基于CVT的轻度混合动力启停技术

曹成龙，张飞铁，岳有缘，罗 威，傅 兵

（1.湖南容大智能变速器股份有限公司，长沙 410205；2.湖南大学 机械与运载工程学院，长沙 410082）

随着我国汽车保有量的逐年增加，日益严峻的环保形势对汽车产业的节能减排提出了越来越高的要求。零排放的纯电动汽车由于现有电池、电机等技术难题，目前来看，离大批量生产还有一段距离，而混合动力汽车由于在环保方面具有一定优势，是一个不错的选择。48 V轻度混合动力启停技术，是一项投入不大，且易于推广的节能减排技术。

启停技术就是让汽车在停止时发动机自动熄火，且在需要启动时，立即启动发动机并快速起步。48 V启停技术，在传统的燃油车基础上改动不大，具有较大的成本优势，且能快速解决目前降低整车油耗和排放的问题。有关启停技术的研究文献也较多，徐小东等[1-2]对发动机怠速自动启停系统进行了试验研究，研究表明在循环工况测试中能大大减少排放和油耗，在实际拥堵的城市工况下，效果更为明显，说明启停系统在技术上是可行的。PRUCKA等[3]开发了怠速启停系统，对发动机启停系统开发进行了研究，综合考虑了发动机、整车等系统集成。其它一些学者对启停系统的研究也都主要基于发动机层面的考虑[4-9]。

CVT有着天然的驾驶舒适性及节能潜力，所以受到市场的青睐，但受制于国内自动变速器技术的发展，具有自主知识产权的自动变速器技术非常少，基于自动变速器的启停技术研究更加稀少。因此，目前国内自主品牌启停系统主要集中在手动变速器车型上，而自动变速器车型启停系统由于技术或者成本的原因，量产车型很少。本文基于国内某量产CVT匹配车型，开发了基于CVT的启停装置，根据CVT液压系统原理，设计计算电子油泵参数及选型。该电子油泵布置在壳体的主油路上，对CVT本体改动较少，降低了开发成本。由于自动变速器相对手动变速器来说，启停系统控制策略比较复杂，需结合CVT本身的系统需求，如果CVT不满足启停条件，则启停系统禁止激活。本研究根据驾驶员意图、整车系统状态、发动机启停需求、CVT自动变速器传动系统等条件，开发了基于CVT自动变速器启停的协同控制器，确保满足车辆的起步舒适性、车辆安全性、降低油耗和排放等需求，对自动变速器的启停项目推广起到了积极作用。

1 CVT启停装置原理及设计

CVT启停装置，首先从功能需求来看，CVT在发动机熄火状态下，液压系统的动力源油泵已经停止工作，离合器压力降为0，如果车辆快速起步，离合器传递转矩能力初始也为0。此时液压动力建压响应滞后，不能满足车辆立即起步的需求，解决这一问题有两种可行方案：（1）在液压系统油路增加大的蓄能器，该方案因蓄能器体积大，对本体布置改动较大，且对蓄能器泄露技术要求高，所以暂不采用。（2）在传统CVT中加装电子油泵，该方案对本体改动极少，且可以根据液压系统流量需求改变电子油泵转速，如图1所示，集成的电子油泵加装在壳体的油路上，大大简化了机械设计并降低了成本。

图1 CVT启停装置及电子油泵

CVT液压系统如图2所示，电子油泵布置在液压系统主油路上，当机械油泵停止工作后，可由电子油泵提供液压源。该液压系统分三级油路，第一级到主动和从动带轮液压缸，电子油泵为带轮液压缸提供一定的小压力，使得在启动时，液压缸油液预先充满带轮活塞缸，满足启动流量需求；第二级油路，为各个先导阀提供供给压力，控制各个滑阀；第三级油路为润滑冷却等辅助油路，为离合器等提供液压油。

图2 CVT启停液压系统原理

2 启停装置参数制定

2.1 电子油泵排量

如图3所示，根据质量守恒定律， CVT变速时可利用的流量Qshift_av为油泵输出的流量减去泄漏流量、离合器及变矩器所需流量及润滑流量。

式中：Qpump为电子油泵总的流量输出；Qleak为液压系统总的泄漏量；Qaux为离合器和液力变矩器流量；Qlub为CVT金属带等润滑系统所需要的流量。

图3 CVT 流量需求

在车辆停止状态，变速流量Qshift_av=0，Qaux=0，液压系统总的泄漏量Qleak可通过总成测试得出泄露量，润滑系统流量Qlub为目标设计流量，那么电子油泵总需求Qpump就很容易得出。

