秦大同，杜 波，段志辉，刘永刚，林毓培

(1.重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400030;2.重庆长安新能源汽车有限公司，重庆 401120)

前言

机械式自动变速器(AMT)在换挡过程中存在动力中断和冲击等问题，影响整车的动力性和乘坐舒适性，如何根据混合动力汽车的特点寻求有效的换挡控制方法来减小AMT换挡时的动力中断时间和换挡冲击，成为混合动力汽车的研究热点［1－2］。

目前，对装备AMT的混合动力汽车主要利用电动机的辅助作用来改善换挡品质。文献［3］中利用混合动力系统中的电动机直接驱动车辆，减少了换挡过程中的动力中断时间，提高了车辆的动力性能;文献［4］中针对并联式混合动力汽车换挡过程，提出了发动机和电动机联合转速控制策略，缩短了换挡过程动力中断时间;文献［5］中针对电动机置于离合器后的混合动力轿车的AMT换挡过程，提出了发动机和电动机的协调控制方法，缩短了换挡动力中断时间，减小了同步器和离合器的磨损。文献［6］中以混合动力客车换挡过程为研究重点，提出了电机－AMT综合协调控制方法，缩短了换挡同步时间。文献［7］中对轻度混合动力汽车的AMT换挡过程，提出了电动机、发动机和离合器联合控制的换挡控制策略，减小了车辆的换挡冲击和动力中断时间。以上研究均利用电动机的转速调节，重点在于减小换挡冲击和缩短换挡时间。

本文中根据某型混合动力系统的结构与工作模式特点，对两种典型工作模式下的AMT换挡控制策略进行了研究。针对发动机驱动模式下的换挡过程，采用电动机和发动机电子节气门联合调速的换挡控制策略;对于发动机和电动机2自由度混合驱动模式下的换挡过程，采用不分离离合器的电动机主动调速控制的换挡控制策略。并通过仿真和台架试验证明了所采用的换挡控制策略对缩短换挡过程的动力中断时间和减小换挡冲击的有效性。

1 某型混合动力系统结构

本文中研究的某型混合动力系统如图1所示。该系统在结构上属于并联式混合动力系统，动力源由发动机和电动机组成，其动力通过动力耦合装置输出，动力耦合装置由一个单排行星齿轮机构、一个单向离合器和一组湿式离合器组成。该混合动力系统可实现纯电动驱动、发动机驱动、行车充电、混合驱动和再生制动等多种工作模式。变速机构采用5挡机械式自动变速器(AMT)，能够根据混合动力汽车的运行状态实现自动换挡，以进一步提升混合动力汽车的节能效率。

2 换挡控制策略

混合动力汽车在不同的工作模式下，由于动力源(发动机和电动机)的状态和动力耦合装置中离合器的状态不同，所采用的换挡控制策略也不同。对于本文中研究的混合动力AMT汽车，当动力耦合装置中的湿式离合器处于接合状态时，存在发动机单独驱动、行车充电、发动机和电动机单自由度混合驱动(转矩合成)模式;当湿式离合器处于分离状态时，存在纯电动、发动机和电动机2自由度混合驱动(转速合成)模式。本文中以该混合动力系统的发动机驱动模式和发动机与电动机2自由度混合驱动模式为例进行换挡控制策略的研究。

2.1 发动机单独驱动模式下的换挡控制策略

2.1.1 换挡过程动力学模型

由于汽车的动力传动系统可认为是一多刚体系统，为便于建模，忽略其中的阻尼和弹性元件，将各元件视为刚性无阻尼的惯性元件，用集中质量的形式表示［8］，从而可建立该混合动力汽车在发动机驱动模式下的换挡过程动力学模型，如图2所示。

