混合動(dòng)力汽車離合器故障診斷策略開發(fā)

朱　　明，李　　興，馬成杰（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海　201804）

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混合動(dòng)力汽車離合器故障診斷策略開發(fā)

朱明，李興，馬成杰
（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804）

摘要：上汽榮威550插電混合動(dòng)力車采用電驅(qū)變速器進(jìn)行換檔和混動(dòng)模式切換。電驅(qū)變速器用2個(gè)離合器來實(shí)現(xiàn)這2個(gè)功能，因此對(duì)離合器的故障監(jiān)控很有必要。本文深入分析電驅(qū)變速器離合器故障診斷策略開發(fā)，包括離合器打滑、常開和粘連故障的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：離合器診斷；故障處理；混合動(dòng)力；EDU

隨著國際對(duì)能源安全和環(huán)境保護(hù)的重視不斷提升，各國對(duì)汽車排放污染物要求越來越嚴(yán)格。減少對(duì)能源的依賴，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，已成為世界經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的問題。油電混合動(dòng)力汽車將電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合在一起，具有降低油耗、增加續(xù)駛里程、技術(shù)成熟度比較高等優(yōu)點(diǎn)，是目前各大汽車公司發(fā)展的首選趨勢(shì)。

上汽第一款插電式混合動(dòng)力汽車550 Plug-in，其系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由TM （驅(qū)動(dòng)）電機(jī)、ISG（起動(dòng)）電機(jī)、雙離合器 （C1和C2）、變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)、高壓電池組成，如圖1所示。

圖1　　混合動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

該車的動(dòng)力源切換是依靠控制2個(gè)離合器 （C1和C2）的結(jié)合狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，混合動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的車輛運(yùn)行狀況來控制每個(gè)離合器的斷開和閉合。通常情況下C1常開，C2常閉。當(dāng)需要進(jìn)入并聯(lián)模式用發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，C1才閉合。離合器 （C1和C2）是通過電磁閥的電流來驅(qū)動(dòng)，電流轉(zhuǎn)化為壓力來推動(dòng)離合器的驅(qū)動(dòng)活塞，驅(qū)動(dòng)活塞再控制離合器的膜片彈簧對(duì)離合器進(jìn)行打開和閉合控制。如圖2所示。離合器一旦出故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題，輕者致使汽車性能嚴(yán)重下降，重者導(dǎo)致重大的安全事故。所以，離合器診斷策略開發(fā)是一項(xiàng)非常重要的工作。

圖2　　離合器C1和C2的液壓結(jié)構(gòu)

1　混合動(dòng)力系統(tǒng)離合器狀態(tài)控制

混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)車速、SOC（高壓電池電量）、油門踏板等信號(hào)使車輛運(yùn)行在純電動(dòng)、串聯(lián)和并聯(lián)3種模式。當(dāng)SOC較高且油門不大時(shí)，系統(tǒng)將運(yùn)行在純電動(dòng)模式，此時(shí)離合器C2處于閉合狀態(tài)，離合器C1處

除了模式切換以外，換檔過程中也需要對(duì)離合器狀態(tài)進(jìn)行控制。C1和C2都打開，同步器才能挪動(dòng)進(jìn)行換檔。這種基于電驅(qū)變速器的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，模式切換和換檔出現(xiàn)得較為頻繁，所以需要離合器工作非常可靠，要求對(duì)離合器進(jìn)行全模式的故障監(jiān)控和失效后的安全處理。

2　離合器故障類型

離合器在使用過程中可能出現(xiàn)的故障分為3類：離合器打滑、離合器常開、離合器粘連故障。

離合器打滑是指由于離合器壓緊力不足或者傳遞扭矩能力不足，造成離合器兩端存在較大的轉(zhuǎn)速差。故障發(fā)生后，扭矩輸入端轉(zhuǎn)速快速上升，駕駛員感覺到車輛動(dòng)力不足，極端情況下能聽到異響。離合器持續(xù)地打滑會(huì)給硬件帶來很大的傷害。

離合器常開故障是指由于控制電路或硬件故障導(dǎo)致離合器兩端完全分離。故障發(fā)生后，離合器完全不能傳遞扭矩，車輛會(huì)失去動(dòng)力，此時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員生命安全。

