自动变速箱换挡过程及其控制方法研究

绪论1.1课题研究的意义随着温室效应和大气污染的不断加重，节约化石燃料、降低废弃排放污染成为了一个全球性的课题。为响应国家提出的节能减排时代需求，顺应汽车的普及趋势，惠及大众及社会发展，研发和推广新能源汽车，具有十分重要而且深远的意义，而且，近年来政府也一直提供强有力的政策鼓励和支持。据工信部最新的“节能与新能源汽车规划，2020年乘用车新车平均油耗目标为5.0L/100km、2025年降低到4.0L/100km、2030降低到3.2L/100km，为此各汽车厂商纷纷投入巨资向新能源汽车转型[1]。目前，新能源汽车在全球主要有以下三种方向去发展：纯电动驱动式汽车、氢能源等方式的燃料电池式汽车以及混合动力电动汽车。由于受电池技术、电池成本以及充电桩等基础设施条件缺少等综合因素制约，就现在的状况而言，纯电动汽车、燃料电池汽车目前全面商业的发展空间受到比较大的限制。因而，发展混合动力汽车既是时代和社会所要求，也是未来的发展方向。混合动力汽车一般为油电混合动力汽车，提供燃油发动机及电机两种动力设备，不仅使车辆的动力性能和续驶里程上与传统燃油车接近，同时车辆油耗也大幅度得到下降，尾气排放所造成的污染也得到了缓解，在当前基础设施下，是更具有可行性和产业化的新能源汽车解决方案，在国外，其大规模生产并形成产业化已经得到了验证[2]。1.2自动变速器在混合动力汽车上的应用随着技术的进步，自动变速箱正成为变速箱领域的主角，对整车性能发挥着越来越重要的作用，搭载在混合动力汽车上的自动变速箱类型包括：由液力变扭器和行星齿轮变速器组合而成的液力自动变速器（AT）、能无级传动实现发动机处于更好工作状态的机械式无级变速器（CVT）、两根动力输出轴控制的双离合自动变速器（DCT）和由两个配合实现无级传动的电控无级式自动（ECVT）四类，配置不同种类变速器的车型在使用中的动力传递性能有所不同。1.1.1液力自动变速箱（AT）AT变速器经历了较长的发展时间，在很多车辆上得到了应用，解决了驾驶员在使用传统变速器过程中频繁踩踏离合器和挂挡的问题，大大提高了驾驶舒适性。随着制造技术和控制技术的发展，AT变速器有越来越多的档位，从原来的4AT到现在的6AT，8AT甚至10AT，极大地提高了当前AT变速器的换档平稳性和燃油经济性。目前AT在混合动力汽车上最具代表性的为搭载在日产单电机双离合混合动力系统并联式汽车上的7速AT。与同为并联的本田IMA相比，日产这套系统的发动机与电机之间加了一个离合器，在纯电动/制动回馈时可以控制离合器分离以避免倒拖发动机，效率更高。但这个离合器带来了离合器分离/结合时的抖动问题、频繁StartStop时的离合器过热问题、离合器分离/结合时的动力输出延迟问题等。其工作模式、特点及动力系统如同日产单电机双离合混合动力系统1.1.2无级变速器（CVT）CVT可以连续改变输出轴与输入轴的传动比，并且CVT的内部没有传统手动变速器的齿轮传动机构，相反，它有V形传动带和主、从动轮，通过改变工作直径实现传动比的变更。发动机的输出动力首先传递到主动轮，然后通过V形带传递到从动轮，最后通过减速机和差速器传递到车轮。CVT具有明显的优点：能实现无级变速，使发动机处于最佳工作范围工作；结构简单，制造和加工难度较小；体积较小，便于装配。目前CVT在混合动力汽车应用较具代表性的为搭载在本田IMA混合动力系统并联式的CVT。优点在于结构简单、紧凑，成本低。缺点是发动机直接连接到电动机，并且当施加纯电动/制动反馈时电动机将拖动发动机转动，效率低（即使采用汽缸停止技术）。本田IMA系统工作模式、特点及动力系统1.1.3双离合自动变速器（DCT）DCT又可称为直接换档变速器，其最大的特点是采用双离合装置，克服了传统单离合变速器在换档时必须通过踏离合器切断动力，实现档位变换的缺点，提高了驾驶平顺性，加速性能也随之提高。为了使动力在驾驶过程中不被切断，DCT在手动变速器的基础上，通过加入液压和电控两种方式，使两个离合器交替工作。