石 剛，劉 洋，韓 笑，吳 瀟，郭 偉，徐向陽(yáng)

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車(chē)輛自動(dòng)變速器與啟停系統(tǒng)匹配的控制策略

石 剛1，劉 洋2※，韓 笑1，吳 瀟1，郭 偉3，徐向陽(yáng)1

(1. 北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076； 3. 國(guó)家乘用車(chē)自動(dòng)變速器工程技術(shù)研究中心，濰坊 261205)

為解決傳統(tǒng)自動(dòng)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停系統(tǒng)匹配時(shí)產(chǎn)生的起步遲滯和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗等問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了變速器控制器TCU（transmission control unit）、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)EMS（engine management system）和電動(dòng)泵的協(xié)同控制策略，通過(guò)所設(shè)計(jì)的協(xié)同控制極大地提高了啟動(dòng)成功率，并通過(guò)電動(dòng)泵智能調(diào)速控制方法為自動(dòng)變速器離合器提前建立油壓，避免起步遲滯。該文設(shè)計(jì)的電動(dòng)泵的智能調(diào)速方法可以減小油泵泵油損失，提高液壓系統(tǒng)效率。為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)舒適的起步換擋，推導(dǎo)了液力機(jī)械式自動(dòng)變速器AT（automatic transmission）車(chē)輛起步動(dòng)力學(xué)模型和離合器控制系統(tǒng)模型，基于模型設(shè)計(jì)了起步離合器油壓控制方法，提出了離合器卸油至接觸點(diǎn)的控制方法，當(dāng)車(chē)輛再次起步時(shí)可以提早響應(yīng)約400 ms。在自動(dòng)啟停過(guò)程中還考慮了換擋桿切換的特殊工況，保證了系統(tǒng)的大覆蓋率。通過(guò)整車(chē)搭載試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制策略具備可行性，起步過(guò)程中變速器輸出軸轉(zhuǎn)速變化平順，起步?jīng)_擊度大大降低。電動(dòng)泵的智能調(diào)速控制方法可降低油耗約1.5%。該文的研究方法首次實(shí)現(xiàn)了自主品牌AT變速器與啟停系統(tǒng)的良好匹配及應(yīng)用，具有一定的參考意義。

車(chē)輛；變速器；起動(dòng)；怠速啟停；電動(dòng)泵；起步控制

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停技術(shù)是節(jié)能減排的有效手段，具有很好的應(yīng)用前景[1-3]，但目前傳統(tǒng)自動(dòng)變速器與啟停功能匹配困難，嚴(yán)重影響了啟停技術(shù)的推廣。增加啟停功能的汽車(chē)不能改變駕駛員的傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣，操作上要跟傳統(tǒng)汽車(chē)一樣，對(duì)于自動(dòng)擋啟停汽車(chē)，必須可以實(shí)現(xiàn)“D擋啟?！?，大部分自動(dòng)變速器換擋操作是靠電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的[4-6]。傳統(tǒng)自動(dòng)變速器油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)油泵也停止工作，而當(dāng)車(chē)輛重啟行車(chē)時(shí)，自動(dòng)變速器液壓系統(tǒng)的油壓響應(yīng)延遲會(huì)造成車(chē)輛起步遲滯。另一方面，傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器的控制策略也不能夠滿(mǎn)足啟停車(chē)輛對(duì)起步快速性和平順性的要求，往往造成車(chē)輛起步?jīng)_擊，嚴(yán)重影響駕駛體驗(yàn)，甚至影響行車(chē)安全。

