緒論1.1課題研究的意義隨著溫室效應和大氣污染的不斷加重，節(jié)約化石燃料、降低廢棄排放污染成為了一個全球性的課題。為響應國家提出的節(jié)能減排時代需求，順應汽車的普及趨勢，惠及大眾及社會發(fā)展，研發(fā)和推廣新能源汽車，具有十分重要而且深遠的意義，而且，近年來政府也一直提供強有力的政策鼓勵和支持。據(jù)工信部最新的“節(jié)能與新能源汽車規(guī)劃，2020年乘用車新車平均油耗目標為5.0L/100km、2025年降低到4.0L/100km、2030降低到3.2L/100km，為此各汽車廠商紛紛投入巨資向新能源汽車轉(zhuǎn)型[1]。目前，新能源汽車在全球主要有以下三種方向去發(fā)展：純電動驅(qū)動式汽車、氫能源等方式的燃料電池式汽車以及混合動力電動汽車。由于受電池技術(shù)、電池成本以及充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施條件缺少等綜合因素制約，就現(xiàn)在的狀況而言，純電動汽車、燃料電池汽車目前全面商業(yè)的發(fā)展空間受到比較大的限制。因而，發(fā)展混合動力汽車既是時代和社會所要求，也是未來的發(fā)展方向?；旌蟿恿ζ囈话銥橛碗娀旌蟿恿ζ?，提供燃油發(fā)動機及電機兩種動力設(shè)備，不僅使車輛的動力性能和續(xù)駛里程上與傳統(tǒng)燃油車接近，同時車輛油耗也大幅度得到下降，尾氣排放所造成的污染也得到了緩解，在當前基礎(chǔ)設(shè)施下，是更具有可行性和產(chǎn)業(yè)化的新能源汽車解決方案，在國外，其大規(guī)模生產(chǎn)并形成產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)得到了驗證[2]。1.2自動變速器在混合動力汽車上的應用隨著技術(shù)的進步，自動變速箱正成為變速箱領(lǐng)域的主角，對整車性能發(fā)揮著越來越重要的作用，搭載在混合動力汽車上的自動變速箱類型包括：由液力變扭器和行星齒輪變速器組合而成的液力自動變速器（AT）、能無級傳動實現(xiàn)發(fā)動機處于更好工作狀態(tài)的機械式無級變速器（CVT）、兩根動力輸出軸控制的雙離合自動變速器（DCT）和由兩個配合實現(xiàn)無級傳動的電控無級式自動（ECVT）四類，配置不同種類變速器的車型在使用中的動力傳遞性能有所不同。1.1.1液力自動變速箱（AT）AT變速器經(jīng)歷了較長的發(fā)展時間，在很多車輛上得到了應用，解決了駕駛員在使用傳統(tǒng)變速器過程中頻繁踩踏離合器和掛擋的問題，大大提高了駕駛舒適性。隨著制造技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，AT變速器有越來越多的檔位，從原來的4AT到現(xiàn)在的6AT，8AT甚至10AT，極大地提高了當前AT變速器的換檔平穩(wěn)性和燃油經(jīng)濟性。目前AT在混合動力汽車上最具代表性的為搭載在日產(chǎn)單電機雙離合混合動力系統(tǒng)并聯(lián)式汽車上的7速AT。與同為并聯(lián)的本田IMA相比，日產(chǎn)這套系統(tǒng)的發(fā)動機與電機之間加了一個離合器，在純電動/制動回饋時可以控制離合器分離以避免倒拖發(fā)動機，效率更高。但這個離合器帶來了離合器分離/結(jié)合時的抖動問題、頻繁StartStop時的離合器過熱問題、離合器分離/結(jié)合時的動力輸出延遲問題等。其工作模式、特點及動力系統(tǒng)如同日產(chǎn)單電機雙離合混合動力系統(tǒng)1.1.2無級變速器（CVT）CVT可以連續(xù)改變輸出軸與輸入軸的傳動比，并且CVT的內(nèi)部沒有傳統(tǒng)手動變速器的齒輪傳動機構(gòu)，相反，它有V形傳動帶和主、從動輪，通過改變工作直徑實現(xiàn)傳動比的變更。發(fā)動機的輸出動力首先傳遞到主動輪，然后通過V形帶傳遞到從動輪，最后通過減速機和差速器傳遞到車輪。CVT具有明顯的優(yōu)點：能實現(xiàn)無級變速，使發(fā)動機處于最佳工作范圍工作；結(jié)構(gòu)簡單，制造和加工難度較??；體積較小，便于裝配。目前CVT在混合動力汽車應用較具代表性的為搭載在本田IMA混合動力系統(tǒng)并聯(lián)式的CVT。優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，成本低。缺點是發(fā)動機直接連接到電動機，并且當施加純電動/制動反饋時電動機將拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，效率低（即使采用汽缸停止技術(shù)）。本田IMA系統(tǒng)工作模式、特點及動力系統(tǒng)1.1.3雙離合自動變速器（DCT）DCT又可稱為直接換檔變速器，其最大的特點是采用雙離合裝置，克服了傳統(tǒng)單離合變速器在換檔時必須通過踏離合器切斷動力，實現(xiàn)檔位變換的缺點，提高了駕駛平順性，加速性能也隨之提高。為了使動力在駕駛過程中不被切斷，DCT在手動變速器的基礎(chǔ)上，通過加入液壓和電控兩種方式，使兩個離合器交替工作。DCT具有傳動效率高，維修方便，結(jié)構(gòu)緊湊，動力傳遞平穩(wěn)，駕駛平順高等優(yōu)點，但其缺點也較為明顯，由于有兩個通過液壓和電控控制的離合器，因而控制難度較大，生成成本較高，同時，其檔位也只能按順序換擋，對于對速度要求較高的人群來說，其相應較慢，同時，低速時平順性也不太好。