瞬態工況下無級變速車輛的功率補償控制＊

郝允志，孫冬野，秦大同，林歆悠，尹燕莉

（1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030；2.西南大學 智能傳動工程技術研究中心，重慶 400715）

無級變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）在換擋過程中不中斷動力，速比連續變化，本質上可以實現平順的換擋過程.然而因速比變化率和飛輪慣性而產生的附加轉矩會影響傳動系統的有效輸出功率，降低車輛的動力性和舒適性[1]，尤其是急加速過程中出現的動力疲軟是影響市場對CVT車輛接受程度的一個重要原因[2－3].

為消除附加轉矩造成的影響，目前的研究可歸納為改進機械結構和優化控制方法兩個方面.ALEX等[4]提出了零慣量CVT結構，通過增加助力飛輪和行星機構對附加轉矩進行補償，取得良好的控制效果，但由于成本、體積和重量等原因，尚未得到推廣.劉金剛、鄒乃威等[5－6]優化了速比控制算法，為提高瞬態工況性能提供了有利條件.PFIFFNER、張樹培等[7－8]分別利用 DIRCOL工具和建模仿真對瞬態工況控制過程進行優化，提高了經濟性和動力性.LEE、KIM、鄧濤等[9－12]考慮傳動效率、系統響應滯后和功率儲備等因素，提出對發動機和CVT進行集成控制，設計了τ算法、轉矩補償算法和轉速補償算法.羅勇[13]根據車輛傳動系統的力平衡關系計算最大允許速比變化率，將參數統計和模糊控制相結合，提出了綜合控制策略.上述針對附加轉矩的控制方法中，速比變化率均以良好平路狀態的行駛阻力為依據[12－13]，依賴于車輛和路況信息，不具備普遍適用性.

本文通過對CVT瞬態工況特性和現有控制方法的分析，提出了基于有效功率的通用補償控制方法.直接以變速器輸入功率作為控制目標，克服現有控制方法依賴于車輛及路況信息的缺陷，通過分層次量化補償功率，將控制方法劃分為功率維持、零功率、增加后備功率和綜合模式等4種控制模式.仿真和試驗結果證明了該控制方法的可行性和通用性.

1 瞬態工況特性與新方法的提出

1.1 瞬態工況特性

在進行動力學分析時，通常將CVT傳動系統簡化為雙旋轉質量模型[1]，如圖1所示.

圖1 CVT傳動系統結構簡圖Fig.1 Sketch of CVT

傳動系統動力學方程為：

式中Te為發動機轉矩，Tv為車輛行駛阻力換算至CVT輸出端的阻力距，ωe為發動機角速度，ωv為CVT輸出端角速度，Ie為發動機、飛輪等位于CVT輸入端部件的旋轉慣量，Iv為整車平動慣量及CVT從動輪至車輪的旋轉慣量換算至CVT輸出端的旋轉慣量，i為速比，η為傳動效率.發動機轉速與車速的關系為ωe＝iωv，微分可得：

代入式（1）整理得：

式（3）表明，速比變化率對車輛加速度具有反作用，由速比變化而引起的轉矩稱為附加轉矩Tx：

附加轉矩在速比增大時為阻力矩，在速比減小時則為驅動力矩.車輛急加速時，目標速比快速增大，若對速比控制不加限制必然產生較大的速比變化率，附加轉矩增大有可能造成車輛減速，違背駕駛員的操作意圖.

1.2 白箱控制法與灰箱控制法

為消除附加轉矩造成的影響，通常需要利用發動機后備轉矩進行補償，同時對速比變化率進行限制[9－13].由于發動機后備轉矩的補償作用有限，因此對速比變化率進行合理限制是提高急加速等瞬態工況性能的關鍵.

現有的控制方法建立在車輛參數及路況信息已知的基礎上，利用整個傳動系統的受力平衡關系來計算允許的速比變化率，并以此作為分析和控制的依據，故稱為“白箱控制法”.如文獻[12－13]中給出的速比變化率限制值為：

式中Temax為發動機在當前轉速下的最大轉矩，r為車輪半徑，i0為主減速比，f為滾動阻力系數，Cd為風阻系數，A為迎風面積.式中速比變化率的計算需要已知車輛及路況信息，僅適用于良好平路行駛時的急加速工況，一旦脫離公式中所規定的工況，比如路面存在坡度、滾動阻力系數改變、車輛載重發生變化等都會降低控制效果，該控制方法在實車工況下難以保證控制精度，沒有普遍適用性.

要保證控制方法具有普遍適用性，就必須避免對車輛及路況信息的依賴，而應該以直接測量或計算得到的參數作為控制目標.列舉可以直接獲取的信號，容易發現，將CVT輸入功率或者車速作為控制目標較為合適，解釋如下.