當(dāng)前市場(chǎng)上具備啟停功能的自動(dòng)擋汽車(chē)以國(guó)外和合資品牌車(chē)型較多。在啟停系統(tǒng)與自動(dòng)變速器的匹配解決方法上，硬件方面世界各大整車(chē)和零部件廠(chǎng)目前已有成熟的技術(shù)方案，以寶馬、奧迪等為代表的德系車(chē)型大都采用德國(guó)ZF公司的AT（automatic transmission）變速器，其解決方案是在自動(dòng)變速器中增加蓄能器作為輔助液壓源來(lái)保持油壓[7]。而奔馳最新的GLC則采用自家研發(fā)的9AT，其解決方案是增加電動(dòng)泵來(lái)保持油壓[8-9]，日本Aisin給大眾途銳配套的8AT也增加了電動(dòng)泵[10]，通過(guò)電動(dòng)泵補(bǔ)充油壓的方案是行業(yè)主流方案。在軟件控制方面，文獻(xiàn)[10]提出在啟停過(guò)程中變速器傳動(dòng)鏈一直保持接合來(lái)提高起步響應(yīng)，但此方法的代價(jià)是犧牲舒適性并有可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗。文獻(xiàn)[11]研究了通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)與自動(dòng)變速器的協(xié)調(diào)配合提高整車(chē)起步時(shí)NVH（noise，vibration，harshness）性能。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種在啟停過(guò)程中使變速器一擋離合器保持鎖止的技術(shù)。文獻(xiàn)[13-14]介紹了啟停自動(dòng)變速器中電動(dòng)泵的控制策略，并通過(guò)試驗(yàn)證明加裝電動(dòng)泵后的車(chē)輛起步更快、沖擊更小。文獻(xiàn)[15-16]分別研究了手動(dòng)變速器MT（manual transmission）、機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT（automatic mechanical transmission）車(chē)輛在不同工況下提高起步成功率的方法，其綜合考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器控制等因素。國(guó)內(nèi)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂扑惴ㄑ芯枯^多，但多側(cè)重于通過(guò)增加復(fù)雜的邏輯判斷來(lái)識(shí)別駕駛員啟停意圖或減少頻繁啟停次數(shù)，但對(duì)于與整車(chē)啟?？刂葡嚓P(guān)的傳動(dòng)系統(tǒng)的研究幾乎沒(méi)有[17-19]。本文則首次提出了啟停系統(tǒng)與自動(dòng)變速器良好匹配的控制方法，以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)這方面的空白。

不同于以上國(guó)外文獻(xiàn)提到的單一解決方法，本文基于對(duì)自動(dòng)擋汽車(chē)啟停原理的深入分析，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)EMS（engine management system）、變速器控制器TCU（transmission control unit）以及電動(dòng)泵控制器的協(xié)同控制方法，并設(shè)計(jì)了應(yīng)對(duì)各種工況的起步離合器控制策略，以期很好地兼顧了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)安全和快速起步響應(yīng)。

1 AT啟停整車(chē)系統(tǒng)組成介紹

啟停系統(tǒng)的整車(chē)原理如圖1所示[20-22]，采用聯(lián)合汽車(chē)電子公司（United Automotive Electronic Systems Co.,Ltd. ,UAES）的加強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)方案，發(fā)動(dòng)機(jī)的普通起動(dòng)機(jī)更換為增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)，其啟動(dòng)次數(shù)、電機(jī)壽命和啟動(dòng)速度均提高。搭載盛瑞傳動(dòng)8AT自動(dòng)變速器，變速器內(nèi)集成一個(gè)電動(dòng)泵（electrical oil pump，EOP）作為輔助液壓源。整車(chē)上增加AGM蓄電池、制動(dòng)真空度傳感器、車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)、人機(jī)交互儀表界面等相關(guān)附件以支持智能啟?？刂撇呗浴MS作為啟停決策的核心，通過(guò)CAN總線(xiàn)接收來(lái)自整車(chē)各個(gè)電控單元的信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷決定最終的啟停操作。TCU與EMS分別通過(guò)繼電器共同控制起動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，TCU與EMS之間的協(xié)調(diào)配合至關(guān)重要，直接影響著系統(tǒng)性能和駕駛效果[23]。

圖1 基于AT的啟停系統(tǒng)示意圖

圖2所示為本項(xiàng)目所采用的來(lái)自山東盛瑞傳動(dòng)的8AT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其主要特點(diǎn)是采用兩軸結(jié)構(gòu)，3三個(gè)行星排，3對(duì)圓柱齒輪和5個(gè)濕式離合器，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋。表1所示為該變速器的換擋邏輯，自動(dòng)變速器換擋時(shí)，最好能夠?qū)崿F(xiàn)“簡(jiǎn)單換擋”，即只需要打開(kāi)一個(gè)離合器、閉合一個(gè)離合器，就可以實(shí)現(xiàn)換擋。

注：B1、C1、C2、C3、C4為離合器。

表1 8AT換擋控制邏輯及各檔位傳動(dòng)比

2 協(xié)同控制策略

圖3所示為匹配啟停系統(tǒng)的TCU控制系統(tǒng)組成。硬件層面包括TCU本體、傳感器、執(zhí)行器等，軟件層面包括底層和應(yīng)用層軟件[24-26]。應(yīng)用層中包括傳統(tǒng)AT一般都有的換擋規(guī)律控制、液力變矩器控制等模塊，而圖中深色部分則為針對(duì)啟停系統(tǒng)的技術(shù)要求而專(zhuān)門(mén)增加或相對(duì)于傳統(tǒng)AT而更改的部分。圖中EOP代表電動(dòng)泵自帶的控制器，TCU通過(guò)CAN總線(xiàn)向電動(dòng)泵控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速控制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行調(diào)速控制。針對(duì)車(chē)輛起步快速響應(yīng)的要求，需設(shè)計(jì)起步離合器控制策略，將在第3節(jié)詳細(xì)描述。