DCT在混動動力汽車上應用較具代表性的為大眾帕薩特GTE插電混動車型動力總成。其優(yōu)點為1.發(fā)動機和電機都通過機械式進行傳動，傳動效率高2.電機的動態(tài)范圍小，有利于優(yōu)化電機效率3.變速箱技術(shù)成熟4.電機成本低。其缺點為體積較大，空間布置較困難，同時維修難度大，平順性一般。1.1.4電控無級式自動變速箱（E-CVT）電控無級式自動變速箱，是豐田自主研發(fā)的一套動力分配系統(tǒng)，由于其也能實現(xiàn)無級傳動，同時動力性和節(jié)油性與傳統(tǒng)無級變速器相近而得名。但是E-CVT并不是傳統(tǒng)的無級變速箱（它沒有鋼帶和主從動輪），具有與無級變速箱完全不一樣的工作原理。其變速主要由兩個電機和一套行星齒輪組的連續(xù)電控調(diào)速來實現(xiàn)變速，系統(tǒng)有一個電機（1號電機）主要用于調(diào)速，另一個電機（2號電機）主要作為驅(qū)動電機，這兩個電機均可以作為發(fā)電機和電動機，然后通過這套行星齒輪與發(fā)動機相連進行變速。豐田普銳斯系統(tǒng)工作模式、特點及動力系統(tǒng)1.3國內(nèi)研究方向現(xiàn)狀混合動力汽車上的CVT換擋策略跟燃油汽車的換擋策略不同，影響換擋策略的因素更多，CVT換擋策略的制定既要考慮發(fā)動機的最優(yōu)工作點或電機的最佳工作區(qū)間，還要考慮變速箱、儲能設(shè)備等關(guān)鍵零部件的效率，使動力系統(tǒng)的綜合效率最高。海內(nèi)外的專業(yè)人士針對混合動力汽車上CVT的換擋過程及其控制方法進行了以下研究工作：文獻[3]在傳統(tǒng)的“兩參數(shù)換檔規(guī)律”的基礎(chǔ)上，引入反映作業(yè)狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的參數(shù)，把模糊控制技術(shù)應用到履帶推土機自動換擋規(guī)律中。文獻[4]更多還原結(jié)合工程車輛液力傳動系統(tǒng)效率低的問題，從節(jié)能的角度提出一種工程車輛模糊自動控制換擋策略，并利用PLC、HMI及相關(guān)的傳感器組成了模糊控制器。文獻[5]提出了CVT換擋過程在PHEV各個模式下的確定方法，對于純電動和發(fā)動機驅(qū)動，采用等功率曲線上的最佳經(jīng)濟性工況。以最佳效率動力源系統(tǒng)為目標，確定混合驅(qū)動和行車驅(qū)動兩種模式下CVT的換擋策略。文獻[6]根據(jù)各種路況下，混合動力汽車CVT的動力源工作特性制定了三種CVT換擋策略。發(fā)動機為主、電機為輔模式以發(fā)動機的最佳燃油經(jīng)濟性為目標；純電動模式以電能消耗量最少為目標；制動能量回收模式以電能回收量最優(yōu)為目標，三種換擋策略能實現(xiàn)了動力源在“最優(yōu)曲線”上工作的目標。湖南大學的一個課題組研究了混合動力汽車上CVT的換擋規(guī)律[29]，提出了由電機提供后備動力，以發(fā)動機最佳經(jīng)濟性為目標進行匹配的方法。文獻[7]建立了混合動力汽車上基于電池，電機等動力系統(tǒng)的系統(tǒng)綜合效率模型，獲得了制動系統(tǒng)工作的最優(yōu)曲線，并根據(jù)該系統(tǒng)的最優(yōu)曲線確定了CVT的換擋策略。秦大同重慶大學團隊[8]針對搭載了CVT的輕度混合動力電動汽車，應用序列二次規(guī)劃算法對系統(tǒng)效率模型進行優(yōu)化，確定了在不同駕駛模式下的最佳CVT換擋策略。文獻[9]提出的能量管理策略，基于邏輯門限方法，以動力系統(tǒng)整體效率最優(yōu)為原則，使中混動力系統(tǒng)不同模式的最佳工作曲線，確定了合理的CVT換擋策略。1.4本文研究內(nèi)容為響應國家節(jié)能減排的號召，實現(xiàn)汽車油耗的降低，市場上對于新能源汽車具有很大的需求，但是國內(nèi)對于新能源汽車的技術(shù)積累還不足，在混動動力汽車三種構(gòu)型中，P2構(gòu)型通過在發(fā)動機和自動變速器中間，加上了一個ISG電機及動力耦合裝置，故具有工藝繼承性好，初始少，項目建設(shè)周期短的優(yōu)點，因而本文將重點介紹：混合動力汽車上常用的布置類型及其結(jié)構(gòu)，同時確定最佳的布置結(jié)構(gòu)以及CVT混合動力汽車的優(yōu)勢?；旌蟿恿VT換擋規(guī)律及控制研究，根據(jù)發(fā)動機、電機和CVT綜合效率，考慮駕駛意圖、行駛工況和環(huán)境參數(shù)，確定CVT混合動力的換擋規(guī)律。通過設(shè)計相關(guān)的試驗，對換擋規(guī)律前后的換擋品質(zhì)進行評價，探究在這個過程中整車動力性的變化情況。

