混动专用变速箱DHT离合器故障处理策略研究

2022-06-25代显军陈景俊

传动技术 2022年1期

代显军陈景俊

(联合汽车电子有限公司，上海 201206)

0 引言

混动专用变速箱DHT是目前国内外应用的比较广泛的一类混动变速箱，它高度集成了发电机、驱动电机、动力耦合装置、换挡装置等，与传统的Add-On混动变速箱相比，具有结构紧凑、模式多样、综合性能优异等优点。当前主流研究多集中在DHT的拓扑结构[1]，工作模式[2]及能量管理方面[3]，和DHT故障处理相关的研究论文尚少。本文基于典型的串并混联DHT，结合其动力耦合装置离合器功能，设计了离合器故障处理策略并进行了实车验证。测试结果表明，所设计的故障处理策略能最大程度地保证车辆在不停车条件下仍然安全跛行回家。本研究可为DHT混动系统设计及离合器故障处理功能的开发和试验研究提供参考。

1 DHT系统结构及离合器控制

1.1 DHT基本结构

典型的DHT基本结构示意如图1所示：主要由发电机、驱动电机、动力耦合装置、换挡装置等组成。其中动力耦合装置最典型的为湿式离合器(串并混联DHT/Serial-Parallel DHT，以本田iMMD[4]为主要代表)和行星齿轮(功率分流DHT/Power Split DHT，以丰田THS[5]、通用Voltec[6]为主要代表)。换挡装置能形成多个固定速比将发动机或驱动电机扭矩放大后作用到输出端。

图1 DHT基本结构示意图Fig.1 The schematic diagram of DHT basic structure

基于DHT动力耦合装置的不同，两种典型的DHT对比如表1所示，从表中可以看出：与功率分流DHT相比，串并混联DHT在达到相同性能的条件下，具有专利壁垒低、控制相对简单、可推广性容易等优点。

表1 两种典型的DHT对比Tab.1 Comparisons of two classic DHT

1.2 DHT工作模式及离合器控制

基于上述DHT系统结构，以最典型的串并混联单档DHT为例进行研究，根据动力源及离合器的状态不同，其工作模式如表2所示，动力系统能量流如图2所示。

表2 串并混联单档DHT工作模式Tab.2 Working modes of serial-parallel DHT with one single gear

图2 串并混联单档DHT能量流Fig.2 The power flow of serial-parallel DHT with one single gear

基于DHT的工作模式及能量流，其控制器HTCU(Hybrid Transmission Control Unit)需要响应来自整车控制器VCU(Vehicle Control Unit)的离合器目标控制指令(结合、分离)和目标传递扭矩请求，并结合压力传感器采集的实际离合器油压，精确快速控制离合器的结合及分离，并实时反馈离合器的实际状态，离合器可用状态及故障处理请求。

当VCU决策目标模式为并联时，会发送离合器结合请求给HTCU，HTCU需要控制离合器快速结合。当离合器两端速差低于一定值且离合器压力大于最小稳态压力时，会反馈结合状态给VCU，此时车辆可切换到并联模式。

在并联或纯发动机模式，VCU会基于系统效率最优，将驾驶员需求扭矩分配给发动机和驱动电机。此时为了传递发动机扭矩，VCU需要发送离合器目标扭矩给HTCU，HTCU需要实时控制离合器油压跟踪该目标扭矩保证在稳态并联时离合器不会出现打滑而烧蚀损坏。

当VCU决策目标模式为串联或者纯电时，会发送离合器分离请求给HTCU，HTCU需要快速控制离合器分离，当其检测到离合器压力低于一定值后，反馈分离状态给VCU，此时车辆可切换到串联或纯电模式。

上述三种工况对应了离合器的结合过程、稳态结合及分离功能。当变速箱出现故障时，会导致离合器存在无法结合故障、打滑速比故障和无法分离故障。这三种故障会直接影响整车的工作模式，HTCU需要实时进行故障处理并反馈给VCU进行整车故障响应，保证车辆安全行驶。