圖3 匹配啟停系統(tǒng)的TCU控制系統(tǒng)組成

在自動(dòng)啟停中，EMS起主導(dǎo)作用，而TCU則起配合、協(xié)調(diào)的作用，協(xié)同控制啟停策略的原理是TCU與EMS的應(yīng)用層增加相應(yīng)的控制邏輯，兩者相互之間發(fā)送請(qǐng)求及反饋信號(hào)，從而保證啟停系統(tǒng)的正常運(yùn)行及系統(tǒng)安全。對(duì)于協(xié)同控制策略的設(shè)計(jì)將從自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)重啟、電動(dòng)泵控制3個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 自動(dòng)停機(jī)策略

圖4a描述了TCU在自動(dòng)停機(jī)過(guò)程中的控制策略。當(dāng)車(chē)輛停止后發(fā)動(dòng)機(jī)趨向于停機(jī)，此時(shí)EMS需要TCU的同意才能繼續(xù)下一步操作，若TCU發(fā)送禁止停機(jī)請(qǐng)求則EMS就會(huì)取消此次停機(jī)觸發(fā)。TCU禁止停機(jī)的因素包括：自動(dòng)變速器油溫度過(guò)高或過(guò)低、電動(dòng)泵存在故障、TCU正在自學(xué)習(xí)、駕駛員掛在倒擋位置。這是因?yàn)楫?dāng)變速器油溫過(guò)低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)早停機(jī)將導(dǎo)致變速器失去負(fù)載，不利于油溫的快速上升，而當(dāng)油溫過(guò)高時(shí)停機(jī)也不利于散熱；當(dāng)電動(dòng)泵有故障將無(wú)法在停機(jī)時(shí)保持油壓，從而影響下次起步的響應(yīng)和平順性；TCU軟件自學(xué)習(xí)時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)維持動(dòng)力，因此不能停機(jī)；出于安全考慮，相關(guān)法規(guī)規(guī)定倒擋時(shí)禁止一切自動(dòng)啟停操作。

注：R1、R2為繼電器；KL50鑰匙啟動(dòng)擋，KL15為鑰匙ACC擋。

若變速器對(duì)自動(dòng)停機(jī)無(wú)禁止請(qǐng)求，則EMS觸發(fā)自動(dòng)停機(jī)并向TCU發(fā)送停機(jī)準(zhǔn)備請(qǐng)求，TCU開(kāi)始進(jìn)行停機(jī)準(zhǔn)備：首先需要判斷是否正在進(jìn)行換擋操作，如果換擋過(guò)程未完成則首先完成換擋操作，這是因?yàn)閾Q擋控制需要發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的支持，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)還不能熄火。若當(dāng)前無(wú)換擋操作，TCU會(huì)控制1擋離合器松開(kāi)，脫開(kāi)傳動(dòng)鏈，并向EMS反饋停機(jī)準(zhǔn)備已完成，EMS收到后才會(huì)進(jìn)行最終的停機(jī)操作。在策略上TCU一方面需要配合停機(jī)操作脫開(kāi)傳動(dòng)鏈，另一方面會(huì)根據(jù)自身的情況對(duì)自動(dòng)停機(jī)進(jìn)行禁止或者延遲操作的干預(yù)。

2.2 自動(dòng)啟動(dòng)策略

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)控制電路圖由EMS所控制的啟動(dòng)繼電器和TCU所控制的啟動(dòng)繼電器通過(guò)“串聯(lián)”的方式共同控制，如圖4b所示。

自動(dòng)啟動(dòng)控制過(guò)程如圖4c所示，啟停模式下，若EMS確定需要啟動(dòng)，則控制啟動(dòng)繼電器吸合，此時(shí)起動(dòng)機(jī)工作就取決于TCU是否允許啟動(dòng)了，TCU要確保處于上電狀態(tài)，并且EMS對(duì)TCU所控制的啟動(dòng)繼電器吸合無(wú)禁止請(qǐng)求（EMS發(fā)出此信號(hào)的依據(jù)是自身啟停系統(tǒng)的故障和發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，目的是防止起動(dòng)機(jī)異常起動(dòng)），并且變速器傳動(dòng)鏈處于脫開(kāi)狀態(tài)，TCU就可控制啟動(dòng)繼電器吸合從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)工作發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

當(dāng)駕駛員手動(dòng)點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，則此時(shí)只需要TCU允許就可實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)駕駛員的主動(dòng)意圖已經(jīng)很明確需要啟動(dòng)，不需要再經(jīng)過(guò)EMS判斷。此時(shí)TCU判斷允許啟動(dòng)的條件有：換擋桿位置必須在P或N擋、制動(dòng)踏板被踩下、車(chē)速小于標(biāo)定值，以保證行車(chē)安全。在自動(dòng)啟動(dòng)的控制策略上，TCU主要負(fù)責(zé)保證傳動(dòng)鏈斷開(kāi)，以防止起動(dòng)機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)，造成啟動(dòng)失敗，甚至損壞起動(dòng)機(jī)。