2混合動力汽車布置類型及結(jié)構(gòu)2.1混合動力汽車基本構(gòu)型2.1.1串聯(lián)混合動力構(gòu)型串聯(lián)混合動力，顧名思義，就是內(nèi)燃機和電動機串聯(lián)工作的。它的能量流如下：油箱=>內(nèi)燃機=>發(fā)電機=>電池=>電機=>驅(qū)動軸實質(zhì)上，串聯(lián)混動就是火車上用的電傳動機構(gòu)，再加一個電池作為峰值能量機構(gòu)，從而電動機-驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速可以跟內(nèi)燃機-發(fā)電機的轉(zhuǎn)速完全解耦，沒有機械變速箱就解決了調(diào)速問題，同時內(nèi)燃機的功率輸出也與發(fā)電機解耦，內(nèi)燃機可以一直運行在最優(yōu)狀態(tài)下，從而提高燃油經(jīng)濟性。因此，串聯(lián)也可以認為是內(nèi)燃機與電動機沒有機械連接，而通過電連接的動力聯(lián)合形式。它的工作模式有以下幾種：（1）內(nèi)燃機帶動發(fā)電機工作，同時電機驅(qū)動車輛前進。如果車輛行駛所需要的實際功率小于發(fā)動機實際的工作功率，則電池處于充電狀態(tài)；否則表現(xiàn)為放電，電量逐漸下降；（2）發(fā)動機處于休眠狀態(tài)，車輛行駛所需要的功率由電機提供。往往出現(xiàn)在城市低速同時電量較充足的情況下；（3）內(nèi)燃機不工作，車輛下坡或減速，電機給電池充電。在幾種混動構(gòu)型中，串聯(lián)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)最為簡單，控制策略的優(yōu)化也相對簡單，甚至比傳統(tǒng)汽車更容易。整個內(nèi)燃機-發(fā)電機模塊與驅(qū)動軸沒有任何機械連接，只通過線束進行連接，而線束的布置空間較大，因此串聯(lián)混動的內(nèi)燃機布置較為方便。串聯(lián)模式有明顯的缺點：（1）在各種混動構(gòu)型中，只有串聯(lián)混動中內(nèi)燃機無法直接驅(qū)動車輪，而一定要經(jīng)過發(fā)電機和電動機的兩次損耗。在有些情況下，內(nèi)燃機直接驅(qū)動車輪的效率更高。（2）因為電動機需要能夠在所有情況下獨自驅(qū)動車輛，因此一定需要較大功率的電機。此外還需要一個較小功率的發(fā)電機，成本較高。串聯(lián)混合動力構(gòu)型代表車型：寶馬i3，奧迪A1e-tron等系統(tǒng)。2.1.2并聯(lián)混合動力構(gòu)型并聯(lián)混合動力系統(tǒng)是發(fā)動機與電機通過并聯(lián)的方式來驅(qū)動車輛，它的能量流如下：油箱=>內(nèi)燃機=>驅(qū)動軸電池=>電機而根據(jù)驅(qū)動電機和離合器在混合動力系統(tǒng)中的位置，可分為：P0，P1，P2，P3，P4五種。如下圖所示：其主要差異如下表所示：類型區(qū)別P0電機在發(fā)動機的前面，BSG電機由皮帶驅(qū)動。P1電機在k0離合器和發(fā)動機之間，且在曲軸上。P2電機介于K0離合器和變速箱之間。P3電機在變速箱輸出端P4電機在變速箱之后，與發(fā)動機輸出軸沒有存在機械結(jié)構(gòu)相比串聯(lián)混動，并聯(lián)構(gòu)型只需要一個電機，通過電機和發(fā)動機共同驅(qū)動車輛，因此電機的極限功率不需要太大，因此可以選用成本較低的低功率電機。同時，并聯(lián)驅(qū)動也使整車動力源的總功率更大，使的整車動力性更強。但并聯(lián)混動也有一個突出的缺點——它是所有混動構(gòu)型中唯一仍然需要變速箱的。汽車變速箱又大又沉又貴，而且還會損失機械效率。即使是電機單獨驅(qū)動車輛的模式下，也仍然要經(jīng)過變速箱，因而效率較低。并聯(lián)混動代表車型：通用e-Assist，本田IMA混動，比亞迪秦，現(xiàn)代混動大部分48V混動系統(tǒng)等。2.1.3混聯(lián)混合動力構(gòu)型混聯(lián)混合動力即是融合了串聯(lián)和并聯(lián)兩者優(yōu)點的構(gòu)型，其可以在串聯(lián)和并聯(lián)模式間切換，但結(jié)構(gòu)較為復雜，成本較高。典型的混聯(lián)混動汽車像串聯(lián)混動一樣可以不需要變速箱，增加了傳動效率，節(jié)省了重量；但同時又能夠讓發(fā)動機和電動機同時驅(qū)動車輛，實現(xiàn)了車輛較高的動力輸出水平。但因為驅(qū)動模式比較復雜，混聯(lián)結(jié)構(gòu)對車企優(yōu)化控制策略的水平要求也較高。不僅如此，無變速箱的混聯(lián)混動的電動機往往需要有較高的轉(zhuǎn)速和較大的功率，成本也并不低。因為對離合器也有較高的要求，內(nèi)燃機的工作區(qū)間也比串聯(lián)更廣泛，因此常常比串聯(lián)式混合動力還要更貴一些。典型串并聯(lián)混動車型：比亞迪F3DM，本田i-MMD（用于新一代的雅閣混動）2.2已上市混合動力汽車及構(gòu)型已上市的混合動力汽車按構(gòu)型主要可以分為功率分流性、單電機并聯(lián)型和雙電機串并聯(lián)型?；靹悠嚪N類繁多，他們各自在目前市面上都有代表車型，功率分流型的典型車型為日本豐田的Prius和通用的Volt，所謂功率分流，就是對雙電機通過裝置來實現(xiàn)動力的耦合，雖然此構(gòu)型能使發(fā)動機的啟動更加平順，但是也帶來了結(jié)構(gòu)和控制復雜，成本高的問題。單電機并聯(lián)的構(gòu)型，目前市面比較多見的為本田思域和比亞迪秦，其最大的問題是發(fā)動機啟動性不易控制器舒適型和空間布置問題，但顯而易見的是成本較低和動力性較好。