劉 洋，吳學(xué)雷，郭 偉，程云江，董 鵬，徐向陽(yáng)

微混電動(dòng)車(chē)自動(dòng)變速器雙泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與控制策略?

劉 洋1，吳學(xué)雷1，郭 偉2，程云江3，董 鵬2，徐向陽(yáng)2

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076； 2.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；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)

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速器與微混電動(dòng)汽車(chē)的匹配并提高自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率，設(shè)計(jì)了雙油泵(機(jī)械泵與電動(dòng)泵)液壓系統(tǒng)。在整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立了自動(dòng)變速器的冷卻潤(rùn)滑需求和液壓閥板泄漏的計(jì)算模型?；趯?duì)雙泵液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真分析，以效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了為滿足流量需求的雙泵智能協(xié)同供油控制策略。多個(gè)典型駕駛循環(huán)仿真結(jié)果表明，采用最優(yōu)控制的雙泵系統(tǒng)可比傳統(tǒng)單油泵系統(tǒng)節(jié)油約2.5%。臺(tái)架試驗(yàn)和整車(chē)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所建模型和控制策略的可行性和雙泵系統(tǒng)的可靠性。

微混電動(dòng)汽車(chē)；自動(dòng)變速器；電動(dòng)泵；控制策略

前言

微混技術(shù)是混合動(dòng)力的入門(mén)級(jí)技術(shù)，其主要功能是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速起停，與深度混合動(dòng)力和純電動(dòng)技術(shù)相比，微混技術(shù)具有成本低、改動(dòng)小和見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)[1－2]，國(guó)內(nèi)各大整車(chē)廠都在加快推出微混車(chē)型。目前國(guó)內(nèi)乘用車(chē)市場(chǎng)上自動(dòng)變速器的裝車(chē)率非常高，自動(dòng)變速器換擋過(guò)程靠液壓系統(tǒng)執(zhí)行[3]，液壓系統(tǒng)由油泵供油，傳統(tǒng)自動(dòng)變速器的油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)油泵也停止工作，在發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)再帶動(dòng)油泵時(shí)，會(huì)因?yàn)橐簤河筒荒芗皶r(shí)供應(yīng)而產(chǎn)生換擋反應(yīng)遲滯大約0.8s，這不僅會(huì)影響汽車(chē)的起步響應(yīng)，也會(huì)對(duì)乘坐舒適性造成影響，成為制約自動(dòng)變速器與微混汽車(chē)怠速起停技術(shù)匹配的最大技術(shù)短板，極大地影響了微混技術(shù)的推廣。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速器與微混技術(shù)的兼容，日本Aisin和德國(guó)奔馳都在其AT產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)中增加了電動(dòng)泵作為輔助液壓源[4－5]，而德國(guó)ZF則采用了蓄能器技術(shù)[6]。同樣的原因，雙油泵系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于CVT和DCT[7－8]。文獻(xiàn)[9]中通過(guò)仿真定量分析了傳統(tǒng)機(jī)械泵在DCT變速器中造成的能耗損失。文獻(xiàn)[10]中從原理上分析了雙泵供油系統(tǒng)的合理性。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]中提出了一種混動(dòng)自動(dòng)變速器用電動(dòng)泵的控制方法。文獻(xiàn)[13]中搭建了一種自動(dòng)變速器油泵測(cè)試系統(tǒng)。綜上所述，鑒于傳統(tǒng)機(jī)械泵的不足，為匹配各種混合動(dòng)力技術(shù)和提高傳動(dòng)效率，國(guó)內(nèi)外自動(dòng)變速器廠商和學(xué)者都趨向于采用雙油泵供油系統(tǒng)。

本文中以某款8AT自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，針對(duì)微混技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙泵液壓系統(tǒng)并進(jìn)行建模仿真，研究雙泵系統(tǒng)協(xié)同供油控制策略，正向設(shè)計(jì)研發(fā)一款支持微混技術(shù)的高效率AT自動(dòng)變速器。