2.3 電動(dòng)泵控制策略

電動(dòng)泵在啟停系統(tǒng)中起油壓補(bǔ)充的作用，以提供給變速器離合器足夠的油壓保證能傳遞驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)平穩(wěn)快速地起步。在TCU的應(yīng)用層中增加對(duì)電動(dòng)泵的控制邏輯，如圖5所示，電動(dòng)泵采用分段調(diào)速控制。

圖5 電動(dòng)泵控制原理示意圖

在自動(dòng)停機(jī)時(shí)，電動(dòng)泵以較低轉(zhuǎn)速工作來(lái)補(bǔ)充變速器液壓系統(tǒng)的泄露，從而將變速箱主油壓保持在離合器接觸點(diǎn)（Kiss Point）壓力以上；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)重啟時(shí)，電動(dòng)泵需要提高工作轉(zhuǎn)速以快速建立較高主油壓，防止車(chē)輛起步時(shí)由于離合器轉(zhuǎn)矩容量不足造成滑摩過(guò)大無(wú)法壓緊，此階段電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速主要根據(jù)變速器輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行標(biāo)定，輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩越大則電動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速上升速率越快；在車(chē)輛開(kāi)始移動(dòng)逐漸加速后，此時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸帶動(dòng)的機(jī)械油泵也開(kāi)始工作，此后電動(dòng)泵將降低轉(zhuǎn)速最后關(guān)閉，這個(gè)過(guò)程中若變速器處于換擋過(guò)程中，則電動(dòng)泵維持工作到換擋結(jié)束后才關(guān)閉，以防止突然降低液壓油流量導(dǎo)致系統(tǒng)油壓突變從而影響換擋品質(zhì)。系統(tǒng)增加的電動(dòng)泵由汽車(chē)低壓蓄電池提供驅(qū)動(dòng)能量，因此不同于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械泵，電泵可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之外，可以智能控制實(shí)現(xiàn)油壓的“削峰填谷”，因此增加電動(dòng)泵的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將傳統(tǒng)機(jī)械泵排量減小，降低發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)機(jī)械泵的液壓流量損失。

3 起步控制策略

3.1 起步動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)AT車(chē)輛起步時(shí)涉及的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、變速器傳動(dòng)比、起步離合器、車(chē)體以及各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本文所研究對(duì)象為盛瑞傳動(dòng)8AT變速器，根據(jù)表1所示的換擋邏輯，從空擋掛入前進(jìn)擋或倒擋時(shí)，只需要再多接合一個(gè)離合器，因此起步過(guò)程實(shí)際上可以簡(jiǎn)化為“液力變矩器+AMT”的結(jié)構(gòu)。起步離合器的前后兩端與變速器行星排機(jī)構(gòu)連接的部分被簡(jiǎn)化為傳動(dòng)比和。

按起步過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩輸入端傳遞路線(xiàn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)-泵輪部分有

對(duì)于渦輪-離合器部分有

（2）

式中為克服回位彈簧預(yù)緊力的油壓，MPa；μd為離合器摩擦片的動(dòng)摩擦系數(shù)；為摩擦接觸面積，mm2；為摩擦片當(dāng)量半徑，mm；N為摩擦片片數(shù)；為作用于離合器活塞上的離合器控制油壓，MPa。AT離合器采用先導(dǎo)式控制方式，TCU通過(guò)改變電磁閥電流的大小來(lái)控制作用于離合器活塞上的壓力，圖6a所示為通過(guò)盛瑞公司液壓試驗(yàn)臺(tái)所測(cè)得的離合器的電流-壓力特性曲線(xiàn)，在電流上升和下降過(guò)程中，相同的電流對(duì)應(yīng)的壓力存在偏差，被稱(chēng)作滯環(huán)特性，這是由于電磁閥的磁性材料遲滯特性以及各種阻尼和摩擦力造成的，是該類(lèi)型電磁閥的一種特性，在軟件中通過(guò)設(shè)置標(biāo)定參數(shù)可以盡量降低偏差對(duì)換擋質(zhì)量的影響；為離合器摩擦片的動(dòng)摩擦系數(shù)，它受到很多因素影響，摩擦片涂層類(lèi)型（材料、表面溝槽設(shè)計(jì)、磨損程度），變速器換擋控制參數(shù)（換擋時(shí)間、滑摩速度），ATF油動(dòng)態(tài)變化特性（油溫、黏度）等都會(huì)造成摩擦系數(shù)的變化，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)摩擦系數(shù)與離合器滑差的關(guān)系，稱(chēng)為特性，圖6b所示為摩擦材料供應(yīng)商達(dá)耐時(shí)（DYNAX）提供的特性圖。

