【摘要】基于虛擬標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了自動(dòng)變速器換擋規(guī)律仿真研究，首先建立高精度物理模型（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及整車主要零部件等），利用已知的變速器控制單元（TCU）控制策略搭建變速器控制模型或直接在虛擬仿真平臺(tái)接入TCU控制器，利用硬件在環(huán)（HiL）仿真平臺(tái)進(jìn)行TCU標(biāo)定及相關(guān)工況仿真測(cè)試，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，基于模型的虛擬標(biāo)定技術(shù)可滿足換擋規(guī)律標(biāo)定精度要求，并有效縮短標(biāo)定時(shí)間、提升標(biāo)定質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：換擋規(guī)律 硬件在環(huán) 虛擬標(biāo)定

中圖分類號(hào)：U464.12" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230419

Research on Method of Shift Map Calibration Based on Virtual

Calibration Technology

Wang Xiaofeng， Chen Guodong， Li Yan， Yang Yunbo， Zhang Xuefeng

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】Simulation research on automatic transmission shift schedule is carried out based on virtual calibration technology. Firstly， a high-precision engine model， transmission model and physical models of the entire vehicle and its main components are established. The transmission control model is built using known TCU control strategies or directly connected to the TCU controller on the virtual simulation platform. The Hardware-in-the-Loop （HiL） simulation platform is used to conduct TCU calibration related working conditions simulation testing， and the simulation results are compared with experimental data. The research results indicate that this model-based virtual calibration technology can meet the accuracy requirements in the field of shift schedule calibration and can be used to guide vehicle shift schedule calibration ， effectively shortening calibration time and improving calibration quality.

Key words： Shift map， HiL， Virtual calibration

【引用格式】 王小峰， 陳國(guó)棟， 李巖， 等. 基于虛擬標(biāo)定技術(shù)的換擋規(guī)律標(biāo)定方法研究[J]. 汽車工程師， 2024（9）： 21-26.

WANG X F， CHEN G D， LI Y， et al. Research on Method of Shift Map Calibration Based on Virtual Calibration Technology[J]. Automotive Engineer， 2024（9）： 21-26.

1 前言

電控系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用越來越廣泛，且控制策略復(fù)雜化、精益化程度越來越高，動(dòng)力總成控制器的標(biāo)定參數(shù)大幅增加，使動(dòng)力總成整車電控標(biāo)定工作量和難度顯著提高。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，發(fā)展基于模型的虛擬標(biāo)定技術(shù)能夠顯著縮短汽車產(chǎn)品開發(fā)周期，并大幅降低試驗(yàn)開發(fā)成本。

早期的硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HiL）技術(shù)主要應(yīng)用于單一控制器軟件功能和邏輯的相關(guān)測(cè)試，并不面向整車性能和標(biāo)定層面。近年來，國(guó)際知名高校和企業(yè)在乘用車排放、車載診斷系統(tǒng)（On-Board Diagnostic，OBD）及駕駛性等傳統(tǒng)領(lǐng)域?qū)μ摂M標(biāo)定技術(shù)的應(yīng)用開展了深入研究[1-3]。同時(shí)，在高級(jí)輔助駕駛和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，由于其測(cè)試工況的復(fù)雜性和問題測(cè)試工況難以復(fù)現(xiàn)，應(yīng)用虛擬標(biāo)定平臺(tái)設(shè)定測(cè)試場(chǎng)景并進(jìn)行驗(yàn)證也成為相關(guān)功能開發(fā)的必由之路[4-7]。

對(duì)于傳統(tǒng)乘用車標(biāo)定，變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）標(biāo)定貫穿了整個(gè)標(biāo)定開發(fā)周期，其中換擋規(guī)律標(biāo)定處于TCU標(biāo)定流程的最前端。換擋規(guī)律控制變速器的換擋時(shí)機(jī)，直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，因此換擋規(guī)律對(duì)于整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、NVH性能和駕駛性都有重要影響[8-11]。

通過虛擬標(biāo)定技術(shù)可以在試驗(yàn)樣車未下線時(shí)進(jìn)行換擋規(guī)律初步標(biāo)定，結(jié)合整車性能定位，調(diào)整標(biāo)定參數(shù)達(dá)成動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和駕駛性等工程目標(biāo)。同時(shí)，虛擬標(biāo)定技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)標(biāo)定受試驗(yàn)場(chǎng)景和道路條件的限制，可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提升標(biāo)定質(zhì)量。

本文基于數(shù)學(xué)模型與物理模型相結(jié)合的方法搭建整車模型，運(yùn)用虛擬標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行換擋規(guī)律標(biāo)定方法研究，以期提高標(biāo)定效率和標(biāo)定質(zhì)量。

