混合动力汽车集成式两档DHT研究应用

周权，旷龙，满兴家，叶年业，谢嵩松

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

0 前言

随着汽车保有量的不断增加，节能减排大势所趋，同时为了积极响应满足国家汽车“双积分”政策及“双碳”目标，在现有燃油车基础上结合电驱动发展混合动力技术是一种很好的发展途径。各种架构的汽车混合动力技术在蓬勃发展，为实现乘用车品牌向上及增加混合动力技术储备，将集成式两档P1+P3架构混合动力专用变速箱(DHT)新技术成功应用在CN30S7 HEV功能样车上，相比传统燃油车提高了整车动力性、经济性、驾驶性及噪声-振动-声振粗糙度(NVH)性能[1]，可以有力推动混合动力集成式DHT新技术研究应用向前迈进。

1 技术设计

该CN30S7 HEV功能样车作为中大型运动型多用途汽车(SUV)，拥有高颜值的外观、宽敞舒适的内部空间、智能丰富的科技配置，辅以油电混合动力可进一步提升整车品质。根据目前汽车行业DHT在研或量产的技术发展趋势，采用直驱两档集成式P1+P3架构的DHT能更有效地提高整车加速性能、动力的快速响应性、高速巡航的经济性和行驶品质。集成式DHT相比分体式DHT拥有更小的尺寸、更轻的质量、更低的成本，更便于在有限的前舱空间里进行布置并降低整车质量。结合仿真分析论证，研究采用1.5 T涡轮增压缸内直喷发动机匹配两档DHT(壳体齿轴、电机和电机控制器三合一)与2.2 kW·h电池包的动力组合对CN30S7 HEV功能样车进行改制及整车标定测试。

2 研究改制策略方案

2.1 设计数据边界

根据混合动力总成的改制方案并基于基础车得出DHT的数模边界进行设计，DHT数模初版发布进行总布置匹配校核，并匹配混合动力总成的悬置接口、280 T发动机结合面、冷却管路接口、高低压电气接口等，进一步细化设计，避开干涉并保留足够的安全距离。电池包直接借用量产件布置在后备箱中，将第3排座椅及功放模块进行拆除以腾出空间。

2.2 样机设计组装

根据改制策略方案设计锁定DHT的齿轴速比(P1发电、发动机两档直驱、P3电驱)、结构数模及图纸进行样机的制造组装,如图1、图2所示。

图1 集成式DHT主要组成部分

图2 集成式DHT台架测试

2.3 换档控制

根据整车对混合动力控制单元(HCU)、变速箱控制单元(TCU)与微控制单元(MCU)的功能需求，在混合动力汽车基础上重新定义硬件驱动、匹配内部接口电路、定义控制器局域网(CAN)通信矩阵接口,以及基于两档DHT的整车Simulink控制模型开发底层软件和应用层软件并进行硬件在环(HIL)测试。MCU在量产软件基础上开展P1、P3电机台架标定，生成万有特性效率脉谱图便于下一步整车标定选择电机高效工作点，电子控制单元(ECU)基于现有混合动力汽车通信矩阵更新为适配混合动力汽车车型的软件，并提供发动机万有特性及效率脉谱图。

TCU换档功能定义、换档时序图的研讨分析确定如图3所示。

图3 TCU换档控制

直驱一档、二档的换档点根据发动机高效工作区间及各车速下对应不同的油门踏板开度进行标定，以满足动力性和经济性的需求。根据离合器所需传递扭矩的大小，TCU控制无刷直流电机电压驱动液压泵产生不同的结合压力满足扭矩传递。

