混合動力汽車集成式兩檔DHT研究應用

周權，曠龍，滿興家，葉年業，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，節能減排大勢所趨，同時為了積極響應滿足國家汽車“雙積分”政策及“雙碳”目標，在現有燃油車基礎上結合電驅動發展混合動力技術是一種很好的發展途徑。各種架構的汽車混合動力技術在蓬勃發展，為實現乘用車品牌向上及增加混合動力技術儲備，將集成式兩檔P1+P3架構混合動力專用變速箱(DHT)新技術成功應用在CN30S7 HEV功能樣車上，相比傳統燃油車提高了整車動力性、經濟性、駕駛性及噪聲-振動-聲振粗糙度(NVH)性能[1]，可以有力推動混合動力集成式DHT新技術研究應用向前邁進。

1 技術設計

該CN30S7 HEV功能樣車作為中大型運動型多用途汽車(SUV)，擁有高顏值的外觀、寬敞舒適的內部空間、智能豐富的科技配置，輔以油電混合動力可進一步提升整車品質。根據目前汽車行業DHT在研或量產的技術發展趨勢，采用直驅兩檔集成式P1+P3架構的DHT能更有效地提高整車加速性能、動力的快速響應性、高速巡航的經濟性和行駛品質。集成式DHT相比分體式DHT擁有更小的尺寸、更輕的質量、更低的成本，更便于在有限的前艙空間里進行布置并降低整車質量。結合仿真分析論證，研究采用1.5 T渦輪增壓缸內直噴發動機匹配兩檔DHT(殼體齒軸、電機和電機控制器三合一)與2.2 kW·h電池包的動力組合對CN30S7 HEV功能樣車進行改制及整車標定測試。

2 研究改制策略方案

2.1 設計數據邊界

根據混合動力總成的改制方案并基于基礎車得出DHT的數模邊界進行設計，DHT數模初版發布進行總布置匹配校核，并匹配混合動力總成的懸置接口、280 T發動機結合面、冷卻管路接口、高低壓電氣接口等，進一步細化設計，避開干涉并保留足夠的安全距離。電池包直接借用量產件布置在后備箱中，將第3排座椅及功放模塊進行拆除以騰出空間。

2.2 樣機設計組裝

根據改制策略方案設計鎖定DHT的齒軸速比(P1發電、發動機兩檔直驅、P3電驅)、結構數模及圖紙進行樣機的制造組裝,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臺架測試

2.3 換檔控制

根據整車對混合動力控制單元(HCU)、變速箱控制單元(TCU)與微控制單元(MCU)的功能需求，在混合動力汽車基礎上重新定義硬件驅動、匹配內部接口電路、定義控制器局域網(CAN)通信矩陣接口,以及基于兩檔DHT的整車Simulink控制模型開發底層軟件和應用層軟件并進行硬件在環(HIL)測試。MCU在量產軟件基礎上開展P1、P3電機臺架標定，生成萬有特性效率脈譜圖便于下一步整車標定選擇電機高效工作點，電子控制單元(ECU)基于現有混合動力汽車通信矩陣更新為適配混合動力汽車車型的軟件，并提供發動機萬有特性及效率脈譜圖。

TCU換檔功能定義、換檔時序圖的研討分析確定如圖3所示。

圖3 TCU換檔控制

直驅一檔、二檔的換檔點根據發動機高效工作區間及各車速下對應不同的油門踏板開度進行標定，以滿足動力性和經濟性的需求。根據離合器所需傳遞扭矩的大小，TCU控制無刷直流電機電壓驅動液壓泵產生不同的結合壓力滿足扭矩傳遞。

