數(shù)量。滑摩功越大代表離合器產(chǎn)生的熱量越多，離合器的壽命也就越短，在起步過(guò)程中盡量控制減少滑摩功的產(chǎn)生。滑摩功的表達(dá)式可為[2]：

式中，tf 為起步完成控制中離合器接合完成的時(shí)間。

控制減少起步滑摩功，會(huì)導(dǎo)致離合器接合的過(guò)快，產(chǎn)生較大的沖擊;然而，為追求起步的平順性，控制離合器接合的時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)產(chǎn)生大量的滑摩功，影響離合器的壽命。在實(shí)際控制中，需要對(duì)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行平衡，找到最優(yōu)控制點(diǎn)。

2.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

離合器起步控制過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最基本的要求是保證發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火。起步過(guò)程中，如果離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，就會(huì)是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下拉，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失穩(wěn)和嚴(yán)重的抖動(dòng)，甚至?xí)斐砂l(fā)動(dòng)機(jī)熄火，無(wú)法順利完成起步過(guò)程。相反，起步過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)高，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低。車(chē)輛起步過(guò)程需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和離合器的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，保證起步過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

2.2 電機(jī)蠕行起步控制評(píng)價(jià)指標(biāo)

電機(jī)起步與離合器起步的評(píng)價(jià)指標(biāo)不完全相同，在電機(jī)進(jìn)行起步時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車(chē)輪可視為剛性連接，不存在離合器滑摩的工況，因此使用電機(jī)起步時(shí)不需要考慮滑摩功。電機(jī)蠕行起步的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

2.2.1 起步?jīng)_擊度速

沖擊度是評(píng)價(jià)車(chē)輛起步平順性的指標(biāo)，為車(chē)輛縱向加速度變化率，沖擊度的表達(dá)式為：

對(duì)于沖擊度的控制要求，國(guó)內(nèi)的推薦值為|j|≤17.64m/s3。

2.2.2 電機(jī)蠕行目標(biāo)穩(wěn)定車(chē)速

蠕行最大穩(wěn)定車(chē)速太高容易造成危險(xiǎn)，車(chē)速太低則控制很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的車(chē)速。參考離合器蠕行控制的車(chē)速，本文設(shè)計(jì)電機(jī)蠕行最大穩(wěn)定車(chē)速為6km/h。

2.2.3 蠕行車(chē)速的波動(dòng)量

蠕行起步達(dá)到最大穩(wěn)定車(chē)速時(shí)，車(chē)輛以平穩(wěn)的車(chē)速進(jìn)行行駛，如果此時(shí)車(chē)速波動(dòng)較大則會(huì)影響駕駛的舒適性，因此蠕行最大穩(wěn)定車(chē)速需要平穩(wěn)控制。取電機(jī)蠕行最大穩(wěn)定目標(biāo)車(chē)速為VCreep，電機(jī)穩(wěn)定蠕行的實(shí)際最大車(chē)速Vmot，電機(jī)蠕行車(chē)速的波動(dòng)量可表示為：

本文設(shè)計(jì)電機(jī)蠕行穩(wěn)定車(chē)速波動(dòng)量|ΔV|≤ 0.3km/h。

3? 起步控制策略設(shè)計(jì)

3.1 離合器起步控制過(guò)程

乘員數(shù)量和載貨量會(huì)影響到車(chē)輛重量的變化，路面條件不同會(huì)影響到車(chē)輛的阻力，溫度的變化會(huì)影響到變速器自身的特性，這些不確定性增加了車(chē)輛起步控制的難度。因此在車(chē)輛的起步過(guò)程中，需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器輸入軸轉(zhuǎn)速、制動(dòng)踏板狀態(tài)、油門(mén)踏板開(kāi)度、變速器油溫等作為輸入的控制參數(shù)，同時(shí)應(yīng)考慮起步的擋位速比、離合器的溫度以及離合器的接合狀態(tài)等控制參數(shù)，以離合器控制的轉(zhuǎn)矩為控制輸出參數(shù)。因起步控制條件的復(fù)雜性，要求起步控制的算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力以應(yīng)對(duì)控制參數(shù)的不確定性，本文在實(shí)際的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中選擇起步控制算法是基于“PID控制+前饋控制”的控制方法。其表達(dá)式可以表示為[4]：