1 整車(chē)動(dòng)力學(xué)建模

1.1 微混整車(chē)平臺(tái)介紹

微混電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)方案，傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)更換為增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)，以滿足頻繁起停的壽命和耐久性要求，并提高起動(dòng)速度[14]。自動(dòng)變速器內(nèi)增加電動(dòng)泵。EMS(發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng))增加啟停控制邏輯，TCU(自動(dòng)變速器電控單元)增加電動(dòng)泵控制策略，并針對(duì)微混技術(shù)特點(diǎn)對(duì)換擋策略和離合器控制等做出修改與標(biāo)定。整車(chē)增加AGM蓄電池、制動(dòng)真空度和坡道傳感器等相關(guān)附件，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁而安全地起停。

1.2 整車(chē)建模

對(duì)雙泵液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模以整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，首先搭建整車(chē)傳動(dòng)系模型。該項(xiàng)目匹配的整車(chē)為一款城市SUV，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，發(fā)動(dòng)機(jī)采用2.0L排量的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，配備一臺(tái)8擋液力自動(dòng)變速器，該變速器8個(gè)前進(jìn)擋速比分別是4.17，2.65，1.69，1.42，1.17，1，0.84和0.64，倒擋速比為2.96。TCU軟件模塊中包括了運(yùn)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)、綜合和坡道等不同的換擋模式，控制策略的設(shè)計(jì)考慮了不同工況和用戶的需求。

表1 整車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

圖1為整車(chē)系統(tǒng)模型圖，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、8AT自動(dòng)變速器(含液力變矩器)、主減速器、差速器、輪胎、制動(dòng)器、駕駛員、車(chē)架和電池附件等模型。在發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)變速器建模時(shí)，將相關(guān)控制策略也集成到模型中。

圖1 整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)模型

整車(chē)建模采用逆向?yàn)橹?、正向?yàn)檩o的建模方法。通過(guò)仿真，可獲得在不同駕駛循環(huán)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵參數(shù)，以及8AT內(nèi)各齒輪、行星排和軸等關(guān)鍵部件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，為雙泵液壓系統(tǒng)關(guān)鍵特性建模提供支持。

2 雙泵液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

2.1 液壓系統(tǒng)原理

目前，大部分傳統(tǒng)自動(dòng)變速器產(chǎn)品僅有一個(gè)純機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)的油泵，一般直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的排量較大，其設(shè)計(jì)依據(jù)是為在發(fā)動(dòng)機(jī)最低怠速時(shí)也能滿足變速器的潤(rùn)滑冷卻和換擋需求，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)高轉(zhuǎn)速范圍時(shí)實(shí)際上大排量機(jī)械泵輸出的流量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了變速器需求，繼而造成了大量的流量損失，極大地降低了變速器的效率。

圖2為本文中設(shè)計(jì)的微混8AT液壓系統(tǒng)原理圖，主要包括5個(gè)部分:離合器控制系統(tǒng)、液力變矩器控制系統(tǒng)、冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)、壓力與流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和雙泵供油系統(tǒng)。該液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)AT液壓系統(tǒng)最大的不同是采用了機(jī)械泵與電動(dòng)泵的組合。采用雙泵系統(tǒng)后，一方面電動(dòng)泵可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)怠速起停的要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火而機(jī)械泵停轉(zhuǎn)時(shí)保持工作以維持一定的系統(tǒng)主油壓，提供離合器接合所需要的壓力，從而加快再次起步時(shí)的離合器響應(yīng)；另一方面由于電動(dòng)泵控制靈活，不依賴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，故可以減小機(jī)械泵排量以減小損失，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)電動(dòng)泵可協(xié)助機(jī)械泵供油，總體上優(yōu)化了系統(tǒng)效率。

圖2 微混8AT液壓系統(tǒng)原理圖

離合器控制系統(tǒng)采用先導(dǎo)式控制，主要由離合器控制機(jī)械閥(如圖中C4-CV)和電磁閥(如圖中C4-PV)組成，通過(guò)控制電磁閥電流比例調(diào)節(jié)離合器壓力，液力變矩器和系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)同樣采用這種方式。流量調(diào)節(jié)閥OF-CV的作用是當(dāng)系統(tǒng)流量過(guò)多時(shí)打開(kāi)卸油。

