于海生

（科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司上海分公司，上海 201501）

某新型強(qiáng)度混合動(dòng)力汽車采用混聯(lián)式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過雙電機(jī)雙行星排動(dòng)力分流系統(tǒng)［1-2］，將來自發(fā)動(dòng)機(jī)的能量合理分配給電機(jī)和驅(qū)動(dòng)軸，并通過調(diào)節(jié)動(dòng)力分流系統(tǒng)中兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使得該系統(tǒng)類似無級(jí)變速器一樣工作，也稱其為電子無級(jí)變速器。該混合動(dòng)力系統(tǒng)由于沒有與傳統(tǒng)換擋器的機(jī)械連接，且傳統(tǒng)換擋器也無法匹配和滿足其結(jié)構(gòu)和工作模式，因此需要設(shè)計(jì)新的電子換擋器來滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)的換擋需求。

電子換擋器與混合動(dòng)力系統(tǒng)沒有直接的機(jī)械連接，而是通過混合動(dòng)力電控單元ECU采集當(dāng)前電子換擋器發(fā)送的擋位位置傳感器信號(hào)，經(jīng)分析計(jì)算后，判斷其當(dāng)前擋位狀態(tài)，并根據(jù)各擋位下汽車行駛狀態(tài)的不同發(fā)送指令控制混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行模式。目前電子換擋器在豐田汽車公司THS混合動(dòng)力系統(tǒng)［3，4］上得到了成熟的應(yīng)用，但是其在中國汽車制造公司的應(yīng)用還未得到普及，且中國對(duì)電子換擋器及其控制策略的設(shè)計(jì)方法也少有研究。本文基于強(qiáng)度混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作模式，設(shè)計(jì)可匹配和滿足其工作的電子換擋器及其控制策略，并通過Simulink系統(tǒng)建模［5-6］和MotoTron快速控制原型開發(fā)工具［7-8］對(duì)電子換擋器及其控制策略的設(shè)計(jì)做試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 某強(qiáng)度混合動(dòng)力系統(tǒng)

圖1為某強(qiáng)度混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該系統(tǒng)采用具有多自由度、輸入輸出靈活可控以及結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、速比大等優(yōu)點(diǎn)的行星齒輪機(jī)構(gòu)，將來自發(fā)動(dòng)機(jī)的能量合理分配，并通過調(diào)節(jié)電機(jī)MG1和電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速和扭矩以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，降低整車油耗和排放。該系統(tǒng)通過分析和判斷當(dāng)前換擋器擋位狀態(tài)、加速和制動(dòng)踏板開度以及整車系統(tǒng)狀態(tài)和運(yùn)行工況，可以形成由電機(jī)MG1單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或電機(jī)MG2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)模式，以及由發(fā)動(dòng)機(jī)和雙電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力模式。

2 換擋器設(shè)計(jì)

2.1 換擋器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式，結(jié)合駕駛員的駕駛意圖，判斷整車的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)包括前進(jìn)行駛狀態(tài)、倒車行駛狀態(tài)、動(dòng)力中斷狀態(tài)和駐車狀態(tài)，相應(yīng)地在換擋器中設(shè)立前進(jìn)擋、倒車擋、空擋和駐車擋。前進(jìn)擋或倒車擋表明駕駛員有驅(qū)動(dòng)車輛向前方或后方行駛的意圖，駕駛員可以在該擋位下通過對(duì)加速踏板和制動(dòng)踏板的操作，經(jīng)混合動(dòng)力電控單元ECU的系統(tǒng)控制策略，決定動(dòng)力總成的動(dòng)力輸出，改變或維持整車前進(jìn)或倒車的行駛狀態(tài)?？論醣砻黢{駛員有切斷整車動(dòng)力輸出的意圖，在空擋下駕駛員無法通過對(duì)加速踏板的操作來控制和改變整車動(dòng)力輸出。空擋作為前進(jìn)擋、倒車擋和駐車擋三者之間相互切換的過渡擋位，可以避免前進(jìn)擋和倒車擋切換時(shí)，整車行使慣性對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)和行駛系造成的破壞，以及在進(jìn)入駐車狀態(tài)后整車動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)駐車機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的持續(xù)滑磨。此外，空擋作為換擋器故障或整車故障時(shí)的入口擋位，可以保證整車安全。駐車擋表明駕駛員有使車輛保持靜止或轉(zhuǎn)入靜止的意圖，整車動(dòng)力中斷，同時(shí)通過駐車機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力輸出軸產(chǎn)生一定的駐車制動(dòng)力。混合動(dòng)力電控單元ECU根據(jù)當(dāng)前的整車運(yùn)行狀態(tài)判斷是否對(duì)駐車請(qǐng)求信號(hào)作出響應(yīng)，以決定是否控制駐車機(jī)構(gòu)鎖止動(dòng)力輸出軸使得整車進(jìn)入駐車狀態(tài)。

