【翻译】并联式混合动力汽车的自动手动变速器的扭矩填充

并联式混合动力汽车的自动手动变速器的扭矩填充并联式混合动力汽车的自动手动变速器的扭矩填充 莱 西 巴拉扎和塞 雷 西肯克 福特汽车研究实验室 福特汽车公司 迪尔伯恩 MI 48121 1170 摘要摘要 并联式混合动力电动汽车装载自动换档手动变速器 ASM 同装有变矩器的 全自动变速器相比 可以更好地利用其高效率和低成本的优势 然而 ASM 变 速器的缺点是换档时离合器脱离了发动机从而导致驱动车轮的扭矩中断 造成 了自动变速器与变矩器组合的换挡品质退化 这里提出的混合动力结构在发动 机与变速器脱离并升档时用电动机直接为驱动车轮输出扭矩 这种换挡时直接 输出扭矩的过程被称为扭矩填充 如果应用得当 可以模拟装有变矩器的自动 变速器输出的连续扭矩 实际上 通过对扭矩填充的适当控制和发动机离合器 的润滑 可以使 ASM 变速器达到与自动变速器同等的换挡品质 电动机输出的 扭矩大小和时间的长短是衡量变速器换挡品质的一个客观指标 本文介绍了这 种控制方案 参数优化的过程 模拟结果并验证模拟得到的车辆数据 1 1 简介 简介 汽车是由一个复杂系统中相互关联的许多设备所组成的 一个传统的汽车 动力系统包括一个发动机 如柴油机或汽油机 IC 变速箱和传动系统 其 中包含了特定的传动轴系统和驱动车轮 许多配件也连接到发动机如起动机 低压电器系统 动力转向系统 水泵 动力制动和空调 这些电气 机械 化 工 热力设备组成一个非线性的动态系统 要使其加速性能 制动性能 操纵 性能 舒适性和环境友好性在理想的情况下能达到或超过客户的期望 混合动力汽车的研究是美国能源部的混合动力推进发展计划中的一部分 在福特公司和美国能源部的共同资助下于金州成立了中西部研究所和国家再生 能源实验室 并共同管理和经营 一辆电动汽车 EV 的动力系统是由一台通过差动齿轮连接到驱动轮的电 动机组成 高电压电池为电动机提供动力 电动汽车架构的一个局限是必须使 用充电电池 这是特别麻烦的事 因为有些地方很难找到充电站 而且一般需 要几个小时才能完全充满电 其他缺点包括有限的行驶距离 通常为每 100 英 里需要充电一次 以及在极端温度和高负荷下的性能问题 将电动汽车系统与传统的动力总成零部件相结合就可以得到一台混合动力 电动车 1 一辆并联混合动力电动汽车 PHEV 由一台电动机和可以两个设备 同时将牵引力传递到车轮的传统动力总成零部件组成的 正如可再生制动的内 燃机所需要的外部充电方式 如一个电源插座 可以保持电池电力充足 有了 电动混合动力系统 为电池充电就像加满油箱那么容易 混合动力电动车是受电动汽车被电池所限制的启发而来的 它显著提高了汽车 的行驶距离和性能 添加动力辅助装置 如汽油机与变矩器组合 再加上电动 汽车动力总成可以提升车辆的性能和燃油经济性 同时与一个独立的传统动力 总成相比减少了排放 图 1 展示的是使用传统的汽油机和起动机 变矩器组合的 PHEV 的动力总成 通过一个自动控制干式离合器连接到 ASM 变速器上 2 3 变速器输出轴连接 到一个 4x4 差速器的一侧 然后连到两个半轴和驱动车轮 交流异步电动机的 通过一个干式离合器连接到差速齿轮的另一边 用这样的方式可以单独为半轴 输出扭矩或者与汽油机接合 电动机的参数 55 千瓦 190 牛米 可以为一个 典型的电动汽车提供动力 当电池电量不足时 电动机可作为发电机使用 它 可以将汽油机和 或驱动车轮产生的多余动力收集起来为电池充电 图 1 并联式混合动力电动汽车动力总成 ASM 变速器相比完全自动变速器是一个更有吸引力的选择 因为前者在性 能和成本上都显得更为优秀 这个混合动力汽车的配置将自动手动变速器的高 效与可直接驱动的电动机结合起来 可以得到一个高效率的手动变速箱 它换 挡像自动变速器那样平顺 同混合动力装置相比也减少了一些费用 换档时 当发动机或发动机与电动机驱动的汽车 驱动车轮上的扭矩被 中断 如果没有进行适当的控制 这可能会影响汽车的行驶 在传统的自动变 速系统中 液变矩器可以避免或者减轻这样的状况 在 ASM 系统中 换挡时电 动机成为了变矩器的扭矩来源 