DCT具有传动效率高，维修方便，结构紧凑，动力传递平稳，驾驶平顺高等优点，但其缺点也较为明显，由于有两个通过液压和电控控制的离合器，因而控制难度较大，生成成本较高，同时，其档位也只能按顺序换挡，对于对速度要求较高的人群来说，其相应较慢，同时，低速时平顺性也不太好。DCT在混动动力汽车上应用较具代表性的为大众帕萨特GTE插电混动车型动力总成。其优点为1.发动机和电机都通过机械式进行传动，传动效率高2.电机的动态范围小，有利于优化电机效率3.变速箱技术成熟4.电机成本低。其缺点为体积较大，空间布置较困难，同时维修难度大，平顺性一般。1.1.4电控无级式自动变速箱（E-CVT）电控无级式自动变速箱，是丰田自主研发的一套动力分配系统，由于其也能实现无级传动，同时动力性和节油性与传统无级变速器相近而得名。但是E-CVT并不是传统的无级变速箱（它没有钢带和主从动轮），具有与无级变速箱完全不一样的工作原理。其变速主要由两个电机和一套行星齿轮组的连续电控调速来实现变速，系统有一个电机（1号电机）主要用于调速，另一个电机（2号电机）主要作为驱动电机，这两个电机均可以作为发电机和电动机，然后通过这套行星齿轮与发动机相连进行变速。丰田普锐斯系统工作模式、特点及动力系统1.3国内研究方向现状混合动力汽车上的CVT换挡策略跟燃油汽车的换挡策略不同，影响换挡策略的因素更多，CVT换挡策略的制定既要考虑发动机的最优工作点或电机的最佳工作区间，还要考虑变速箱、储能设备等关键零部件的效率，使动力系统的综合效率最高。海内外的专业人士针对混合动力汽车上CVT的换挡过程及其控制方法进行了以下研究工作：文献[3]在传统的“两参数换档规律”的基础上，引入反映作业状态和环境状态的参数，把模糊控制技术应用到履带推土机自动换挡规律中。文献[4]更多还原结合工程车辆液力传动系统效率低的问题，从节能的角度提出一种工程车辆模糊自动控制换挡策略，并利用PLC、HMI及相关的传感器组成了模糊控制器。文献[5]提出了CVT换挡过程在PHEV各个模式下的确定方法，对于纯电动和发动机驱动，采用等功率曲线上的最佳经济性工况。以最佳效率动力源系统为目标，确定混合驱动和行车驱动两种模式下CVT的换挡策略。文献[6]根据各种路况下，混合动力汽车CVT的动力源工作特性制定了三种CVT换挡策略。发动机为主、电机为辅模式以发动机的最佳燃油经济性为目标；纯电动模式以电能消耗量最少为目标；制动能量回收模式以电能回收量最优为目标，三种换挡策略能实现了动力源在“最优曲线”上工作的目标。湖南大学的一个课题组研究了混合动力汽车上CVT的换挡规律[29]，提出了由电机提供后备动力，以发动机最佳经济性为目标进行匹配的方法。文献[7]建立了混合动力汽车上基于电池，电机等动力系统的系统综合效率模型，获得了制动系统工作的最优曲线，并根据该系统的最优曲线确定了CVT的换挡策略。秦大同重庆大学团队[8]针对搭载了CVT的轻度混合动力电动汽车，应用序列二次规划算法对系统效率模型进行优化，确定了在不同驾驶模式下的最佳CVT换挡策略。文献[9]提出的能量管理策略，基于逻辑门限方法，以动力系统整体效率最优为原则，使中混动力系统不同模式的最佳工作曲线，确定了合理的CVT换挡策略。1.4本文研究内容为响应国家节能减排的号召，实现汽车油耗的降低，市场上对于新能源汽车具有很大的需求，但是国内对于新能源汽车的技术积累还不足，在混动动力汽车三种构型中，P2构型通过在发动机和自动变速器中间，加上了一个ISG电机及动力耦合装置，故具有工艺继承性好，初始少，项目建设周期短的优点，因而本文将重点介绍：混合动力汽车上常用的布置类型及其结构，同时确定最佳的布置结构以及CVT混合动力汽车的优势。混合动力CVT换挡规律及控制研究，根据发动机、电机和CVT综合效率，考虑驾驶意图、行驶工况和环境参数，确定CVT混合动力的换挡规律。通过设计相关的试验，对换挡规律前后的换挡品质进行评价，探究在这个过程中整车动力性的变化情况。

