代顯軍 陳景俊

(聯(lián)合汽車(chē)電子有限公司，上海 201206)

0 引言

混動(dòng)專(zhuān)用變速箱DHT是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的比較廣泛的一類(lèi)混動(dòng)變速箱，它高度集成了發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力耦合裝置、換擋裝置等，與傳統(tǒng)的Add-On混動(dòng)變速箱相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、模式多樣、綜合性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前主流研究多集中在DHT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，工作模式[2]及能量管理方面[3]，和DHT故障處理相關(guān)的研究論文尚少。本文基于典型的串并混聯(lián)DHT，結(jié)合其動(dòng)力耦合裝置離合器功能，設(shè)計(jì)了離合器故障處理策略并進(jìn)行了實(shí)車(chē)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的故障處理策略能最大程度地保證車(chē)輛在不停車(chē)條件下仍然安全跛行回家。本研究可為DHT混動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及離合器故障處理功能的開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)研究提供參考。

1 DHT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及離合器控制

1.1 DHT基本結(jié)構(gòu)

典型的DHT基本結(jié)構(gòu)示意如圖1所示：主要由發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力耦合裝置、換擋裝置等組成。其中動(dòng)力耦合裝置最典型的為濕式離合器(串并混聯(lián)DHT/Serial-Parallel DHT，以本田iMMD[4]為主要代表)和行星齒輪(功率分流DHT/Power Split DHT，以豐田THS[5]、通用Voltec[6]為主要代表)。換擋裝置能形成多個(gè)固定速比將發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩放大后作用到輸出端。

圖1 DHT基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of DHT basic structure

基于DHT動(dòng)力耦合裝置的不同，兩種典型的DHT對(duì)比如表1所示，從表中可以看出：與功率分流DHT相比，串并混聯(lián)DHT在達(dá)到相同性能的條件下，具有專(zhuān)利壁壘低、控制相對(duì)簡(jiǎn)單、可推廣性容易等優(yōu)點(diǎn)。

表1 兩種典型的DHT對(duì)比Tab.1 Comparisons of two classic DHT

1.2 DHT工作模式及離合器控制

基于上述DHT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以最典型的串并混聯(lián)單檔DHT為例進(jìn)行研究，根據(jù)動(dòng)力源及離合器的狀態(tài)不同，其工作模式如表2所示，動(dòng)力系統(tǒng)能量流如圖2所示。

表2 串并混聯(lián)單檔DHT工作模式Tab.2 Working modes of serial-parallel DHT with one single gear

圖2 串并混聯(lián)單檔DHT能量流Fig.2 The power flow of serial-parallel DHT with one single gear

基于DHT的工作模式及能量流，其控制器HTCU(Hybrid Transmission Control Unit)需要響應(yīng)來(lái)自整車(chē)控制器VCU(Vehicle Control Unit)的離合器目標(biāo)控制指令(結(jié)合、分離)和目標(biāo)傳遞扭矩請(qǐng)求，并結(jié)合壓力傳感器采集的實(shí)際離合器油壓，精確快速控制離合器的結(jié)合及分離，并實(shí)時(shí)反饋離合器的實(shí)際狀態(tài)，離合器可用狀態(tài)及故障處理請(qǐng)求。

當(dāng)VCU決策目標(biāo)模式為并聯(lián)時(shí)，會(huì)發(fā)送離合器結(jié)合請(qǐng)求給HTCU，HTCU需要控制離合器快速結(jié)合。當(dāng)離合器兩端速差低于一定值且離合器壓力大于最小穩(wěn)態(tài)壓力時(shí)，會(huì)反饋結(jié)合狀態(tài)給VCU，此時(shí)車(chē)輛可切換到并聯(lián)模式。

在并聯(lián)或純發(fā)動(dòng)機(jī)模式，VCU會(huì)基于系統(tǒng)效率最優(yōu)，將駕駛員需求扭矩分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此時(shí)為了傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，VCU需要發(fā)送離合器目標(biāo)扭矩給HTCU，HTCU需要實(shí)時(shí)控制離合器油壓跟蹤該目標(biāo)扭矩保證在穩(wěn)態(tài)并聯(lián)時(shí)離合器不會(huì)出現(xiàn)打滑而燒蝕損壞。