圖2為電子換擋器結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，電子換擋器共有5個(gè)擋位：原始擋位O、空擋N、前進(jìn)擋D、倒車擋R以及駐車擋P。換擋手柄始終處于O擋位置，當(dāng)撥動(dòng)換擋器手柄至其他任意擋位后，換擋器手柄都會(huì)自動(dòng)回歸O擋位置。

圖2 電子換擋器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 換擋器邏輯

為了判斷當(dāng)前換擋器手柄所處的擋位位置，在換擋器中設(shè)計(jì)2路位置傳感器X1和X2，通過采集換擋器手柄所處各擋位位置時(shí)2路位置傳感器的電壓信號(hào)x1和x2，經(jīng)混合動(dòng)力電控單元ECU分析計(jì)算后，得到與各擋位位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)值y，以判斷當(dāng)前的換擋器手柄位置。換擋器手柄位置與2路位置傳感器電壓信號(hào)對(duì)照如表1所示，對(duì)應(yīng)換擋器手柄位置y值1為N擋，2為D擋，3為R擋，4為P擋，0為O擋。

表1 手柄位置與傳感器信號(hào)對(duì)照表

圖3 換擋器邏輯

換擋器邏輯如圖3所示。換擋器手柄處于O擋初始位置，當(dāng)撥動(dòng)手柄至N擋位置時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)2路位置傳感器的電壓信號(hào)，經(jīng)ECU分析計(jì)算后，得到y(tǒng)為1，系統(tǒng)認(rèn)定換擋器手柄已進(jìn)入N擋位置，并執(zhí)行O擋至N擋的狀態(tài)切換程序O2N，系統(tǒng)工作在N擋狀態(tài)下，而后換擋手柄自動(dòng)從N擋回歸O擋位置，y為0，但不再執(zhí)行擋位狀態(tài)切換程序，系統(tǒng)仍保持在N擋狀態(tài)下運(yùn)行。在系統(tǒng)允許的工況下，若要使系統(tǒng)進(jìn)入前進(jìn)擋D狀態(tài)下運(yùn)行，則撥動(dòng)換擋器手柄從O擋至D擋位置，手柄需先經(jīng)過N擋再進(jìn)入D擋，ECU分析2路位置傳感器電壓信號(hào)，得到y(tǒng)為2，系統(tǒng)認(rèn)定換擋手柄已進(jìn)入D擋位置，并執(zhí)行N擋至D擋的狀態(tài)切換程序N2D，系統(tǒng)進(jìn)入D擋狀態(tài)，而后換擋器手柄自動(dòng)經(jīng)N擋回歸O擋位置，但不再執(zhí)行擋位狀態(tài)切換程序，不改變當(dāng)前的擋位狀態(tài)，系統(tǒng)仍保持在D擋狀態(tài)下運(yùn)行。

3 控制策略設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

換擋器系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足駕駛員正常的換擋需求，并且能夠避免因駕駛員的誤操作而導(dǎo)致的對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)、行駛系和駐車機(jī)構(gòu)造成的損壞，保證行車安全。換擋器系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)圖如圖4所示，其中v表示整車車速，α表示制動(dòng)踏板開度。

