一种混合动力专用变速器的控制方法

赵国强　孙明峰　乔运乾　姜峰　史辉英

【摘  要】针对2×3挡双输入AMT（重新开发，发动机2个挡、电机3个挡，只有2组换挡齿轮），即DHT系统，介绍混合动力专用变速器的控制方法，通过对发动机侧挡位、电机侧挡位、发动机扭矩和电机扭矩的协调控制，保证输出扭矩的稳定，解决AMT变速器换挡过程中的动力中断过程，达到无动力中断的换挡，增强动力性，提升驾乘舒适感。试验结果表明，所提出的扭矩控制策略与未使用此策略时对比，前者车速上升，后者车速下降，解决了AMT的无动力换挡的问题。

【关键词】DHT；AMT；控制策略；动力总成；动力连续

中图分类号：U463.6    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0019-03

A Control Method of Dedicated Hybrid Transmission

ZHAO Guo-qiang，SUN Ming-feng，QIAO Yun-qian，JIANG Feng，SHI Hui-ying

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】For the 2×3 gears double input AMT Transmission（redevelopment，two engine gears，two motor gears，only two groups shift gears），it is also named dedicated hybrid transmission（DHT）system，this paper introduces the control method of hybrid power transmission. Through the engine gear，motor gear，engine torque and motor torque coordination control，ensuring the stability of output torque. The method solves the power interruption process of AMT transmission shift，achieves the shift without power interruption，enhances the power performance，and improves the driving comfort. The test results show that the vehicle speed of the proposed torque control strategy increases，while the vehicle speed of the latter decreases，which solves the problem of non-dynamic shift of AMT.

【Key words】DHT；AMT；control strategy；powertrain；continuous power

混合动力系统的市场继续扩大，发展趋势是纯粹燃油发动机汽车将逐步全部混合动力化，目前开发新型专用混合动力变速器从性价比角度考虑就是一个好的捷径，众多主流汽车企业大力开发多种专用混合动力变速器也证明了这种趋势。

专用混合动力变速器的定义是：通过集成一个或多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速器系统，加上发动机输入后即可实现混合动力驱动的功能[1]。

1  整体设计方案

潍柴已完成第一代并联式混合动力总成的自主开发，并开始进行混联系统的自主开发，但两种技术路线的结构、配置与市场同类产品基本相同，缺少创新性。

此次研究的混动技术，机械机构以及控制逻辑不同于并联或混联的技术路线，通过全新开发的双输入AMT变速器以及空心轴电机，使动力总成在动力性、经济性、舒适性、成本等各方面都具有较强的竞争力，属于潍柴的原创设计，具有换挡过程动力不中断、换挡速度快、换挡次数少、效率高、气耗低、成本低等优点。DHT的整车布置如图1所示。

AMT是在传统固定轴式手动变速器的基础上，通过加装自动换挡和离合器操纵机构以及相应的自动控制单元以实现自动变速功能。AMT仍属于有级式变速系统，换挡时，首先要切断动力系统传递至驱动轮的动力，一方面过长的换挡动力中断时间会使车辆产生过大速度损失，影响车辆动力性和行驶平顺性，另一方面，速度损失后重新加速车辆也需要消耗额外的燃油并增加排放，为此，动力传动系统控制的一个首要问题就是尽量减小换挡时的动力损失并保證此时车辆不至产生过大的纵向冲击和振动[2]。

变速器主要由传动机构和换挡系统组成。传动机构由多组不同齿数的齿轮副及齿轮轴等组成；换挡系统由外操纵机构、内操纵机构和同步器组成，其主要作用是在汽车行驶过程中保证驾驶员准确平稳地完成摘挡或是挂挡的动作[3]。换挡系统操纵机构示意图如图2所示。

动力总成具有以下的优点。

1）AMT变速器简化挡位数量，用于发动机驱动的挡位只有2个，因此行驶过程中只有1次挡位变换，并且挡位变换时，电机直驱继续输出动力，避免了换挡过程造成的动力中断和舒适性差的问题。

2）变速器在换挡时没有选挡过程，并且电机处于变速器后端，变速器输入轴没有电机转动惯量的影响，因此换挡时间更短。

3）变速器速比重新设计、电机全新开发，动力总成匹配程度好，电机电池采用高压平台，损耗小，有利于提升经济性。

4）新设计具有降低成本的潜力：①电机转速提高、扭矩降低，采用高电压平台，电机成本降低；②AMT变速器简化挡位数量（从并联5组换挡齿轮简化为2组），零部件数量减少，同时阻力降低、效率提高；③采用电动执行机构。换挡机构1所控制挡位为发动机、电机共用挡位，采用同步器结构，换挡机构2所控制挡位为电机专用挡位，采用滑套结构。取消倒挡，由电机反转实现倒车。换挡机构1与2互相独立，在1控制发动机换挡时，2可以控制电机工作在纯电动3挡（直驱挡），由电机继续输出动力，从而动力不会中断；换挡机构1与2都没有选挡过程，换挡速度快。DHT的结构示意图如图3所示。