降档时电机完成了再生制动和 或发动机制动的 仿真 本文介绍了在升档时电机输出扭矩的方法 电机输出的转矩的大小和时 间的长短都是变速器换挡品质控制的一个客观指标 除了介绍扭矩添充的控制方案 本文还提出了 PHEV 的控制策略 并对换挡 品质指标和参数的模拟结果进行了简短的讨论 最后还对车辆模拟得到的数据 进行验证 2 2 传动系统模型 传动系统模型 一个动态模型是对于控制策略的发展极为重要 尤其是在处理复杂的协调 控制问题 如这里提到的 PHEV 4 该模型由图 1 中所示的组件组成 包括轴 的刚度和阻尼 一个监控协调控制器与分布式控制器的发动机 离合器 ASM 变速器 异步电动机 电池等一起也被模拟 协调控制器的模拟将直接被转化 为嵌入式 C 信号代码用于车载实验使用 因此 动力总成模型的实用性是显而 易见的 图 2 在文末 体现了真实车辆的半轴扭矩数据 包括档位间的扭矩填充 与车辆仿真模拟之间的关联度 从车辆数据中记录的踏板信号被用来建模 明 显可以看出幅度和频率都有良好的相关性 因为对模拟结果很有信心 很多的控制策略和校准很容易在车内模拟之前 完成 3 3 混合动力操作策略 混合动力操作策略 PHEV 的协调控制器将正负电机转矩信号指令传给电机控制器并将油门信号 指令传递给发动机控制器 这些命令都是根据电池的充电状态 电机的转速与 转矩大小 电机转矩电流 电机励磁电流 变速器档位 油门踏板位置 发动 机离合器的状态 电动机离合器状态 发动机转速 驱动车轮的平均功率 换 挡状态 发动机预估扭矩 发动机预估可用扭矩而生成的 此外 在制动过程 中该控制器进行离合器控制或混合操作 制动指令生成然后发送到制动系统 在只有一个发动机 只有一个电动机或双驱动设备的模式下可以对传动系 统的扭矩进行分区操作 混合模式的操作由电机单独工作 发动机工作 换挡 时输出电机转矩 电机协助功率提升和再生制动组成 在只有电机的模式下车辆会在最佳驾驶性 排放性和燃油经济性能下运转 当该车辆的车轮平均功率达到电机可以带动发动机起动时电机就不再运行 车 辆运转时出现了一个严酷的控制问题 如何在起动发动机并将其与动力总成连 接时不产生让人反感的噪音和振动 其中一个解决方案是换挡时转动发动机曲 柄 通常是第一档与第二档之间的换挡 这是有用效的 因为换挡时发动机 必须脱离离合器 从而最大限度地减少传动系统的扭矩中断 发动机与离合器通过摩擦将扭矩传递到手动变速箱 在完全接合前离合器 的摩擦可以使盘片滑动以防止震动 在发动机转速 车速和半轴共振的作用下 发动机离合器发生打滑 发动机转速比车速大得多时 必须通过增加发动机离 合器之间摩擦来传递发动机负荷 从而减小发动机转速与车速之差 这样才能 平滑接合 当发动机转速比发动机离合器的速度慢得多时 发动机离合器打滑 使发动机的转速增加 通过踩油门来增加发动机的负载 从而避免发动机失速 接合过程中 负阻尼引起离合器发抖和半轴共振的幅度和频率可能会对驾驶产 生不良影响 5 在这种情况下 使离合器处于滑动的状态可以有效地减轻这种 震动 对于驾乘人员而言电机转矩和发动机离合器滑移的协调控制是很难察觉的 传统的变矩器和自动变速箱可以实现平稳地换挡 而离合器防滑控制在后文中 有提及 4 4 换挡品质及其评价 换挡品质及其评价 换挡品质是装有自动变速器的汽车最重要的性能之一 传动系换挡的过程 中扭矩中断可能会产生噪音 振动和舒适性的问题 更为严重的是会影响客户 对车辆的驾驶性能和质量看法 噪声和震动不会使客户感到满意的 从汽车行业的初期到现在 换挡质量的量化一直是大家努力的方向 长期 以来用专家来评估量化换挡品质的主观评价体系已成为汽车行业的标准 例如 可以用一个一到十级的评价体系 虽然这种模式下诞生了不少优秀的总成系统 但这种方法存在的一些问题也相当明显 包括心情好坏和疲劳等因素都会影响 评估者的考评结果 开发一个动力总成时必需改变这种专家评分的评估制度而 不是延长专家的评估期限 6 显然 用一个客观的评价方法来代替这种主观 方式有很大的价值 许多对于换挡品质评价的客观方法已经被提出 包括峰值和峰值间纵向加 速度 加速时间导数 