专利名称：并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法
技术领域：
并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法属于并联式混合动力汽车的动力总成控制和换档过程控制技术领域。
背景技术：
采用AMT(自动化的手动变速器)型式的变速机构，是混合动力轿车比较理想的变速机构方案。传统手动式机械变速器传统车辆的换档过程是分离离合器、摘老档、转速同步、挂新档和接合离合器等步骤来完成的，即换档过程需要通过分离和接合离合器来完成。在AMT车辆中，换档过程的离合器控制是非常重要而且比较复杂的，很容易导致离合器的快速磨损、动力中断时间较长和换档冲击较大。
发明内容
本发明针对采用手动变速器的并联式混合动力轿车有离合器操作的换档控制的缺点，提出一种无离合器操作的换档控制策略，在换档过程中通过对发动机和电机的协调控制，实现换档过程中无需分离离合器，即换档过程简化为驱动转矩控制、摘老档、转速同步、挂新档和驱动转矩恢复控制等步骤。这种无离合器操作的换档控制，可以缩短换档过程时间、延长离合器的使用寿命、改善换档过程品质并提高车辆的加速性。由于换档过程中不分离离合器，换档控制逻辑得到了简化，但对发动机和电机的混合驱动转矩和转速的控制，则提出了更高的要求。
本发明所提出的方法的特征在于它是在汽车换档过程中不使用离合器，而是当发动机和电机的混合转矩输出为0时摘旧档和挂新档，从而达到换档的目的，它依次含有由动力总成控制器控制执行的以下步骤1)摘旧档前的转矩控制1.1)控制节气门开度达到维持发动机工作在良好工作状态时的阈值αmin；1.2)当节气门开度达到阈值αmin时，将电机切换为发电工况；1.3)保持节气门的开度不变，通过发动机控制系统检测此时发动机的转速，并根据在该节气门开度下的发动机转速和输出转矩MAP图，查得此时发动机的输出转矩；1.4)通过电机控制系统检测电机的输出转矩，以1.3)步中查到的发动机输出转矩为目标值，通过电机控制系统调节电机的输出转矩，使发动机和电机的混合输出转矩为0；2)当发动机和电机的混合输出转矩为0时摘旧档；
3)转速同步控制3.1)通过变速器控制系统测得变速器输出转速Vout，以下述公式计算变速器输入轴同步转速目标值的大小Vin＝Vout×i其中，i为新档速比；3.2)将电机切换为转速控制工况，通过电机控制系统检测变速器输入轴的实际转速，并通过电机控制系统调节变速器输入轴的实际转速，使其达到变速器输入轴同步转速目标值Vin，当变速器输入轴的实际转速与目标值Vin接近时，则进行下一步；4)挂新档前的转矩控制4.1)将电机切换为发电工况；4.2)保持节气门的开度在阈值αmin不变，通过发动机控制系统检测此时发动机的转速，并根据在该节气门开度下的发动机转速和输出转矩MAP图，查得此时发动机的输出转矩；4.3)通过电机控制系统检测电机的输出转矩，以4.2)步中查到的发动机输出转矩为目标值，通过电机控制系统调节电机的输出转矩，使发动机和电机的混合输出转矩为05)当发动机和电机的混合输出转矩为0时挂新档；6)驱动转矩的恢复控制将电机切换为驱动工况；调节节气门开度，调节电机输出转矩，使节气门开度和电机输出转矩与驾驶员给定的目标值相等，从而完成换档过程。
所述节气门开度达到维持发动机工作在良好工作状态时的阈值αmin为节气门全开度的10％。
在上述第1.2)步中，当所述电机切换为发电工况后，将电机的发电电流限定在该电机的最大发电电流的50％，避免电机产生过大的制动转矩。
在上述第3.2)步中，当变速器的输入轴的实际转速与目标值Vin的速差达到50r/min时，认为变速器输入轴的实际转速与目标值Vin接近，则进行下一步挂新档前的转矩控制。
在上述第6)步的驱动转矩的恢复控制中，对节气门开度和电机输出转矩进行调节使时，节气门的变化率不超过100％/s，电机输出转矩的变化率不超过100Nm％/s。
发明效果经过实验证明，该方法使得并联式混合动力轿车的换档过程时间缩短、离合器寿命延长、换档冲击减小和车辆加速性得到提高。
图1是采用AMT变速器的并联式混合动力汽车驱动系统的结构简图。
图2是有离合器操作的换档控制过程与无离合器操作的换档控制过程的对比图；其中图2(a)是传统的有离合器操作的换档控制过程图，图2(b)是无离合器操作的换档控制过程图。
图3是本发明所使用的混合动力轿车动力总成控制系统示意图。