離合器起步控制過(guò)程中以發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為被控對(duì)象，選取在起步過(guò)程中對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，PID控制中的控制偏差就等于發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速減去發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。PID控制參數(shù)根據(jù)離合器起步的不同階段選取，離合器起步過(guò)程可以分為轉(zhuǎn)速上升階段、滑摩階段和同步階段等三個(gè)階段。

①轉(zhuǎn)速上升階段：其作用是拉升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使車(chē)輛從靜止的狀態(tài)啟動(dòng)起來(lái)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升階段可以細(xì)分為三個(gè)控制階段，其中轉(zhuǎn)速上升初始階段是等待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升階段離合器開(kāi)始接合，離合器開(kāi)始傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速開(kāi)始受到控制;第三個(gè)階段控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平順的向目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速靠近。

②滑摩階段：這個(gè)階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本平穩(wěn)，離合器控制轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，使車(chē)輛以恒定的加速度進(jìn)行起步，變速器輸入軸轉(zhuǎn)速慢慢向發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近。

③同步階段：當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差小于一定值時(shí)，進(jìn)行離合器的轉(zhuǎn)速同步控制，當(dāng)離合器主動(dòng)盤(pán)和從動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速一致時(shí)，車(chē)輛起步控制完成。起步控制的程序流程圖如圖4所示。

3.2 電機(jī)蠕行起步控制過(guò)程

電機(jī)蠕行起步工況可描述為：混合動(dòng)力車(chē)輛以純電動(dòng)模式運(yùn)行，當(dāng)車(chē)輛靜止時(shí)，駕駛員將擋位切換到D擋或R擋，駕駛員松開(kāi)剎車(chē)踏。

首先設(shè)置電機(jī)蠕行起步目標(biāo)車(chē)速，以車(chē)輛的實(shí)際車(chē)速為被控對(duì)象，比較蠕行目標(biāo)車(chē)速和實(shí)際車(chē)速獲取PID的控制偏差。根據(jù)起步過(guò)程中的車(chē)速差以及車(chē)速差的變化率選定PID控制中的KP、KI、KD控制參數(shù)，通過(guò)計(jì)算PID轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)蠕行起步控制。

電機(jī)蠕行起步控制流程圖如圖5所示。以下幾個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，判別為電機(jī)蠕行起步控制工況激活。

①車(chē)輛處于純電動(dòng)運(yùn)行模式;

②車(chē)速小于一定值，取車(chē)速小于8km/h;

③油門(mén)踏板未被踩下，取油門(mén)開(kāi)度小于0.5%;

④擋位位于D擋或R擋;

⑤手剎或電子手剎未激活。

4? 起步控制實(shí)車(chē)試驗(yàn)

混合動(dòng)力雙離合變速器搭載于某款轎車(chē)，車(chē)輛為插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。基于混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行了離合器起步控制測(cè)試，實(shí)車(chē)50%油門(mén)開(kāi)度起步測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示，從起步開(kāi)始到離合同步階段的時(shí)間為1.3s，其中轉(zhuǎn)速上升階段的時(shí)間為0.9s，滑摩階段時(shí)間為0.4s。在起步過(guò)程中加速度最大為3.46m/s2，沖擊度均小于17.64m/s3。

純電動(dòng)模式電機(jī)前進(jìn)擋蠕行起步實(shí)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示，從蠕行工況激活到車(chē)速達(dá)到6km/h穩(wěn)定車(chē)速時(shí)間為12.3s，蠕行過(guò)程中最大加速度為0.8m/s2，蠕行起步過(guò)程中最大沖擊度為15.9m/s3，沖擊度小于評(píng)價(jià)指標(biāo)17.64m/s3的要求。

5? 結(jié)論

本文首先介紹了混合動(dòng)力雙離合變速器的結(jié)構(gòu)，對(duì)混合動(dòng)力樣車(chē)的起步方式以及動(dòng)力傳輸路線(xiàn)進(jìn)行分析。基于離合器起步評(píng)價(jià)指標(biāo)和電機(jī)蠕行起步評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制方法加前饋控制方法的離合器起步控制策略，以及基于蠕行車(chē)速PID控制的電機(jī)蠕行起步控制策略。通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證，起步控制在平順性、動(dòng)力性以及駕駛員意圖解析等方面基本滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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