此外，手動(dòng)換擋閥ML-SV、跛行回家模式激活閥LH-AV是為手動(dòng)換擋和安全而設(shè)[15－17]。

2.2 冷卻潤(rùn)滑需求流量模型

油泵系統(tǒng)主要作用是給自動(dòng)變速器提供足夠的ATF油(自動(dòng)變速器潤(rùn)滑冷卻油)來(lái)冷卻潤(rùn)滑。變速器熱量來(lái)自于變速器內(nèi)部的各種功率損失，主要是各運(yùn)動(dòng)副的摩擦損耗，包括換擋元件摩擦損失、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)損失、齒輪嚙合損失和液力變矩器攪油損失等。變速器殼體和離合器等都布有冷卻潤(rùn)滑油道，ATF流經(jīng)這些油道帶走熱量，最后經(jīng)過(guò)油冷器散熱。為了深入分析潤(rùn)滑冷卻需求流量，建立離合器、軸承和液力變矩器的功率損失模型。離合器接合時(shí)滑摩過(guò)程產(chǎn)生的功率損失[18]為

式中:Δn為離合器主、從動(dòng)端間的轉(zhuǎn)速差；r/min；Tf為離合器摩擦片與鋼片間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m。Tf的計(jì)算公式[19]為式中:pSE為實(shí)際作用于離合器油缸的油壓，bar；pspring為克服回位彈簧預(yù)緊力的油壓；μd為離合器動(dòng)摩擦因數(shù)；N為摩擦片個(gè)數(shù)；A為摩擦接觸面積，mm2；rm為摩擦片當(dāng)量半徑，mm。表2為變速器5個(gè)濕式離合器的主要技術(shù)參數(shù)。

該變速器采用的軸承大部分是滾動(dòng)軸承，共有30多個(gè)，分別為球軸承、圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承和滾針軸承。軸承上的功率損失是由于滾動(dòng)體和座圈之間接觸摩擦產(chǎn)生的，軸承產(chǎn)生的功率損失[20－21]為

式中:Ploss＿B為軸承功率損失，W；K4為尺寸系數(shù)，當(dāng)MR單位為N·m時(shí)，K4＝0.105；nbearing為軸承的轉(zhuǎn)速，r/min；MR為軸承摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m，它包括兩部分，一部分與轉(zhuǎn)速相關(guān)，一部分與負(fù)載相關(guān)。

液力變矩器在打開(kāi)狀態(tài)下會(huì)因內(nèi)部攪油產(chǎn)生功率損失，繼而使液力變矩器發(fā)熱，該功率損失為

式中:Tp和Tt分別為泵輪轉(zhuǎn)矩和渦輪轉(zhuǎn)矩，N·m；np和nt分別為泵輪轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速，r/min。

齒輪嚙合也會(huì)產(chǎn)生功率損失，但齒輪傳動(dòng)效率很高，相對(duì)于離合器和軸承等可忽略不計(jì)。圖3為各個(gè)主要功率損失在NEDC駕駛循環(huán)下的仿真結(jié)果，其中離合器滑摩時(shí)間設(shè)為500ms。由圖可見(jiàn)，離合器損失和液力變矩器損失隨著擋位和液力變矩器閉鎖狀態(tài)變化而變化，在每次換擋時(shí)離合器都會(huì)因接合滑摩產(chǎn)生損失，液力變矩器則在打開(kāi)時(shí)產(chǎn)生功率損失(圖3(c)中1代表閉鎖，0代表打開(kāi))。軸承損失主要受轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩影響，對(duì)應(yīng)圖3(a)的駕駛循環(huán)，在車(chē)輛加速和高速行駛時(shí)，軸承的功率損失相對(duì)高一些。由圖可見(jiàn)，離合器的滑摩損失是最大的，峰值可達(dá)10kW以上，根據(jù)式(1)和式(2)，在接合油壓和滑差一定時(shí)，功率損失主要受換擋時(shí)間的影響，因此現(xiàn)在很多先進(jìn)AT變速器都致力于通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)升降矩等輔助控制措施來(lái)縮短換擋時(shí)間，加快換擋響應(yīng)，同時(shí)又可減小功率損失。

圖3 功率損失仿真結(jié)果

在得到功率損失后，根據(jù)熱容公式[22]，推導(dǎo)出冷卻潤(rùn)滑需求流量的計(jì)算公式:

式中:cATF為ATF油的比熱容，J/(kg·K)；ΔT為ATF油流經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)后帶走熱量產(chǎn)生的溫升，與變速器油冷器能力相關(guān)，這里取30°C。實(shí)際上，極小一部分功率損失產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)變速器殼體耗散，這里將其忽略。

圖4 潤(rùn)滑需求量仿真結(jié)果

圖4 為根據(jù)式(5)在NEDC循環(huán)下的仿真結(jié)果。對(duì)應(yīng)圖3可見(jiàn)，潤(rùn)滑需求流量的峰值與離合器換擋損失同步，可見(jiàn)離合器是自動(dòng)變速器需求冷卻的最主要部分。通過(guò)理論仿真得到的結(jié)果曲線異?！凹怃J”，現(xiàn)實(shí)中油泵輸出的流量不可能實(shí)現(xiàn)這種效果，在后面的控制策略設(shè)計(jì)中將會(huì)對(duì)其優(yōu)化。

2.3 閥板泄漏模型

如圖2所示，液壓系統(tǒng)包含機(jī)械閥和電磁閥兩類(lèi)閥，所有閥都會(huì)產(chǎn)生泄漏。機(jī)械閥的泄漏是由于閥體與閥芯之間的間隙公差造成的，因此可稱(chēng)之為間隙泄漏，其泄漏模型如圖5(a)所示。8AT中所有的電磁閥均為Bosch的VBS(variable bleeding solenoid)閥，是一種常開(kāi)式比例控制電磁閥，電磁閥打開(kāi)時(shí)油液流經(jīng)電磁閥進(jìn)入油底殼造成泄漏，其泄漏模型可等效為小孔節(jié)流模型，如圖5(b)所示。

圖5 閥板泄漏模型

機(jī)械閥泄漏量[23]為

式中:d為閥芯直徑；l為閥芯與閥體間的重合部分長(zhǎng)度；Δp為流經(jīng)管路的壓差；e為偏心距；s為閥芯與閥體間的半徑差；νATF為ATF油液的運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s，受油溫影響很大；ρATF為ATF油密度。

電磁閥泄漏量為

式中:αD為流量系數(shù)，取0.65；A0為小孔截面積。

對(duì)于機(jī)械閥，泄漏模型兩端的壓差可認(rèn)為是主油壓。而對(duì)于電磁閥，如圖2所示，由于液壓系統(tǒng)中“CP-RV”減壓閥的存在，電磁閥最大壓力被限制在0.5MPa的低壓。圖6為閥板泄漏仿真結(jié)果，ATF油溫設(shè)為變速器正常工作溫度90°C。在仿真中假設(shè)電磁閥控制電流只有0和1 000mA兩個(gè)極值，對(duì)應(yīng)電磁閥完全打開(kāi)和完全關(guān)閉。由圖可見(jiàn)，電磁閥的泄漏在擋位保持時(shí)基本保持穩(wěn)定，在800s時(shí)擋位換入空擋時(shí)突然增大約0.8L/min，這是因?yàn)閾Q入空擋時(shí)會(huì)有一個(gè)離合器的電磁閥打開(kāi)，因此瞬間多了一個(gè)電磁閥的泄漏，相當(dāng)于一個(gè)電磁閥全開(kāi)的泄漏，即0.8L/min。由圖6(c)可以看出，系統(tǒng)泄漏量明顯隨著主油壓的升高而增加，系統(tǒng)主油壓在0.8～1.5MPa之間變化，車(chē)輛加速時(shí)，由于離合器需要傳遞更大的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)主油壓也相應(yīng)地提高，造成系統(tǒng)泄漏量的增大。

圖6 閥板泄漏仿真結(jié)果

在前面的分析中，ATF油的黏度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)于泄漏量計(jì)算的影響很大。ATF油的運(yùn)動(dòng)黏度隨油溫的變化很大，根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM D341標(biāo)準(zhǔn)，采用Walther公式[24]計(jì)算黏度與溫度間的關(guān)系:

式中:T為潤(rùn)滑油的絕對(duì)溫度；a和b為常數(shù)。圖7為依據(jù)式(8)，加上供應(yīng)商提供的已知的兩組數(shù)據(jù)，通過(guò)插值得到的全溫度范圍的黏度-溫度特性曲線，該特性被集成到液壓系統(tǒng)模型中，以提高仿真精度。

3 電動(dòng)泵控制策略

圖7 ATF運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度變化曲線

機(jī)械泵直接與泵輪相連，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速即為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，是不可控的。根據(jù)前面的分析可得到微混AT在不同工況下自動(dòng)變速器的需求流量，基于流量需求設(shè)計(jì)電動(dòng)泵控制策略:在發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)期間電動(dòng)泵需要開(kāi)啟，補(bǔ)充變速器內(nèi)部泄漏，以維持一定的主油壓來(lái)加快起步時(shí)的離合器響應(yīng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)車(chē)輛起步時(shí)，電動(dòng)泵需要根據(jù)流量需求協(xié)助機(jī)械泵工作；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高到一定值而機(jī)械泵可單獨(dú)滿足系統(tǒng)需求時(shí)電動(dòng)泵關(guān)閉以節(jié)省能耗。因此電動(dòng)泵的輸出流量為

式中:QLeakage為總泄漏量；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；VMOP為減小后的機(jī)械泵排量；ηMOP＿vol為機(jī)械泵的容積效率；Qdemand為變速器的實(shí)時(shí)需求流量值；QClu＿fill為離合器的充油流量。

當(dāng)變速器處于換擋過(guò)程中時(shí)，根據(jù)AT的離合器對(duì)離合器式的換擋方式[15]，即一個(gè)離合器打開(kāi)的同時(shí)，另一個(gè)離合器閉合，故需要給一個(gè)離合器充油，這也是雙泵系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)單機(jī)械泵的優(yōu)點(diǎn)之一，可通過(guò)靈活的電泵控制防止換擋瞬間離合器充油造成的系統(tǒng)主油壓下降。離合器充油流量為

式中:ro＿p和ri＿p為活塞的外部和內(nèi)部半徑；tfill為離合器充油控制時(shí)間，設(shè)為350ms；spis為離合器活塞總行程。

如圖4所示，根據(jù)模型計(jì)算出的冷卻潤(rùn)滑需求流量往往峰值很高且很“尖銳”，這是由于換擋離合器在短短的幾百毫秒內(nèi)產(chǎn)生了很高的功率損失，而實(shí)際上這些功率損失所產(chǎn)生的熱量并不可能同時(shí)在短短幾百毫秒內(nèi)全部被ATF油冷卻帶走，現(xiàn)實(shí)中離合器的冷卻是一個(gè)緩慢的過(guò)程。因此在實(shí)際控制中，對(duì)Qdemand增加一個(gè)1階慣性環(huán)節(jié)函數(shù)，起到“削峰填谷”的作用，將平滑后的值作為輸出流量的控制值。圖8為該函數(shù)的作用效果。由圖可見(jiàn)，雖然曲線峰值減小了，但同樣也增加了峰值周?chē)那€范圍，最終理論流量和實(shí)際流量曲線與時(shí)間軸所圍成的總的面積是相等的，即冷卻流量帶走的功率總損失相等，不影響冷卻效果。

圖8 1階慣性環(huán)節(jié)功能效果仿真結(jié)果

圖9 (a)為雙泵系統(tǒng)根據(jù)協(xié)同控制策略在NEDC下的仿真結(jié)果，機(jī)械泵排量被減小到7mL(原傳統(tǒng)8AT產(chǎn)品機(jī)械泵排量為17mL)，工作油溫設(shè)為90℃。由圖可見(jiàn)，車(chē)輛停止時(shí)電動(dòng)泵單獨(dú)工作輸出大約5L/min的流量，即為閥板的泄漏量。車(chē)輛起步后在行駛中加速時(shí)，由于傳遞轉(zhuǎn)矩增大，系統(tǒng)需求會(huì)隨著增加，同時(shí)機(jī)械泵的輸出流量也隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增加，當(dāng)機(jī)械泵滿足不了系統(tǒng)需求時(shí)電動(dòng)泵保持工作以協(xié)助機(jī)械泵。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值且機(jī)械泵可單獨(dú)滿足系統(tǒng)流量需求時(shí)電泵即關(guān)