2混合动力汽车布置类型及结构2.1混合动力汽车基本构型2.1.1串联混合动力构型串联混合动力，顾名思义，就是内燃机和电动机串联工作的。它的能量流如下：油箱=>内燃机=>发电机=>电池=>电机=>驱动轴实质上，串联混动就是火车上用的电传动机构，再加一个电池作为峰值能量机构，从而电动机-驱动轴的转速可以跟内燃机-发电机的转速完全解耦，没有机械变速箱就解决了调速问题，同时内燃机的功率输出也与发电机解耦，内燃机可以一直运行在最优状态下，从而提高燃油经济性。因此，串联也可以认为是内燃机与电动机没有机械连接，而通过电连接的动力联合形式。它的工作模式有以下几种：（1）内燃机带动发电机工作，同时电机驱动车辆前进。如果车辆行驶所需要的实际功率小于发动机实际的工作功率，则电池处于充电状态；否则表现为放电，电量逐渐下降；（2）发动机处于休眠状态，车辆行驶所需要的功率由电机提供。往往出现在城市低速同时电量较充足的情况下；（3）内燃机不工作，车辆下坡或减速，电机给电池充电。在几种混动构型中，串联构型的结构最为简单，控制策略的优化也相对简单，甚至比传统汽车更容易。整个内燃机-发电机模块与驱动轴没有任何机械连接，只通过线束进行连接，而线束的布置空间较大，因此串联混动的内燃机布置较为方便。串联模式有明显的缺点：（1）在各种混动构型中，只有串联混动中内燃机无法直接驱动车轮，而一定要经过发电机和电动机的两次损耗。在有些情况下，内燃机直接驱动车轮的效率更高。（2）因为电动机需要能够在所有情况下独自驱动车辆，因此一定需要较大功率的电机。此外还需要一个较小功率的发电机，成本较高。串联混合动力构型代表车型：宝马i3，奥迪A1e-tron等系统。2.1.2并联混合动力构型并联混合动力系统是发动机与电机通过并联的方式来驱动车辆，它的能量流如下：油箱=>内燃机=>驱动轴电池=>电机而根据驱动电机和离合器在混合动力系统中的位置，可分为：P0，P1，P2，P3，P4五种。如下图所示：其主要差异如下表所示：类型区别P0电机在发动机的前面，BSG电机由皮带驱动。P1电机在k0离合器和发动机之间，且在曲轴上。P2电机介于K0离合器和变速箱之间。P3电机在变速箱输出端P4电机在变速箱之后，与发动机输出轴没有存在机械结构相比串联混动，并联构型只需要一个电机，通过电机和发动机共同驱动车辆，因此电机的极限功率不需要太大，因此可以选用成本较低的低功率电机。同时，并联驱动也使整车动力源的总功率更大，使的整车动力性更强。但并联混动也有一个突出的缺点——它是所有混动构型中唯一仍然需要变速箱的。汽车变速箱又大又沉又贵，而且还会损失机械效率。即使是电机单独驱动车辆的模式下，也仍然要经过变速箱，因而效率较低。并联混动代表车型：通用e-Assist，本田IMA混动，比亚迪秦，现代混动大部分48V混动系统等。2.1.3混联混合动力构型混联混合动力即是融合了串联和并联两者优点的构型，其可以在串联和并联模式间切换，但结构较为复杂，成本较高。典型的混联混动汽车像串联混动一样可以不需要变速箱，增加了传动效率，节省了重量；但同时又能够让发动机和电动机同时驱动车辆，实现了车辆较高的动力输出水平。但因为驱动模式比较复杂，混联结构对车企优化控制策略的水平要求也较高。不仅如此，无变速箱的混联混动的电动机往往需要有较高的转速和较大的功率，成本也并不低。因为对离合器也有较高的要求，内燃机的工作区间也比串联更广泛，因此常常比串联式混合动力还要更贵一些。典型串并联混动车型：比亚迪F3DM，本田i-MMD（用于新一代的雅阁混动）2.2已上市混合动力汽车及构型已上市的混合动力汽车按构型主要可以分为功率分流性、单电机并联型和双电机串并联型。混动汽车种类繁多，他们各自在目前市面上都有代表车型，功率分流型的典型车型为日本丰田的Prius和通用的Volt，所谓功率分流，就是对双电机通过装置来实现动力的耦合，虽然此构型能使发动机的启动更加平顺，但是也带来了结构和控制复杂，成本高的问题。单电机并联的构型，目前市面比较多见的为本田思域和比亚迪秦，其最大的问题是发动机启动性不易控制器舒适型和空间布置问题，但显而易见的是成本较低和动力性较好。双电机串并联的方便，虽然控制较为简单，发动机的启停问题得到改善，但是由于需要离合器进行动力耦合，且应用了双电机，因而电机的需要功率较大，成本也较高，电机转速受限于车速，市面上的典型车型为本田雅阁。2.2.1混合动力汽车应用CVT的优势从上面分析可知，目前混动汽车上主流应用为CVT、DCT和AT。