电子油泵排量：

式中：Vth为电子油泵排量；npump为电子油泵转速；ηvol为油泵容积效率。

2.2 电子油泵功率设计

根据功率平衡原理，电子油泵的转矩为：

式中：Tpump为电子油泵转矩；Δppump为电子油泵建立压力；Vth为电子油泵排量；ηhm为油泵机械效率。

发动机停机后，驾驶员起步，这时需满足车辆能快速平稳起步，即离合器需施加一定的压力。根据怠速转矩Tidle可计算离合器起步时的初始压力：

式中：Tidle为怠速转矩；μ为离合器摩擦因数；R为离合器摩擦片有效半径；N为摩擦片个数；ntur为泵轮转速；fc为油液离心系数；Fspring为离合器弹簧力；A为离合器活塞缸面积。

电子油泵的功率为：

2.3 电子油泵参数确定

根据数学模型计算结果，确定满足启停装置要求的电子油泵参数见表1。

表1 电子油泵参数

3 启停系统控制策略

3.1 启停系统功能需求

启停系统的主要功能为：车辆停止时使发动机熄火，驾驶员起步时能快速响应并启动发动机，从而驱动车辆行驶。这也对启停系统也提出了苛刻的要求，第一，要满足舒适性要求，在发动机熄火和快速起步的过程中，不能额外产生较大的噪声和振动。第二，为了满足安全要求，启停策略不能出现违背驾驶员意图的逻辑或者意外停止起步。第三，能改善排放及油耗。

因此，启停控制器需考虑各个部件的需求，进行协同控制，本研究定义该控制器为启停协同控制器。该启停协同控制器需考虑启动响应时间，如发动机喷射系统、启动马达、油门踏板和驾驶员意图；需考虑车辆安全性，如发动机盖位置、换挡杆手柄、坡道保持、制动真空助力以及门锁安全带等；需考虑整车能源状态，如电池电压等。

3.2 启停系统控制逻辑

启停协同控制器，包括发动机控制器（EMS）和CVT控制器（TCU）的握手协调，该握手确保TCU在不满足CVT本身启停需求时，能禁止任何启停动作，同时，在激活启停或发动机熄火之前，确保CVT离合器处于分离状态。如图4所示，启停协同控制器应满足以下需求：（1）当发动机控制器EMS满足启停条件，发动机发送启停请求信号给TCU。（2）当TCU接收到启停请求后，TCU首先判断CVT是否满足启停条件，如果满足条件，则发送启停禁止信号，同时将CVT离合器打开。（3）当启停禁止信号为假，则发动机控制器激活启停。

图4 发动机熄火

发动机启动策略：发动机能根据驾驶员意图在任何时候重新启动， 所以TCU任何时候都不能禁止发动机重启，以免发生违背驾驶员意图的安全事件。如图5所示，此过程中，启停禁止信号复位，发动机启动达到目标发动机转速后，发动机启停也复位。

图5 发动机启动

根据以上分析，进行启停策略定制，如图6所示。首先，对驾驶员意图进行识别，包括启停开关是否开启，制动踏板是否踩下，车速降至4 km/h以下，为了减少拥堵工况下的频繁启停，也可以设置是否超过最高车速Vmax作为判断条件等。然后对整车状态进行评估，包括蓄电池电压是否过低，空调压缩机是否开启，真空助力是否不足，发动机盖位置或者门锁安全带等可成为可选项目。以上条件都满足则EMS发送启停请求信号，请求发动机熄火。

TCU对CVT状态进行检查，如图7所示，包括：CVT速比是否回到最大速比，挡位是否在前进挡，变速器油温是否在合理范围，是否处于紧急制动工况，CVT是否存在故障等，如果以上条件都满足，则TCU发送启停禁止信号。