3 标定典型问题分析优化

3.1 整车标定准备及开展

根据制定的零部件改制清单对车辆进行手工改制、组装，使车辆成功调整高低压电，以及发动机启停，开始全面进入整车标定阶段。

在已开发的可刷写软件中写入桌面标定数据后刷写至HCU、TCU模块作为初版标定数据。MCU基于现有混合动力汽车软件集成两档DHT台架标定数据作为初版标定数据。然后联合各区域产品工程师(PE)刷新ECU、电池管理系统(BMS)、直流变换器(DC-DC)、换档器控制单元(SCU)、空调控制器(AC)、电子转向控制器(EPS)等控制模块的数据软件匹配样车功能。各控制器模块初版数据就绪后，首先进行高低压上下电的测试，上下电过程(模块唤醒、自检、激活、工作、离线、休眠等)中HCU与各模块的信号交互、时序修正故障排除，确保无钥匙进入及启动系统(PEPS)操作整车可正常上、下高低压电。HCU与发动机ECU联调，优化发动机启动相关信号、时序，以及排除燃油泵线束故障后发动机可实现启停并正常响应HCU目标扭矩。HCU与其他各相关模块功能实现的信号交互逐一核对、修正。

通过底盘检查、整车电检、四轮定位、制动(ABS)检测、转毂车速检测等过线检测项目后，将该样车分别在市区拥堵路况、郊区快速路、国道、高速路、环山路等路段进行不同工况的标定测试。主要标定内容见表1。

表1 不同工况的标定测试内容

3.2 整车顿挫问题优化

针对直驱一档大油门，车速为90 km/h左右，缓踩油门时整车有顿挫的情况，HCU提高油门开度，车辆加速至高速时缓踩油门，P1电机恢复扭矩斜率(换档过程斜率和直驱斜率)，更好地平衡发动机扭矩，命令P3电机不进行补扭，抖动现象基本消除。整车顿挫问题优化前后数据分析如图4、图5所示。

图4 整车顿挫问题优化前

图5 整车顿挫问题优化后

3.3 换档停机问题优化

滑行过程变速器二档退一档时P1电机飞车，HCU请求发动机停机，但由于此时离合器没有脱开，发动机没有响应停机，整车行车模式有异常跳变；当离合器脱开时，发动机处于施加正扭状态，P1电机被带飞。针对该问题，利用HCU软件增加扭矩解析相关功能模块。换档停机问题优化前后数据分析如图6、图7所示。

图6 换档停机问题优化前

图7 换档停机问题优化后

3.4 整车抖动问题优化

针对纯电起步、低速(8～15 km/h)、小油门(约10%)、急踩油门、缓踩油门时整车抖动的问题，采用MCU软件开启防抖功能，针对识别出来的固有抖动频率(6～8 Hz)P3电机补偿扭矩[2]。整车抖动问题优化前后数据分析如图8、图9所示。

图8 整车抖动问题优化前

图9 整车抖动问题优化后

4 结果分析

经过严谨的整车标定测试，该CN30S7 HEV功能样车圆满完成，基本实现了研究目标。

CN30S7 HEV功能样车的0～100 km/h加速时间比基础燃油车减少3 s，加速能力大幅提升；综合工况道路实测油耗比基础燃油车节省30%；NVH性能也得到显著提升。动力充沛、行车模式切换迅速及时、加速线性有力、行驶平顺性好，基本没有感受到换档的抖动、顿挫；油门踏板响应能很好地跟随驾驶员的行车需求和意图。

集成式DHT硬件集成度高、结构紧凑利于总布置；现有成熟HCU模型架构可以满足两档DHT 混合动力汽车的整车控制需求；整车动力性、加速能力明显增强；TCU控制换档响应迅速、平顺性好；不同工况下发动机、P1电机、P3电机可标定高效区范围广，燃油经济性潜力大；各种激烈驾驶工况下荷电状态更容易保持平衡。

5 结语

在汽车大变局时代，产品应根据用户的需求和痛点的解决不断改进与升级。经过此项研究，基本形成了集成式两档DHT的整车技术路线，对集成式两档DHT的整车表现有了直观认知及数据积累，所搭载开发的车型有助于满足国家“双积分”政策，并实现国家“双碳”的目标。