尽管DCT和AT分别向多挡化发展之后有着各自的优势，但CVT无级传动的特点，使整车具有更好的平顺性和燃油经济性。伴随着CVT技术的发展，不仅在普通汽车上表现出了优越的性能，也在新能源汽车上得到了广泛的认可，特别是在混合动力汽车上更表现出了卓越的性能：1)由于发动机等功率曲线上最优工作点只有一个，而发动机在多种工况下的需求功率缺少多样的，因而发动机即使是在该功率下最优但也不少发动机全工况最优的点，CVT配合电机，可以让发动机在各功率需求上都最为靠近最优的点。2)可最大程度回收制动能量，可以使电机工作在最佳的充电区域，通常认为这是混合动力系统较传统汽车在改进燃油经济性方面的主要贡献[10]。3)CVT尺寸较小，容易集成和布置。CVT在效率、能量利用、尺寸等方面的优势，是混合动力汽车，既能较好实现传统汽车的性能需求，又能实现混合动力汽车节能减排的优势，因而CVT将是混合动力方案更好的选择。2.2.2P2和P3对比分析并联混动构型有五种，但目前主流应用方案为P2和P3，因而下面对这两种构型进行分析。P2构型P3构型P2构型，在低速时，由于电机位于变速器之前，输出到车轮的转矩较大，因而通常可以选用功率相对小的电机。P3构型，电机位于变速箱之后，当车辆起步时，需要电机提供较大的转矩。而在低速时，通常不可能用电机启动发动机，需配置BSG来快速启停发动机。会使动力系统的整体成本提升。采用了P2构型的混动汽车，CVT能使发动机和电机在其功率特性曲线最佳处工作，而P3构型无法优化电机工作点。因而选用P2构型为研究对象。2.2.3混合动力CVT的布置方式如图为CVT并联P2构型的典型布置方案。由于电机可以零速起步，因而将液力变矩器的位置改为布置ISG电机和双质量飞轮，并将湿式多片离合器布置在ISG转子内部，液压控制系统同时控制离合器和CVT。同时加入电动油泵，用来满足低速时机械油泵无法调节CVT的缺陷。但当该方案应用于电机功率需求较大的汽车上时，相应的电机尺寸要增大，会给整车布置带来较大的麻烦。应该通过引进P0+P2的方案，在发动机前端加入BSG电机，同事，虽然加入了BSG电机，但其作用代替了原车的起动机等，因而性价比很高。BSG电机的主要功能为控制发动机的启动和转速，减少发动机的震动，并实现对高压电池的充电。最终，通过改进混合动力系统CVT方案，使整套动力系统可以较为方便地实现模式切换，使整车具有更好行驶平顺性。改进后的布置方案：2.3本章小结首先通过分析了混合动力汽车的基本构型，通过对比分析了串、并、混三种构型联接方式，选择了需要搭载自动变速箱的并联混合动力构型进行分析，接着对并联构型中应用最多的P2和P3两种构型进行对比分析，确定P2构型为本文的研究对象。因为电机功率的需求和轴向空间限制，并为了减小控制难度，通过将皮带和发动机前端相连，增加了BSG电机，改善P2构型为P2+P0构型，提高了整套动力系统的通用型，使结构更加紧凑，同时由于动力传递路径较短，提高了效率。3混动CVT换挡过程及控制方法对于CVT而言，由于其为无级变速箱，因而其他换挡过程并不像传统的自动变速箱，换挡过程是通过液压控制传动比而实现档位的变化。所以，混合动力汽车上CVT的换挡过程，其实就是研究CVT的传动比变化规律。CVT的传动比变化对于搭载着自动变速器的燃油汽车或者混合动力汽车的能耗、尾气排放及整车的动力性有着极大的影响。发动机作为燃油汽车的唯一动能来源，为了使其工作在等功率曲线上的最优点，往往需要通过优化自动变速箱的换挡规律，从而改善车辆整体的动力性、燃油经济性以及乘坐舒适性。混合动力汽车由于工作模式多样，实现难度更大，结构也更加复杂，因而其换挡策略比燃油汽车换挡策略更加多变，发动机的工作特性以及最优工作点、电机的工作特性以及电池的充放电规律及荷电状态和自动变速箱的效率都影响着混动汽车上自动变速箱换挡策略的制定[11]。混合动力汽车最关注点即为保证车辆整体动力性的同时，实现最佳燃油经济性。但动力性与燃油经济性是一对矛盾体，在研究混合动力CVT的换挡策略时，需要根据驾驶工况、行驶意图、环境变化等因素对换挡策略进行修正，从而达到车辆整体动力性和最佳燃油经济性的有机统一[12]。