图4是本发明所采用的并联式混合动力轿车无离合器操作的换档控制逻辑流程图。
图5是摘档前的驱动转矩控制逻辑子流程图。
图6是转速同步控制逻辑子流程图。
图7是驱动转矩恢复控制逻辑子流程图。
图8是2挡升3挡的换档过程中节气门控制和电机控制的仿真结果图。
图9是2挡升3挡的换档过程中发动机转速和车速变化的仿真结果图。
图10是节气门开度10％时发动机转速和输出转矩MAP图。
具体实施例方式
下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的目的，特征及优点进行更深入的理解。
如图1所示，使用AMT(自动化的手动变速器)的并联式混合动力轿车的动力系统主要由发动机、离合器、主电机和手动变速器(包括同步器)构成。这种动力系统与传统内燃机+手动变速器的动力系统类似，都需要进行换档控制。
如图2所示，传统的有离合器操作的换档控制过程分为驱动转矩控制、分离离合器、摘老档、转速同步、挂新档、接合离合器、驱动转矩恢复控制等7大步骤(见图2(a))，在换档过程中需要进行离合器的分离和接合的动作。众所周知，手动变速器换档过程中，动力系统有较大的转矩和转速变化，传统换档方法通过离合器的分离和接合过程中的摩擦作用来吸收转矩和转速的变化产生的能量，因此手动变速器离合器的自动控制非常复杂，对换档过程的舒适性、动力切断的时间长短、离合器的寿命和车辆的加速性等都有很大的影响。而混合动力汽车使用无离合器操作的换档控制策略，主要通过电机来吸收转矩和转速的变化产生的能量，并转化为电流，不会对离合器造成磨损，则换档过程简化为驱动转矩控制、摘老档、转速同步控制、挂新档和驱动转矩恢复控制5大步骤(见图2(b))。
如图3所示，应用无离合器操作的换档控制方法，需要有混合动力轿车的动力总成控制系统作为实现的平台。图中的动力总成控制系统是实现无离合器操作换档控制的关键。从图中可以看出，混合动力轿车的驱动系统主要由启动机、发动机、电机、离合器、变速器和蓄电池等部件所构成，发动机控制系统、电机控制系统、蓄电池管理系统和变速器控制系统等则是这些部件的控制系统，而所有这些部件的控制系统则都由动力总成控制系统进行协调控制。无离合器换档控制的实现，需要发动机、电机、变速器和蓄电池等协调动作，因此关键是需要动力总成控制系统的协调控制。其中，电机的控制是换档过程中最关键的。电机有3种工况驱动工况、发电工况和转速控制工况。驱动工况，即电机发出驱动转矩，驱动车辆行驶，控制目标是电机输出转矩的大小；发电模式(即制动模式)，即电机作为发电机工作，可产生制动转矩和对蓄电池进行充电，控制目标是发电电流的大小；转速控制工况，电机以目标转速作为控制目标进行闭环控制。
如图4所示，换档过程的第一步是驱动转矩控制。只有当驱动转矩控制到接近于0的情况下，才能够摘老档进入空挡状态；如果在驱动转矩较大的情况下摘档，则会出现发动机转速瞬变和变速器传动轴出现振荡的现象，对发动机、同步器和换档舒适性都带来不利影响。因此换档过程的第一步就是对发动机和电机进行控制，使发动机和电机输出的混合驱动转矩控制到0，实现摘老档的平稳性。混合驱动转矩的控制，可以通过对发动机的油量控制和电机的转矩控制来实现。一般来讲，车辆不会在变速器的输入轴安装转矩传感器，因此不可能通过传感器来识别驱动转矩的大小。混合驱动转矩的估计可以采用数学的方法，通过变速器输入轴转速和车速作为输入值，采用建立数学模型的方法可以对驱动转矩进行近似的估计，不过需要经过大量的数学计算，对嵌入式控制系统的计算能力要求很高，不利于产品化。摘老档前的驱动转矩控制，实质就是逐渐减小发动机和电机输出的混合驱动转矩。为了减小换档过程中发动机工况的变化给排放不利带来的不利影响，换档过程中要减少发动机工作状态的变化，并且要保证发动机始终工作在低排放区域。传统的有离合器操作的换档过程中，需要将节气门开度降低到0，即节气门关闭，使整个换档过程中节气门开度出现剧烈变化，对发动机工作状态有较强的不利影响。如图5所示，本发明先控制节气门开度到一个可维持发动机良好工作的最低值αmin(可根据具体的发动机进行选择，本发明选择αmin为节气门最大开度的10％)，可以减小节气门开度的变化范围，使发动机的工作状态不至于恶化；同时电机切换为发电工况，可根据需要的制动转矩大小对发电电流大小进行优化，本发明限定发电电流为电机最大发电电流的50％。当实际的节气门开度达到αmin后，根据节气门开度为αmin时的发动机转速和输出转矩MAP图来控制电机的制动转矩，这样可以确保驱动转矩迅速而平稳地减小。