董蕾 張友皇 王祺明
(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心)
汽車上應(yīng)用了很多溫度傳感器,比如發(fā)動機進氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、機油溫度傳感器、自動變速器油溫傳感器及懸架空氣泵溫度傳感器等[1]。隨著用戶對車輛駕駛性和燃油經(jīng)濟性要求的不斷提高,雙離合器自動變速器(DCT)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在DCT特別是濕式DCT上,一般配置2個溫度傳感器,用于測量變速器油溫以及離合器冷卻油溫,由于變速器控制單元(TCU)對溫度傳感器有著嚴(yán)格的要求,需要對溫度傳感器進行匹配,匹配質(zhì)量直接關(guān)系到最終的變速器控制效果和可靠性。文章提出一種溫度傳感器匹配方法,滿足了變速箱工作及TCU控制軟件的要求,經(jīng)過實車驗證效果良好。
溫度傳感器是通過感溫元器件隨溫度變化而改變某種特性(膨脹、電阻、電容、電動勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等),來間接測量溫度并轉(zhuǎn)換成輸出信號的傳感器。按測量方式可分為接觸式和非接觸式;按能量轉(zhuǎn)換方式分為有源和無源;按傳感器材料及電子元件特性又分為熱電阻、熱電偶[2]、集成電路溫度傳感器及數(shù)字溫度傳感器等。
熱電阻的工作溫度范圍較窄,但靈敏度高,有利于檢測微小溫差,其輸出特性為非線性,檢測時需要做線性化;熱電偶測溫靈敏度低,但能在很廣的溫度范圍內(nèi)使用;集成電路溫度傳感器利用了半導(dǎo)體PN結(jié)電流電壓特性和溫度的相關(guān)性,和熱敏電阻、熱電偶相比,最大的優(yōu)點是輸出線性好,測溫精度較高,使用方便,但成本偏高;數(shù)字溫度傳感器雖然使用簡單,但時序性特別強,需要根據(jù)協(xié)議精確編程,軟件實現(xiàn)比較麻煩[3]。
2.1.1 溫度傳感器的物理特性要求
DCT需要至少1個溫度傳感器來檢測變速器的油溫,其中濕式DCT的雙離合器摩擦片通過變速器油將熱量帶走,因此還需要配置一個檢測離合器冷卻油溫度的傳感器。
溫度傳感器需要準(zhǔn)確快速地檢測變速器油液的溫度變化,并能夠長時間工作在高溫的變速器油中。特別是對于檢測離合器冷卻油液溫度的傳感器還要求傳感器響應(yīng)時間快,能夠及時反映離合器的工作狀態(tài)。
變速器的極限工作溫度范圍是-40~140℃;離合器的熱負(fù)荷較高,其冷卻油液的溫度會超過145℃。考慮到實際的工作狀態(tài)并結(jié)合溫度傳感器的精度要求,變速器油溫傳感器的工作溫度范圍確定為-55~150℃,而離合器冷卻油液溫度傳感器的工作溫度范圍確定為-55~175℃。
根據(jù)以上要求,熱電阻類型溫度傳感器可以滿足變速箱的抗振動、耐油性、工作溫度范圍以及測量精度要求,且成本合適。
2.1.2 溫度傳感器的硬件接口電路匹配
(3)供試品溶液的制備:精密量取濃縮液50 mL,用水飽和正丁醇振搖提取4次,每次40 mL,合并正丁醇液,用氨試液充分洗滌2次,每次40 mL,棄去氨液,正丁醇液蒸干,殘渣用甲醇溶解定容至5 mL量瓶中,搖勻,即得供試品溶液。
熱電阻溫度傳感器的芯片有很多類型可以選擇,如負(fù)溫度系數(shù)電阻(NTC)及正溫度系數(shù)電阻(PTC)等。芯片輸出隨著溫度變化而變化的電阻值,TCU提供采集和信號處理電路并且提供傳感器對電源短路、對地短路和開路的診斷。圖1示出PTC類型的一種溫度芯片KTY83的電氣參數(shù)。傳感器芯片是無源的,需要TCU提供供電和采集處理電路,傳感器與TCU接口電路的典型配置,如圖2所示,其中接口電阻(R)和接口電容(C)根據(jù)實際的應(yīng)用情況進行選擇。
圖1 KTY83型號離合器溫度傳感器特性曲線
圖2 溫度傳感器與TCU接口電路典型配置
2.1.3 溫度傳感器的信號產(chǎn)生及內(nèi)部處理
溫度傳感器提供連續(xù)的電阻值作為模擬量信號輸入給TCU,TCU通過采集傳感器兩端電壓并對電壓進行濾波處理輸入給TCU控制軟件,溫度信號的采樣精度完全由TCU的采樣精度決定。
TCU需要實時監(jiān)測離合器冷卻油的溫度以對離合器的滑摩狀態(tài)進行監(jiān)控,避免離合器過熱燒蝕,需要以變速器的油溫來判斷變速器的工作狀態(tài)。
TCU控制軟件通過采集控制器底層軟件輸入的電壓進行查表獲取當(dāng)前溫度。溫度信號的處理和傳遞框圖,如圖3所示。