圖9 雙泵協(xié)同供油控制策略仿真結(jié)果

式中:ηEOP＿vol(t)為電泵的容積效率；VEOP為其排量，mL。

圖9(b)為轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果，電動(dòng)泵排量取6.5mL。在實(shí)際工程應(yīng)用中，會(huì)進(jìn)一步標(biāo)定優(yōu)化，減小電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。閉，而當(dāng)車(chē)輛再次加速，系統(tǒng)需求流量增大時(shí)，電泵會(huì)再次開(kāi)啟。控制策略在整個(gè)過(guò)程中很好的跟隨了系統(tǒng)需求，同時(shí)減小了能耗。

電動(dòng)泵由轉(zhuǎn)子泵、控制器和電機(jī)組成，控制器通過(guò)CAN通信接受TCU發(fā)出的轉(zhuǎn)速命令信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。雖然是通過(guò)轉(zhuǎn)速控制，但實(shí)際上還是基于流量需求，通過(guò)以下公式轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速:

4 雙泵系統(tǒng)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

一個(gè)循環(huán)工況下油泵的能量消耗[25]為

式中:PMOP和PEOP分別為機(jī)械泵和電動(dòng)泵的功率；pline為主油壓；ηmech為機(jī)械泵的機(jī)械效率；ηEOP為電動(dòng)泵總效率，其為電泵的容積效率、機(jī)械效率和電機(jī)效率3者的乘積。

根據(jù)雙泵協(xié)同供油策略，機(jī)械泵與電動(dòng)泵的選型是互相影響的，機(jī)械泵排量越大其輸出的流量就越大，相應(yīng)的對(duì)電動(dòng)泵的流量和功率要求就越低，不同的機(jī)械泵與電泵組合在一個(gè)工況下會(huì)產(chǎn)生不同的總能耗，將油泵能耗模型與整車(chē)模型相結(jié)合，通過(guò)工況仿真和枚舉法分析油泵的設(shè)計(jì)對(duì)整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，并得到最佳的雙泵選型。

設(shè)置不同的機(jī)械泵排量，電動(dòng)泵則根據(jù)控制策略產(chǎn)生相應(yīng)的功率需求，在幾個(gè)典型循環(huán)下仿真，計(jì)算累積的總能耗，結(jié)果如圖10所示。圖中最左邊和最右邊分別對(duì)應(yīng)只采用電泵和機(jī)械泵的方案，中間數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電泵和機(jī)械泵的不同組合。由圖可見(jiàn):所有曲線都呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，即存在一個(gè)最低能耗點(diǎn)；在大部分的循環(huán)下當(dāng)機(jī)械泵排量取值7mL左右時(shí)總能量消耗最低；唯有極限競(jìng)速循環(huán)下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速常處于較高水平，因此更小的機(jī)械泵也可滿足系統(tǒng)需求。

圖10 不同方案組合總功耗對(duì)比

圖11 為依照?qǐng)D10選擇的最優(yōu)雙泵系統(tǒng)(7mL機(jī)械泵，電動(dòng)泵需求為500W)與原單機(jī)械泵系統(tǒng)(17mL)在NEDC下的功率仿真對(duì)比。雙泵相比單機(jī)械泵的節(jié)油率為

式中:EMOP和EEOP＿M(jìn)OP分別為單機(jī)械泵方案和最優(yōu)雙泵方案的能耗；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖11 NEDC下雙泵與單泵功率對(duì)比仿真

根據(jù)式(14)得到的結(jié)果表明，雙泵系統(tǒng)比單機(jī)械泵系統(tǒng)在NEDC下可以節(jié)約2.5%的燃油，再加上起停功能可以節(jié)約大約5%燃油[14]，總體上采用了雙泵AT的微混汽車(chē)可以達(dá)到7.4%的節(jié)油率，在對(duì)整車(chē)改動(dòng)最小的前提下，這是一個(gè)很大的提升。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建的模型、仿真分析和控制策略設(shè)計(jì)的正確性，搭建了臺(tái)架和整車(chē)測(cè)試環(huán)境。圖12(a)所示為GIF 3E試驗(yàn)臺(tái)，主要組成包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩個(gè)負(fù)載電機(jī)，分別模擬發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輛負(fù)載，電機(jī)上都附有轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x和轉(zhuǎn)速傳感器，以獲得變速器的輸入和輸出功率，繼而相減得到總功率損失。圖13為一個(gè)加載試驗(yàn)中的功率損失測(cè)試結(jié)果，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同樣表明在每次換擋過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的功率損失。低擋位區(qū)間比高擋位損失更大，這是由于離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩更大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略高于仿真數(shù)據(jù)，因?yàn)榉抡嬷袥](méi)有考慮電器發(fā)熱、攪油損失和密封件等損失。