對(duì)于車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)，按輸出端路線(xiàn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析

汽車(chē)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力為

由公式（3）、（4）、（5）得到離合器滑摩階段的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力

式（6）可知，在結(jié)構(gòu)和起步擋位一定時(shí)，車(chē)輛的起步驅(qū)動(dòng)力主要取決于摩擦離合器接合時(shí)的油壓大小。

當(dāng)離合器完全接合以后，此時(shí)相當(dāng)于剛性連接，即傳遞負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，有以下公式

由式（5）（7）推導(dǎo)得到離合器閉鎖后的車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力

由式（8）可見(jiàn)，當(dāng)離合器完全結(jié)合后，起步驅(qū)動(dòng)力主要受起步擋位傳動(dòng)比和渦輪轉(zhuǎn)矩的影響，跟起步離合器的控制油壓無(wú)關(guān)。若離合器接合后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩仍然無(wú)法克服行駛阻力，此時(shí)必須踩下油門(mén)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，才能實(shí)現(xiàn)起步。

對(duì)于自動(dòng)變速器車(chē)輛，除雪地模式外，一般在1擋起步，傳動(dòng)比最大。并且大多數(shù)啟停系統(tǒng)都安裝坡度傳感器，禁止在坡道上啟停。因此通常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，變速器在離合器滑摩階段傳遞的轉(zhuǎn)矩就足以克服行駛阻力使得汽車(chē)移動(dòng)，不需要踩油門(mén)。對(duì)于車(chē)輛起步響應(yīng)和平順性的控制，關(guān)鍵是對(duì)離合器油壓的控制。動(dòng)力學(xué)建模分析是離合器控制策略設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3.2 起步離合器控制策略

3.2.1 D擋啟停工況離合器控制方式

啟停車(chē)輛在停機(jī)和起步時(shí)，一般是換擋桿位置保持在D擋不變，駕駛員僅通過(guò)剎車(chē)控制車(chē)輛啟停。如圖7b所示，D擋桿位保持不變，TCU可以支持換擋桿在D擋自動(dòng)熄火和點(diǎn)火，只是在變速器內(nèi)部通過(guò)軟件控制進(jìn)行離合器卸油從而脫開(kāi)傳動(dòng)鏈。在圖中停機(jī)準(zhǔn)備階段，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)前起步離合器卸油打開(kāi)傳動(dòng)鏈，打開(kāi)傳動(dòng)鏈的通常方法是將離合器油缸里的油完全卸光，當(dāng)重新需要起步時(shí)還需要再次將油缸充滿(mǎn)油。AT所采用的多片濕式離合器充油過(guò)程需要大約400 ms[27-28]，實(shí)際上對(duì)于起步響應(yīng)在直觀感受來(lái)說(shuō)這是一個(gè)不可忽略的時(shí)間，如果能將這一時(shí)間間隔消除將更好地加快起步響應(yīng)。因此為了提高下一次啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，本文提出一種新的控制策略，僅僅將離合器油壓卸至接觸點(diǎn)（Kiss point）而不是完全卸光。離合器的接觸點(diǎn)是指離合器油缸剛好充滿(mǎn)油，但摩擦片和鋼片又不會(huì)壓緊傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩，是一種臨界狀態(tài)[29-30]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)，為了防止負(fù)載過(guò)大，離合器油壓仍然保持在接觸點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)怠速后，再控制油壓上升，起步離合器的控制采用“開(kāi)環(huán)+閉環(huán)”方式，開(kāi)環(huán)是控制目標(biāo)壓力的上升斜率，閉環(huán)是基于離合器滑差進(jìn)行的PI控制。具體分為以下2個(gè)階段：

過(guò)程Ⅰ油壓上升，離合器開(kāi)始承擔(dān)轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)接收TCU發(fā)送的指令后會(huì)增加輸出轉(zhuǎn)矩。過(guò)程Ⅰ的目的是保證離合器滑差能夠平穩(wěn)地下降逐漸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，其結(jié)束的標(biāo)志可以通過(guò)標(biāo)定量的標(biāo)定來(lái)調(diào)整。目標(biāo)控制壓力可以由式（9）表示