圖4 系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)圖

整車在正常情況下上電完成后默認(rèn)保持在P擋駐車狀態(tài)下，駐車機(jī)構(gòu)鎖止并保持整車處于靜止?fàn)顟B(tài)，且系統(tǒng)無動(dòng)力輸出。為防止駐車機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和行駛系造成的損壞，在整車運(yùn)行前必須先退出P擋駐車狀態(tài)，取消駐車機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力輸出軸的鎖止作用。在整車車速v＜1 km/h，且制動(dòng)踏板開度α＞30%時(shí)，撥動(dòng)換擋器手柄至D擋或R擋，即執(zhí)行N2D或N2R擋位狀態(tài)切換程序，或在駐車狀態(tài)下直接撥動(dòng)換擋器手柄至N擋，即執(zhí)行O2N擋位狀態(tài)切換程序，系統(tǒng)都會(huì)打開駐車機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)從P擋駐車狀態(tài)進(jìn)入D擋、R擋或N擋狀態(tài)下運(yùn)行。為避免整車運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和行駛系造成的沖擊和損壞，禁止前進(jìn)擋D擋與倒車擋R擋之間進(jìn)行直接互換，只有在整車車速v＜1 km/h且制動(dòng)踏板開度α＞30%的情況下，才能夠相互切換。整車在D擋或R擋動(dòng)力擋位狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只要撥動(dòng)換擋器手柄至N擋位置，即執(zhí)行O2N擋位狀態(tài)切換程序，系統(tǒng)即進(jìn)入空擋狀態(tài)，整車動(dòng)力中斷。

駐車擋P擋的響應(yīng)根據(jù)混合動(dòng)力電控單元ECU通過當(dāng)前的整車運(yùn)行狀態(tài)所決定。整車在中高速行駛時(shí)，撥動(dòng)換擋器手柄至P擋位置，系統(tǒng)不會(huì)響應(yīng)P擋信號(hào)，仍將保持當(dāng)前的擋位運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)車速v＜5 km/h時(shí)，撥動(dòng)換擋器手柄至P擋位置，系統(tǒng)才會(huì)從當(dāng)前動(dòng)力擋位進(jìn)入空擋，動(dòng)力中斷，整車滑行，并保持P擋信號(hào)，直至車速v＜1 km/h時(shí)，系統(tǒng)控制駐車機(jī)構(gòu)鎖止動(dòng)力輸出軸，整車進(jìn)入P擋駐車狀態(tài)。整車在車速5 km/h以下P擋滑行期間，撥動(dòng)換擋器手柄進(jìn)入當(dāng)前整車狀態(tài)允許的動(dòng)力擋位，都將取消P擋保持信號(hào)，整車重新獲得動(dòng)力。

3.2 故障冗余

在整車行駛過程中，為防止因電子換擋器2路位置傳感器故障、擋位識(shí)別錯(cuò)誤、信號(hào)傳輸錯(cuò)誤等導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前擋位狀態(tài)的錯(cuò)誤判斷，從而致使擋位狀態(tài)與當(dāng)前汽車行駛工況不符，影響行車安全，因此需要對(duì)2路位置傳感器信號(hào)的識(shí)別與傳輸作故障冗余處理，保證電子換擋器擋位信號(hào)的可靠性。當(dāng)電子換擋器的2路位置傳感器電壓信號(hào)與系統(tǒng)正常工作時(shí)的信號(hào)不匹配或者識(shí)別錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)從當(dāng)前動(dòng)力擋位自動(dòng)進(jìn)入空擋狀態(tài)，動(dòng)力中斷，保證行車安全。此外，在整車行駛過程中為避免出現(xiàn)跳擋而導(dǎo)致整車運(yùn)行模式改變，并致使動(dòng)力系統(tǒng)和行駛系受損，影響行車安全，因此需對(duì)換擋器手柄在目標(biāo)擋位上的停留時(shí)間作冗余處理。設(shè)定撥動(dòng)換擋器手柄進(jìn)入目標(biāo)擋位時(shí)，若在目標(biāo)擋位上停留時(shí)間小于0.1 s，或者由于2路位置傳感器故障導(dǎo)致的信號(hào)在0.1 s以內(nèi)的短暫脈沖跳變，即認(rèn)定為跳擋，為保證行車安全，系統(tǒng)保持當(dāng)前擋位狀態(tài)不變；若停留時(shí)間在0.1～0.5 s，即認(rèn)定為換擋過快，為保證行車安全并配合駕駛員的換擋意圖，系統(tǒng)進(jìn)入空擋，整車動(dòng)力中斷，直至重新?lián)軇?dòng)換擋器手柄至目標(biāo)擋位且停留時(shí)間在0.5 s以上，系統(tǒng)才能認(rèn)定已進(jìn)入目標(biāo)擋位狀態(tài)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)控制系統(tǒng)