2 模型搭建

以一臺(tái)搭載2.0T四缸直噴增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和8速手自一體變速器的車輛為研究對(duì)象，基于ETAS LABCAR HiL搭建模型，虛擬標(biāo)定仿真平臺(tái)如圖1所示。搭建的整車模型主要包括控制模型、物理模型、駕駛員模型和環(huán)境模型，其中：控制模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型、變速器控制模型及其他整車控制器虛擬模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制模型必要的信號(hào)交互；物理模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、變速器模型及車體模型。整車模型框架如圖2所示。

2.1 控制模型

將發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型接入HiL仿真平臺(tái)，實(shí)時(shí)接收、監(jiān)測(cè)來自其他控制器的相關(guān)參數(shù)并控制發(fā)動(dòng)機(jī)模型運(yùn)行。其余相關(guān)控制器未直接接入HiL仿真平臺(tái)，通過建立控制模型來控制對(duì)應(yīng)物理模型的運(yùn)行。

為進(jìn)行換擋規(guī)律虛擬標(biāo)定研究，利用MATLAB軟件，結(jié)合TCU換擋規(guī)律相關(guān)控制策略，建立變速器控制模型，主要包括信號(hào)處理模塊、液力變矩器控制模塊、擋位選擇模塊、擋位切換模塊、起停機(jī)控制模塊及扭矩控制模塊。換擋規(guī)律標(biāo)定涉及的參數(shù)主要集中在液力變矩器控制模塊和擋位選擇模塊，可以通過選擇不同的駕駛模式及模式切換的條件，設(shè)置液力變矩器解、閉鎖時(shí)刻及解、閉鎖過程的控制參數(shù)，以及換擋時(shí)機(jī)和換擋過程的控制參數(shù)。

2.2 物理模型

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

本文搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)模型是一維WAVE-RT模型，利用發(fā)動(dòng)機(jī)建模仿真軟件WAVE，采用純物理原理的方式建立具有燃燒預(yù)測(cè)功能的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)模型。

首先，搭建能夠反映進(jìn)、排氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)效應(yīng)的一維韋伯燃燒模型；然后，對(duì)韋伯燃燒模型進(jìn)行優(yōu)化、鎖定氣路特征，基于準(zhǔn)靜態(tài)多項(xiàng)式擬合算法，在不精簡(jiǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的條件下，將發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)燃燒預(yù)測(cè)模型，在滿足實(shí)時(shí)模型計(jì)算速度要求的同時(shí)，保證萬有特性超過95%的工況點(diǎn)的扭矩偏差在偏差限值范圍內(nèi)。實(shí)車標(biāo)定中，變速器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩精度的要求為：扭矩不超過100 N·m時(shí)偏差小于±5 N·m，扭矩大于100 N·m時(shí)偏差小于±5%。

以發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性臺(tái)架測(cè)試工況點(diǎn)作為目標(biāo)工況點(diǎn)，通過ECU對(duì)節(jié)氣門、廢氣門、氣門正時(shí)、噴油器以及點(diǎn)火線圈等進(jìn)行控制，并利用汽車ECU實(shí)時(shí)自動(dòng)標(biāo)定軟件eACME實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工況點(diǎn)的自動(dòng)掃點(diǎn)測(cè)試，最終將同一工況點(diǎn)下的模型扭矩輸出值與臺(tái)架實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)模型扭矩精度如圖3所示，滿足變速器標(biāo)定要求。在HiL仿真平臺(tái)中，高精度的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)模型能保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中扭矩輸出的計(jì)算值與真實(shí)值一致，從而保證換擋規(guī)律仿真結(jié)果的精確度。

2.2.2 變速器模型

本文所使用的變速器的相關(guān)參數(shù)如表1所示。利用MATLAB軟件搭建變速器模型，主要包括液力變矩器扭矩傳遞模塊、變速器各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模塊、能量傳遞效率模塊和各擋位速比模塊。各模塊設(shè)計(jì)參數(shù)與變速器硬件一致，性能參數(shù)來源于變速器臺(tái)架測(cè)試結(jié)果，以保證變速器運(yùn)行過程中的扭矩傳遞和能量傳遞效率的精確度。

2.2.3 車體模型

利用MATLAB軟件搭建車體模型，主要包括車架及輪胎模塊。根據(jù)輸入到車輪端的扭矩計(jì)算得到輪端驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)制動(dòng)主缸壓力計(jì)算制動(dòng)時(shí)的輪端制動(dòng)力，計(jì)算公式為：

FB=PmasterSμr/R （1）

式中：FB為踩制動(dòng)踏板時(shí)總的輪端制動(dòng)力，Pmaster為制動(dòng)主缸壓力，S為4個(gè)車輪卡鉗活塞的總橫截面積，μ為制動(dòng)片摩擦因數(shù)，r為制動(dòng)片有效半徑，R為輪胎滾動(dòng)半徑。