當(dāng)VCU決策目標(biāo)模式為串聯(lián)或者純電時(shí)，會(huì)發(fā)送離合器分離請(qǐng)求給HTCU，HTCU需要快速控制離合器分離，當(dāng)其檢測(cè)到離合器壓力低于一定值后，反饋分離狀態(tài)給VCU，此時(shí)車(chē)輛可切換到串聯(lián)或純電模式。

上述三種工況對(duì)應(yīng)了離合器的結(jié)合過(guò)程、穩(wěn)態(tài)結(jié)合及分離功能。當(dāng)變速箱出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致離合器存在無(wú)法結(jié)合故障、打滑速比故障和無(wú)法分離故障。這三種故障會(huì)直接影響整車(chē)的工作模式，HTCU需要實(shí)時(shí)進(jìn)行故障處理并反饋給VCU進(jìn)行整車(chē)故障響應(yīng)，保證車(chē)輛安全行駛。

2 DHT離合器故障處理策略

2.1 離合器無(wú)法結(jié)合故障處理

離合器無(wú)法結(jié)合故障處理流程如圖3所示,在離合器結(jié)合過(guò)程中，若在一定時(shí)間內(nèi)，離合器前后兩端速差無(wú)法消除，則定義為一次無(wú)法結(jié)合，此時(shí)HTCU會(huì)控制離合器分離，并反饋給VCU離合器不可用狀態(tài)。延遲一段時(shí)間后，HTCU反饋給VCU離合器可用狀態(tài)，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令。一個(gè)駕駛循環(huán)內(nèi)，若連續(xù)3次出現(xiàn)離合器無(wú)法結(jié)合后，HTCU會(huì)報(bào)離合器無(wú)法結(jié)合故障，離合器直接打開(kāi)，本次駕駛循環(huán)不再允許離合器結(jié)合，HTCU反饋給VCU離合器強(qiáng)制脫開(kāi)故障處理請(qǐng)求，VCU只允許整車(chē)進(jìn)行串聯(lián)或純電行駛。

圖3 離合器無(wú)法結(jié)合故障處理策略Fig.3 Fault handling strategy of clutch close failure

2.2 離合器速比故障處理

離合器速比故障處理流程如圖4所示,在穩(wěn)態(tài)結(jié)合時(shí)，當(dāng)HTCU檢測(cè)到離合器前后兩端速差大于一定值且延時(shí)一段時(shí)間后，則定義為一次速比異常，此時(shí)HTCU會(huì)控制離合器分離，并反饋給VCU離合器不可用狀態(tài)；延遲一段時(shí)間后，HTCU反饋給VCU離合器可用狀態(tài)，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令進(jìn)入穩(wěn)態(tài)結(jié)合。一個(gè)駕駛循環(huán)內(nèi)，連續(xù)3次出現(xiàn)離合器速比異常后，HTCU會(huì)報(bào)離合器速比故障，離合器直接打開(kāi)，本次駕駛循環(huán)不再允許離合器結(jié)合，HTCU會(huì)反饋給VCU離合器強(qiáng)制脫開(kāi)故障處理請(qǐng)求，VCU只允許整車(chē)進(jìn)行串聯(lián)或純電行駛。

圖4 離合器速比故障處理策略Fig.4 Fault handling strategy of clutch ratio failure

2.3 離合器無(wú)法分離故障處理

離合器無(wú)法分離故障處理流程如圖5所示,在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)為停機(jī)狀態(tài)，且車(chē)速大于一定值時(shí)，當(dāng)HTCU檢測(cè)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于一定值且延時(shí)一段時(shí)間后，會(huì)報(bào)離合器無(wú)法分離故障。此時(shí)HTCU會(huì)反饋給VCU離合器粘連故障處理請(qǐng)求，VCU收到該故障處理請(qǐng)求后，會(huì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)斷油停機(jī)，進(jìn)行純電行駛。因離合器無(wú)法分離，發(fā)動(dòng)機(jī)始終剛性連接到車(chē)輪端，純電行駛時(shí)，整車(chē)會(huì)帶著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，高車(chē)速會(huì)有一定的能量損失，低車(chē)速會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速脈動(dòng)扭矩導(dǎo)致整車(chē)有一定的抖動(dòng)，但車(chē)輛都能安全跛行回家。此外，該工況下純電行駛時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸不能反轉(zhuǎn)，VCU需限制整車(chē)不能跑倒擋以免直接損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖5 離合器無(wú)法分離故障處理策略Fig.5 Fault handling strategy of clutch open failure