2  软件控制策略设计

AMT车辆换挡过程中存在动力中断，对换挡时间的控制是AMT控制的关键技术，换挡过程所需时间th的数学表达式为：

t_h=t₁+t₂+t₃+t₄+t₅

式中：t₁——离合器分离时间；t₂——摘挡时间；t₃——选挡时间；t₄——挂挡时间；t₅——离合器接合时间[4]。有的研究者将绝对动力中断时间作为换挡时间。绝对动力中断时间就是从摘挡开始到挂上挡为止，在该段时间里驱动动力源不向车轮传递任何转矩[5]。由于换挡执行机构分为发动机侧和电机侧，独立进行操作，通过两侧执行机构的协调，实现动力不中断和换挡舒适性的提升，这是单执行机构AMT无法比拟的。为实现动力不中断，需要在软件的扭矩控制上实现发动机扭矩和电机扭矩的此消彼涨，即本文提供的方法。

纯电时，电机侧挂在1挡，行驶到16km/h（可标定）时，进行模式切换，电机保持1挡传动比。

模式切换完成后，发动机介入，此时为1挡混合驱动，电机侧为1挡，发动机侧为1挡。

车速到达换挡点30km/h（可标定）时，进行换挡。此时，电机侧先换到2挡，待发动机侧换挡到2挡后，电机侧再换回到1挡。换挡过程中，电机侧换挡过程会进行清扭等动作，将电机侧清扭的扭矩补偿到发动机侧，保持总的驱动扭矩不变，进而保证了换挡过程动力不中断。

车速继续升高到55km/h（可标定）时，电机侧由1挡换到2挡，电机进行直驱辅助高速行驶。

换挡过程中，如果突然制动，且电机不在挡，继续执行完该阶段，再转入制動能量回收模式；否则，电机直接转入制动能量回收模式。离合器的状态对电制动和机械制动的影响不大。

高速减速至10km/h（可标定）后再加速，这个时候变速器需要进行1、2次换挡，根据并联系统推算大概有1秒多的换挡时间，此时动力响应会有延迟，如果考虑驾驶员从踩制动切换至踩油门大概需要1s时间，因此动力响应延迟不会太长，驾驶员应该可以接受。

通过车速估算、挡位估计、战略优化、扭矩决策、发动机管理、电机管理等模块对逻辑进行判断，输出驱动扭矩。换挡协调模块软件流程如图4所示，DHT的换挡过程主要包括清扭、摘挡、调速和挂挡阶段，通过对应阶段的换挡电机的动作指令，可以控制DHT在不同的挡位，达到换挡的目的。执行机构控制流程图如图5所示。

3  台架试验结论（数据分析）

1）正常模式行驶时，打开动力不中断使能开关，在换挡过程中电机扭矩和发动机扭矩是此消彼长的关系，当发动机扭矩降低时，电机扭矩会补偿发动机扭矩的降低值，从而保持总的驱动扭矩值总体不变，反之亦然。正常行驶下的扭矩变化如图6所示。

2）正常模式行驶时，打开动力不中断使能开关，动力不中断，车速上升。正常模式行驶的车速变化如图7所示。

3）正常模式行驶时，关闭动力不中断使能开关，在换挡过程中电机扭矩和发动机扭矩没有进行相互补偿导致动力中断。动力中断时扭矩变化如图8所示。

4）正常模式行驶时，关闭动力不中断使能开关，车速变化如图9所示，动力中断，车速下降。

4  结束语

通过对发动机扭矩和电机扭矩的此消彼长控制，使总的扭矩保持稳定，达到动力不中断的目的。通过对比车速可以发现，当通过控制扭矩动力不中断时，车速上升，当动力中断时，车速下降。

本项目顺利完成DHT系统的软件控制策略开发，并达到开发项目要求。通过对两个执行机构的控制，完成发动机启停功能、驻车充电、最大车速限制、模式仲裁与切换、挡位决策与换挡控制、能量回收、换挡执行机构控制等功能开发工作，并且在换挡过程中实现了换挡动力不中断。

参考文献：

[1] 罗本进. 汽车专用混合动力变速器和电驱动系统及其变速器发展状况（上）[J]. 汽车工程师，2018（8）：23-30.

[2] 吴林轩. AMT电动选换挡控制系统的研究[D]. 上海：上海工程技术大学，2015.

[3] 刘贻樟. AMT控制技术（第一版）[M]. 北京：机械工业出版社，2016.

[4] 古艳春. 混合动力汽车AMT换挡策略及换挡控制的研究[D]. 上海：上海交通大学，2006.

[5] 吕振伟. 浅析变速器换挡系统机构及原理[J]. 技术与产品，2019（4）：82-86.

（编辑  杨  景）