1）目前基于功率需求的控制策略成為研究的主流[7]，也更符合駕駛員的預期[2－3]，以 CVT 輸入功率作為控制目標能夠和功率需求控制策略相兼容，程序設計比較容易.CVT輸入端的功率為：

式中Te和ωe可實時計算或測量得到，發動機及飛輪慣量Ie已知，無需其他車輛及路況信息.

2）由于最終影響駕駛員主觀感受的是車速變化，因此最直接的控制方法是以車速或加速度作為控制目標.

基于輸入功率和車速的控制方法不依賴于車輛及路況信息，但又根據傳動系統特性來選擇目標參數和設計控制算法，因此稱為“灰箱控制法”.

2 瞬態工況下的功率補償控制

各種控制方式都可理解成是對發動機和飛輪轉速變化所吸收或釋放的功率進行不同程度的補償.補償控制應在保證舒適性的前提下優先調節速比，使車輛盡可能快地過渡到目標工況.本文重點討論以CVT輸入功率作為控制目標的控制方式.

2.1 基于有效功率的補償控制

所謂基于有效功率的補償控制，是指以設定的CVT輸入功率作為控制目標，而不是以發動機功率作為控制目標，通過調節節氣門開度和速比變化率實現該目標功率.通過分層次量化補償功率，將控制方法劃分為功率維持、零功率、增加后備功率和綜合模式等4種控制模式，并給出了控制模型.

1）功率維持控制是以輸入功率維持不變作為控制目標，即dPin／dt＝0.對于急加速過程，為防止目標量偏移，改為以輸出功率不降低作為控制目標，即dPin／dt≥0，其實質是速比增大過程中發動機增加的輸出功率正好能夠補償慣量Ie所吸收的功率.

在該控制模式下，若忽略變速過程中的車速變化和路況變化，其控制效果近似為加速度不降低.一種特殊工況是車輛處于上坡等重載工況，且處于減速運行狀態，即加速度為負，維持功率不變可以保證減速度不再降低.

2）零功率控制是以輸入功率接近為零作為控制目標，即Pin≈0.對于急加速過程，為防止控制偏差過大，改為以輸出功率不小于零作為控制目標，即Pin≥0，其實質是速比增大過程中慣量Ie所吸收的功率完全由發動機功率提供，不出現反拖工況.該補償模式的控制效果類似于空擋滑行或AMT換擋過程中的動力中斷.

現有控制方法對需求功率快速降低的減速工況研究較少，但是同樣需要進行適當考慮.與急加速過程類似，在加速踏板開度突然減小時，目標速比也隨之減小，此時的附加力矩為驅動力矩，如果速比變化率過大，有可能出現車輛前沖的感覺.減速工況下的補償控制與加速工況類似，可進行統一表示，公式（7）和（8）分別為功率維持和零功率兩種控制模式的目標表達式：

3）增加后備功率的補償控制.功率維持和零功率兩種控制模式是在需求功率變化之后給予補償控制，以犧牲動力性來改善舒適性，屬于被動響應控制.如果對加速性能要求較高，通過在穩態工況下適當提高速比來增加后備功率，則有利于提高車輛的加速性能.

通常情況下，在發動機最佳經濟線附近的一定范圍內，效率平臺相對比較平緩，適當增大速比能夠有效提高后備功率.例如，以式（9）所計算的功率Pcal代替Pd來確定目標速比，此時發動機目標轉矩下降，以維持功率不變：

式中kp為放大系數，kp≥1，Cp為最小后備功率，則后備功率增加量為：

增加后備功率的極端情況是以發動機最大功率Pemax對應的發動機轉速ωepmax作為目標轉速確定速比，即

此時發動機具有在當前車速下的最大后備功率，具有最好的加速性能，但效率很低.在急加速時，僅通過調節節氣門開度就可使車輛獲得當前車速下可能的最大功率，快速響應車輛的加速需求，并且因為無需調節速比或者只需小范圍調節速比，附加轉矩的影響大大減小.

4）綜合模式補償控制 .駕駛員對車輛加速性能的評價具有主觀性，將單一控制模式應用于所有工況不易達到滿意效果，通過將上述不同層次的控制模式進行綜合可進一步優化控制效果.典型的綜合方式分為3種：①時間段綜合，分時間段采用不同的控制模式；②控制量綜合，采用加權法綜合各種控制模式；③同時采用時間段綜合與控制量綜合.

綜合方式的實施可依據實車試驗中駕駛員的主觀評價進行調整，靈活地設定不同的過渡曲線以優化瞬態工況特性.