这里采用事先标定驱动转矩的方法来进行驱动转矩的近似估计，即事先采用试验方法标定出节气门开度为αmin(本发明10％)时发动机发动机转速和输出转矩MAP图。这种标定方法是发动机控制中常用的方法，属于静态转矩估计，与发动机的实际转矩会有一定的误差，但这个误差在可以接受的范围之内。如图10所示，当节气门开度为10％时，发动机的不同转速对应着不同的输出转矩，发动机转速可以通过发动机控制系统测得，因此，可以通过转速从MAP图上查到其对应的输出转矩，随后可根据该输出转矩调节电机的制动转矩，直到二者的混合输出转矩为0。MAP图是事先经过标定，得到一系列数据，以表的形式存储在动力总成控制器中。
第二步是摘老档，摘老档的动作由变速器控制系统来完成。
换档过程的第三步是转速同步控制。变速器输入轴转速的目标值为Vin(即变速器输入轴同步转速)，输出轴转速Vout和挡位速比i之间的关系为Vin＝Vout×i；Vout可通过变速器控制系统获得；对于AMT来说，何时换档以及换为几挡是由变速器控制系统根据车速和加速踏板的位置自动计算得到的。i为新档速比，对于同一车是确定的值，可事先给定。因此手动变速器的不同档位之间存在大的速差，比如，假设某车型中1档速比i1为4，2挡速i2为3，若换档前变速器输出轴转速Vout为1000r/min，假设换档过程中车速不变，变速器从1挡升到2挡，则变速器的输入轴转速Vin在升挡前为4000r/min，升挡后为3000r/min，二者的速差为1000r/min。由此可见，要确保换档成功，就必须对变速器的输入轴转速进行主动调节，使其逐步调节到新挡所需的转速。转速控制是减小同步器磨损的关键，良好的转速控制可以大大减小同步器的磨损，达到或超过有离合器操作情况下的同步器磨损指标。如图6所示，转速同步控制需要先根据变速器输出轴转速Vout和新档速比i计算出变速器输入轴转速Vin，即同步转速的大小，然后把电机切换为转速控制工况，以同步转速为目标值进行转速闭环控制，而发动机则保持节气门开度不变，保证发动机平稳工作。
换档过程的第四步是挂新档，这个动作也由变速器控制系统来完成。当变速器输入轴和输出轴实现了转速同步以后(常用的判断方法是变速器输入轴和输出轴速差小于50r/min后可认为接近同步)，可以开始挂新档。在转速接近同步时，还应当同时对驱动转矩进行控制，使挂新档前后驱动转矩接近0，实现挂档过程中转速和转矩都实现同步，从而可以大大提高换档过程品质。这个时候的驱动转矩控制，与摘档前的转矩控制类似，也是把节气门开度维持在αmin，同时电机从转速控制工况切换回发电工况，产生的制动转矩则根据该节气门开度下的发动机转速和输出转矩MAP图进行控制，确保混合驱动转矩在挂档前后时刻都接近0。
换档过程的最后一步是驱动转矩的恢复控制，即平稳的将驱动转矩恢复到驾驶员所需要的大小。恢复过程不可太快，太快会影响舒适性，甚至会导致挡位脱落；也不可太缓，太缓会影响车辆的动力性。如图7所示，驱动转矩的恢复控制，主要是对节气门开度变化率和电机转矩的变化率进行控制，设定节气门开度最大变化率αmax为100％/s，电机转矩变化率βmax为100Nm/s，在恢复阶段使节气门开度的变化率＜αmax，电机转矩的变化率＜βmax，可根据舒适性的要求适当降低节气门开度变化率和电机转矩变化率。当实际的节气门开度和电机转矩与驾驶员要求的目标值相同以后，则把控制权完全交给驾驶员，换档过程由此全部结束。
图8是2挡升3挡的换档过程中节气门控制和电机控制的仿真结果。图中的横坐标为时间轴，绘制的两条曲线为换档全过程中节气门开度和电机转矩的变化曲线。从图中可以，换档开始以后，摘旧档前的驱动转矩控制阶段，节气门开度逐渐控制到αmin为10％，电机则由产生驱动转矩的驱动工况产生逐渐过渡为发电工况，产生了制动转矩；进入转速同步控制阶段以后，发动机的节气门开度保持在αmin不变，电机则进入了转速控制工况；换档结束后的驱动转矩恢复控制阶段，节气门开度和电机驱动转矩则逐渐恢复到驾驶员要求的目标值。
图9是2挡升3挡的换档过程中发动机转速和车速变化的仿真结果。从图中可以看出，换档过程中车速变化极小，而发动机转速(与变速器输入轴转速相等)在进行了转速同步控制以后，则逐渐过渡到新档速比所需的转速值。
图10是节气门开度αmin为10％时发动机转速和输出转矩MAP图。这个转矩MAP图在实际控制系统中可通过发动机试验进行标定，试验这种转矩MAP图的标定方法是发动机控制中常见的静态转矩估计方法，获得了广泛的应用。