過(guò)程Ⅱ是控制離合器完全壓緊，目標(biāo)控制壓力為

3.2.2 換擋桿切換工況離合器控制方式

啟停車(chē)輛在停機(jī)和起步時(shí)，有的駕駛員可能會(huì)沿襲了傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器操作習(xí)慣，在停車(chē)時(shí)喜歡手動(dòng)切換換擋桿位至N擋，或者駕駛員在停車(chē)后突然想要倒車(chē)，將換擋桿切換至R擋，因此在控制策略里需要增加這些工況的應(yīng)對(duì)策略，防止多個(gè)離合器同時(shí)接合形成干涉損害變速器。圖7c所示，自動(dòng)停機(jī)后換擋桿D-N-R切換，在駕駛員將換擋桿撥到N時(shí)，根據(jù)表1換擋控制邏輯可知D-N切換時(shí)C1需要打開(kāi)，因此先控制離合器C1卸油。在掛入R擋發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)需要起步時(shí)，同理，根據(jù)表1換擋控制邏輯可知N-R切換時(shí)C2需要閉合，因此對(duì)R擋起步離合器C2進(jìn)行充油控制。充油過(guò)程控制主要分為Ⅰ快速充油和Ⅱ充油保持，快速充油階段采用矩形充油方式，充油保持階段是油壓推動(dòng)活塞平穩(wěn)消除離合器片間隙的過(guò)程，該過(guò)程控制電流保持不變。因?yàn)榛钊苿?dòng)的過(guò)程離合器膜片彈簧的彈力逐漸增加，所以該過(guò)程壓力逐漸上升直到間隙完全消除，活塞停止運(yùn)動(dòng)。圖7c中充油控制參數(shù)、分別是快速充油壓力和充油保持壓力，兩者分別對(duì)應(yīng)快速充油時(shí)間、充油保持時(shí)間。這些控制參數(shù)決定了充油壓力變化和活塞移動(dòng)軌跡，優(yōu)化充油控制也是對(duì)這些參數(shù)的優(yōu)化。在充油結(jié)束后起步離合器進(jìn)入轉(zhuǎn)矩傳遞階段，其控制方式與圖7b介紹的方法相同。

注：PFF、PFH分別是快速充油壓力和充油保持壓力；ns_Ι為階段Ⅰ結(jié)束的標(biāo)定轉(zhuǎn)速量。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及設(shè)計(jì)

圖8a所示為試驗(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)基于山東盛瑞傳動(dòng)已量產(chǎn)的8AT通過(guò)增加電動(dòng)泵改造而成。圖8b所示為搭載變速器樣機(jī)的試驗(yàn)整車(chē)，該車(chē)為已上市的江鈴陸風(fēng)X7緊湊型城市SUV。在完成機(jī)械和電氣線(xiàn)束的接口連接后，進(jìn)行整車(chē)道路測(cè)試。圖8c所示為主要測(cè)試設(shè)備，測(cè)試工程師負(fù)責(zé)完成相關(guān)試驗(yàn)工況的駕駛復(fù)現(xiàn)，標(biāo)定工程師負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和記錄。數(shù)據(jù)采集工具采用德國(guó)Vector公司的CAN case硬件產(chǎn)品和CANape軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)試與標(biāo)定。試驗(yàn)在盛瑞傳動(dòng)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2016年4月。主要試驗(yàn)內(nèi)容是測(cè)試車(chē)輛啟停過(guò)程中自動(dòng)變速器內(nèi)離合器的控制過(guò)程和電動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，以驗(yàn)證前文所設(shè)計(jì)的控制算法是否可行。

4.2 結(jié)果與分析

圖9a所示為在D擋啟停過(guò)程中的測(cè)試數(shù)據(jù)，駕駛員在D擋踩住剎車(chē)至車(chē)輛停止后，在接近2 s發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始產(chǎn)生自動(dòng)停機(jī)使能請(qǐng)求，EMS發(fā)送自動(dòng)停機(jī)準(zhǔn)備請(qǐng)求給TCU，TCU控制C1離合器卸油，圖中可以看出C1的實(shí)際油壓卸至0.12 MPa，B1保持閉鎖，即等同于主油壓值，此時(shí)換擋桿位置一直在D保持不變，但實(shí)際傳動(dòng)鏈已經(jīng)脫開(kāi)，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火，由于變速器中增加了電泵，使得主油壓可以保持在0.3 MPa，使得離合器保持在接觸點(diǎn)。在7 s時(shí)駕駛員松開(kāi)剎車(chē)踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)重啟，主油壓也跟著迅速升高，C1作為起步離合器在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后才進(jìn)入轉(zhuǎn)矩相，油壓升高，傳遞滑摩轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速直接出現(xiàn)速差，由于8AT的1擋傳動(dòng)比比較高，在C1離合器壓緊之前車(chē)輛就開(kāi)始移動(dòng)，輸出軸轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升而不是產(chǎn)生突變，整個(gè)過(guò)程變速器響應(yīng)迅速而平穩(wěn)，沒(méi)有產(chǎn)生遲滯感和換擋沖擊，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中傳動(dòng)鏈?zhǔn)冀K保持脫開(kāi)，沒(méi)有影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)。