3 標定典型問題分析優化

3.1 整車標定準備及開展

根據制定的零部件改制清單對車輛進行手工改制、組裝，使車輛成功調整高低壓電，以及發動機啟停，開始全面進入整車標定階段。

在已開發的可刷寫軟件中寫入桌面標定數據后刷寫至HCU、TCU模塊作為初版標定數據。MCU基于現有混合動力汽車軟件集成兩檔DHT臺架標定數據作為初版標定數據。然后聯合各區域產品工程師(PE)刷新ECU、電池管理系統(BMS)、直流變換器(DC-DC)、換檔器控制單元(SCU)、空調控制器(AC)、電子轉向控制器(EPS)等控制模塊的數據軟件匹配樣車功能。各控制器模塊初版數據就緒后，首先進行高低壓上下電的測試，上下電過程(模塊喚醒、自檢、激活、工作、離線、休眠等)中HCU與各模塊的信號交互、時序修正故障排除，確保無鑰匙進入及啟動系統(PEPS)操作整車可正常上、下高低壓電。HCU與發動機ECU聯調，優化發動機啟動相關信號、時序，以及排除燃油泵線束故障后發動機可實現啟停并正常響應HCU目標扭矩。HCU與其他各相關模塊功能實現的信號交互逐一核對、修正。

通過底盤檢查、整車電檢、四輪定位、制動(ABS)檢測、轉轂車速檢測等過線檢測項目后，將該樣車分別在市區擁堵路況、郊區快速路、國道、高速路、環山路等路段進行不同工況的標定測試。主要標定內容見表1。

表1 不同工況的標定測試內容

3.2 整車頓挫問題優化

針對直驅一檔大油門，車速為90 km/h左右，緩踩油門時整車有頓挫的情況，HCU提高油門開度，車輛加速至高速時緩踩油門，P1電機恢復扭矩斜率(換檔過程斜率和直驅斜率)，更好地平衡發動機扭矩，命令P3電機不進行補扭，抖動現象基本消除。整車頓挫問題優化前后數據分析如圖4、圖5所示。

圖4 整車頓挫問題優化前

圖5 整車頓挫問題優化后

3.3 換檔停機問題優化

滑行過程變速器二檔退一檔時P1電機飛車，HCU請求發動機停機，但由于此時離合器沒有脫開，發動機沒有響應停機，整車行車模式有異常跳變；當離合器脫開時，發動機處于施加正扭狀態，P1電機被帶飛。針對該問題，利用HCU軟件增加扭矩解析相關功能模塊。換檔停機問題優化前后數據分析如圖6、圖7所示。

圖6 換檔停機問題優化前

圖7 換檔停機問題優化后

3.4 整車抖動問題優化

針對純電起步、低速(8～15 km/h)、小油門(約10%)、急踩油門、緩踩油門時整車抖動的問題，采用MCU軟件開啟防抖功能，針對識別出來的固有抖動頻率(6～8 Hz)P3電機補償扭矩[2]。整車抖動問題優化前后數據分析如圖8、圖9所示。

圖8 整車抖動問題優化前

圖9 整車抖動問題優化后

4 結果分析

經過嚴謹的整車標定測試，該CN30S7 HEV功能樣車圓滿完成，基本實現了研究目標。

CN30S7 HEV功能樣車的0～100 km/h加速時間比基礎燃油車減少3 s，加速能力大幅提升；綜合工況道路實測油耗比基礎燃油車節省30%；NVH性能也得到顯著提升。動力充沛、行車模式切換迅速及時、加速線性有力、行駛平順性好，基本沒有感受到換檔的抖動、頓挫；油門踏板響應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、結構緊湊利于總布置；現有成熟HCU模型架構可以滿足兩檔DHT 混合動力汽車的整車控制需求；整車動力性、加速能力明顯增強；TCU控制換檔響應迅速、平順性好；不同工況下發動機、P1電機、P3電機可標定高效區范圍廣，燃油經濟性潛力大；各種激烈駕駛工況下荷電狀態更容易保持平衡。

5 結語

在汽車大變局時代，產品應根據用戶的需求和痛點的解決不斷改進與升級。經過此項研究，基本形成了集成式兩檔DHT的整車技術路線，對集成式兩檔DHT的整車表現有了直觀認知及數據積累，所搭載開發的車型有助于滿足國家“雙積分”政策，并實現國家“雙碳”的目標。