雙電機串并聯(lián)的方便，雖然控制較為簡單，發(fā)動機的啟停問題得到改善，但是由于需要離合器進行動力耦合，且應用了雙電機，因而電機的需要功率較大，成本也較高，電機轉(zhuǎn)速受限于車速，市面上的典型車型為本田雅閣。2.2.1混合動力汽車應用CVT的優(yōu)勢從上面分析可知，目前混動汽車上主流應用為CVT、DCT和AT。盡管DCT和AT分別向多擋化發(fā)展之后有著各自的優(yōu)勢，但CVT無級傳動的特點，使整車具有更好的平順性和燃油經(jīng)濟性。伴隨著CVT技術(shù)的發(fā)展，不僅在普通汽車上表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，也在新能源汽車上得到了廣泛的認可，特別是在混合動力汽車上更表現(xiàn)出了卓越的性能：1)由于發(fā)動機等功率曲線上最優(yōu)工作點只有一個，而發(fā)動機在多種工況下的需求功率缺少多樣的，因而發(fā)動機即使是在該功率下最優(yōu)但也不少發(fā)動機全工況最優(yōu)的點，CVT配合電機，可以讓發(fā)動機在各功率需求上都最為靠近最優(yōu)的點。2)可最大程度回收制動能量，可以使電機工作在最佳的充電區(qū)域，通常認為這是混合動力系統(tǒng)較傳統(tǒng)汽車在改進燃油經(jīng)濟性方面的主要貢獻[10]。3)CVT尺寸較小，容易集成和布置。CVT在效率、能量利用、尺寸等方面的優(yōu)勢，是混合動力汽車，既能較好實現(xiàn)傳統(tǒng)汽車的性能需求，又能實現(xiàn)混合動力汽車節(jié)能減排的優(yōu)勢，因而CVT將是混合動力方案更好的選擇。2.2.2P2和P3對比分析并聯(lián)混動構(gòu)型有五種，但目前主流應用方案為P2和P3，因而下面對這兩種構(gòu)型進行分析。P2構(gòu)型P3構(gòu)型P2構(gòu)型，在低速時，由于電機位于變速器之前，輸出到車輪的轉(zhuǎn)矩較大，因而通?？梢赃x用功率相對小的電機。P3構(gòu)型，電機位于變速箱之后，當車輛起步時，需要電機提供較大的轉(zhuǎn)矩。而在低速時，通常不可能用電機啟動發(fā)動機，需配置BSG來快速啟停發(fā)動機。會使動力系統(tǒng)的整體成本提升。采用了P2構(gòu)型的混動汽車，CVT能使發(fā)動機和電機在其功率特性曲線最佳處工作，而P3構(gòu)型無法優(yōu)化電機工作點。因而選用P2構(gòu)型為研究對象。2.2.3混合動力CVT的布置方式如圖為CVT并聯(lián)P2構(gòu)型的典型布置方案。由于電機可以零速起步，因而將液力變矩器的位置改為布置ISG電機和雙質(zhì)量飛輪，并將濕式多片離合器布置在ISG轉(zhuǎn)子內(nèi)部，液壓控制系統(tǒng)同時控制離合器和CVT。同時加入電動油泵，用來滿足低速時機械油泵無法調(diào)節(jié)CVT的缺陷。但當該方案應用于電機功率需求較大的汽車上時，相應的電機尺寸要增大，會給整車布置帶來較大的麻煩。應該通過引進P0+P2的方案，在發(fā)動機前端加入BSG電機，同事，雖然加入了BSG電機，但其作用代替了原車的起動機等，因而性價比很高。BSG電機的主要功能為控制發(fā)動機的啟動和轉(zhuǎn)速，減少發(fā)動機的震動，并實現(xiàn)對高壓電池的充電。最終，通過改進混合動力系統(tǒng)CVT方案，使整套動力系統(tǒng)可以較為方便地實現(xiàn)模式切換，使整車具有更好行駛平順性。改進后的布置方案：2.3本章小結(jié)首先通過分析了混合動力汽車的基本構(gòu)型，通過對比分析了串、并、混三種構(gòu)型聯(lián)接方式，選擇了需要搭載自動變速箱的并聯(lián)混合動力構(gòu)型進行分析，接著對并聯(lián)構(gòu)型中應用最多的P2和P3兩種構(gòu)型進行對比分析，確定P2構(gòu)型為本文的研究對象。因為電機功率的需求和軸向空間限制，并為了減小控制難度，通過將皮帶和發(fā)動機前端相連，增加了BSG電機，改善P2構(gòu)型為P2+P0構(gòu)型，提高了整套動力系統(tǒng)的通用型，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時由于動力傳遞路徑較短，提高了效率。3混動CVT換擋過程及控制方法對于CVT而言，由于其為無級變速箱，因而其他換擋過程并不像傳統(tǒng)的自動變速箱，換擋過程是通過液壓控制傳動比而實現(xiàn)檔位的變化。所以，混合動力汽車上CVT的換擋過程，其實就是研究CVT的傳動比變化規(guī)律。CVT的傳動比變化對于搭載著自動變速器的燃油汽車或者混合動力汽車的能耗、尾氣排放及整車的動力性有著極大的影響。發(fā)動機作為燃油汽車的唯一動能來源，為了使其工作在等功率曲線上的最優(yōu)點，往往需要通過優(yōu)化自動變速箱的換擋規(guī)律，從而改善車輛整體的動力性、燃油經(jīng)濟性以及乘坐舒適性。混合動力汽車由于工作模式多樣，實現(xiàn)難度更大，結(jié)構(gòu)也更加復雜，因而其換擋策略比燃油汽車換擋策略更加多變，發(fā)動機的工作特性以及最優(yōu)工作點、電機的工作特性以及電池的充放電規(guī)律及荷電狀態(tài)和自動變速箱的效率都影響著混動汽車上自動變速箱換擋策略的制定[11]?