汪常遠 趙治國

摘要：提出了一種混合動力變速器離合器起步和電機蠕行起步的控制策略。首先介紹了混合動力雙離合變速器的結(jié)構(gòu)，離合器起步及電機蠕行起步過程動力傳遞路線;之后提出了混合動力變速器起步性能評價指標，并設(shè)計了離合器起步控制和電機蠕行起步控制策略;最后通過搭載實車進行起步控制策略驗證。結(jié)果表明，混合動力變速器起步控制在平順性、動力性以及駕駛員意圖解析等方面基本滿足評價指標。

關(guān)鍵詞：混合動力變速器;起步控制;控制策略

0? 引言

混合動力雙離合器自動變速器（Hybrid Dual Clutch Transmission）具有傳統(tǒng)雙離合器自動變速器機械效率高、換檔過程沒有動力中斷等優(yōu)點，同時在奇數(shù)軸集成了一臺動力電機，實現(xiàn)了整車純電動驅(qū)動和混動動力驅(qū)動不同的驅(qū)動方式，是一種新型混合動力自動變速器。

隨著駕駛員對起步的平順性和舒適性要求越來越高，起步控制已成為混合動力變速器控制策略開發(fā)中的重點工作，其直接影響到駕駛員的駕駛感受?；旌蟿恿﹄p離合變速器起步方式可以分為電機起步和離合器起步兩種類型。本文針對一種搭載混合動力雙離合器變速器的混合動力汽車，研究其起步控制策略，主要探討了純電動模式下電機蠕行起步控制和離合器參與起步過程控制策略，在實車條件下進行的測試驗證。

1? 混合動力雙離合變速器

混合動力雙離合自動變速器總成包括：雙離合器模塊、驅(qū)動電機、齒軸傳動系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和變速器控制單元（TCU）等五大模塊。

1.1 混合動力雙離合變速器結(jié)構(gòu)

如圖 1 所示為混合動力雙離合自動變速器結(jié)構(gòu)原理簡圖，該混合動力雙離合自動變速器具有七個前進擋位和一個倒車擋，偶數(shù)軸集成一個驅(qū)動電機。奇數(shù)軸擋位有1擋、3擋、5擋和7擋，偶數(shù)軸擋位有2擋、4擋、6擋和R擋，同步器A控制1擋和3擋的進擋和退檔，同步器B控制4擋和R擋的進擋和退檔，同步器C控制5擋和7擋的進擋和退檔，同步器D控制2擋和6擋的進擋和退檔。

1.2 混合動力雙離合變速器起步過程動力傳遞路線

混合動力雙離合自動變速器起步模式具體可以分為純電動2擋電機前進起步、純電動2擋電機倒車起步、純電動R擋電機倒車起步、傳統(tǒng)1擋發(fā)動機起步、傳統(tǒng)R擋發(fā)動機起步、混合動力傳統(tǒng)1擋純電動2擋聯(lián)合起步和混合動力傳統(tǒng)R擋純電動R擋聯(lián)合起步等7種起步模式。以下介紹兩種常用的起步方式純電動2擋前進起步和傳統(tǒng)1擋發(fā)動機前進起步的動力傳遞路線。（圖2）

1.2.1 純電動2擋電機前進起步

純電動2擋起步動力傳遞路線如圖2所示。當整車動力電池電量充足時，整車以純電動方式前進起步，該混合動力變速器動力傳遞是電機（Electric Motor）提供車輛驅(qū)動力，通過控制同步器D實現(xiàn)2擋撥叉在位，驅(qū)動力經(jīng)電機與偶數(shù)軸間的減速齒輪傳遞到偶數(shù)軸，動力再經(jīng)偶數(shù)軸2擋齒輪傳遞到主減速器，動力經(jīng)主減速器通過差速器傳遞到車輪，最終實現(xiàn)純電動模式下起步的動力傳輸。

1.2.2 傳統(tǒng)1擋發(fā)動機前進起步

當車輛動力電池電量不足時，整車驅(qū)動源只有發(fā)動機來提供，車輛的起步通過離合器的結(jié)合控制實現(xiàn)動力的傳遞。具體動力傳遞路線是發(fā)動機提供驅(qū)動力，混合動力變速器通過控制同步器A實現(xiàn)1擋撥叉在位，在車輛起步過程中控制奇數(shù)擋離合器使發(fā)動機轉(zhuǎn)矩傳遞上奇數(shù)軸上，再通過1擋齒輪傳遞到主減速器，動力經(jīng)主減速器通過差速器傳遞到車輪，當車速上升，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與奇數(shù)軸轉(zhuǎn)速接近或相同時，奇數(shù)擋離合器實現(xiàn)結(jié)合，完成車輛的起步過程。傳統(tǒng)1擋起步動力傳遞路線如圖3所示。