圖12 微混8AT樣機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備

圖13 功率損失臺(tái)架測(cè)試結(jié)果

圖12 (b)和圖12(c)所示為微混8AT樣機(jī)和試驗(yàn)整車(chē)，測(cè)試標(biāo)定工具為Vector CANcase 3。為驗(yàn)證雙泵系統(tǒng)的可靠性，在整車(chē)搭載時(shí)進(jìn)行了劇烈駕駛測(cè)試，結(jié)果如圖14所示。由圖可見(jiàn)，ATF油溫初始值約為102°C，已是高于正常工作油溫，車(chē)輛整個(gè)工況中都處于高速且頻繁地加減速，油溫急劇上升但未超過(guò)允許最高工作油溫(120°C)，未發(fā)現(xiàn)離合器摩擦片和軸承燒損的現(xiàn)象，TCU也未發(fā)出失效警報(bào)。試驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的雙泵協(xié)同供油控制策略的合理性和可靠性，保證變速器可以持續(xù)正常地工作。

圖14 整車(chē)高溫工況測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了自動(dòng)變速器雙泵液壓系統(tǒng)，建立了微混整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，分析了自動(dòng)變速器內(nèi)部的主要功率損失，基于功率損失建立了冷卻潤(rùn)滑需求流量計(jì)算模型和液壓閥板的泄漏量計(jì)算模型?；诹髁啃枨笤O(shè)計(jì)了雙泵系統(tǒng)協(xié)同供油的最優(yōu)控制策略，仿真結(jié)果表明，雙泵協(xié)同供油控制策略可很好地跟隨系統(tǒng)需求并提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。臺(tái)架試驗(yàn)和整車(chē)試驗(yàn)證明了建模仿真的正確性和雙泵系統(tǒng)的可靠性，具備工程化應(yīng)用價(jià)值。

本文中的研究不但解決了自動(dòng)變速器與微混技術(shù)的匹配問(wèn)題，還在很大程度上提高了自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率。該研究方法也可適用于各種混合動(dòng)力與DCT和CVT等帶液壓系統(tǒng)的自動(dòng)變速器的匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Dynamic Analysis and Control Strategy of Dual-pump System for Automatic Transmission of Microhybrid Electric Vehicle

Liu Yang1，Wu Xuelei1，Guo Wei2，Cheng Yunjiang3，Dong Peng2＆Xu Xiangyang2
1.Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076；2.School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191；3.National Engineering Technology Research Center for Passenger Car Automatic Transmissions，Weifang 261205

In order to achieve the matching of micro hybrid electric vehicle with automatic transmission (AT)and enhance the transmission efficiency of AT，a dual-pump(mechanical and electric oil pumps)hydraulic system is designed.The models for the demanded cooling/lubricating oil flow rate and the leakage rate of hydraulic valves are established on the basis of vehicle dynamics model.To meet the demand of oil flow rate，a control strategy for dual-pump intelligent cooperated oil supply is devised based on the dynamic simulation of dual-pump hydraulic system，with maximizing efficiency as optimization objective.The results of several typical driving cycle simulations indicate that the fuel consumption when adopting dual-pump system with optimal control is about 2.5%less than that with traditional single pump system，and the results of both bench and filed tests verify the feasibility of the models built and the control strategy adopted and the reliability of dual-pump system.

microhybrid electric vehicle；automatic transmission；electrical oil pump；control strategy

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.004

?國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAG11B01)資助。

原稿收到日期為2016年5月13日，修改稿收到日期為2016年10月23日。

劉洋，工程師，博士，E-mail:kaka19881019＠126.com。