根据图2中的模型，可得换挡过程中传动系统的动力学方程为

式中:Te为发动机输出转矩;Tm为ISG电机充电转矩;Tcl为换挡离合器传递的转矩;Ts为同步器传递的转矩;Tv为地面阻力矩换算到同步器从动端的等效阻力矩;ωe为发动机/离合器主动盘角速度;ωc为变速器输入轴/离合器从动盘角速度;ωv为变速器输出轴/同步器从动端角速度;Je为发动机等效转动惯量;Jm为电机等效转动惯量;Jc为折算到变速器输入轴的等效转动惯量;Jv为换算至变速器输出轴的等效转动惯量;ig为变速器速比。

2.1.2 换挡控制策略

传统AMT汽车在换挡离合器分离以后，虽然可利用发动机电子节气门转速调节减小离合器主、从动盘的转速差，但电子节气门响应较慢，调速能力有限，对换挡品质的改善效果不明显。本文中研究的混合动力AMT汽车在发动机驱动模式下，动力耦合装置中的湿式离合器一直处于接合状态，行星齿轮机构锁止，ISG电机和发动机同轴布置，在换挡离合器分离以后，可采用ISG电机与发动机电子节气门共同调节离合器主动端的转速，这样就可在离合器接合之前，将离合器主动端的转速快速调节至目标挡位的离合器从动盘转速，减小离合器接合时主、从动盘的转速差，提高换挡品质。

基于上述思想，对该混合动力AMT汽车在发动机驱动模式下的换挡过程，采用了ISG电机和发动机电子节气门联合转速调节的换挡控制策略，下面分3个阶段详细阐述。

(1)离合器分离阶段 当AMT控制器发出换挡指令后，首先减小电子节气门开度至发动机怠速开度，并迅速分离离合器，尽可能缩短分离时间。

(2)选挡和挂挡阶段 离合器彻底分离后，进入选挡阶段，由于该过程时间较短，可近似认为车速不变。挂挡后速比发生变化，离合器主、从动盘间产生较大转速差，可通过ISG电机和电子节气门联合转速调节快速减小离合器接合前主、从动盘间的转速差。此时电机控制的目标角速度就是挂挡后离合器从动盘的角速度ωtar，即

式中:ig(n+1)为新挡位速比;r为车轮滚动半径，m;vveh为车速，km/h。

电子节气门控制的目标开度就是发动机空载时，目标转速所对应的节气门开度［7］。可预先将节气门开度调节至目标开度，以减小ISG电机的负载，提高控制的响应速度。

(3)离合器接合阶段 挂挡完成后，为缩短换挡时间，无论离合器主、从动盘转速是否一致，都必须开始接合离合器。此时须对离合器接合速度进行控制，以提高换挡品质［9］。

在空行程阶段，由于没有转矩传递，应快速接合离合器;在离合器滑摩阶段，离合器传递的转矩可近似表示为

式中:μcl为摩擦材料的摩擦因数，Rcl为摩擦片平均摩擦半径，Xcl为离合器接合行程，Z为摩擦副数目，Kcl为离合器线性近似刚度。

同时，为了满足换挡品质的要求，冲击度须满足以下约束条件:

将式(3)和式(4)带入式(1)中，并结合冲击度的定义，可得离合器接合速度的取值范围为

式中:jmax为乘客满意的冲击度最大值，一般取德国推荐值10m/s3。

当离合器接合速度满足式(5)，就能保证在满足冲击度要求的前提下，控制离合器以较快速度接合，缩短滑摩时间，减小滑摩功。

在同步阶段，离合器主、从动盘转速差已经很小，接合速度对车辆冲击影响很小，应加快离合器的接合速度，使之尽快完全接合。

2.2 2自由度混合驱动模式下的换挡控制策略

2.2.1 换挡过程动力学模型

在该模式下，系统具有2个自由度，发动机和电机以转速合成的方式输出动力，其换挡过程的动力学模型，如图3所示。

根据动力学模型，可得换挡过程中传动系统的动力学方程为

式中:Ts、Tr、Tc分别为太阳轮、齿圈和行星架的内力矩;ρ为太阳轮与齿圈齿数比。

2.2.2 换挡控制策略

该混合动力汽车在发动机和电动机2自由度混合驱动模式下，动力耦合装置中的湿式离合器处于分离状态，行星齿轮机构具有2个自由度，ISG电机和发动机以转速合成的方式输出动力。当车辆在该模式下换挡时，虽然也可采用ISG电机和发动机电子节气门联合调速控制策略，但这种方式存在离合器的分离和接合过程，换挡时间难以缩短。