離合器粘連故障是指離合器始終處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)無法控制其打開。由于輸入端扭矩會(huì)一直傳遞到輸出端，系統(tǒng)硬件可能會(huì)受到損害。比如，串聯(lián)模式下如果C1發(fā)生離合器粘連故障，ISG、發(fā)動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)速和TM轉(zhuǎn)速不一致時(shí)，電機(jī)會(huì)造成損害。

無論發(fā)生任何離合器故障，都會(huì)使混合動(dòng)力系統(tǒng)無法正常工作，所以需要開發(fā)出一種離合器的故障診斷方法。當(dāng)離合器故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)判斷出故障并采取合理的補(bǔ)救措施，以保證混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3　離合器診斷策略開發(fā)

根據(jù)冗余信息來源，系統(tǒng)故障自診斷系統(tǒng)的途徑分為硬件冗余法和非硬件冗余法。前者主要通過附加專用的傳感器獲取故障診斷所需要的信號(hào)，后者是通過分析、綜合系統(tǒng)各種測(cè)量信息進(jìn)行故障診斷，其最大的特點(diǎn)是不增加硬件，但往往需要大量復(fù)雜的運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)。考慮到成本因素且無附加傳感器的安裝位置，采用非硬件冗余法對(duì)離合器故障進(jìn)行診斷［1］。

離合器打滑診斷：診斷設(shè)定在離合器控制處于結(jié)合狀態(tài)下進(jìn)行，通過判斷離合器兩端的轉(zhuǎn)速差或者計(jì)算離合器累積的熱量，來判斷離合器是否出現(xiàn)打滑故障。

圖3為離合器打滑診斷流程圖。從圖3中可以看出，在進(jìn)行離合器打滑診斷前必須對(duì)打滑診斷要用到的測(cè)量信號(hào) （轉(zhuǎn)速、檔位、變速器油壓等）進(jìn)行檢查，確保在基本信號(hào)正常的情況下進(jìn)行診斷，防止系統(tǒng)出現(xiàn)誤判。

圖3　　離合器打滑診斷流程圖

離合器常開診斷：診斷設(shè)定在控制離合器結(jié)合的初始階段進(jìn)行，當(dāng)離合器兩端的轉(zhuǎn)速差超過標(biāo)定限值，系統(tǒng)報(bào)離合器常開故障。離合器常開診斷的診斷條件與打滑診斷唯一的區(qū)別在于發(fā)生在離合器結(jié)合的初始階段。由于離合器常開時(shí)已無傳遞扭矩能力，離合器不會(huì)累積熱量，常開診斷的判錯(cuò)條件只考慮轉(zhuǎn)速差。

離合器粘連診斷：診斷設(shè)定在控制離合器斷開的條件下進(jìn)行，為進(jìn)一步避免誤判診斷條件，需要在離合器輸出端轉(zhuǎn)速與輸入端TM、ISG電機(jī)目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速相差較大時(shí)進(jìn)行。當(dāng)離合器兩端實(shí)際轉(zhuǎn)速幾乎相等并且輸入端由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速變化率倒算的扭矩明顯超出了實(shí)際扭矩時(shí)，系統(tǒng)報(bào)離合器粘連故障。離合器粘連診斷流程圖如圖4所示。

4　故障處理

為了保證在故障模式下的硬件安全以及整車具備一定的行駛能力，需要在故障發(fā)生時(shí)采取合理的故障處理模式。從保護(hù)整車的角度來講，故障處理模式主要有2種：一種是直接禁止相關(guān)部件的工作，比如禁止ISG電機(jī)、TM電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作；另一種是禁止某個(gè)功能，比如禁止并聯(lián)、換檔、串聯(lián)、純電動(dòng)、跛行、能量回收等。這2種模式之間存在著相關(guān)性，比如禁止ISG電機(jī)后，串聯(lián)和并聯(lián)模式也無法實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)際使用中可以同時(shí)出現(xiàn)。

故障處理模式需要根據(jù)故障發(fā)生的實(shí)際情況來設(shè)定。例如當(dāng)C1打滑發(fā)生時(shí)，ISG、發(fā)動(dòng)機(jī)端的扭矩已無法正常傳遞到輸出端，系統(tǒng)必須采取禁止并聯(lián)的處理方式。此時(shí)，車輛只能依靠TM電機(jī)驅(qū)動(dòng)，ISG、發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常發(fā)電，換檔和能量回收功能還能正常實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)最大限度地保持了車輛的行駛能力，車輛開到4S店后再進(jìn)行維修。其他故障處理模式的配置也類似。

