基于CVT的怠速節油控制模型

江銘　楊燕　李應優　谷城　徐恒

摘 要：降成本和提效率是鞭策汽車行業不斷前行的動力。在已知整車怠速節油原理的基礎上，本文從汽車控制軟件方面入手，基于汽車軟件開發V模型，優化汽車軟件控制模型，控制整車硬件在運行過程中開啟怠速節油。并通過實車實驗對比驗證，得出設計符合預期功能。為整車降油耗提供軟件助力。

關鍵詞：模型設計 怠速節油 控制器 離合器

Design of fuel-efficient control software for CVT

Jiang Ming Yang Yan Li Yingyou Gu Cheng Xv Heng

Abstract：Cost reduction and efficiency improvement are the driving force for the automobile industry to move forward. Based on the known principle of fuel saving at vehicle idle speed， this paper starts from the aspect of vehicle control software， develops V model based on vehicle software， optimizes the vehicle software control model， and controls the vehicle hardware to open idle speed and fuel saving during operation. Through the comparison and verification of real vehicle experiments， it is concluded that the design conforms to the expected function to provide software assistance for reducing fuel consumption of the vehicle.

Key words：pattern design， idle fuel-efficient， controller， clutch

1 引言

隨著國家強制性排放油耗法規的不斷加碼，各大車企的油耗壓力變得越來越大。對此，提升整車傳動效率成為了傳統車企發展的必經之路。提升效率的方法也層出不窮，零件輕量化、動力犧牲、發動機節油新技術的應用等。如今軟件定義汽車[1]的呼聲方興未艾，軟件已經滲透了幾乎所有的汽車系統，在汽車的開發中，軟件的設計變得越來越重要。本文從軟件層面出發，利用軟件的V型開發流程，設計一種基于無極自動變速器（CVT）的怠速節油控制模型。CVT作為主流變速器的一種，燃油經濟性和駕駛性能是其主要競爭力，并且隨著國內CVT技術的提升，搭載CVT上市的車輛品牌越來越多，總體來說，從改善CVT控制軟件方面提升效率是一個不錯的選擇。

2 原理分析

傳統的CVT變速箱都設計有液力變矩器結構（Torque Converter），液力變矩器的渦輪端與DNR離合器為花鍵連接。在車輛處于前進擋并且怠速時，離合器處于前進擋結合狀態，車輛整體傳動鏈在液力變矩器處實現柔性連接。液力變矩器內部油液是存在阻力的，發動機需要消耗相應的燃油產生扭矩克服阻力。設計怠速控制模型，在車輛怠速時，將液力變矩器的拖曳扭矩控制在最小范圍內，減小發動機怠速時的負載[2]。

汽車軟件開發V模型[3]是汽車軟件設計的常用開發方法，包括功能定義、需求分析、架構設計、軟件單元設計、目標/產品代碼生成、單元測試、Hil測試、系統集成測試、整車測試等流程，如圖1所示。本文主要描述怠速節油模型設計的需求分析與軟件單元設計方面，并通過實車測試驗證功能是否符合定義。

3 需求分析

怠速節油控制應用場景：城市用戶日常用車的應用工況中，等待紅綠燈工況出現頻率較高且駕駛環境平和。在此工況下怠速節油功能的介入對車輛動力與車輛駕駛性影響最小。此時車輛靜止并且擋位手柄處于D擋，駕駛員處于等待出發狀態。功能需求：在以上類似的應用場景下，開啟怠速節油功能，降低車輛燃油消耗。

怠速節油模型目標功能：車輛怠速時，控制CVT的D擋離合器產生滑差（液力變矩器的拖曳扭矩在最小范圍，變速箱接近空擋狀態[4]）。保證起步的前提下，降低發動機轉速與渦輪轉速差值，提高換檔（D-N）駕駛感受。

CVT控制系統的控制流如圖2所示。整個控制系統分為TCU硬件與CVT硬件兩大部分，本設計是基于TCU硬件的基礎進行應用層軟件設計。TCU發送電流信號至電磁閥，在電流的作用下電磁閥進行動作，電磁閥與液壓閥板配合改變CVT內各個部件的壓力，各個部件在壓力的作用下改變運行狀態，最終動力從CVT輸出到車輪。

4 控制模型設計

4.1 軟件架構

根據需求分析，將控制模型分為三個小模型進行設計，軟件架構如圖3所示。首先是場景判定，怠速節油功能只有在特定的場景下才能開啟，場景的識別應該作為控制模型的首要功能進行設計，通過TC工作原理以及整車運行分析，確定場景識別條件。然后是壓力控制，控制D擋離合器產生滑差，就需要在原本離合器壓力的基礎進行偏移，壓力偏移的大小直接影響駕駛員換擋回N與車輛起步時的駕駛性。最后是滑差的PI控制器，怠速節油功能開啟時控制D擋離合器產生滑差，設計PI控制器，調節產生滑差的過程更平穩、更迅速、更準確。