圖3 傳感器溫度信號處理和傳遞框圖
2.2.1 溫度信號的處理和故障診斷
DCT在工作過程中首先對從TCU底層獲取的溫度信號可用性和合理性進行診斷,TCU控制軟件首先對溫度信號的可用性進行判斷,即溫度信號的診斷及處理需求,如表1所示。溫度信號診斷和處理流程圖,如圖4所示。
表1 傳感器溫度信號診斷及處理需求
圖4 傳感器溫度信號診斷和處理流程圖
2.2.2 溫度信號在控制邏輯中的應(yīng)用
DCT在不同的工作溫度下,由于油液黏度等性能的變化對離合器的摩擦因數(shù)及電磁閥的響應(yīng)等方面影響非常大,對DCT的控制需要在邏輯上加入溫度補償以更好地控制變速器。溫度信號在濕式DCT上的邏輯應(yīng)用主要有安全保護和邏輯補償2個方面。
1)安全保護:a.變速器油溫超過第1限值,TCU控制軟件將控制加大變速器冷卻流量;b.變速器油溫超過第2限值,TCU控制軟件將控制脫開離合器;c.離合器冷卻油溫超過第1限值,TCU控制軟件將控制加大離合器的冷卻流量;d.離合器冷卻油溫超過第2限值,TCU控制軟件將控制脫開離合器;e.離合器冷卻油溫和離合器溫度模型油溫的差值高于限值,TCU控制軟件將控制加大冷卻流量,并采用變速器油溫替代離合器冷卻油溫;f.離合器冷卻油溫和變速器油溫變化梯度過大,TCU控制軟件將協(xié)調(diào)控制發(fā)動機限扭。
2)控制邏輯上作為溫度補償?shù)妮斎雲(yún)⒘浚篴.變速器油溫作為油泵流量計算的輸入?yún)⒘?;b.變速器油溫作為電磁閥壓力-電流(P-I)溫度補償輸入?yún)⒘?;c.結(jié)合變速器油溫及離合器主/從動片轉(zhuǎn)速差得到離合器拖曳扭矩的損失扭矩;d.結(jié)合變速器油溫及離合器油溫和摩擦功得到離合器請求的冷卻流量;e.根據(jù)變速箱油溫和冷卻流量請求主油路壓力。
2.3.1 TCU對輸出信號的識別測試
利用標(biāo)準(zhǔn)溫度箱產(chǎn)生溫度環(huán)境,將溫度傳感器浸入溫度箱中,記錄TCU采集的溫度傳感器輸出信號,并對信號進行分析。測試結(jié)果,如圖5所示。
圖5 傳感器溫度信號測試結(jié)果
經(jīng)過測試,TCU在要求的-40~150℃范圍內(nèi)均能正確識別到溫度傳感器的溫度信號,考慮到溫度環(huán)境中不穩(wěn)定因素的影響,溫度信號偏差在±2.7℃范圍之內(nèi),滿足溫度芯片的偏差精度要求。
2.3.2 整車環(huán)境下的性能驗證測試
在整車試驗中采集溫度傳感器信號并與裝配在變速器的標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器信號同步記錄,如圖6所示。
圖6 整車測量溫度傳感器信號
從圖6可以看出,溫度傳感器信號跟隨標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器信號較好,二者最大偏差3℃,在系統(tǒng)允許的±5℃范圍內(nèi);升溫響應(yīng)時間小于2.5 s,降溫響應(yīng)時間小于5 s,均可以達到系統(tǒng)的響應(yīng)需求。
2.3.3 溫度信號應(yīng)用測試
溫度信號在軟件邏輯中的應(yīng)用主要是作為電磁閥的P-I溫度補償?shù)妮斎雲(yún)⒘?,在電磁閥的P-I控制中,根據(jù)電磁閥的期望控制壓力結(jié)合溫度得到電磁閥的期望控制電流,TCU根據(jù)期望電流控制電磁閥得到壓力傳感器檢測的實際壓力。在TCU控制軟件的標(biāo)定中采集電磁閥的期望壓力和實際壓力,并進行對比。圖7示出軟件邏輯溫度補償前后離合器期望壓力和實際壓力的控制狀態(tài)。
圖7 變速器控制軟件邏輯溫度補償前后離合器壓力控制精度
從圖7a可以看出,在溫度補償前,實際壓力與期望壓力在電流控制穩(wěn)定后,一般偏差達到15~20 kPa,最大偏差達到36 kPa。如圖7b所示,加入了電磁閥的溫度補償后,實際壓力與期望壓力在電流控制穩(wěn)定后,一般偏差達到3~5 kPa,最大偏差也只有15 kPa,因此通過溫度傳感器的補償,可以提升壓力控制的精度以及變速箱換擋的舒適性。
DCT選用PTC溫度傳感器采集變速器溫度信號,測試溫度范圍及精度能滿足DCT的要求。變速器內(nèi)部2個溫度傳感器的熱電阻均能根據(jù)被測溫度變化而發(fā)生相應(yīng)變化,經(jīng)過TCU采集系統(tǒng)實現(xiàn)溫度測量,信號處理芯片及接口電路能滿足TCU的匹配要求。經(jīng)過實際功能和耐久驗證,證明該型溫度傳感器在DCT變速箱上應(yīng)用可行且運行可靠。變速器控制軟件使用溫度信號補償電磁閥的控制電流,達到了良好的效果。