圖4　　離合器粘連診斷流程圖

5　試驗(yàn)驗(yàn)證

離合器的故障診斷策略需要通過試驗(yàn)來測(cè)試和優(yōu)化算法，完成設(shè)計(jì)后還要通過整車的耐久試驗(yàn)來驗(yàn)證是否可以有效地檢測(cè)故障并避免誤報(bào)故障。以離合器打滑故障診斷為例，通過臺(tái)架試驗(yàn)來測(cè)試離合器1 （C1）打滑時(shí)由于速差和傳遞扭矩產(chǎn)生的摩擦累積熱量對(duì)傳扭能力的影響。如圖5所示。

圖5　　離合器打滑摩擦累積熱量試驗(yàn)

當(dāng)C1兩端的轉(zhuǎn)速差為800r／min，持續(xù)3s，C1表面上的累積熱量超過了50kJ，此時(shí)C1端的傳遞扭矩出現(xiàn)了下降 （無法維持290 Nm），認(rèn)為離合器打滑已經(jīng)影響到了C1傳扭能力。因此，通過試驗(yàn)證明此算法可以有效地檢測(cè)離合器打滑故障。在整車耐久試驗(yàn)中，離合器打滑故障診斷也準(zhǔn)確地判斷離合器1和2的打滑故障，并采取相應(yīng)的故障處理措施保證了車輛和駕駛員的安全。

6　結(jié)語

結(jié)合理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析，可知干式離合器的安裝工藝和材料選型對(duì)離合器故障的發(fā)生率有重要影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮離合器傳遞扭矩的承受能力大小，其要遠(yuǎn)大于離合器輸入軸端的扭矩，才能避免離合器打滑。在材料選型時(shí)，選擇高耐磨性和耐溫性可以有效降低離合器打滑故障的發(fā)生率。此外，離合器兩端傳動(dòng)軸的分離軸承需要采用高溫油脂，避免燒蝕帶來的離合器粘連故障。在工作過程中，為了更好地控制離合器的分離結(jié)合或者滑摩，建議安裝溫度傳感器對(duì)離合器片的升溫進(jìn)行精確測(cè)量，以有效地降低頻繁打開閉合離合器和瞬時(shí)大扭矩傳遞產(chǎn)生的過溫風(fēng)險(xiǎn)。

從失效模式和后果分析進(jìn)行考慮，優(yōu)化機(jī)械和液壓設(shè)計(jì)可以避免或減少離合器故障發(fā)生率，同時(shí)采用離合器的故障診斷策略能夠?qū)﹄x合器故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在故障發(fā)生后能夠采取合理的故障處理方式，有效地保證了電驅(qū)變速器的模式切換和換檔功能的安全。離合器的故障診斷策略在整車耐久試驗(yàn)中得到了充分驗(yàn)證，也在上市車輛的售后診斷中發(fā)揮了積極作用。

參考文獻(xiàn)：

［1]朱軍.新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制原理及應(yīng)用［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013：192.

（編輯楊景）

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003－8639（2016）01－0007－03

收稿日期：2015-04-28；修回日期：2015-07-24

作者簡介：朱明 （1976-），男，碩士，工程師，主要從事電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車故障診斷策略開發(fā)工作。于斷開狀態(tài)，車輛完全由TM電機(jī)提供動(dòng)力。隨著電量的消耗，SOC逐漸降低，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、ISG電機(jī)開始發(fā)電，系統(tǒng)進(jìn)入串聯(lián)，此時(shí)離合器C1和C2狀態(tài)保持不變。當(dāng)加大油門時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入并聯(lián)，離合器C1將閉合，TM、ISG、發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)動(dòng)力源可以同時(shí)為車輛提供動(dòng)力。

Fault Diagnostic Strategy Development for Hybrid Vehicle Clutch

ZHU Ming，LI Xing，MA Cheng-jie
（Technical Center of SAIC Motor Corp.Ltd.，Shanghai 201804，China）

Abstract：The electric drive transmission is used on SAIC ROEWE 550 plug-in hybrid vehicle to shift and switch hybrid modes.These two functions are realized by with two clutches of the transmission，so it is much necessary for the clutch fault to be monitored.The fault diagnostic strategy development for this clutch is deeply analyzed including fault detection of clutch slip，stuck open and stuck close.

Key words：clutch diagnosis；fault treatment；hybrid electric；EDU