图6 启停策略

图7 TCU 判断是否满足启停条件

对于车辆停车后再起步的过程，两个重要的评价指标是起步时间和起步平顺性。由于车辆停止后，液压系统只有电子油泵工作，建立很小的离合器压力，此外，发动机启动过程中，处于临界状态发动机转矩波动大，这对快速起步和保持车辆平顺性造成了一定的困难，所以必须对离合器结合过程进行重新标定和测试，从而区别于正常的离合器结合过程，满足驾驶员重新快速起步。

最后，协同控制器判断发动机是否启动成功，启动成功则设置相应的标志位。

4 启停功能测试

如图8所示，车辆在14.3 s，驾驶员踩制动踏板，车辆车速从10 km/h降到3 km/h，启停协同控制器根据车辆情况判断满足熄火条件，发动机在17.3 s熄火；在24.6 s时，驾驶员开始起步，发动机重新启动，并在26.6 s时车速开始从0变化，完成起步过程。

图8 启停功能测试

启停系统除了满足基本功能外，还需满足驾驶的平顺性和快速起步要求。图9～11为启停激活后，驾驶员在不同的油门开度下进行起步的工况。由图可知，不同油门开度下，发动机的转矩控制和CVT变速器离合器压力控制都有所变化，这是为了适应不同起步工况，避免起步时较大的振动或不舒适的主观感觉。

启停对驾驶性能的影响，主要体现在起步时间响应上。车辆停止后，由于CVT主油泵停止工作，离合器液压油卸荷到油底壳，如果没有电子油泵辅助，则汽车重新起步后，离合器建压滞后，影响车辆起步延时。对不同油门下的起步时间进行对比，由图可知，在启停激活工况下的车辆起步平均为2.1 s，与正常关闭启停功能的起步时间（平均约2.0 s）相差不大，说明采用电子油泵启停方案能很好地满足驾驶员快速起步需求，不影响车辆正常驾驶性能。

图9 启停后，小油门起步

图10 启停后，中油门起步

5 经济性仿真计算

仿真技术能建立精确的数学模型，从而进行动力性、经济性的仿真计算以及控制策略验证，能有效缩短产品开发周期，降低开发成本。本文将通过对整车模型进行启停控制策略验证和整车经济性优化，为实车匹配提供理论指导。如图12所示，包含启停控制模块、驾驶员模块、发动机管理系统、TCU控制系统和CVT物理模型，为对比测试效果，在驾驶员模块里设置NEDC仿真循环工况，对比有启停和无启停系统下的油耗数据。

图11 启停后，大油门起步

图12 仿真模型

图13为NEDC循环工况的仿真结果，图中实线表示传统车辆数据曲线，虚线表示增加启停功能的曲线，在发动机冷车状态，启停功能未启动，在200 s时，从第二个城市工况循环开始，启停功能开启，其中发动机停机的时间占总循环时间的18.96%，且主要集中在城市工况中。仿真结果显示，原整车油耗为6.32 L/100 km，增加启停功能后的整车油耗为6.0 L/100 km，油耗的降幅达5.06%。

图13 仿真计算结果

图14为NEDC循环中发动机的运行工况在万有特性图中的分布情况，对于停机工况，会大大减少油耗。

图14 发动机工作点

6 循环工况实车测试

为验证带启停功能的车辆对油耗及排放的贡献，如图14所示，在油耗排放测试台进行了实车NEDC+ECE油耗排放测试。原车油耗测试为6.4 L/100 km，装备启停装置后油耗为6.13 L/100 km，下降了4.2%，同时排放测试报告显示，在ECE工况排放明显降低，包括一氧化碳、碳氢化合物和非甲烷总烃等含量减少12%，如果在更为拥堵的实际城市工况下，汽车尾气减排更为显著。

图15 循环工况测试

7 结论

本文以48V轻度混合动力为平台，匹配CVT车辆，进行了怠速启停系统的设计，为启停系统制定合适的电子油泵参数。电子油泵参数定制后，开发了相应的启停控制策略，并进行了功能测试，为验证启停控制系统的效果，搭建了仿真模型。仿真结果表明，油耗降低5.06%，同时，对搭载启停系统的车辆进行了NEDC循环工况实车测试，结果表明，车辆的节能及减排效果明显，达到了启停系统预期效果。通过该启停技术的研究，可以实现车辆低成本节能减排。