通過Simulink建模工具將換擋器邏輯、控制策略及故障冗余算法轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)控制模型，用于對(duì)該換擋器及其控制策略設(shè)計(jì)方法的試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)控制模型如圖5所示。系統(tǒng)通過信號(hào)輸入模塊Signal_input輸入整車車速v、制動(dòng)踏板開度α以及2路位置傳感器電壓信號(hào)x1和x2，經(jīng)換擋器邏輯模塊Shift_logic判斷當(dāng)前換擋器手柄所在的擋位位置并執(zhí)行相應(yīng)的擋位狀態(tài)切換程序，再通過系統(tǒng)控制策略及故障冗余模塊Control_strategy輸出當(dāng)前擋位狀態(tài)s。

圖5 系統(tǒng)控制模型

通過MotoTron快速控制原型開發(fā)工具將系統(tǒng)控制模型編譯成代碼后刷寫進(jìn)混合動(dòng)力電控單元ECU中，構(gòu)成快速控制原型測(cè)試系統(tǒng)，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證換擋器及其控制策略設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性［9-10］。試驗(yàn)臺(tái)架控制簡(jiǎn)圖如圖6所示，ECU控制負(fù)載電機(jī)以模擬整車車速，通過電子換擋器發(fā)送的2路位置傳感器電壓信號(hào)，經(jīng)換擋器邏輯、控制策略及故障冗余算法判斷當(dāng)前的擋位狀態(tài)并控制混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行在相應(yīng)的工作模式下。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)架控制簡(jiǎn)圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)開始系統(tǒng)上電后默認(rèn)進(jìn)入P擋駐車狀態(tài)；撥動(dòng)換擋器手柄至前進(jìn)擋D位置，系統(tǒng)檢測(cè)到制動(dòng)踏板開度α為0，不符合擋位狀態(tài)切換條件，因此不進(jìn)入D擋狀態(tài)，系統(tǒng)仍保持在P擋駐車狀態(tài)下；操作制動(dòng)踏板至50%開度的同時(shí)再次撥動(dòng)換擋器手柄至D擋位置，系統(tǒng)打開駐車機(jī)構(gòu)，進(jìn)入D擋狀態(tài)運(yùn)行，松開制動(dòng)踏板，車速緩慢增加，操作加速踏板至一定開度，保持系統(tǒng)加速狀態(tài)；撥動(dòng)換擋器手柄至P擋位置，由于此刻車速較高，系統(tǒng)不響應(yīng)P擋信號(hào)，因此仍保持在D擋狀態(tài)下運(yùn)行；松開加速踏板的同時(shí)撥動(dòng)換擋器手柄至N擋位置，系統(tǒng)進(jìn)入空擋，動(dòng)力中斷，減速滑行；重新?lián)軇?dòng)換擋器手柄至D擋位置，系統(tǒng)進(jìn)入D擋，重新獲得動(dòng)力；操作制動(dòng)踏板至20%開度，系統(tǒng)減速，待車速＜5 km/h時(shí)，撥動(dòng)換擋器手柄至P擋位置，系統(tǒng)進(jìn)入空擋，動(dòng)力中斷，直至車速＜1 km/h時(shí)，系統(tǒng)控制駐車機(jī)構(gòu)鎖止動(dòng)力輸出軸，進(jìn)入駐車狀態(tài)。輸入信號(hào)整車車速v和制動(dòng)踏板開度α以及2路位置傳感器電壓信號(hào)x1和x2如圖7、圖8所示，輸出信號(hào)換擋器手柄位置y和擋位狀態(tài)s如圖9所示。

圖7 整車車速v和制動(dòng)踏板開度α信號(hào)

5 結(jié)論

本文基于混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作模式，設(shè)計(jì)了可匹配該系統(tǒng)的電子換擋器及其控制策略，通過建立控制模型并采用快速控制原型的方式對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明。

1)換擋器及換擋器邏輯的設(shè)計(jì)可匹配混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作模式，滿足駕駛員正常的換擋需求。

2)換擋器控制策略及故障冗余算法的設(shè)計(jì)，可避免因駕駛員換擋誤操作導(dǎo)致的整車擋位狀態(tài)和行駛狀態(tài)的改變以及對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)造成的沖擊和損壞，保證系統(tǒng)控制的可靠性和整車行車安全。