3 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

實(shí)車(chē)上對(duì)所設(shè)計(jì)的離合器故障處理策略分別進(jìn)行驗(yàn)證。圖6、圖7、圖8分別為離合器無(wú)法結(jié)合故障處理、速比故障和無(wú)法分離的實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)。

圖6 離合器無(wú)法結(jié)合故障處理測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.6 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch close failure

圖7 離合器速比故障處理測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.7 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch ratio failure

圖8 離合器無(wú)法分離處理測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.8 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch open failure

從圖6中可以看出，在離合器結(jié)合過(guò)程中(離合器狀態(tài)為結(jié)合過(guò)程中，定義為3)，當(dāng)HTCU檢測(cè)到離合器兩端速差大于一定值持續(xù)一定時(shí)間，則診斷為一次無(wú)法結(jié)合，計(jì)數(shù)器加1，且立刻反饋離合器不可用，離合器自行分離，完成后離合器實(shí)際狀態(tài)為分離(定義為0)，車(chē)輛切換到串聯(lián)或者純電模式。延遲一段時(shí)間后，反饋離合器可用，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令，連續(xù) 3次檢測(cè)到無(wú)法結(jié)合后，HTCU會(huì)報(bào)離合器無(wú)法結(jié)合故障(定義為67)，同時(shí)反饋不可用狀態(tài)，并反饋離合器強(qiáng)制脫開(kāi)故障處理請(qǐng)求(定義為1)。

從圖7中可以看出，在穩(wěn)態(tài)結(jié)合時(shí)(離合器狀態(tài)為結(jié)合，定義2)，當(dāng)HTCU檢測(cè)到離合器兩端速差大于一定值持續(xù)一定時(shí)間，則診斷為一次速比異常，計(jì)數(shù)器加1，且立刻反饋離合器不可用，離合器自行分離，完成后離合器實(shí)際狀態(tài)為分離(定義為0)，車(chē)輛切換到串聯(lián)或者純電模式。延遲一段時(shí)間后，反饋離合器可用，并可再次響應(yīng)VCU的離合器結(jié)合命令，連續(xù) 3次檢測(cè)到速比異常后，HTCU會(huì)報(bào)離合器速比故障(定義為71)，同時(shí)反饋不可用狀態(tài)，并反饋離合器強(qiáng)制脫開(kāi)請(qǐng)求(定義為1)。

從圖8可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)為停機(jī)狀態(tài)(定義為1)且車(chē)速大于3 km/h后，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于200 r/min且持續(xù)0.5 s后，HTCU會(huì)報(bào)離合器無(wú)法分離故障(定義為70)，并反饋離合器粘連故障處理器請(qǐng)求(定義為9)，離合器實(shí)際狀態(tài)更新為結(jié)合(定義為2)，VCU會(huì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)斷油停機(jī)，車(chē)輛純電行駛，且不能跑倒擋。

4 總結(jié)

(1)分析了兩種主流的DHT基本結(jié)構(gòu)原理，并總結(jié)對(duì)比其差異；

(2)基于典型的串并混聯(lián)單檔DHT，分析了其工作模式、能量流及離合器功能；

(3)結(jié)合典型的串并混聯(lián)單檔DHT的離合器功能，設(shè)計(jì)了三種離合器故障處理策略：無(wú)法結(jié)合故障處理、速比故障處理、無(wú)法分離故障處理；

(4)針對(duì)所設(shè)計(jì)的故障處理策略，進(jìn)行了實(shí)車(chē)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的故障處理策略能最大程度地保證車(chē)輛在不停車(chē)條件下仍然安全跛行回家。