；旌蟿恿ζ囎铌P(guān)注點即為保證車輛整體動力性的同時，實現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟性。但動力性與燃油經(jīng)濟性是一對矛盾體，在研究混合動力CVT的換擋策略時，需要根據(jù)駕駛工況、行駛意圖、環(huán)境變化等因素對換擋策略進行修正，從而達到車輛整體動力性和最佳燃油經(jīng)濟性的有機統(tǒng)一[12]。3.1CVT變速機理分析常見的CVT傳動方式有金屬帶式和鏈傳動方式，本文研究對象為金屬帶式。當動力系統(tǒng)將轉(zhuǎn)矩傳遞到CVT主動輪上時，電控液壓系統(tǒng)通過控制主、從動輪的液壓，對主、從動輪施加軸向加緊力，使帶輪和金屬帶之間產(chǎn)生摩擦力，在摩擦力的作用下是金屬片運動，通過調(diào)節(jié)金屬帶在主、從動輪上的節(jié)圓半徑，實現(xiàn)CVT的傳動比變化[13]。通過CVT的控制系統(tǒng)，第一為防止鋼帶打滑，保證鋼帶的夾緊力與發(fā)動機的扭矩匹配。第二為駕駛時控制離合器。第三為行車提供最大傳動比。第四為變速箱提供必要的散熱和冷卻需求。設(shè)CVT在任一時刻的速比i為：式中，np為主動輪的轉(zhuǎn)速，r/min，ns為從動輪的轉(zhuǎn)速，r/min。當金屬帶受到從動輪施加的軸向夾緊力時，金屬帶有向外移動的趨勢。由于金屬帶的總長度確定，金屬帶會產(chǎn)生內(nèi)部張緊力。為了保證金屬帶在節(jié)圓線穩(wěn)定，防止金屬帶在主動帶輪端產(chǎn)生向內(nèi)移動的趨勢，應在主動帶輪端施加響應的力，從而實現(xiàn)夾緊力平衡。因此，在傳動比一定的條件下，主、從動帶輪端的夾緊力存在一定的函數(shù)關(guān)系[14]。經(jīng)測試，傳動比變化動態(tài)模型滿足以下公式：其中，di/dt為傳動比變化率；Ki為傳動比變化系數(shù)，通過傳動比標定取得；np為主動輪轉(zhuǎn)速；k0為穩(wěn)態(tài)工況下主從動輪夾緊力的比值，它與速比和安全系數(shù)相關(guān)；FP、FS分別為實際作用在主、從動輪上的夾緊力。[15]3.2混合動力CVT傳動比控制原理當汽車車速和負荷一定時，發(fā)動機工作點受變速箱傳動比的影響。由于有級式變速箱只有幾個檔位，發(fā)動機的工作點也受到限制，而CVT作為無級變速器，其傳動比理論上有無限個，且連續(xù)可調(diào)，使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)不受限制，發(fā)動機較易處于最優(yōu)工作區(qū)間。因而發(fā)動機的效率受到CVT速比范圍和發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍的影響。假設(shè)發(fā)動機在任一工況都能處于等功率曲線的最優(yōu)燃油效率上，則可實現(xiàn)車輛的節(jié)油性能發(fā)揮得更好。相對應的，如果能使發(fā)動機在每個節(jié)氣門開度下都能輸出最大功率，混合動力汽車的加速性能能得到有效的保證。此時，可設(shè)置CVT傳動比包含兩種模式，分別為燃油經(jīng)濟模式和最佳動力模式。目標傳動比通常根據(jù)發(fā)動機在等功率曲線上的最優(yōu)點來制動的，通過節(jié)氣門開度和車速確定的二維數(shù)表查表得到目標發(fā)動機轉(zhuǎn)速除以當前從動輪轉(zhuǎn)速即可得到目標傳動比[16]。駕駛模式不同，二維數(shù)表不同?；旌蟿恿ζ嚰纫紤]發(fā)動機的最優(yōu)工作點，也要考慮電機的工作點，同時還要考慮電池組的效率和CVT的效率。采用P2+P0構(gòu)型的混動汽車，具有多種工作模式，包括純電動驅(qū)動、串并聯(lián)驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動和制動能量回收等模式，這意味著作為體現(xiàn)燃油車最佳工作點的節(jié)氣門開度不適合作為混合動力源汽車的指標了。因而，混合動力CVT傳動比控制采用頂層換擋規(guī)律配合底層傳動比控制器完成。頂層換擋規(guī)律根據(jù)駕駛意圖、環(huán)境參數(shù)、部件效率、車輛行駛工況四部分得到目標傳動比，進而控制整車為最佳經(jīng)濟性模式還是最佳動力模式；傳動比控制器此采用控制算法來實現(xiàn)對目標傳動比與實際傳動比的對比跟蹤。[17]下圖為所采用的混合動力CVT傳動比控制結(jié)構(gòu)3.3混動CVT換擋過程基本控制策略混動汽車發(fā)動機和電機的工作點由CVT的換擋過程所決定，因而CVT的換擋過程將影響到整車的節(jié)油性能和加速性能。CVT傳動比控制的目標是是車輛輸出功率與行駛阻力之間能實現(xiàn)動態(tài)的最佳匹配，實現(xiàn)整車的動力性最佳或者燃油經(jīng)濟性最好。研究CVT的換擋過程即是確定CVT的目標傳動比，在CVT允許的傳動比范圍內(nèi)，CVT傳動比定義為主、從動輪轉(zhuǎn)速之比。對本文所研究的單軸并聯(lián)方案，CVT主動輪的轉(zhuǎn)速等同于電機轉(zhuǎn)速，當離合器的摩擦片完全接合時，主動輪轉(zhuǎn)速也與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同。故確定發(fā)動機和電機的目標轉(zhuǎn)速即可確定CVT的目標傳動比了。