并联式混合动力客车AMT换挡过程分析及其验证

并联式混合动力客车AMT换挡过程分析及其验证
魏光璞;李守成;赵立军;张洪生
【摘要】The article puts forward AMT shift control method for HEV and according to the speed - time information of the city bus, and the urban road conditions, optimizes the control parameters for each bus. The parameters are automatical y acquired in the run-ning process to judge the road conditions. The vehicle control er is used to take the optimal control parameters and energy distribution pattern to optimize the adjustment of the torque output and energy recovery of the vehicle motor and engine.The energy is rational y assigned to the vehicle. It not only meets the needs for the vehicle's power, but also the fuel consumption and pol utant emissions are effectively reduced and the fuel economy is improved.%提出了一种混合动力汽车的AMT挡位控制方法，根据城市公交客车的车速-时间历史统计信息制定一组道路工况，针对每一种道路工况制定相应的优化控制参数；在车辆行驶过程中自动采集行驶参数判断对应的道路工况，并由整车控制器采取相应的优化控制参数及能量分配模式，优化调整车辆电机和发动机的扭矩输出及能量回收。

对客车能源进行合理分配，不仅满足了整车的动力性，还有效减少了燃油的消耗和污染物的排放，提高了燃油经济性。

【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】3页(P201-203)
【关键词】混合动力客车;机械式自动变速器;能量管理策略;仿真分析
【作者】魏光璞;李守成;赵立军;张洪生
【作者单位】南京理工大学，江苏南京210094;南京理工大学，江苏南京210094;南京理工大学，江苏南京210094;南京理工大学，江苏南京210094
【正文语种】中文
【中图分类】U469.1
随着能源紧缺的预警逐渐增强以及越来越庞大的城市交通燃油消耗带来的巨大压力，包括混合动力在内的新能源汽车已经成为各个国家的重点研究对象。

混合动力客车由于良好的燃油经济性和排放性，在未来的一个时期内具有很大的应用空间和发展潜力。

目前，重型汽车和新能源汽车具有总质量大、品种多、使用工况复杂多变等特点。

为了满足这些汽车的使用特点，使其动力性和经济性尽可能达到最优状态，以及变速器采用的挡位数的增多，手动机械式操纵机构已不适应当今重型汽车的发展[1]。

为适应重型汽车和新能源汽车的高挡化、电子化、环保化的发展趋势，使
其操纵自动化，具有重大的现实意义。

由于1挡升2挡和2挡升3挡的传动比变
化比较大，在AMT的换挡过程中存在冲击大的问题，常常会导致齿轮间打齿等问题，同时变速器中同步器和齿轮的磨损也很大，严重影响变速器的使用寿命。

这就要求在换挡过程的发动机转速和变速器输入轴转速同步过程控制非常精确。

但由于在实际换挡过程中车速是不受控制的惯性状态，随机性比较大，这就使得同步过程存在实际上的困难。

因此采用一次离合器的分离并同步转速，使动力传动轴处于自由状态，让发动机转速来瞬时匹配变速器的输入轴，从而使得离合器的结合更平稳，做到不打齿、低噪声、低磨损、更平顺的挡位切换过程。

选挡电机控制拨头的纵向选挡动作、选挡位置传感器检测拨头的纵向选挡位置、换
挡电机控制拨头的换挡动作、换挡位置传感器检测拨头的横向位置、选换挡电机的动作靠TCU发送的指令分别动作，动作的位移根据控制策略的设定点控制[2]。

机械式自动变速器是模拟手动选换挡及离合器的分离和结合过程。

整车运行过程中，TCU采集整车运行参数，根据车速和油门开度两参数判断车辆的升降挡状态，TCU控制选换挡电机和离合器电机输出合适的占空比控制机构的动作速度和动作
位移。

因此，达到换挡的无冲击性是AMT技术的关键。

根据所试验的混合动力客车为例说明控制器对离合器和选换挡执行机构的控制流程。

整个换挡过程都是TCU控制选挡电机A和换挡电机C动作的过程，通过选挡位置传感器B和换挡位置传感器D监控换挡指位移，由TCU控制选挡电机A和换挡
电机C占空比的输出，从而达到改变挡位的过程[3]。

对不同目标挡位下的挡位切换过程的控制方法：
流程如图2所示。

步骤1设定目标挡位，此过程要根据换挡规律的要求，通过判
断当前车速信号和油门开度信号来确定目标挡位[4]。

确定完目标挡位后就进入步
骤2，步骤2要判断离合器是否已经分离，如果没有到达离合器的分开设定点，TCU通过输出PWM占空比信号的方法控制电磁阀的动作，以气源为动力达到离
合器分离的目的。

离合器分离完成后进入判断步骤4。

在进入判断之前要进行计算同步发动机转速的问题。

TCU根据采集到的车速信号
乘以目标挡位的传动比得到变速器的输入轴转速，再由当前是升挡还是降挡通过查表的方法对输入轴转速进行修正，此时得到的输入轴转速就是发动机的目标转速。

这一过程的作用使得目标挡位待啮合的齿轮组转速达到一致，以减轻齿轮组在啮合过程中对同步器的损害，从而达到延长同步器寿命的效果，变速器、同步器的同步过程是AMT研究的重点，也是本文研究的重点，转速计算完成后进入步骤4。