4.2 場景識別

場景識別的主要作用是識別車輛所處工況能否為期望工況。根據傳感器采集信息進行判斷，在不影響車輛駕駛性能與硬件壽命的前提下盡可能多次的開啟功能，讓節油的效果最大化。當下列條件全部滿足，判定車輛處于期望工況：

車速小于標定閾值;

制動缸壓力大于標定閾值;

制動缸壓力變化小于標定閾值 ;

擋位手柄處于D擋;

變速器油溫在30℃-120℃范圍內;

坡道信號值小于3%;

發動機穩定運行標志位置位;

完成場景識別后檢測離合器是否處于正常工作狀態：離合器滑摩功低于離合器最大承受滑摩功時判定為正常工作。離合器處于正常工作狀態后，開啟怠速節油功能。場景識別算法流程如圖4所示。

4.3 壓力控制與PI控制器

根據控制流，設計怠速節油功能開啟時D擋離合器的壓力控制曲線。綜合考慮駕駛性與傳輸效率，根據怠速節油標志位置位時間，將怠速節油功能的壓力控制曲線分為兩部分。第一部分為開啟與運行階段，第二部分為退出階段，如圖5所示，t1～t2為第一階段，t2～t3為第二階段。設置怠速節油功能運行時的基礎壓力為P1，離合器結合壓力為P2。壓力控制第一階段，D擋離合器的滑差由0變成最小拖曳扭矩滑差，設置最小拖曳扭矩的滑差為期望滑差sp，通過調節D擋離合器壓力實現。D擋離合器壓力由P2變為P1，選擇位置式PI控制器[5]對P1進行調節，直到滿足期望滑差sp。位置式PI控制器表達式為：

（1）

其中：u（k）為第k個采樣時刻需要作用于P1的輸出量，KP為比例環節系數;e（k）為第k個采樣時刻的滑差偏差（sp-）;Ki為積分環節系數;e（j）為j時刻的偏差。

壓力控制第二階段，D擋離合器滑差由sp變成0。D擋離合器壓力由P1變為P2，變化過程為：

L（t）=P1+u（k）+H（k）? ?t2≤t≤t3? ?（2）

其中：L（t）為第t時刻作用于離合器的目標壓力輸出量，H（k）為第k個采樣時刻離合器壓力的增量;t3為=0的時刻;

（3）

其中：p為二元標定表格，與油門踏板、滑差相關，根據駕駛性標定。

綜上所述，得出怠速節油壓力控制原理圖如圖6所示，通過PI控制器的調節，能夠在進入該功能時穩定、準確的達到目標滑差，合理的設定目標滑差能夠減小擋位回N的沖擊，提高換檔的駕駛性。退出怠速節油功能時，車輛起步階段增加壓力斜率開環控制，防止離合器壓力突增導致的沖擊，同樣對駕駛性的提升提供幫助。

5 實車實驗

將控制模型加入某款CVT軟件中進行集成，到整車上進行功能驗證。測試工況為模擬車輛經過紅綠燈：平路車速30km/h，剎車至車速為0km/h，深踩剎車20s，松剎車0油門起步，至車速10km/h。使用INCA采集實車數據并分析，如圖7所示，在車輛速度降至0km/h后，渦輪轉速與主動輪轉速的差值逐漸增大，直到達到期望轉速差（660rpm）。重新起步后，離合器壓力斜率上升，直到轉速差重新降至0。如圖8所示，對照組的控制軟件在車輛停止時轉速差依舊為0。實驗結果表明：在設定工況下，控制軟件能夠在怠速節油標志位置位后，打開離合器，實現控制離合器滑差，與預期功能定義符合。系統達到穩態后，控制精度可達到±20rpm，系統采用基于4955C的霍爾傳感器，系統采集精度為±5rpm，累計誤差±25rpm，誤差控制在5%范圍內，符合行業內誤差控制標準。

6 結論

本文從TCU應用層軟件出發，基于軟件V型開發流程，詳細描述了控制軟件模型的設計過程，并經過實車測試驗證。結果表明控制模型可實現高精度的壓力調節，完整實現預期的滑差控制功能。為車輛整體的節油增效提供了軟件支持。良好的控制軟件需要不斷的優化升級，在后期車輛上市后，還需對用戶群體的大數據樣本進行采集，根據客戶群體的使用情況對軟件控制策略、標定參數進行優化。

參考文獻：

[1]羅慧培.百度王勁：“軟件定義汽車”是大勢所趨[J].機器人產業，2016（4）：83.

[2]徐玄之.自動變速箱NIC功能節油研究[J].江西科學，2017（4）：609.

[3]周曉翠.基于Aspice的汽車軟件開發流程實踐[J].汽車實用技術，2020（1）：109.

[4]方志勤.雙離合自動變速車輛怠速節油技術研究[J].設計研究，2018（14）：154.

[5]張元良.基于模糊PID復合控制的醫用控溫毯控制系統設計[J].機械工程與自動化，2018（12）：167.