本文根據(jù)基于等效燃油消耗最小策略，根據(jù)已有發(fā)動機、電機分配組合和CVT傳動范圍中，找到滿足等效能量消耗量最小的發(fā)動機、電機轉(zhuǎn)矩分配及CVT傳動比。本文的研究對象為非插電式混合動力汽車，電池不從電網(wǎng)中充電，電池的能量來源主要為發(fā)動機所提供的機械能和制動能量回收過程中將機械能轉(zhuǎn)化為化學能，為了保證電池在車輛每次啟動過程都有足夠的電能去啟動發(fā)動機，因而在進行能量管理策略的制定過程中，必須保證電池的電壓始終處于安全范圍內(nèi)。即在保證系統(tǒng)燃油消耗量最小，同事保持電池組SOC指在整個過程中平衡。設(shè)系統(tǒng)等效能量消耗總和為EH在考慮發(fā)動機、電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩限制、CVT速比范圍、電池組SOC值、充放電電流限制等前提下，對每一組不同轉(zhuǎn)速下的總需求轉(zhuǎn)矩，計算出各可行轉(zhuǎn)矩分配組合的等效能量消耗總和，然后找出使等效能量消耗總和最小的主動輪轉(zhuǎn)速、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩，可得到混合動力CVT的目標速比ik1cvt[17]由以上分析得，混合動力汽車的換擋策略應綜合考慮發(fā)動機的效率、電機的效率和CVT的效率，此時可最大程度改善車輛的燃油經(jīng)濟性。3.4CVT混合動力換擋過程研究與優(yōu)化由于CVT混動的控制策略主要受駕駛意圖、行駛工況等影響。駕駛意圖主要表現(xiàn)為加速踏板開度的變化率，根據(jù)加速踏板開度的變化率將駕駛意圖分為一般加速與緊急加速，當駕駛意圖為非緊急加速時，按照3.3混動CVT換擋過程基本控制策略進行控制；而當駕駛意圖為緊急加速時，同時提供良好的駕駛體驗，模擬有級變速器進行換擋控制與優(yōu)化。行駛工況研究與優(yōu)化則考慮在實際工況中所遇到的坡道和彎道工況，以及車輛進入的Fast-Off工況（即快速松開加速踏板開度工況，此工況下，換擋控制不當會是再次加速時動力性下降）。3.4.1緊急加速換擋過程CVT由于其傳動比連續(xù)可變，因而有良好的平順性與舒適型，也易于實現(xiàn)整車能耗的減少。但對于習慣了有級變速箱的人來說，缺少了有級變速箱的推背感。為改善CVT的駕駛體驗，對于緊急加速換擋過程，采用一種與駕駛意圖相匹配的動態(tài)換擋控制辦法，通過設(shè)計固定的傳動比來模擬有級變速箱的換擋過程，從而實現(xiàn)CVT的“有級”變化，實現(xiàn)類似AT的升檔提速的駕駛體驗，從而實現(xiàn)駕駛員對于駕駛體驗的要求。如圖為CVT傳動換擋和動態(tài)換擋控制之間的比較，由圖可知，CVT動態(tài)換擋相對于CVT傳統(tǒng)換擋，具備有AT速比多變，加速變化明顯的特點，能讓駕駛員更好地感受到車速的變化，同時也提高了駕駛體驗。而對與CVT傳統(tǒng)換擋模式，其發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化平滑，使駕駛更加平滑順暢。上圖為CVT動態(tài)換擋與AT換擋的比較，從圖可得，CVT動態(tài)換擋具有以下優(yōu)點：加速時，沒有明顯的沖擊感；加速是有明顯的加速推背感，符合駕駛員的預期；車輛有持續(xù)的加速感同時沒有打滑或者轉(zhuǎn)矩損失的感覺。綜上可知，使用動態(tài)換擋控制，在一定程度上實現(xiàn)了操縱性能與駕駛性能的有機統(tǒng)一。如圖為CVT動態(tài)換擋控制的原理圖。3.4.2基于上下坡工況的換擋過程研究優(yōu)化當系統(tǒng)檢測到車輛路況為上坡時，系統(tǒng)會將換擋范圍設(shè)置為低檔狀態(tài)，從而車輛快速通過上坡路況，而不會導致發(fā)動機熄火。當加速踏板開度減小（一定程度）時，如果檢測到車輛正在通過下坡路況，系統(tǒng)會自動換低檔以提高車輛的制動力，同時進行啟動制動能量回收系統(tǒng)，既提高車輛的安全性，又有效地節(jié)約了能量。本文將坡道工況分為上緩坡、上陡坡和下坡三種工況。由于成本限制，很多汽車都沒有安裝檢測坡度的縱向加速度傳感器。此時可以通過汽車在靜止時或駐車時，通過加速度傳感器可以算得重力加速度沿坡道方向的分量，從而算得坡度值。但是車輛在實際路況中，由于路面的情況具有很大的差異性，附著力和上跳下跳行程多變，導致加速度信號含有大量噪聲，因此此方法并不適用與動態(tài)行駛過程。車輛在動態(tài)行駛的過程中，由行駛方程式可知，汽車驅(qū)動力等于所有阻力之和。在相同驅(qū)動力和傳動比下，車輛在坡道上受到的阻力比在水平路面上大，從而加速度比平路上小。因此可定義坡度Slope為實際加速度a與理想加速度a之差，上坡為負值，下坡為正值。Slopea-a實際加速度：a=dv/dt理想加速度:a=F/mF為汽車驅(qū)動力F=FtFrFt為牽引力Ft=TvvFr為阻力F=Av2+Bv+CTv為車輪輸出轉(zhuǎn)矩Tv=Tpmicvtigcvt/r綜合上面公式，可得到坡度Slope由于采集到的信息噪聲較多，因而需要進行濾波處理，在得到坡度信號后，結(jié)合車速、加速踏板開度和制動等信號即可進入坡道模式。下圖為坡道模式。根據(jù)響應條件，坡道模式有四種，分別為：平路模式，下坡模式，上緩坡模式和上陡坡模式。