通过对行星齿轮机构的转矩特性分析可知，太阳轮、齿圈和行星架传递的转矩始终成比例关系，太阳轮传递的转矩取决于电动机的输出转矩，齿圈传递的转矩取决于发动机的输出转矩，行星架的输出转矩即是变速器输入轴的转矩。当ISG电机输出转矩为零时，太阳轮上没有转矩，行星架上也没有转矩传递至变速器的输入轴。因此，可利用行星齿轮机构的这一特点，在换挡过程中不分离换挡离合器，以缩短换挡时间和减小换挡冲击。

同时可通过ISG电机的主动调速控制来减小同步器的转速差，减小同步器的磨损。

基于上述思想，提出了该混合动力汽车在发动机和电动机2自由度混合驱动模式下采用不分离换挡离合器的电机主动调速控制的换挡控制策略，其控制流程见图4。下面分3个阶段进行详细阐述。

(1)当车速达到换挡点时，首先减小发动机电子节气门开度至发动机怠速开度，以减小发动机输出转矩，并控制电动机进入零转矩状态，保证变速器输入轴和输出轴之间的齿轮啮合力足够小，以便于摘挡操作。

(2)摘挡后AMT进入空挡阶段，此时变速器输入轴与输出轴的机械连接中断，接近于空载。由于行星齿轮机构具有2个自由度，发动机和电动机均可以进行调速控制，为了简化控制，选取动态性能好的电动机单独调速，同时控制发动机维持一定的转速。通过电机转速的主动调节，使变速器输入轴转速迅速达到同步转速，其目标角速度［10］为

同时，根据行星齿轮机构的转速关系，可得到将变速器输入轴角速度调节至目标值时的电机角速度:

(3)当变速器输入轴转速接近目标转速时，再次控制电动机进入零转矩状态，待转速完全同步以后，进行挂挡操作。挂入目标挡位以后，逐渐恢复电动机和发动机转矩，车辆以新挡位行驶。

这样，在不分离换挡离合器的条件下，通过ISG电机的转速控制消除挂挡前后变速器输入轴的转速差，可减小换挡冲击和同步器的磨损。

3 仿真分析

根据以上两种工作模式下建立的换挡动力学模型和制定的换挡控制策略，利用Matlab/Simulink仿真平台建立整车模型，进行换挡过程仿真分析。

3.1 发动机单独驱动模式下的换挡控制仿真

在发动机单独驱动模式下，应用本文中提出的换挡控制策略进行2挡升3挡的换挡过程仿真结果如图5所示。由图可见，当车速达到30km/h后，控制器发出换挡指令，节气门开度减小，离合器快速分离。在选挡阶段，电动机发出负转矩，对离合器主动盘进行转速调节。在挂入3挡后，离合器主动盘转速已接近离合器从动盘转速，此时开始接合离合器，离合器接合速度控制在最大冲击度要求以下。当离合器完全接合以后，使电动机的输出转矩变为零，同时逐渐增大节气门开度，恢复发动机转矩。整个换挡过程引起的冲击度最大值为7.7m/s3，滑摩功为40J，换挡时间约为0.82s。

在相同的初始条件下，采用传统控制策略进行2挡升3挡的换挡过程仿真结果如图6所示。由图可见，当离合器分离以后，由于无电机参与转速调节，发动机响应滞后，转速下降较慢。挂入3挡后，离合器从动盘转速迅速减小，当离合器开始接合时，因主、从动盘的转速差较大，须减小离合器接合速度，直到主、从动盘接近同步，再快速接合离合器。整个换挡过程引起的冲击度最大值为14.5m/s3，滑摩功为163J，换挡时间约为0.98s。