3.1CVT变速机理分析常见的CVT传动方式有金属带式和链传动方式，本文研究对象为金属带式。当动力系统将转矩传递到CVT主动轮上时，电控液压系统通过控制主、从动轮的液压，对主、从动轮施加轴向加紧力，使带轮和金属带之间产生摩擦力，在摩擦力的作用下是金属片运动，通过调节金属带在主、从动轮上的节圆半径，实现CVT的传动比变化[13]。通过CVT的控制系统，第一为防止钢带打滑，保证钢带的夹紧力与发动机的扭矩匹配。第二为驾驶时控制离合器。第三为行车提供最大传动比。第四为变速箱提供必要的散热和冷却需求。设CVT在任一时刻的速比i为：式中，np为主动轮的转速，r/min，ns为从动轮的转速，r/min。当金属带受到从动轮施加的轴向夹紧力时，金属带有向外移动的趋势。由于金属带的总长度确定，金属带会产生内部张紧力。为了保证金属带在节圆线稳定，防止金属带在主动带轮端产生向内移动的趋势，应在主动带轮端施加响应的力，从而实现夹紧力平衡。因此，在传动比一定的条件下，主、从动带轮端的夹紧力存在一定的函数关系[14]。经测试，传动比变化动态模型满足以下公式：其中，di/dt为传动比变化率；Ki为传动比变化系数，通过传动比标定取得；np为主动轮转速；k0为稳态工况下主从动轮夹紧力的比值，它与速比和安全系数相关；FP、FS分别为实际作用在主、从动轮上的夹紧力。[15]3.2混合动力CVT传动比控制原理当汽车车速和负荷一定时，发动机工作点受变速箱传动比的影响。由于有级式变速箱只有几个档位，发动机的工作点也受到限制，而CVT作为无级变速器，其传动比理论上有无限个，且连续可调，使发动机的转速在一定范围内不受限制，发动机较易处于最优工作区间。因而发动机的效率受到CVT速比范围和发动机转速范围的影响。假设发动机在任一工况都能处于等功率曲线的最优燃油效率上，则可实现车辆的节油性能发挥得更好。相对应的，如果能使发动机在每个节气门开度下都能输出最大功率，混合动力汽车的加速性能能得到有效的保证。此时，可设置CVT传动比包含两种模式，分别为燃油经济模式和最佳动力模式。目标传动比通常根据发动机在等功率曲线上的最优点来制动的，通过节气门开度和车速确定的二维数表查表得到目标发动机转速除以当前从动轮转速即可得到目标传动比[16]。驾驶模式不同，二维数表不同。混合动力汽车既要考虑发动机的最优工作点，也要考虑电机的工作点，同时还要考虑电池组的效率和CVT的效率。采用P2+P0构型的混动汽车，具有多种工作模式，包括纯电动驱动、串并联驱动、发动机驱动和制动能量回收等模式，这意味着作为体现燃油车最佳工作点的节气门开度不适合作为混合动力源汽车的指标了。因而，混合动力CVT传动比控制采用顶层换挡规律配合底层传动比控制器完成。顶层换挡规律根据驾驶意图、环境参数、部件效率、车辆行驶工况四部分得到目标传动比，进而控制整车为最佳经济性模式还是最佳动力模式；传动比控制器此采用控制算法来实现对目标传动比与实际传动比的对比跟踪。[17]下图为所采用的混合动力CVT传动比控制结构3.3混动CVT换挡过程基本控制策略混动汽车发动机和电机的工作点由CVT的换挡过程所决定，因而CVT的换挡过程将影响到整车的节油性能和加速性能。CVT传动比控制的目标是是车辆输出功率与行驶阻力之间能实现动态的最佳匹配，实现整车的动力性最佳或者燃油经济性最好。研究CVT的换挡过程即是确定CVT的目标传动比，在CVT允许的传动比范围内，CVT传动比定义为主、从动轮转速之比。对本文所研究的单轴并联方案，CVT主动轮的转速等同于电机转速，当离合器的摩擦片完全接合时，主动轮转速也与发动机转速相同。故确定发动机和电机的目标转速即可确定CVT的目标传动比了。本文根据基于等效燃油消耗最小策略，根据已有发动机、电机分配组合和CVT传动范围中，找到满足等效能量消耗量最小的发动机、电机转矩分配及CVT传动比。本文的研究对象为非插电式混合动力汽车，电池不从电网中充电，电池的能量来源主要为发动机所提供的机械能和制动能量回收过程中将机械能转化为化学能，为了保证电池在车辆每次启动过程都有足够的电能去启动发动机，因而在进行能量管理策略的制定过程中，必须保证电池的电压始终处于安全范围内。