2? 混合動力變速器起步評價指標

混合動力變速器起步控制可分為離合器起步控制和電機起步控制，本文分別研究了離合器參與起步過程控制和純電動模式下電機蠕行起步控制，基于起步控制過程的性能評價指標，進行離合器起步控制策略和電機起步控制策略設(shè)計。

2.1 離合器起步控制評價指標

離合器起步過程主要評價指標有沖擊度和滑摩功[1]，沖擊度主要用來表征離合器結(jié)合控制過程平穩(wěn)、柔和，體現(xiàn)駕駛的舒適性?；νǔ？梢泽w現(xiàn)離合器的磨損程度，用來表征離合器的使用壽命。在車輛起步過程中，另外考慮的兩個指標是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和完成起步過程的時間。在起步過程中，離合器的接合不能使發(fā)動機轉(zhuǎn)速拉到過低的轉(zhuǎn)速，容易導致發(fā)動機熄火。完成起步過程時間的長短也是起步控制評價的一個重要指標。

2.1.1 起步?jīng)_擊度

車輛起步的平順性通常用沖擊度來衡量，主要是指離合器在接合過程中控制平順，駕駛員主觀感覺的車輛舒適性較好。沖擊度反映的是車輛縱向加速度a的變化率。起步過程中產(chǎn)生的沖擊主要是離合器在滑摩控制階段接合過快導致的，對于DCT，沖擊度的表達式為[2]：

式中，I0為發(fā)動機輸出端的轉(zhuǎn)動慣量。

對于沖擊度的控制要求，國內(nèi)的推薦值為|j|≤17.64m/s3[3]。

2.1.2 起步滑摩功

離合器的滑摩功W是指離合器主動盤和從動盤之間滑動摩擦力所做的功，反映了離合器機械能轉(zhuǎn)化為熱能的數(shù)量?；υ酱蟠黼x合器產(chǎn)生的熱量越多，離合器的壽命也就越短，在起步過程中盡量控制減少滑摩功的產(chǎn)生?；Φ谋磉_式可為[2]：

式中，tf 為起步完成控制中離合器接合完成的時間。

控制減少起步滑摩功，會導致離合器接合的過快，產(chǎn)生較大的沖擊;然而，為追求起步的平順性，控制離合器接合的時間較長，則會產(chǎn)生大量的滑摩功，影響離合器的壽命。在實際控制中，需要對兩個指標進行平衡，找到最優(yōu)控制點。

2.1.3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速

離合器起步控制過程對發(fā)動機轉(zhuǎn)速最基本的要求是保證發(fā)動機不熄火。起步過程中，如果離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩大于發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，就會是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速下拉，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速過低時，發(fā)動機發(fā)生失穩(wěn)和嚴重的抖動，甚至會造成發(fā)動機熄火，無法順利完成起步過程。相反，起步過程中，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速過高，發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性會降低。車輛起步過程需要對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和離合器的轉(zhuǎn)矩進行控制，保證起步過程中發(fā)動機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

2.2 電機蠕行起步控制評價指標

電機起步與離合器起步的評價指標不完全相同，在電機進行起步時，驅(qū)動電機和車輪可視為剛性連接，不存在離合器滑摩的工況，因此使用電機起步時不需要考慮滑摩功。電機蠕行起步的基本評價指標如下。

2.2.1 起步?jīng)_擊度速

沖擊度是評價車輛起步平順性的指標，為車輛縱向加速度變化率，沖擊度的表達式為：

對于沖擊度的控制要求，國內(nèi)的推薦值為|j|≤17.64m/s3。

2.2.2 電機蠕行目標穩(wěn)定車速

蠕行最大穩(wěn)定車速太高容易造成危險，車速太低則控制很難實現(xiàn)穩(wěn)定的車速。參考離合器蠕行控制的車速，本文設(shè)計電機蠕行最大穩(wěn)定車速為6km/h。

2.2.3 蠕行車速的波動量

蠕行起步達到最大穩(wěn)定車速時，車輛以平穩(wěn)的車速進行行駛，如果此時車速波動較大則會影響駕駛的舒適性，因此蠕行最大穩(wěn)定車速需要平穩(wěn)控制。取電機蠕行最大穩(wěn)定目標車速為VCreep，電機穩(wěn)定蠕行的實際最大車速Vmot，電機蠕行車速的波動量可表示為：