通过仿真结果的对比可看出，与传统换挡策略相比，该混合动力汽车在发动机驱动模式下采用电机和节气门联合转速调节的换挡控制策略能减小换挡冲击、缩短换挡时间，减少离合器的磨损。

3.2 2自由度混合驱动模式下的换挡控制仿真

在2自由度混合驱动模式下，采用不分离离合器的电动机主动调速换挡控制策略进行4挡降3挡的换挡仿真结果如图7所示。从图中可以看出，当车速降至40km/h时，控制器发出降挡指令，随即发动机电子节气门开度减小，电动机转矩迅速下降为零，以便于摘挡操作。在空挡阶段，发动机转速维持在怠速附近，电动机转速上升，以调节变速器输入轴转速至目标转速，当变速器输入轴转速接近目标转速时，电动机转矩再次降低为零，并进行挂挡操作。挂挡完成后，发动机和电动机转矩逐渐恢复，车辆按3挡行驶。整个换挡过程引起的冲击度最大值为6.3m/s3，换挡时间约为0.67s。

在相同的初始条件下，采用分离离合器的换挡控制策略进行4挡降3挡的换挡仿真结果见图8。由图可见，从换挡开始，先后经历了离合器分离、电动机和发动机电子节气门联合调速、挂挡和离合器接合4个阶段，整个换挡过程引起的冲击度最大值为9.4m/s3，滑摩功为35J，换挡时间为0.78s。

从仿真结果对比可以看出，在发动机和电动机2自由度混合驱动模式下采用不分离离合器的电动机主动转速调节换挡控制策略，不存在离合器的磨损，能有效缩短换挡时间，减小换挡冲击。

4 台架试验分析

4.1 台架试验系统

为验证本文控制策略的有效性，搭建了如图9所示的混合动力系统AMT换挡试验台。换挡离合器采用单片干式离合器，AMT变速器由5挡手动变速器加装电控自动变速操纵机构得到，操纵机构包括离合器执行机构和选换挡执行机构。信号转换箱将CAN信号转换为脉冲信号，驱动器用于驱动三相交流伺服电机。惯性飞轮模拟整车质量，测功机模拟车辆行驶阻力，升速箱用于提升转速便于加载。T10F传感器采集发动机输出的转速转矩信号，T4W3传感器采集车辆输出轴的转速转矩信号。ECU、IPU和BCU通过CAN总线与HCU进行数据交换，以实现试验台各参数的采集与控制。

4.2 发动机驱动模式下的换挡试验

混合动力汽车在发动机驱动模式下采用电动机和电子节气门联合调速的升挡试验结果如图10所示。当离合器彻底分离后，电动机发出负转矩参与转速调节，动力源转速迅速下降，很快接近目标转速，减小了离合器接合时主、从动盘的转速差，离合器接合阶段的接合速度控制保证了输出转矩不发生大的跃变，减小了对系统的冲击。

4.3 2自由度混合驱动模式下的换挡试验

在发动机和电动机2自由度混合驱动模式下，采用不分离离合器的换挡策略进行降挡试验的结果如图11所示。在整个换挡过程中，首先将发动机和电动机转矩调节至零，以便于摘挡。在空挡阶段，通过电动机快速调节变速器输入轴转速至目标值，挂新挡之前再次将电动机转矩调节至零，挂挡完成后恢复电动机和发动机转矩，最终顺利实现换挡，证明了不分离离合器换挡控制策略的可行性。

5 结论

(1)根据某型混合动力系统的结构与工作模式特点，对两种典型工作模式下的换挡控制策略进行了研究。针对发动机驱动模式下的换挡过程，采用了电动机和发动机电子节气门联合调速的换挡控制策略;对于发动机和电动机2自由度混合驱动模式下的换挡过程，提出了无离合器分离的电动机主动调速换挡控制策略。

(2)仿真结果对比表明，与传统AMT的换挡控制策略相比，本文提出的换挡控制策略能有效减小换挡冲击和滑磨功，缩短了动力中断时间。

(3)台架试验表明采用本文提出的换挡控制策略能有效提高混合动力AMT汽车的换挡品质。

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