即在保证系统燃油消耗量最小，同事保持电池组SOC指在整个过程中平衡。设系统等效能量消耗总和为EH在考虑发动机、电机的转速和转矩限制、CVT速比范围、电池组SOC值、充放电电流限制等前提下，对每一组不同转速下的总需求转矩，计算出各可行转矩分配组合的等效能量消耗总和，然后找出使等效能量消耗总和最小的主动轮转速、发动机转矩和电机转矩，可得到混合动力CVT的目标速比ik1cvt[17]由以上分析得，混合动力汽车的换挡策略应综合考虑发动机的效率、电机的效率和CVT的效率，此时可最大程度改善车辆的燃油经济性。3.4CVT混合动力换挡过程研究与优化由于CVT混动的控制策略主要受驾驶意图、行驶工况等影响。驾驶意图主要表现为加速踏板开度的变化率，根据加速踏板开度的变化率将驾驶意图分为一般加速与紧急加速，当驾驶意图为非紧急加速时，按照3.3混动CVT换挡过程基本控制策略进行控制；而当驾驶意图为紧急加速时，同时提供良好的驾驶体验，模拟有级变速器进行换挡控制与优化。行驶工况研究与优化则考虑在实际工况中所遇到的坡道和弯道工况，以及车辆进入的Fast-Off工况（即快速松开加速踏板开度工况，此工况下，换挡控制不当会是再次加速时动力性下降）。3.4.1紧急加速换挡过程CVT由于其传动比连续可变，因而有良好的平顺性与舒适型，也易于实现整车能耗的减少。但对于习惯了有级变速箱的人来说，缺少了有级变速箱的推背感。为改善CVT的驾驶体验，对于紧急加速换挡过程，采用一种与驾驶意图相匹配的动态换挡控制办法，通过设计固定的传动比来模拟有级变速箱的换挡过程，从而实现CVT的“有级”变化，实现类似AT的升档提速的驾驶体验，从而实现驾驶员对于驾驶体验的要求。如图为CVT传动换挡和动态换挡控制之间的比较，由图可知，CVT动态换挡相对于CVT传统换挡，具备有AT速比多变，加速变化明显的特点，能让驾驶员更好地感受到车速的变化，同时也提高了驾驶体验。而对与CVT传统换挡模式，其发动机的转速变化平滑，使驾驶更加平滑顺畅。上图为CVT动态换挡与AT换挡的比较，从图可得，CVT动态换挡具有以下优点：加速时，没有明显的冲击感；加速是有明显的加速推背感，符合驾驶员的预期；车辆有持续的加速感同时没有打滑或者转矩损失的感觉。综上可知，使用动态换挡控制，在一定程度上实现了操纵性能与驾驶性能的有机统一。如图为CVT动态换挡控制的原理图。3.4.2基于上下坡工况的换挡过程研究优化当系统检测到车辆路况为上坡时，系统会将换挡范围设置为低档状态，从而车辆快速通过上坡路况，而不会导致发动机熄火。当加速踏板开度减小（一定程度）时，如果检测到车辆正在通过下坡路况，系统会自动换低档以提高车辆的制动力，同时进行启动制动能量回收系统，既提高车辆的安全性，又有效地节约了能量。本文将坡道工况分为上缓坡、上陡坡和下坡三种工况。由于成本限制，很多汽车都没有安装检测坡度的纵向加速度传感器。此时可以通过汽车在静止时或驻车时，通过加速度传感器可以算得重力加速度沿坡道方向的分量，从而算得坡度值。但是车辆在实际路况中，由于路面的情况具有很大的差异性，附着力和上跳下跳行程多变，导致加速度信号含有大量噪声，因此此方法并不适用与动态行驶过程。车辆在动态行驶的过程中，由行驶方程式可知，汽车驱动力等于所有阻力之和。在相同驱动力和传动比下，车辆在坡道上受到的阻力比在水平路面上大，从而加速度比平路上小。因此可定义坡度Slope为实际加速度a与理想加速度a之差，上坡为负值，下坡为正值。Slopea-a实际加速度：a=dv/dt理想加速度:a=F/mF为汽车驱动力F=FtFrFt为牵引力Ft=TvvFr为阻力F=Av2+Bv+CTv为车轮输出转矩Tv=Tpmicvtigcvt/r综合上面公式，可得到坡度Slope由于采集到的信息噪声较多，因而需要进行滤波处理，在得到坡度信号后，结合车速、加速踏板开度和制动等信号即可进入坡道模式。下图为坡道模式。根据响应条件，坡道模式有四种，分别为：平路模式，下坡模式，上缓坡模式和上陡坡模式。QUOTEαSlope=dvdt-(Tpm*icvt*i3.4.3弯道工况的换档过程研究与优化当转弯工况时，CVT换档策略既要满足驾驶员对操纵稳定性的要求，又要实现最佳燃油性与动力性的有机结合。