本文設(shè)計電機蠕行穩(wěn)定車速波動量|ΔV|≤ 0.3km/h。

3? 起步控制策略設(shè)計

3.1 離合器起步控制過程

乘員數(shù)量和載貨量會影響到車輛重量的變化，路面條件不同會影響到車輛的阻力，溫度的變化會影響到變速器自身的特性，這些不確定性增加了車輛起步控制的難度。因此在車輛的起步過程中，需要考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)速、離合器輸入軸轉(zhuǎn)速、制動踏板狀態(tài)、油門踏板開度、變速器油溫等作為輸入的控制參數(shù)，同時應(yīng)考慮起步的擋位速比、離合器的溫度以及離合器的接合狀態(tài)等控制參數(shù)，以離合器控制的轉(zhuǎn)矩為控制輸出參數(shù)。因起步控制條件的復雜性，要求起步控制的算法具有很強的適應(yīng)能力以應(yīng)對控制參數(shù)的不確定性，本文在實際的項目開發(fā)中選擇起步控制算法是基于“PID控制+前饋控制”的控制方法。其表達式可以表示為[4]：

離合器起步控制過程中以發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為被控對象，選取在起步過程中對應(yīng)的發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速，PID控制中的控制偏差就等于發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速減去發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速。PID控制參數(shù)根據(jù)離合器起步的不同階段選取，離合器起步過程可以分為轉(zhuǎn)速上升階段、滑摩階段和同步階段等三個階段。

①轉(zhuǎn)速上升階段：其作用是拉升發(fā)動機轉(zhuǎn)速使車輛從靜止的狀態(tài)啟動起來。發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升階段可以細分為三個控制階段，其中轉(zhuǎn)速上升初始階段是等待發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升;發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升階段離合器開始接合，離合器開始傳動轉(zhuǎn)矩，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速開始受到控制;第三個階段控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速平順的向目標發(fā)動機轉(zhuǎn)速靠近。

②滑摩階段：這個階段發(fā)動機轉(zhuǎn)速基本平穩(wěn)，離合器控制轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，使車輛以恒定的加速度進行起步，變速器輸入軸轉(zhuǎn)速慢慢向發(fā)動機轉(zhuǎn)速接近。

③同步階段：當輸入軸轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速差小于一定值時，進行離合器的轉(zhuǎn)速同步控制，當離合器主動盤和從動盤轉(zhuǎn)速一致時，車輛起步控制完成。起步控制的程序流程圖如圖4所示。

3.2 電機蠕行起步控制過程

電機蠕行起步工況可描述為：混合動力車輛以純電動模式運行，當車輛靜止時，駕駛員將擋位切換到D擋或R擋，駕駛員松開剎車踏。

首先設(shè)置電機蠕行起步目標車速，以車輛的實際車速為被控對象，比較蠕行目標車速和實際車速獲取PID的控制偏差。根據(jù)起步過程中的車速差以及車速差的變化率選定PID控制中的KP、KI、KD控制參數(shù)，通過計算PID轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電機蠕行起步控制。

電機蠕行起步控制流程圖如圖5所示。以下幾個條件同時滿足時，判別為電機蠕行起步控制工況激活。

①車輛處于純電動運行模式;

②車速小于一定值，取車速小于8km/h;

③油門踏板未被踩下，取油門開度小于0.5%;

④擋位位于D擋或R擋;

⑤手剎或電子手剎未激活。

4? 起步控制實車試驗

混合動力雙離合變速器搭載于某款轎車，車輛為插電式混合動力汽車?；诨旌蟿恿ζ囘M行了離合器起步控制測試，實車50%油門開度起步測試數(shù)據(jù)如圖6所示，從起步開始到離合同步階段的時間為1.3s，其中轉(zhuǎn)速上升階段的時間為0.9s，滑摩階段時間為0.4s。在起步過程中加速度最大為3.46m/s2，沖擊度均小于17.64m/s3。

純電動模式電機前進擋蠕行起步實車測試數(shù)據(jù)如圖7所示，從蠕行工況激活到車速達到6km/h穩(wěn)定車速時間為12.3s，蠕行過程中最大加速度為0.8m/s2，蠕行起步過程中最大沖擊度為15.9m/s3，沖擊度小于評價指標17.64m/s3的要求。

5? 結(jié)論

本文首先介紹了混合動力雙離合變速器的結(jié)構(gòu)，對混合動力樣車的起步方式以及動力傳輸路線進行分析?；陔x合器起步評價指標和電機蠕行起步評價指標，提出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速PID控制方法加前饋控制方法的離合器起步控制策略，以及基于蠕行車速PID控制的電機蠕行起步控制策略。通過實車測試驗證，起步控制在平順性、動力性以及駕駛員意圖解析等方面基本滿足評價指標。

參考文獻：

[1]葛安林.車輛自動變速理論及設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[2]李瑜婷，趙治國，章桐.DCT變速器雙離合器壓力最優(yōu)控制方法的仿真研究[J].中國機械工程，2010（12）：1496-1501.

[3]高原.AMT車輛起步過程離合器控制[D].吉林大學，2015.

[4]胡壽松.自動控制原理基礎(chǔ)教程[M].科學出版社，2013.