結(jié)合環(huán)境模型輸出的車輛行駛阻力，得到總的輪端阻力。根據(jù)驅(qū)動(dòng)力、阻力、車輛質(zhì)量和各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，仿真計(jì)算得到整車的車速和加速度。需將模型計(jì)算結(jié)果與整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以保證車體模型的精確度。車體部分的主要參數(shù)如表2所示。

2.2.4 駕駛員模型

駕駛員模型為整個(gè)仿真平臺(tái)輸入加速踏板開度及制動(dòng)主缸壓力等參數(shù)，模型中共設(shè)置了2種不同的駕駛員類型：

第1種類型主要用于全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（Woldwide Harmonized Light Vehicles Test Gycle，WLTC）等工況的仿真，加速踏板開度及制動(dòng)主缸壓力由當(dāng)前車速與目標(biāo)車速經(jīng)PID計(jì)算產(chǎn)生，以達(dá)到良好的車速跟隨效果。

第2種類型是直接輸入特定的加速踏板開度和制動(dòng)主缸壓力參數(shù)曲線，如提取某次實(shí)車的WLTC工況參數(shù)中真實(shí)駕駛員對(duì)加速踏板和制動(dòng)踏板的操作并輸入到模型中，對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，以此校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木?。也可以輸入固定的加速踏板開度和制動(dòng)主缸壓力參數(shù)，達(dá)到與實(shí)車換擋規(guī)律標(biāo)定時(shí)駕駛員的操作同樣的效果。

2.2.5 環(huán)境模型

環(huán)境模型用來設(shè)定車輛所處的外界環(huán)境，主要包括環(huán)境溫度、大氣壓力、道路的坡度和相對(duì)風(fēng)速等參數(shù)，同時(shí)計(jì)算車輛在各種工況下的實(shí)時(shí)行駛阻力，輸入給車體模型。模型中設(shè)置了兩種不同的行駛阻力計(jì)算方式：

方式1是根據(jù)實(shí)車在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下滑行得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的滑行阻力系數(shù)F0、F1、F2計(jì)算出車輛在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的行駛阻力：

Fx=F0+F1V+F2V2 （2）

式中：Fx為行駛阻力，F(xiàn)0、F1、F2為常數(shù)項(xiàng)，V為當(dāng)前車速。

方式2是根據(jù)車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻：

Fx=Fg+Ff=mgz+ρCdAV2/2 （3）

式中：Fg為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)f為風(fēng)阻，m為當(dāng)前車輛質(zhì)量，g為重力加速度，z為滾動(dòng)阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，Cd為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積。

可以發(fā)現(xiàn)，方式1更適合標(biāo)準(zhǔn)工況的仿真，如WLTC工況等，方式2更適合一般道路，尤其是在整車質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，阻力的計(jì)算更精準(zhǔn)。車體設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。在此基礎(chǔ)上，如果車輛行駛在坡路上，根據(jù)車輛的行駛方向，還需要再增加或減少坡度引起的行駛阻力部分，坡度阻力計(jì)算方法為：

Fp=mgsinα （4）

式中：Fp為坡道阻力，α為當(dāng)前路面與水平面的夾角。

3 模型精度驗(yàn)證

首先在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室對(duì)車輛進(jìn)行WLTC工況測(cè)試，記錄相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，并提取加速踏板開度和制動(dòng)主缸壓力等信息，輸入到駕駛員模型，在仿真平臺(tái)進(jìn)行相同的駕駛循環(huán)仿真，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證模型的精度。圖4所示為WLTC工況仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的車速對(duì)比，圖5、圖6所示為循環(huán)車速差值及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖7所示為WLTC循環(huán)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的變速器擋位對(duì)比。

通過對(duì)比分析可以得出，仿真與試驗(yàn)車速在WLTC工況下基本吻合，車速差值在±2 km/h范圍內(nèi)的工況占比超過99.5%，個(gè)別誤差較大的點(diǎn)發(fā)生在加減速轉(zhuǎn)換階段，試驗(yàn)車輛在轉(zhuǎn)轂上存在晃動(dòng)導(dǎo)致，不影響換擋規(guī)律仿真。整個(gè)循環(huán)中變速器擋位仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，擋位相同的時(shí)間長(zhǎng)度占比97.1%，兩者最大偏差為1個(gè)擋位，占比低于3%，如圖8所示。綜合上述結(jié)果，當(dāng)前模型的精度滿足變速器換擋規(guī)律標(biāo)定的需求。