QUOTEαSlope=dvdt-(Tpm*icvt*i3.4.3彎道工況的換檔過程研究與優(yōu)化當轉(zhuǎn)彎工況時，CVT換檔策略既要滿足駕駛員對操縱穩(wěn)定性的要求，又要實現(xiàn)最佳燃油性與動力性的有機結(jié)合。如上圖所示，最合理的駕駛工況為：在第一個直道末端減速，在第一個彎心處略帶有油門，再松開油門通過第二個彎心，最后加速駛?cè)氲诙€直道。有級變速箱一般會經(jīng)歷先降檔、升檔、在降檔的過程，而通過彎道模式優(yōu)化，將實現(xiàn)根據(jù)制動踏板開度、加速踏板開度和方向盤轉(zhuǎn)角控制傳動比，保證車身的行駛姿態(tài)，保證過彎動作平順快速。3.4.4基于Fast-off工況換擋過程研究及優(yōu)化Fast-off即是快速松開加速踏板開度工況，在這種工況下，傳動自動變速箱會先將傳動比從大往小的方向變化，導致車輛的驅(qū)動力下降，當駕駛員再次踩下驅(qū)動踏板時，會明顯感覺到動力損失，為了減少加速時的頓挫感，使加速感覺更具連續(xù)性，此時會進入傳動比保持模式，利用CVT來維持當前的傳動比。根據(jù)Fast-off模式下，輸入轉(zhuǎn)速和車速較高的特性，可通過設(shè)置這兩個值的下限值來保證驅(qū)動系統(tǒng)的動力要求，根據(jù)上一節(jié)可知道，駕駛員的實際操縱意圖可以通過踏板變化情況進行判斷，根據(jù)此思路可得到具體的識別流程圖：Fast-Off工況識別流程3.5混動汽車CVT傳動比的控制辦法CVT的傳動比控制原理，通常夾緊力的控制通過從動缸的油壓來保證足夠的轉(zhuǎn)矩，而主動缸油壓則是通過改變主、從動輪夾緊力的平衡關(guān)系來實現(xiàn)傳動比的調(diào)節(jié)。傳動比變化過程，本質(zhì)就是實現(xiàn)一個油壓平衡，一邊帶輪快速排油，一邊帶輪快速充油，因此CVT液壓系統(tǒng)要實現(xiàn)速比變化的快速響應，就必須提供足夠的壓力和液體流量。[18]通過轉(zhuǎn)矩的計算、傳動比的變化、目標和實際轉(zhuǎn)速、液壓流量等多個參數(shù)的綜合影響，制定了混動汽車CVT傳動比變化控制流程。如下圖所示?；靹悠嘋VT傳動比變化控制流程因為CVT傳動比控制具有非線性、時滯和動態(tài)變化等特點，通過matlab中simulink模塊，通過模糊自適應PID來實現(xiàn)傳動比的控制，如下圖所示。將CVT目標傳動比和當前實際傳動比的誤差及其變化率作為輸入，通過PID控制器輸出目標壓力控制量，然后根據(jù)電磁閥電流壓力特性輸出電磁閥電流，電流作用在速比控制閥上，以控制閥的開啟和關(guān)閉時間，從而控制進入或流出油缸上的流量，調(diào)節(jié)施加在帶輪上的夾緊力，實現(xiàn)帶輪的軸向移動，從而完成速比的改變[19]。模糊自適應PID控制系統(tǒng)具有強魯棒性和高可靠性，又兼?zhèn)淞四：刂茖ο到y(tǒng)參數(shù)變化不敏感的優(yōu)點。綜合考慮了傳動比變化快、抽油油泵和系統(tǒng)對流量的需求，在變速機有足夠快速穩(wěn)定的目標傳動比的前提下，確保了CVT有足夠的夾緊力。3.6本章小結(jié)本章通過分析CVT的變速機理，進而闡述了混合動車汽車上CVT傳動比控制的原理，選擇了P2+P0構(gòu)型，在此基礎(chǔ)上，提出了基于最佳燃油經(jīng)濟性和最佳動力性等的動力總成多模式效率最優(yōu)的換擋規(guī)律基本控制策略，綜合考慮了駕駛意圖、行駛工況等參數(shù)對于混動CVT換檔策略的影響，并根據(jù)緊急加速、上下坡、彎道、Fast-off等工況對混動CVT換擋策略進行研究與優(yōu)化。最后根據(jù)CVT傳動輪的控制原理，應用模糊自適應PID策略，在matlab/simulink中搭建模型，實現(xiàn)對CVT傳動比的控制。4CVT混動汽車模式切換下?lián)Q擋研究由于所研究的混動汽車存在兩套動力系統(tǒng)，因而在車輛駕駛過程中，必然存在動力的切換過程。為使車輛能根據(jù)駕駛員的駕駛意圖迅速響應，模式切換過程應盡可能的短，而發(fā)動機和電機對于目標轉(zhuǎn)矩在不同的工況響應速度差異很大，因而需要利用電機轉(zhuǎn)矩響應的實時性和CVT傳動比變化連續(xù)的特點，導致發(fā)動機在啟動過程中轉(zhuǎn)矩變化響應滯后的缺點。同時，通過對CVT主從動輪實際工作半徑的調(diào)節(jié)，使發(fā)動機和離合器在切換的過程中，離合器主從動盤兩側(cè)的轉(zhuǎn)速差盡快接近，實現(xiàn)模式切換過程中動力的平穩(wěn)傳遞。由于本文研究的混動汽車具有多種工作模式，為防止模式切換過程中，發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩不因各動力源的響應特性差異和變速器、離合器的狀態(tài)改變而發(fā)生突變，對車輛的駕駛環(huán)境和安全性帶來不良影響，保障整車的平順性，電機和發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩輸出需要得到有效的控制。[20]利用CVT傳動比連續(xù)可變，不需要斷開動力輸出的特點，能使混合動力汽車上電機和發(fā)動機的實際工作區(qū)域得到最大程度的優(yōu)化。