在步骤4中，要判断目标挡位是否为空挡：如果目标挡位为空挡，TCU控制换挡
电机C的占空比输出，用输出回空挡的模式将在挡变为空挡。

换挡位置传感器D
监控换挡位置信号在设定的空挡最大最小值之间，则换挡成功。

如果目标挡位不为空挡，则进入判断步骤6，判断此次换挡过程是否需要选挡。

具体判断过程如下：以此混合动力汽车6挡箱为例说明。

1、2挡，3、4挡，5、6挡，R挡分别对应一个选挡格栅，并定义他们为位置1、2、3和4，这4个位置
分别对应选挡位置传感器B的一个电压值。

首先TCU采集当前的选挡位置电压值，并对应1、2、3和4某一个值，再根据目标挡位的位置对应的选挡位置的值，通
过判断2个值是否相等得到是否需要选挡：如果2个值相等，则不需要选挡；如
果2个值不相等，则需要选挡。

判断完之后，如果不需要选挡，则进入步骤9。

当换挡过程在一个选挡格栅里，就不需要将挡位退到空挡位置，而是直接到下一个挡位的同步起始点位置，这样可以大大节省换挡时间，如上所述同步完发动机转速以后就可以挂入挡位。

如果需要选挡，TCU控制换挡电机输出占空比将换挡指移动到空挡设定点，此过程也需要同
步发动机转速。

然后进入步骤8，进行选挡过程。

首先根据目标挡位设定输出设定选挡位置，每一个选挡过程对应一个选挡控制模式，每一个模式对应一个选挡电机的PID查表表格，根据当前选挡位置与请求选挡位置的差值输出相应的电机占空比，保证能够做到电机动作迅速，不超调，精确走位到选挡设定点。

这次选挡过程也要有发动机转速的同步过程。

选挡动作完成后进入步骤10，换入目标挡位过程。

换入目标挡位过程是一个复杂的过程，需要经过多步完成。

具体流程如图3。

当换挡过程触发过程10，则会有Shift To Gear(STG)的信号触发图3中的流程，挂挡过程开始。

首先进入步骤15，挂挡过程开始，这个步骤要完成挂挡步骤的模式设
定和输出设定换挡位置，把换挡位置请求到目标挡位的同步起始点。

下面进入步骤16。

接下来进入同步过程步骤17，同样在此过程中，需要计算换挡电机的输出模式，同步过程对应电机的力输出模式，即换挡力控制，对应升挡和降挡都有各个挡位的换挡基础力、换挡累加力、换挡最大力，而2挡降1挡单独对应一组换挡电
机占空比，这是由于这两个挡位传动比较大的缘故。

同步器的同步过程主要就是计算换挡力的大小。

完成同步过程后进入步骤18锁止阶段。

在此过程中TCU控制换挡电机占空比的输出，这个过程同Start过程一样属于位置控制阶段，将换挡位置设定到目标挡位的设定点。

随后进入步骤19，确认换挡成功，挂挡过程结束。

挂挡过程结束后接着进行图2中的步骤11，如前所述进行发动机转速的同步，如果同步过程不成功进入步骤13继续同步发电机转速，如果成功进入步骤12，进行离合器的结合过程。

完成离合器的结合过程，整个改变挡位的过程结束。

在换挡过程中，要保持离合器分离，而在文中离合器分离后离合器控制模式置为保持离合器分离，但对于液压控制的离合器执行机构，离合器保持分离的控制模式不为0，所以应该视实际情况决定，对于静态换挡，即发动机不工作，保持离合器分离情况下，整个换挡过程在600 ms以内为最佳，摘挡过程、选挡过程，分别在200 ms左右为佳，在动态换挡过程中，即发动机工作时，整个换挡过程应在1 s 以内，尽量接近静态换挡时间。

以试验车辆为例，说明AMT机构的标定试验过程。

AMT机构的标定过程主要标定选换挡位置和换挡力，如图4为选换挡位置超调，通过对选换挡各模式下对应表格输出占空比进行调整，达到实际输出位置为输出设定选换挡位置，这样不仅减小了选换挡的时间，而且换挡冲击感明显减轻。

在一个换挡过程中，挡位从空挡位置到换入挡位过程中的换档力是不同的，从空挡位置到同步过程的换档力最小，此时用换挡位置控制即可；同步器的同步过程需要的力最大，需要用换挡力控制过程，同步过程完成后是同步锁止过程，此时换挡力较小，同样用换挡位置控制。

这样在一个换挡过程中分为3个步骤，不同的过程应用不同的控制模式，这种控制方法的可靠性和控制精度高。

如图5是换挡力和换挡控制模式标定示意图。

图5中换挡控制模式为1的过程中，换挡位移变化较小，是因为换挡力较大引起
的，同步阶段结束以后换挡力减小，换档位置位移变化较快。

在换挡力标定过程中，有3个参数对换挡力过程影响较大，分别为：换挡基础力、换挡累加力、换挡最
大力。

通过对这3个参数表格占空比的调整，达到换挡力和换挡位置的精确控制。

目前，AMT系统的主要难点之一即为发动机和AMT系统的协调控制，即同步器
同步转速的控制。

本文利用双电机AMT选换挡执行机构，准确控制选换挡的时机和位置，并通过TCU对发动机和变速器输入轴转速的同步实现换挡过程无冲击化，在实际生产和应用中具有很好的借鉴意义。

【相关文献】
[1] 谢先平，梅近仁，李君，等. 基于发动机联合控制的AMT换挡控制策略[J]. 汽车技术, 2012, 441(6): 28-31.
[2] 骞大闯，吴斌，林文尧. 基于CANape的AMT电控单元标定系统设计[J]. 2009中国汽车工程
学会, 2009: 1271-1273.
[3] Andreas Patzer. Control CANape with a Matlab M-flie[M]. 2008.
[4] 叶明, 秦大同, 刘振军. 轻度混合动力 AMT 汽车动力性换挡规律研究[J]. 汽车工程, 2006(7):
671-675.。