圖8 啟停變速器樣機(jī)及實(shí)車(chē)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

圖9 整車(chē)啟停試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

圖9b為在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后駕駛員手動(dòng)撥動(dòng)換擋桿測(cè)試。D擋停車(chē)，起步離合器C1自動(dòng)卸油至保持點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，可能由于突發(fā)倒車(chē)需求，在將近5 s時(shí)駕駛員將換擋桿從D撥到R，根據(jù)前文所述的控制策略，任何情況下掛R擋發(fā)動(dòng)機(jī)必須不能熄火，因此發(fā)動(dòng)機(jī)需要重啟。TCU快速應(yīng)對(duì)換擋桿變化，根據(jù)圖2換擋邏輯，控制1擋對(duì)應(yīng)的起步離合器C1快速卸油至全空，同時(shí)R擋對(duì)應(yīng)的起步離合器C2則根據(jù)3.2節(jié)介紹的控制策略進(jìn)行充油，待發(fā)動(dòng)機(jī)完成啟動(dòng)后，油壓繼續(xù)上升進(jìn)入驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞階段，隨著油壓逐漸升高車(chē)輛平穩(wěn)起步，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，沒(méi)有產(chǎn)生沖擊。試驗(yàn)結(jié)果顯示實(shí)車(chē)測(cè)試證明所設(shè)計(jì)的控制策略可以應(yīng)對(duì)各種工況。

圖9c所示為電動(dòng)泵控制的測(cè)試數(shù)據(jù)，為了更顯著地體現(xiàn)電動(dòng)泵的控制效果，原變速器的傳統(tǒng)機(jī)械泵已更換為更小的油泵（流量有17 mL變?yōu)?0 mL）。從圖9c中可以看出電泵的轉(zhuǎn)速整體上是跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈“互補(bǔ)”的關(guān)系，由于機(jī)械泵由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)降速或停機(jī)時(shí)機(jī)械泵也停止工作，造成系統(tǒng)主油壓下降，通過(guò)增加電動(dòng)泵智能調(diào)速，讓系統(tǒng)的實(shí)際主油壓始終保持在需求之上。在圖中190s發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)期間，電泵以大于1 500 r/min的轉(zhuǎn)速工作將主油壓保持在0.4 MPa，足夠離合器保持在接觸點(diǎn)油缸里充滿(mǎn)油。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)，輸入轉(zhuǎn)矩提高，系統(tǒng)主油壓需求也隨之提高，此時(shí)電泵提高了工作轉(zhuǎn)速以保證油壓快速上升，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的主油壓需求主要由離合器轉(zhuǎn)矩決定，而離合器轉(zhuǎn)矩受輸入轉(zhuǎn)矩直接影響。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到較高轉(zhuǎn)速以上，而需求主油壓值不高時(shí)，電泵即關(guān)閉以節(jié)約能耗。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，電泵的變速智能控制策略滿(mǎn)足了系統(tǒng)油壓需求的同時(shí)降低了能耗，通過(guò)50次市區(qū)行車(chē)試驗(yàn)的加油量統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可節(jié)油約1.5%。

5 結(jié)論與討論

1）分析了整車(chē)與發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)原理，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器及其他關(guān)鍵部件的電控接口技術(shù)條件。

2）針對(duì)自動(dòng)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)匹配困難的問(wèn)題，搭建了控制軟件框架，設(shè)計(jì)了協(xié)同控制策略，解決了自動(dòng)變速器與啟停系統(tǒng)匹配困難的問(wèn)題。

3）推導(dǎo)了AT車(chē)輛起步動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了起步離合器控制策略。最終通過(guò)整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的可行性。