如上图所示，最合理的驾驶工况为：在第一个直道末端减速，在第一个弯心处略带有油门，再松开油门通过第二个弯心，最后加速驶入第二个直道。有级变速箱一般会经历先降档、升档、在降档的过程，而通过弯道模式优化，将实现根据制动踏板开度、加速踏板开度和方向盘转角控制传动比，保证车身的行驶姿态，保证过弯动作平顺快速。3.4.4基于Fast-off工况换挡过程研究及优化Fast-off即是快速松开加速踏板开度工况，在这种工况下，传动自动变速箱会先将传动比从大往小的方向变化，导致车辆的驱动力下降，当驾驶员再次踩下驱动踏板时，会明显感觉到动力损失，为了减少加速时的顿挫感，使加速感觉更具连续性，此时会进入传动比保持模式，利用CVT来维持当前的传动比。根据Fast-off模式下，输入转速和车速较高的特性，可通过设置这两个值的下限值来保证驱动系统的动力要求，根据上一节可知道，驾驶员的实际操纵意图可以通过踏板变化情况进行判断，根据此思路可得到具体的识别流程图：Fast-Off工况识别流程3.5混动汽车CVT传动比的控制办法CVT的传动比控制原理，通常夹紧力的控制通过从动缸的油压来保证足够的转矩，而主动缸油压则是通过改变主、从动轮夹紧力的平衡关系来实现传动比的调节。传动比变化过程，本质就是实现一个油压平衡，一边带轮快速排油，一边带轮快速充油，因此CVT液压系统要实现速比变化的快速响应，就必须提供足够的压力和液体流量。[18]通过转矩的计算、传动比的变化、目标和实际转速、液压流量等多个参数的综合影响，制定了混动汽车CVT传动比变化控制流程。如下图所示。混动汽车CVT传动比变化控制流程因为CVT传动比控制具有非线性、时滞和动态变化等特点，通过matlab中simulink模块，通过模糊自适应PID来实现传动比的控制，如下图所示。将CVT目标传动比和当前实际传动比的误差及其变化率作为输入，通过PID控制器输出目标压力控制量，然后根据电磁阀电流压力特性输出电磁阀电流，电流作用在速比控制阀上，以控制阀的开启和关闭时间，从而控制进入或流出油缸上的流量，调节施加在带轮上的夹紧力，实现带轮的轴向移动，从而完成速比的改变[19]。模糊自适应PID控制系统具有强鲁棒性和高可靠性，又兼备了模糊控制对系统参数变化不敏感的优点。综合考虑了传动比变化快、抽油油泵和系统对流量的需求，在变速机有足够快速稳定的目标传动比的前提下，确保了CVT有足够的夹紧力。3.6本章小结本章通过分析CVT的变速机理，进而阐述了混合动车汽车上CVT传动比控制的原理，选择了P2+P0构型，在此基础上，提出了基于最佳燃油经济性和最佳动力性等的动力总成多模式效率最优的换挡规律基本控制策略，综合考虑了驾驶意图、行驶工况等参数对于混动CVT换档策略的影响，并根据紧急加速、上下坡、弯道、Fast-off等工况对混动CVT换挡策略进行研究与优化。最后根据CVT传动轮的控制原理，应用模糊自适应PID策略，在matlab/simulink中搭建模型，实现对CVT传动比的控制。4CVT混动汽车模式切换下换挡研究由于所研究的混动汽车存在两套动力系统，因而在车辆驾驶过程中，必然存在动力的切换过程。为使车辆能根据驾驶员的驾驶意图迅速响应，模式切换过程应尽可能的短，而发动机和电机对于目标转矩在不同的工况响应速度差异很大，因而需要利用电机转矩响应的实时性和CVT传动比变化连续的特点，导致发动机在启动过程中转矩变化响应滞后的缺点。同时，通过对CVT主从动轮实际工作半径的调节，使发动机和离合器在切换的过程中，离合器主从动盘两侧的转速差尽快接近，实现模式切换过程中动力的平稳传递。由于本文研究的混动汽车具有多种工作模式，为防止模式切换过程中，发动机和电机转矩不因各动力源的响应特性差异和变速器、离合器的状态改变而发生突变，对车辆的驾驶环境和安全性带来不良影响，保障整车的平顺性，电机和发动机的转矩输出需要得到有效的控制。[20]利用CVT传动比连续可变，不需要断开动力输出的特点，能使混合动力汽车上电机和发动机的实际工作区域得到最大程度的优化。