基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律研究*

韓 鵬，程秀生，李興忠，李雪松，王印束

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450016)

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2015096

基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律研究*

韓 鵬1，程秀生1，李興忠1，李雪松1，王印束2

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450016)

介紹了雙離合器自動變速器(DCT)傳動系一體化控制系統的工作原理，搭建了基于傳動系一體化的DCT動力學模型；以傳統的DCT換擋規律為基礎，采用動態規劃理論制定了基于傳動系一體化控制的DCT最佳換擋規律。采用EUDC循環工況，分別對傳統換擋規律和基于傳動系一體化最佳換檔規律進行仿真和實車試驗。結果表明，采用傳動系一體化控制的DCT最佳換擋規律后，在不影響動力性的前提下，能夠有效降低換擋頻率，改善燃油經濟性。

雙離合器自動變速器；傳動系一體化控制；動態規劃；換擋規律

前言

雙離合器自動變速器(DCT)傳動效率高，生產繼承性好，換擋時無動力中斷，換擋品質較好，正日益成為汽車自動變速技術領域的研究熱點。換擋規律是兩擋間自動換擋時刻隨控制參數變化的規律[1]，對汽車的動力性和經濟性有著重要的影響，是DCT技術研究的重點之一。

制定傳統的換擋規律時，由于受到發動機運行特性的限制，汽車的動力性與經濟性通常是矛盾的，不可能以一種換擋規律，同時實現最佳動力性和最佳經濟性。但是，將傳動系進行一體化控制后，汽車的加速踏板行程就代表對動力系統的功率需求。

本文中基于傳統的兩參數換擋規律，以車速和對動力系統的功率需求作為控制參數，制定基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律，通過Matlab/Simulink對該系統進行建模，并對該模型進行仿真和實車試驗，驗證換擋規律的有效性。

1 DCT傳動系一體化控制的工作原理

傳動系一體化控制是指基于車輛的當前狀態和駕駛員的意圖，以及汽車其他電控系統對傳動系統的功率需求，通過協調控制發動機、變速器等傳動系統各個組成部件，精確控制傳統系統的輸出功率，實現良好的起步和換擋品質[2]。

傳統DCT的傳動系控制，依據駕駛員對加速踏板的操縱和汽車其他電控系統對傳動系統的功率需求，分別通過調整節氣門開度和擋位來控制發動機和變速器。雖然變速器與發動機協調配合工作，但是變速器擋位的確定和發動機節氣門開度的控制是獨立分開的。

圖1為傳動系一體化控制原理圖，駕駛員對汽車的操縱信號和汽車其他電子系統的功率需求通過動力傳動系統控制單元(powertrain control unit，PCU)解析為對車輛系統的功率需求，而不是分開解析為節氣門開度和擋位。通過確定優先級別，協調控制發動機轉矩和變速器擋位，精確控制傳動系統的輸出功率。

2 傳動系動力學模型

2.1 發動機模型

發動機的工作機理比較復雜，可以簡化為一個二階自由系統。研究表明，發動機轉矩可表達為節氣門開度和轉速的函數[3],即Te=f(α,ne)，對發動機穩態試驗數據進行差值擬合，可以得到發動機穩態轉矩特性。

(1)

式中：Te為發動機轉矩；ne為發動機轉速；α為節氣門開度；ai為常數，i=0,1,…,9。

2.2 變速器模型

DCT的工作過程包含兩種狀態：一是擋位切換狀態，此時兩個離合器同時工作；二是正常行駛狀態，此時只有一個離合器工作。

DCT換擋過程如圖2所示，此時兩個離合器同時工作，存在以下方程[4]：

(2)

(3)

TC1=μMFN1RC

(4)

TC2=μMFN2RC

(5)

式中：Je為發動機的等效轉動慣量；JV為DCT輸出軸上的等效轉動慣量；ωe為DCT輸入軸角速度；ωV為DCT輸出軸角速度；Te為發動機輸出轉矩；Tl為等效阻力轉矩；μ為離合器摩擦因數；M為離合器摩擦面數目；FN1和FN2為作用在離合器C1和C2的正壓力；RC為離合器等效半徑；TC1和TC2分別為離合器C1和C2的轉矩。

當DCT處于正常行駛狀態時，只有一個離合器工作，即C1或者C2處于接合狀態。以C1為例，分析正常行駛狀態時DCT的工作模式。此時，存在以下動力學方程[4]：

(6)

ωV=ωe/i1

(7)

2.3 整車動力學模型

汽車行駛時，驅動力與阻力之間相互平衡，行駛阻力包括加速阻力、空氣阻力、坡道阻力和滾動摩擦阻力[5]，因此有

(8)