目前已公開(kāi)文獻(xiàn)中往往通過(guò)保持傳動(dòng)鏈閉合的方法來(lái)提高起步響應(yīng)，但代價(jià)是需要采用更高功率的起動(dòng)機(jī)，而本文所設(shè)計(jì)的協(xié)同控制策略通過(guò)各個(gè)控制器之間的協(xié)調(diào)配合避免了在擋啟動(dòng)，可以更好地提高啟動(dòng)成功率，并且不需要提高起動(dòng)機(jī)功率，節(jié)約了成本。在發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)期間，目前大部分文獻(xiàn)采用將離合器完全卸油以打開(kāi)傳動(dòng)鏈的方式，而本文提出的將離合器油壓僅釋放至接觸點(diǎn)，這樣相對(duì)于完全卸油再充油可以減小大約400 ms的充油時(shí)間。但這個(gè)離合器摩擦接觸的臨界點(diǎn)比較難以精確控制，需要多次試驗(yàn)標(biāo)定，是文項(xiàng)目以后需要繼續(xù)研究的一個(gè)方向。對(duì)于如何解決啟停工況下駕駛員手動(dòng)干預(yù)切換換擋桿的問(wèn)題，尚無(wú)文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，本文通過(guò)起步離合器控制流程的設(shè)計(jì)解決了該問(wèn)題。對(duì)于電動(dòng)泵的控制，目前大部分都是定轉(zhuǎn)速控制，僅僅為滿(mǎn)足啟停時(shí)建立油壓需要，而本文所設(shè)計(jì)的智能調(diào)速方法可以在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后為變速器繼續(xù)補(bǔ)充流量，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高再逐漸降低，從整體上減小了油泵不必要的流量損失，提高了系統(tǒng)效率。本文所做的工作目前主要是解決了功能問(wèn)題，對(duì)于性能問(wèn)題后續(xù)還需要進(jìn)一步研究。研究如何進(jìn)一步減小電磁閥和摩擦片特性帶來(lái)的誤差，提高離合器控制精度，并對(duì)于換擋沖擊度的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究。

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Control strategy of vehicle automatic transmissions matching with start-stop system

Shi Gang1, Liu Yang2※, Han Xiao1, Wu Xiao1, Guo Wei3, Xu Xiangyang1

(1.100191,; 2.100076,; 3.261205,)

The engine idling start-stop technology can realize energy conservation and emission reduction, thus it has a very promising application. However, the start-stop technology does not match well with conventional automatic transmissions because of the vehicle starting delay, starting shock and safety problems. In order to overcome these problems, in this paper, we conducted a research on system level, based on a start-stop vehicle platform and the interfaces between engine, automatic transmission and other parts were analyzed. Based on comprehensive analyzing of the start-stop principle, the technical scheme of TCU (transmission control unit) control system was designed and a coordinated control strategy between TCU, EMS (engine management system) and the electrical oil pump was built. The coordinated control module contained three parts corresponding the engine auto-stop process, engine auto-start process, and the electrical oil pump control strategy. The control strategy for engine auto-stop and auto-stop process was to guarantee the starter operating only when the driveline was open to avoid starting failure and damage to the engine starter device, and the boundary conditions and CAN communication signals were expressed in these parts. An intelligent control strategy of the electrical oil pump was developed to satisfy the automatic transmission pressure requirement during engine restart and auto-stop, as well as decreasing the energy consumption. The rotating speed of the electrical oil pump was controlled based on the engine starting process and engine speed. This coordinated control strategy can avoid engine starting failure and guarantee the system normal operation and driving safety. In order to satisfy the special starting requirements of start-stop function, a mathematical model of starting process and clutch control system was built. The model contained the engine, torque converter, AT starting clutch, and vehicle body, the current to pressure characteristic, and friction characteristic of clutch. Based on model simulation, abnormal shifting operations caused by driver such as shift selector changing during start-stop process were considered in the starting control strategy. In different conditions, the control pressure for five clutches was different. By this control logic design, vehicle launching delay can be eliminated, and the shifting shock caused by abnormal operations can be avoided. The starting control strategy improved vehicle launching responsiveness and comfort significantly. The TCU application software was developed based on 'V process' from control module to target code, then the code was integrated with the target controller. A test environment on a prototype vehicle was established to verify the feasibility of the proposed control strategies. The test results indicated that the transmission functioned favorably, the speed of output shaft changed smoothly instead of changing sharply, and a quick and smooth starting performance of intuitive feeling was achieved when the engine was restarted. The findings in this study are valuable for forward designs of an AT for matching with start-stop system and also have great engineering application value.

vehicles; transmission; starting; idle stop; electrical oil pump; vehicle starting control

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.012

U463.2

A

1002-6819(2017)-12-0091-08

2016-10-27

2017-05-28

科技部國(guó)際合作重大項(xiàng)目（2010DFB80020）

石 剛，男，博士生，研究方向?yàn)檐?chē)輛傳動(dòng)與控制。北京 北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，100191。Email：731602836@qq.com

劉洋，男，工學(xué)博士，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛傳動(dòng)與控制。北京 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，100076。Email：kaka19881019@126.com

石 剛，劉 洋，韓 笑，吳 瀟，郭 偉，徐向陽(yáng).車(chē)輛自動(dòng)變速器與啟停系統(tǒng)匹配的控制策略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：91－98. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.012 http://www.tcsae.org

Shi Gang, Liu Yang, Han Xiao, Wu Xiao, Guo Wei, Xu Xiangyang. Control strategy of vehicle automatic transmissions matching with start-stop system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 91－98. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.012 http://www.tcsae.org