对数的峰值加速度以及前三个峰值加速度总和等评价方 式 7 麦 金 格里芬 8 定义的一项被称为振动评价 VDV 的评价体系中包 含了人的感知成分 并已成为客观评价变速器换挡品质行业标准 如公式 1 所 示这是一个车辆纵向加速度的频率加权函数 式中 t 是车辆纵向加速度 根据图 3 所示的巴特沃斯带通滤波器进行 过滤 T0 是换挡开始的时间 Tf 是在换挡完成的时间 9 产品开发时的要控制 VDV 的值尽可能使其达到最小 然而 对 VDV 值的控 制必须依据汽车的种类权衡汽车的燃油经济性和行驶性能进行选择 本文只讨 论 VDV 值的优化 将完整动力总成和汽车的优化留于以后研究 因此在这里提 供有效的方法和工具来协助完成这些非常有价值的东西 图 3 VDV 值加速过滤 5 5 扭矩填充方法 扭矩填充方法 ASM 变速器的升档过程中 发动机或发动机与电动机共同驱动的汽车的驱 动轮扭矩中断 扭矩中断会降低了车辆行驶性能并严重影响驾驶性能 发动机 离合器的接触和脱离的频率决定了驱动车轮的扭矩中断频率从而对于驾驶性能 产生影响 异步电动机可以输出一个大小和持续时间可控的扭矩来 填充 发 动机离合器接触和脱离时流失的扭矩 因此 扭矩填充可以减轻扭矩中断的影 响 从而在换挡时提高汽车性能和驾驶性能 在 PHEV 的模式下 换档不可以在电机单独运行时进行 当一档二档进行切 换时 同时也是汽油机起动时 电机证准备输出转矩发动汽车 控制策略进行 一段时间后 在换挡完成之前 电机就已经输出转矩将发动机启动 6 6 参数优化 参数优化 这种控制问题具有复杂的 高度非线性的特征 更不用说项目时间的约束 和执行问题 因此对自身进行分析优化不是那么容易 进行多次模拟 用经过 验证的动力系统模型覆盖了由两个关键参数组成的离散集合 转矩的大小和其 实施的时间 另外 还要考虑变加速的概况和对哪个档位进行切换 按照照这 个方法执行 VDV 值可以取到最小 图 4 在文末 展示了优化 VDV 值的另一因素 即扭矩填充的时间长短 图 5 在文末 显示了一档升二档的典型案例 同样 一个优化函数是显而易 见的 通过单独检验 可以推测最佳的优化时间中值为 0 69 秒 从上方的图表 可以看到 在 0 46 秒时车辆的加速度发生显著的下降 另一方面 在 0 92 秒 时输出的扭矩过多 并产生了一个很大的正加速度峰值 位于中间值时 汽车 不会强烈抖动而使司机和乘客反感 在 VDV 值最低处 这一情况得到了体现 图 6 展示了在车辆加速时其半轴获得扭矩填充和没有获得扭矩填充时的状 况 上图 进行扭矩填充控制后效果显著 特别是 2 档切换 3 档和 3 档切换 4 档时 同没有扭矩填充时相比获得扭矩填充后汽车半轴的性能显得优越的多 7 7 结论 结论 混合动力电动车为现代汽车车主们提供了更多的功能并为汽车设计工程师 们带来很多机遇和挑战 没有很多付出就不会有混合动力系统 在本文介绍的 案例中 一台没有变矩器的 ASM 变速器的使用在减少了成本的同时提高了效率 而从控制的角度来看 这样的动力总成实际执行起来也并非没有挑战 开发组 件 协调控制策略和动力总成模型的验证需要很多的努力并将消耗很多资源 但这样做非常值得 像 VDV 这样的评价指标的开发和使用对一个汽车工程师来说非常重要 VDV 评价体系使多种可选的设计方案通过模拟进行验证成为可能 事实上这个数量 通过模拟验证 比可以在车内进行的试验的方案多得多 以该模型为基础的控制策略开发的实用性不能被夸大 它特别适用于复杂 的非线性系统 如混合动力电动汽车 参考文献参考文献 1 贝特 比 福特混合动力汽车的设计 电机及电子学工程师联合会会刊 1995 年 7 月 22 25 2 金度妍 乔 帕克和李 混合动力车自动手动变速器的换挡控制 2000 年汉城 世界汽车大会 F2000A036 3 雷戈 车辆起动与 AMT 控制策略的研究 2000 年汉城世界汽车大会 F2000A038 4 塞 雷 西肯克 贝利 卡拉和鲍威尔 并联式混合动力电动汽车动力模型和 动力总成控制 1997 年 6 月美国控制会议 新墨西哥州 5 塞 雷 西肯克 贝利 撒斯坦和斯里克 电力驱动传动系的震动控制法