式中：Ft為汽車驅動力；m為汽車質量；β為道路坡度角；a為汽車加速度；CD為風阻系數；f為滾阻系數；A為迎風面積；v為車速；δ為旋轉質量換算系數。

3 基于傳動系一體化控制的DCT最佳換擋規律制定

3.1 傳統DCT換擋規律的制定

在制定傳統的DCT換擋規律時，通常選擇車速和節氣門信號作為控制參數，制定兩參數換擋規律。根據不同要求，換擋規律可劃分為動力性換擋規律和經濟性換擋規律。動力性換擋規律以確保換擋后汽車的動力性能不低于換擋前為條件，目的是獲得最佳動力性。經濟性換擋規律以獲得汽車的最大燃油效率為目標，使汽車發動機工作在最佳經濟性工況范圍[6]。

單獨使用動力性換擋規律或者經濟性換擋規律無法同時兼顧動力性和經濟性，因此傳統綜合型換擋規律為：節氣門開度小時，采用經濟性換擋規律；節氣門開度中等時，兼顧動力性和經濟性；節氣門開度大時，采用動力性換擋規律。

根據以上規則制定的綜合型換擋規律如圖3所示。圖中實線為升擋曲線，虛線為降擋曲線。

3.2 基于DCT傳動系一體化控制的換擋規律

傳統的DCT換擋規律無法確保換擋規律為最優，同時也不再適應DCT傳動系一體化控制的特點。因此，有必要制定基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律，以改善汽車動力性能和降低燃油消耗。本文中基于動態規劃理論，選擇車速和功率需求作為控制參數，制定基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律。

3.2.1 動態規劃理論

動態規劃(dynamic programming，DP)是一種用于多階段決策過程優化的數學方法[7]。它的基礎是最優原理，其決策原則是不管初始狀態和決策如何，剩下各決策相對之前形成的狀態，一定構成最優子策略。

進行動態規劃時，先要確定狀態和決策，按順序排列的決策構成策略。成本函數指評價過程優劣的數量指標。動態規劃的目的就是通過選擇適當的決策策略，實現最優函數指標，即求得最小成本函數[8]。

動態規劃的求解過程有逆推和順推兩種形式。逆推求解是由后向前推理。由邊界條件k=N開始，計算前面各階段的最優決策和最優值，直到計算出J1[x(1),p1N]時，便獲得整個過程最優解。順推求解是由前往后遞推，由邊界條件k=1開始，計算后面各階段的最優決策和最優值，直到計算出JN[x(N),pNN]時，便獲得整個過程最優解。逆推適合于給定終止狀態的求解過程，順推適合于給定初始狀態的求解過程[9]。

3.2.2 制定基于動態規劃法的DCT換擋規律

本文中使用離散型動態規劃方法計算固定功率需求下的換擋規律，之后將各個計算結果進行組合，即可得到0～100%功率需求下的換擋規律。將功率需求進行等間隔劃分，依次為10%、20%、…、100%，之后基于整車功率平衡圖(圖4)，求解各個功率點對應的最大車速。

確定適當的控制變量和狀態變量，是開展離散動態規劃的先決條件[10]。在對DCT換擋規律模型進行分析后，確定擋位切換和發動機的轉矩為控制變量，確定車速和擋位為狀態變量。

控制變量：

(1)擋位切換Gs:[-1,0,1]

(2)發動機轉矩Tr(N·m):[0:4:180]

狀態變量：

(1)擋位Gp: [1,2,3,4,5,6]

(2)發動機轉速ne(r/min):[800:50:6000]

進行動態規劃是為了求解最佳換擋規律和最佳發動機轉矩控制規律，以達到滿足功率需求的條件下實現最佳燃油經濟性。優化目標函數[11]為

(9)

式中：x(k)為狀態變量，可表示為向量[Gp，ne]在第k階段的值；u(k)為控制變量，可表示為向量[Gs,Tr]；GN(x(N))為在最終狀態第N階段的目標函數(百公里燃油消耗量)；Lk(x(k),u(k))為第k階段的目標函數(百公里燃油消耗量)。

狀態轉移方程[11]可以表示為

x(k+1)=f(x(k),u(k)),k=0,1,…，N-1

為了便于進行離散動態規劃，汽車狀態變量和控制變量被離散化，所以在動態規劃的求解過程中，很難得到滿足精確功率需求的最優解集合，因此把功率需求的求解轉化為功率需求帶的求解。如圖5所示，取功率需求為功率需求帶的上限，因為汽車實際功率不超過功率需求，將超過功率需求上限的功率賦予一個很大的懲罰函數，取功率需求的90%作為功率需求帶的下限。如果實際功率被控制在需求功率帶的范圍之內，可理解為實際功率達到了需求功率，如果實際功率低于需求功率的下限，則根據兩者之差賦予一個懲罰函數[12]：