2.2 直接以車速為目標的補償控制

與基于有效功率的控制方法類似，以車速為目標的控制方法可劃分為加速度維持和速度維持2種控制模式，式（12）和（13）分別為兩種控制模式的目標表達式.該控制方法的基本思想比較直觀，重點在于研究控制算法，本文不做論述.

2.3 補償控制的實現

基于有效功率的補償控制模型如圖2（a）所示，相對于傳統控制方法增加了功率補償控制模塊，圖中功率控制以外的其他模型簡化為虛線框表示.加速踏板開度θ對應需求功率Pd；需求功率Pd（或Pcal）和車速v確定目標速比itgt；根據公式（6）計算有效功率Pin；功率補償控制模塊判斷當前工況確定目標節氣門開度αcal和修正目標速比ical；節氣門控制器和速比控制器驅動執行機構達到目標值.

補償控制模型如圖2（b）所示，主要是工況判斷和邏輯控制.目標節氣門和目標速比控制采用模塊化的設計方法，用于不同工況和不同補償控制模式的調用.補償模式分為增加功率、維持功率和降低功率3種情況，首先調節節氣門開度進行補償，若節氣門已達到極限值仍不能滿足要求，再通過改變目標速比來調節速比變化率.圖中所示為功率維持模式，將dPin／dt≥0改為Pin≥0即為零功率模式.

圖2 基于有效功率的補償控制模型Fig.2 Compensate control model base on effective power

3 仿真與試驗

以JL472Q1發動機和C075無級變速器組成的傳動系統為研究對象，對不同控制方法進行仿真和試驗.由于加速過程是研究的重點，且減速過程與加速過程的控制方法類似，因此下面只給出加速過程的仿真和試驗結果.

3.1 加速工況仿真

中速輕載工況轉變為中速重載工況時，需求功率和速比變化范圍大，有利于考驗控制方法的效果.將仿真行駛工況設定為：①加速踏板開度0.1，車輛穩定行駛；②加速踏板開度階躍為1，速比開始變化，車輛進入急加速過程.仿真結果如圖3所示，4種控制策略因補償程度不同而具有明顯不同的控制效果，補償控制方法能夠實現設定的控制目標，而常規控制方法則出現反拖工況，造成轉速快速下降，違背駕駛意圖.

圖3 加速工況仿真結果Fig.3 Simulation results of hard acceleration condition

圖4 加速工況試驗結果Fig.4 Experiment results of hard acceleration condition

圖中顯示，工況過渡過程分為兩個階段：第1階段是速比調節階段，發動機功率主要用于提高自身轉速，由于系統的響應滯后及速比控制算法的因素，速比變化滯后于需求功率的變化；第2階段是車輛加速階段，此時實際速比與目標速比接近，發動機功率主要用于驅動車輛加速.

仿真結果與分析結論相同：功率維持模式下，車速基本維持穩定；零功率模式下，車速因行駛阻力的作用而緩慢下降，接近于空擋滑行；增加后備功率的控制模式能夠在速比調節階段保持功率為正，同時具有和常規控制模式接近的加速性能，但系統效率有所降低.

3.2 加速工況試驗

根據現有CVT試驗臺條件，并考慮急加速過程可能造成的試驗風險，在試驗過程中減緩加速過程并降低發動機功率.試驗工況設定為：①加速踏板開度0.05，車輛穩定行駛；②加速踏板開度在0.5s時間內線性上升至0.75，車輛進入加速過程.試驗結果如圖4所示，由于信號采集誤差和干擾等因素，對試驗數據采用移動平均法進行濾波處理，濾波區間為20ms.

試驗結果表明，因為需求功率逐漸增加，車輛的加速過程平緩很多.速比控制算法依據仿真模型設計，在進行臺架試驗中并未做大的調整，由于模型誤差，尤其是CVT液壓系統模型的誤差，影響了試驗控制效果，但是工況過渡曲線的基本特征與仿真結果是一致的.從有效功率曲線看，常規控制方式出現了發動機反拖工況和車速快速降低階段，而補償控制方法均基本實現了設定的控制目標.由于加速過程比較平緩，零功率控制模式下的實際有效功率始終為正.3種控制模式完成速比調節進入加速階段的先后次序與仿真結果也相同.

4 結 論

1）提出了瞬態工況下以有效功率和車速作為控制目標的通用補償控制方法，克服了現有控制方法依賴于車輛及路況信息的缺陷.

2）通過分層次量化補償功率，將控制方法劃分為功率維持、零功率、增加后備功率和綜合模式等4種控制模式，為靈活設定過渡曲線和優化瞬態工況性能提供了量化依據.

3）仿真和試驗結果表明：功率補償控制方法能夠實現所要求的補償效果，克服加速過程中的動力疲軟，驗證了控制方法的可行性和通用性.

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