本章將分析在模式切換下CVT傳動比的控制以及模式切換中的控制策略，但由于混動汽車動力源的復雜性，本文將不對離合器和發(fā)動機在模式切換過沖中的具體工作情況進行研究。4.1模式切換下CVT傳動比控制本文所針對的CVT混合動力汽車，根據(jù)電池的電量、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、車速和行駛意圖等確定車輛處于哪種模型下，其模式包括：純電控驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動及為電池充電模式、并聯(lián)驅(qū)動、串聯(lián)驅(qū)動、制動能量回收、停車發(fā)電模式。在單軸并聯(lián)混動汽車中通常采用自動變速器來防止在變速箱換擋過程中，因離合器結(jié)合不當而導致的沖擊感，影響整車安全性和平順性。而此時若是采用有級變速箱，由于存在換擋點，則可能出現(xiàn)在換擋過程中出現(xiàn)，既需模式切換又需換擋的情況，使轉(zhuǎn)矩波動的風險加大，使控制難度大大增加。而采用CVT則可以使在換檔過程中既不出現(xiàn)動力中斷，又保障了整車的安全性和平順性。4.2模式切換的動力學模型在建立動力學模型時，將系統(tǒng)各部件視為剛體，并忽略傳動部件間的傳動效率，將離合器兩側(cè)的所有質(zhì)量等效到離合器，如下圖模式切換中動力學簡化模型車輛行駛過程中的阻力變速箱輸入端的等效阻力矩離合器從動測轉(zhuǎn)速電機側(cè)等效轉(zhuǎn)動慣量離合器滑磨過程中的動力學方程式當離合器鎖止時，ωp=ωs，有4.2.1模切切換的控制策略根據(jù)加速踏板開度和加速踏板開度變化率來制定模式切換控制過程中的控制策略。由P2+P0結(jié)構(gòu)可知，BSG電機可快速啟動發(fā)動機，neo為判斷發(fā)動機啟動完成的最低轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne同步電機轉(zhuǎn)速nm，待轉(zhuǎn)速差小于Δnh，進行離合器滑磨控制。當轉(zhuǎn)速差小于Δnl，離合器完全結(jié)合。為實現(xiàn)模式切換中的動態(tài)協(xié)調(diào)控制，必須進行電機轉(zhuǎn)矩補償和CVT傳動比控制，如發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Tcoo與駕駛員需求轉(zhuǎn)矩Treq之差小于?T，則完成模式切換。4.3本章小結(jié)本章針對混動汽車在駕駛過程中因模式切換出現(xiàn)的響應滯后，動力切斷導致的頓挫感，發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩不同而導致的轉(zhuǎn)矩變化響應不同等的問題，利用CVT傳動比連續(xù)可變，不需要斷開動力輸出的特點，能使混合動力汽車上電機和發(fā)動機的實際工作區(qū)域得到最大程度的優(yōu)化。同時分析了不同模式下，利用CVT換擋規(guī)律保證正常的安全性和平順性的特點。接著建立了模式切換過程中車輛動力學的簡化模型，并根據(jù)加速踏板開度和開度變化率，制定了模式切換過程中的控制策略。結(jié)論本文所做的工作主要體現(xiàn)在：首先，對自動變速箱現(xiàn)階段在混合動力汽車上的具體應用進行了分析，其中對混合汽車應用最多的四種自動變速箱形式進行了分析比較，對本田IMA系統(tǒng)、電控無級式自動變速箱所對應的豐田普銳斯系統(tǒng)進行了對比分析。盡管普銳斯系統(tǒng)目前較為成熟，但其為豐田公司所持有，而CVT擁有體積小，布置方便，效率高，成本低，獲取方便等的優(yōu)點，故本文將CVT作為混動汽車自動變速箱換擋過程和控制方法的研究對象。其次，通過對比分析混合動力汽車的基本構(gòu)型，并對已上市的混合動力汽車的構(gòu)型進行分析，提出了混合動力汽車應用CVT的優(yōu)勢，并通過對比分析P2和P3構(gòu)型，選擇使CVT可以優(yōu)化發(fā)動機和電機的工作點的P2構(gòu)型，并通過分析CVT的布置方式，提出添加了BSG電機的P2+P0方案，使整套動力系統(tǒng)可以較為方便地實現(xiàn)模式切換，混合動力汽車在切換具體的模式時的駕駛性能得到了有效的改善。接著，分析了混合動力汽車上CVT的換擋過程和控制方法以及模式切換下的換擋研究，分析了CVT的實際工作原理，介紹了混合動力CVT在換擋過程中關(guān)于傳動比的控制原理和方法，考慮實際駕駛過程中的影響因素，提出了基于動力總成綜合效率最優(yōu)的換擋控制策略，在研究換擋模式時，建立了動力學仿真模型并研究了模式切換過程的控制策略。參考文獻何英.節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖發(fā)布[N].中國能源報,2016-10-31(006).ShaneO,SumedhaR.ReviewofPHEVandHEVoperationandcontrolresearchforfuturedirection[C].20123rdIEEEInternationalSymposiumonPowerElectronicsforDistributedGenerationSystem,IEEEComputerSociety,2012:385-392.盧新田，許純