式中：Pr為實際達到的功率；Pt為目標功率；P(Pr，Pt) 為懲罰函數；h為懲罰函數系數，本文中取值為100。

將給定的功率需求解析為對應的功率帶約束，利用動態規劃，在符合功率帶約束的條件下，求解能實現最佳燃油經濟性的汽車變速器擋位和發動機的目標轉矩。

依次求解各功率需求下的動態規劃結果，將所有結果綜合起來即可獲得DCT最佳升擋規律。以升擋規律為基礎，進行適當的收斂度計算，可得到降擋規律?；趥鲃酉狄惑w化控制的DCT最佳換擋規律如圖6所示，實線表示升擋，虛線表示降擋。

4 仿真研究

以某乘用車為目標車型，利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型。分別采用傳統的綜合型換擋規律和基于傳動系一體化控制的換擋規律，進行EUDC工況下的仿真。表1為目標車型的整車參數。

表1 整車參數

仿真結果：采用傳統的綜合型換擋規律時，百公里油耗為5.79L；而采用基于傳動系一體化控制的換擋規律時，百公里油耗為5.39L，單位里程燃油消耗降低了7%。

圖7為采用兩種不同DCT換擋規律時車速、發動機轉速、歸一化加速踏板行程和擋位的變化曲線。由圖可見，兩種換擋規律下實際車速都能很好地跟隨目標車速。因此，相對于普通換擋規律，基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律不影響汽車的動力性。但在傳統換擋規律下，換擋時發動機轉速波動較大，加速踏板行程波動較大，換擋較頻繁，甚至出現往復換擋的現象；而采用基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律后，換擋時發動機轉速和加速踏板行程波動較小，換擋的頻率明顯降低。說明基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律，有效減少了換擋次數，避免了頻繁換擋，提高了汽車的燃油經濟性。

5 實車試驗

為了驗證基于傳動系一體化控制的DCT最佳換擋規律的有效性，分別基于普通換擋規律和傳動系一體化換擋規律，針對某乘用車進行ECE工況的實車驗證試驗，結果如圖8所示。

由試驗結果可知，采用傳統的綜合型換擋規律時，百公里油耗為8.58L，對于基于傳動系一體化控制的換擋規律，百公里油耗為8.31L，燃油經濟性比前者提高了3.2%。

兩種換擋規律下實際車速對目標車速跟隨良好。因此相對于普通換擋規律，基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律不影響汽車的動力性。與普通換擋規律相比，基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律換擋時發動機轉速和加速踏板行程波動較小，換擋頻率明顯降低，提高了汽車的燃油經濟性。

6 結論

(1)介紹了DCT傳動系一體化控制的工作原理，建立了轉矩輔助型AMT的動力學模型，使用Matlab/Simulink軟件搭建了該系統的仿真模型。

(2)分析了傳統的DCT換擋規律，結合動態規劃理論，制訂了基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律。采用EUDC循環工況，分別對兩種換擋規律進行了仿真研究和實車驗證試驗。結果表明，基于傳動系一體化控制的DCT換擋規律，在不影響動力性的前提下，能夠有效減少換擋次數，改善燃油經濟性。

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A Study on the Shift Schedule of DCT Based on Integrated Powertrain Control

Han Peng1，Cheng Xiusheng1，Li Xingzhong1，Li Xuesong1& Wang Yinshu2

(1.JilinUniversity，StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl，Changchun130025；2.ZhengzhouYutongBusCo.,Ltd.,Zhengzhou450016)

The working principle of integrated powertrain control system with a double clutch transmission (DCT) is presented and a dynamics model for DCT based on integrated powertrain control is established. On the basis of traditional shift schedule for DCT, the optimal shift schedule based on integrated powertrain control is worked out with dynamic programming. Simulations and real vehicle tests are conducted on traditional shift schedule and shift schedule based on integrated powertrain control respectively with EUDC cycle. The results show that the optimal shift schedule for DCT based on integrated powertrain control can effectively reduce shift frequency and improve fuel economy with vehicle power performance unaffected.

DCT; integrated powertrain control; dynamic programming; shift schedule

*高等學校博士學科點專項科研基金(20120061110027)和中國博士后科學基金(801110270415)資助。

原稿收到日期為2013年9月2日，修改稿收到日期為2013年12月13日。