4 換擋規(guī)律仿真結(jié)果分析

變速器的換擋主要包含4種換擋類型，分別為動(dòng)力升擋、滑行降擋、滑行升擋和動(dòng)力降擋。在傳統(tǒng)實(shí)車標(biāo)定過程中，需要在不同的場(chǎng)景進(jìn)行大量的道路試驗(yàn)。本文利用HiL虛擬標(biāo)定平臺(tái)，聯(lián)合自動(dòng)測(cè)試軟件，可以同時(shí)關(guān)聯(lián)控制器和模型參數(shù)，并針對(duì)性設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試案例，大幅節(jié)約仿真時(shí)間和資源。

按照換擋規(guī)律標(biāo)定原則，在HiL仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真并輸出一版換擋規(guī)律標(biāo)定數(shù)據(jù)，將標(biāo)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入實(shí)車TCU進(jìn)行上述4種換擋類型的相關(guān)驗(yàn)證，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證或針對(duì)性調(diào)整即可作為最終標(biāo)定數(shù)據(jù)。

4.1 動(dòng)力升擋

在平直的道路上，車輛爬行穩(wěn)定后，分別固定20%和100%加速踏板開度進(jìn)行加速動(dòng)力升擋試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過分析，仿真結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果的各擋位升擋過程中對(duì)應(yīng)的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速具有良好的一致性，如圖9、圖10所示。

由于試驗(yàn)工況及外界環(huán)境無法做到與仿真的設(shè)定及邊界條件完全一致，結(jié)果存在一定的誤差是正?，F(xiàn)象。20%加速踏板開度原地加速過程中，仿真與試驗(yàn)的車速、變速器換擋點(diǎn)及變速器輸入轉(zhuǎn)速基本對(duì)應(yīng)；100%加速踏板開度原地加速過程中，在加速初期，試驗(yàn)結(jié)果的車速比仿真結(jié)果稍快，在3擋后加速度基本相同，推測(cè)是道路阻力存在一定差異導(dǎo)致，不影響虛擬標(biāo)定效果，動(dòng)力升擋仿真結(jié)果滿足換擋規(guī)律標(biāo)定及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 滑行降擋

以變速器8擋及車速75 km/h為初始狀態(tài)進(jìn)行滑行降擋試驗(yàn)，仿真結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果的各擋位滑行降擋對(duì)應(yīng)的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速具有良好的一致性，降擋點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最低轉(zhuǎn)速基本相同，滑行過程車速和擋位基本吻合，如圖11所示?；薪祿醴抡娼Y(jié)果滿足換擋規(guī)律標(biāo)定及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 滑行升擋

以變速器6擋及車速70 km/h為初始狀態(tài)進(jìn)行滑行升擋試驗(yàn)，仿真結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果的滑行升擋過程對(duì)應(yīng)的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速的變化速率具有良好的一致性，滑行升擋過程車速和變速器擋位基本吻合，如圖12所示。滑行升擋仿真結(jié)果滿足換擋規(guī)律標(biāo)定及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 動(dòng)力降擋

以變速器7擋及車速60 km/h為初始狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力降擋加速試驗(yàn)，仿真結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果的動(dòng)力降擋過程對(duì)應(yīng)的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速變化過程具有良好的一致性，動(dòng)力降擋加速過程車速和變速器擋位變化基本吻合，如圖13所示。動(dòng)力降擋仿真結(jié)果滿足換擋規(guī)律標(biāo)定及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本文基于虛擬標(biāo)定平臺(tái)對(duì)自動(dòng)變速器換擋規(guī)律標(biāo)定方法的精準(zhǔn)度進(jìn)行了相關(guān)研究，具體結(jié)論如下：

a.通過搭建模型在HiL平臺(tái)上進(jìn)行換擋規(guī)律仿真具有較高的精確度，聯(lián)合自動(dòng)化測(cè)試軟件，能夠快速完成換擋規(guī)律初步標(biāo)定，實(shí)車上只需進(jìn)行驗(yàn)證工作，可極大縮短開發(fā)周期，節(jié)省試驗(yàn)資源和費(fèi)用；

b.實(shí)車標(biāo)定受路況和交通法規(guī)的影響，一些極端工況難以測(cè)試，基于虛擬標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行換擋規(guī)律標(biāo)定可以彌補(bǔ)這一缺陷，更全面地覆蓋測(cè)試工況，提高標(biāo)定數(shù)據(jù)的完整性；

c.換擋規(guī)律標(biāo)定在一定程度上依賴于主觀感受，這是虛擬標(biāo)定技術(shù)欠缺的，因此需要建立完善的換擋規(guī)律標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，保證換擋規(guī)律虛擬標(biāo)定結(jié)果在實(shí)車上具有良好的主觀駕駛感受。

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（責(zé)任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年7月5日。