2 DHT离合器故障处理策略

2.1 离合器无法结合故障处理

离合器无法结合故障处理流程如图3所示,在离合器结合过程中，若在一定时间内，离合器前后两端速差无法消除，则定义为一次无法结合，此时HTCU会控制离合器分离，并反馈给VCU离合器不可用状态。延迟一段时间后，HTCU反馈给VCU离合器可用状态，并可再次响应VCU的离合器结合命令。一个驾驶循环内，若连续3次出现离合器无法结合后，HTCU会报离合器无法结合故障，离合器直接打开，本次驾驶循环不再允许离合器结合，HTCU反馈给VCU离合器强制脱开故障处理请求，VCU只允许整车进行串联或纯电行驶。

图3 离合器无法结合故障处理策略Fig.3 Fault handling strategy of clutch close failure

2.2 离合器速比故障处理

离合器速比故障处理流程如图4所示,在稳态结合时，当HTCU检测到离合器前后两端速差大于一定值且延时一段时间后，则定义为一次速比异常，此时HTCU会控制离合器分离，并反馈给VCU离合器不可用状态；延迟一段时间后，HTCU反馈给VCU离合器可用状态，并可再次响应VCU的离合器结合命令进入稳态结合。一个驾驶循环内，连续3次出现离合器速比异常后，HTCU会报离合器速比故障，离合器直接打开，本次驾驶循环不再允许离合器结合，HTCU会反馈给VCU离合器强制脱开故障处理请求，VCU只允许整车进行串联或纯电行驶。

图4 离合器速比故障处理策略Fig.4 Fault handling strategy of clutch ratio failure

2.3 离合器无法分离故障处理

离合器无法分离故障处理流程如图5所示,在发动机状态为停机状态，且车速大于一定值时，当HTCU检测到发电机转速大于一定值且延时一段时间后，会报离合器无法分离故障。此时HTCU会反馈给VCU离合器粘连故障处理请求，VCU收到该故障处理请求后，会控制发动机断油停机，进行纯电行驶。因离合器无法分离，发动机始终刚性连接到车轮端，纯电行驶时，整车会带着发动机运行，高车速会有一定的能量损失，低车速会因发动机低转速脉动扭矩导致整车有一定的抖动，但车辆都能安全跛行回家。此外，该工况下纯电行驶时，因发动机曲轴不能反转，VCU需限制整车不能跑倒挡以免直接损坏发动机。

图5 离合器无法分离故障处理策略Fig.5 Fault handling strategy of clutch open failure

3 实车验证

实车上对所设计的离合器故障处理策略分别进行验证。图6、图7、图8分别为离合器无法结合故障处理、速比故障和无法分离的实车数据。

图6 离合器无法结合故障处理测试数据Fig.6 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch close failure

图7 离合器速比故障处理测试数据Fig.7 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch ratio failure

图8 离合器无法分离处理测试数据Fig.8 Vehicle test data of fault handling strategy of clutch open failure

从图6中可以看出，在离合器结合过程中(离合器状态为结合过程中，定义为3)，当HTCU检测到离合器两端速差大于一定值持续一定时间，则诊断为一次无法结合，计数器加1，且立刻反馈离合器不可用，离合器自行分离，完成后离合器实际状态为分离(定义为0)，车辆切换到串联或者纯电模式。延迟一段时间后，反馈离合器可用，并可再次响应VCU的离合器结合命令，连续 3次检测到无法结合后，HTCU会报离合器无法结合故障(定义为67)，同时反馈不可用状态，并反馈离合器强制脱开故障处理请求(定义为1)。

从图7中可以看出，在稳态结合时(离合器状态为结合，定义2)，当HTCU检测到离合器两端速差大于一定值持续一定时间，则诊断为一次速比异常，计数器加1，且立刻反馈离合器不可用，离合器自行分离，完成后离合器实际状态为分离(定义为0)，车辆切换到串联或者纯电模式。延迟一段时间后，反馈离合器可用，并可再次响应VCU的离合器结合命令，连续 3次检测到速比异常后，HTCU会报离合器速比故障(定义为71)，同时反馈不可用状态，并反馈离合器强制脱开请求(定义为1)。

从图8可以看出，在发动机状态为停机状态(定义为1)且车速大于3 km/h后，当发电机转速大于200 r/min且持续0.5 s后，HTCU会报离合器无法分离故障(定义为70)，并反馈离合器粘连故障处理器请求(定义为9)，离合器实际状态更新为结合(定义为2)，VCU会控制发动机断油停机，车辆纯电行驶，且不能跑倒挡。