权利要求
1.并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法，其特征在于，它是在汽车换档过程中不使用离合器，而是当发动机和电机的混合转矩输出为0时摘旧档和挂新档，从而达到换档的目的，它依次含有由动力总成控制器控制执行的以下步骤1)摘旧档前的转矩控制1.1)控制节气门开度达到维持发动机工作在良好工作状态时的阈值αmin；1.2)当节气门开度达到阈值αmin时，将电机切换为发电工况；1.3)保持节气门的开度不变，通过发动机控制系统检测此时发动机的转速，并根据在该节气门开度下的发动机转速和输出转矩MAP图，查得此时发动机的输出转矩；1.4)通过电机控制系统检测电机的输出转矩，以1.3)步中查到的发动机输出转矩为目标值，通过电机控制系统调节电机的输出转矩，使发动机和电机的混合输出转矩为0；2)当发动机和电机的混合输出转矩为0时摘旧档；3)转速同步控制3.1)通过变速器控制系统测得变速器输出转速Vout，以下述公式计算变速器输入轴同步转速目标值的大小Vin＝Vout×i其中，i为新档速比；3.2)将电机切换为转速控制工况，通过电机控制系统检测变速器输入轴的实际转速，并通过电机控制系统调节变速器输入轴的实际转速，使其达到变速器输入轴同步转速目标值Vin，当变速器输入轴的实际转速与目标值Vin接近时，则进行下一步；4)挂新档前的转矩控制4.1)将电机切换为发电工况；4.2)保持节气门的开度在阈值αmin不变，通过发动机控制系统检测此时发动机的转速，并根据在该节气门开度下的发动机转速和输出转矩MAP图，查得此时发动机的输出转矩；4.3)通过电机控制系统检测电机的输出转矩，以4.2)步中查到的发动机输出转矩为目标值，通过电机控制系统调节电机的输出转矩，使发动机和电机的混合输出转矩为0；5)当发动机和电机的混合输出转矩为0时挂新档；6)驱动转矩的恢复控制将电机切换为驱动工况；调节节气门开度，调节电机输出转矩，使节气门开度和电机输出转矩与驾驶员给定的目标值相等，从而完成换档过程。
2.如权利要求1所述的并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法，其特征在于，所述节气门开度达到维持发动机工作在良好工作状态时的阈值αmin为节气门全开度的10％。
3.如权利要求1所述的并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法，其特征在于，在上述第1.2)步中，当所述电机切换为发电工况后，将电机的发电电流限定在该电机的最大发电电流的50％，避免电机产生过大的制动转矩。
4.如权利要求1所述的并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法，其特征在于，在上述第3.2)步中，当变速器的输入轴的实际转速与目标值Vin的速差达到50r/min时，认为变速器输入轴的实际转速与目标值Vin接近，则进行下一步挂新档前的转矩控制。
5.如权利要求1所述的并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法，其特征在于，在上述第6)步的驱动转矩的恢复控制中，对节气门开度和电机输出转矩进行调节使时，节气门的变化率不超过100％/s，电机输出转矩的变化率不超过100Nm％/s。
全文摘要
并联式混合动力汽车无离合器操作的换档控制方法属于并联式混合动力汽车的动力总成控制和换档过程控制技术领域。其特征在于，它是在汽车换档过程中不使用离合器，而是当发动机和电机的混合转矩输出为0时摘旧档和挂新档，从而达到换档的目的。本发明在摘旧档之前不用分离离合器，挂新档之前不用接合离合器，而是利用在适当节气门开度下的发动机转速和输出转矩MAP图，来控制电机的输出转矩，从而控制发动机和电机的混合输出转矩为0，然后摘旧档和挂新档。本发明可以缩短换档过程时间、延长离合器的使用寿命、改善换档过程品质并提高车辆的加速性，由于换档过程中不分离离合器，换挡控制逻辑得到了简化。
文档编号B60K6/00GK1593976SQ20041000922
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月18日 优先权日2004年6月18日
发明者廖承林, 张俊智 申请人:清华大学