本章将分析在模式切换下CVT传动比的控制以及模式切换中的控制策略，但由于混动汽车动力源的复杂性，本文将不对离合器和发动机在模式切换过冲中的具体工作情况进行研究。4.1模式切换下CVT传动比控制本文所针对的CVT混合动力汽车，根据电池的电量、发动机的转速、车速和行驶意图等确定车辆处于哪种模型下，其模式包括：纯电控驱动、发动机驱动、发动机驱动及为电池充电模式、并联驱动、串联驱动、制动能量回收、停车发电模式。在单轴并联混动汽车中通常采用自动变速器来防止在变速箱换挡过程中，因离合器结合不当而导致的冲击感，影响整车安全性和平顺性。而此时若是采用有级变速箱，由于存在换挡点，则可能出现在换挡过程中出现，既需模式切换又需换挡的情况，使转矩波动的风险加大，使控制难度大大增加。而采用CVT则可以使在换档过程中既不出现动力中断，又保障了整车的安全性和平顺性。4.2模式切换的动力学模型在建立动力学模型时，将系统各部件视为刚体，并忽略传动部件间的传动效率，将离合器两侧的所有质量等效到离合器，如下图模式切换中动力学简化模型车辆行驶过程中的阻力变速箱输入端的等效阻力矩离合器从动测转速电机侧等效转动惯量离合器滑磨过程中的动力学方程式当离合器锁止时，ωp=ωs，有4.2.1模切切换的控制策略根据加速踏板开度和加速踏板开度变化率来制定模式切换控制过程中的控制策略。由P2+P0结构可知，BSG电机可快速启动发动机，neo为判断发动机启动完成的最低转速，使发动机转速ne同步电机转速nm，待转速差小于Δnh，进行离合器滑磨控制。当转速差小于Δnl，离合器完全结合。为实现模式切换中的动态协调控制，必须进行电机转矩补偿和CVT传动比控制，如发动机输出转矩Tcoo与驾驶员需求转矩Treq之差小于∆T，则完成模式切换。4.3本章小结本章针对混动汽车在驾驶过程中因模式切换出现的响应滞后，动力切断导致的顿挫感，发动机和电机转矩不同而导致的转矩变化响应不同等的问题，利用CVT传动比连续可变，不需要断开动力输出的特点，能使混合动力汽车上电机和发动机的实际工作区域得到最大程度的优化。同时分析了不同模式下，利用CVT换挡规律保证正常的安全性和平顺性的特点。接着建立了模式切换过程中车辆动力学的简化模型，并根据加速踏板开度和开度变化率，制定了模式切换过程中的控制策略。结论本文所做的工作主要体现在：首先，对自动变速箱现阶段在混合动力汽车上的具体应用进行了分析，其中对混合汽车应用最多的四种自动变速箱形式进行了分析比较，对本田IMA系统、电控无级式自动变速箱所对应的丰田普锐斯系统进行了对比分析。尽管普锐斯系统目前较为成熟，但其为丰田公司所持有，而CVT拥有体积小，布置方便，效率高，成本低，获取方便等的优点，故本文将CVT作为混动汽车自动变速箱换挡过程和控制方法的研究对象。其次，通过对比分析混合动力汽车的基本构型，并对已上市的混合动力汽车的构型进行分析，提出了混合动力汽车应用CVT的优势，并通过对比分析P2和P3构型，选择使CVT可以优化发动机和电机的工作点的P2构型，并通过分析CVT的布置方式，提出添加了BSG电机的P2+P0方案，使整套动力系统可以较为方便地实现模式切换，混合动力汽车在切换具体的模式时的驾驶性能得到了有效的改善。接着，分析了混合动力汽车上CVT的换挡过程和控制方法以及模式切换下的换挡研究，分析了CVT的实际工作原理，介绍了混合动力CVT在换挡过程中关于传动比的控制原理和方法，考虑实际驾驶过程中的影响因素，提出了基于动力总成综合效率最优的换挡控制策略，在研究换挡模式时，建立了动力学仿真模型并研究了模式切换过程的控制策略。参考文献何英.节能与新能源汽车技术路线图发布[N].中国能源报,2016-10-31(006).ShaneO,SumedhaR.ReviewofPHEVandHEVoperationandcontrolresearchforfuturedirection[C].20123rdIEEEInternationalSymposiumonPowerElectronicsforDistributedGenerationSystem,IEEEComputerSociety,2012:385-392.卢新田，许纯