混动车辆变速箱油温预估模型分析

2023-01-31吴光耀

汽车实用技术 2023年1期

吴光耀，李伟，郭靖，黄喆

（比亚迪汽车工业有限公司产品规划及汽车新技术研究院，广东深圳 518118）

汽车变速箱是汽车传动系统中的重要部件，其主要功能是用来改变发动机扭矩和驱动轮的转速范围以适应各种不同路况的复杂行驶条件，如起步、加速、上坡等，同时还可以使发动机处于比较有利的条件下工作[1]。因此，变速箱的工作性能对整车传动系的工作性能有着重要影响。通过各种研究和实践发现，变速箱工作效率低下或者零部件损坏并不仅仅与变速箱各零部件结构有关，还与变速箱工作状态下的内部发热状况有关。因此，变速箱热平衡状态对变速箱的工作性能有着重要影响[2-3]。

汽车变速器结构紧凑、传递扭矩较大、工况变化复杂，如果变速箱内部温度过高会严重影响润滑油的性能及零部件的使用状态，进而影响变速箱的使用寿命及传动效率[4]；同样变速箱油的温度过低，又会造成传动效率低，对经济性造成影响[5-6]。

随着新能源汽车技术的发展，为减少变速箱在工作时齿轮啮合产生的摩擦损失，变速箱的结构变动越来越集成化和简单化。一些混动新能源车辆的变速箱挡位只有两个挡位或者只有一个挡位，相比传统变速箱，新能源变速箱的挡位少了很多，同样的换挡动作会减少很多，所以挡位切换过程产生的热量在混动车辆是不存在或者是可以忽略不计的；而且很多混动车辆和纯电动车辆，为解决整车布置的问题，缩小机械器件所占的空间，将变速箱与驱动电机集成于一体[7]。

一些混动车辆的变速箱只有一个挡位，不存在换挡的工况，更没有离合器。此变速箱油温的升高主要是换挡过程中滑摩产生的热量，当变速箱与发电机、驱动电机等集成于一体时，还要考虑电机本体的热传递；此变速箱油温的散热主要靠风扇对油冷器的冷却以及对变速箱油底壳的冷却[8]。

1 油温预估控制模型

混动车辆变速箱油温的预估，行驶时的温度预估是依靠油的流量、温差产生的热量和自然散热综合得到的；而车辆静止时无油的流量，温度的降低是依据自然冷却散热进行。

1.1 整车下电时的温度预估

温度预估模块检测到整车是否为整车下电的状态，如果为整车下电状态，如图 1所示，则记忆下电时的时间和油温。此时车辆的散热是依靠和空气的温度差自然散热的，变速箱进入自然冷却状态。此时的温度预估策略为先计算温度，温差为下电时的油温和当前车外温度的差值。根据温差查标定表确定当前油温冷却到大气温度所需要的时间TTRA，此表格是由温差查找冷却时间的一维表格。如果下电的时间超过该冷却时间TTRA，则油温等于车外温度。如果车辆下电时间在TTRA时间之内，则根据温差和下电时间查表确定下电后自然冷却的温度变化量，该表格是由温差和下电时间所确定温度变化量的三维表格，当前的油温则等于下电时温度减去下电后自然冷却的温度变化量。

图1 变速箱油温预估控制流程图

1.2 整车上电时的温度预估

当车辆不是处于下电状态则整车处于工作状态，变速箱也进入工作状态。首先调取油温初始化模块，此模块首先判断当前车辆是否为该软件的第一次上电，即指带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM）中是否有记忆的油温值，如果没有记忆的油温值，则为第一次上电，如果有存储的油温值则不为第一次上电。如果该车辆为使用该软件的第一次上电则初始化油温T1默认为室外温度，如果不为第一次上电，则初始化油温T1等于TCOOL。

初始化油温T1获得后，进行一些基本量的计算。首先是温差计算模块，电机与油温的温差TMCUDIFF为电机温度与油温之差，发电机与油温的温差TGMCUDIFF为发电机与油温之差，空气和油温的温差TAIRDIFF为油温与车外温度之差。

再进入流量计算模块，整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）判断整车实际工作模式是否为电动车（Electric Vehicle, EV）模式，如果是则只进行驱动电机流量FMCU和油冷器流量FOIL的计算，否则不仅要进行驱动电机流量FMCU和油冷器流量FOIL的计算，还要进行发电机流量FGMCU的计算。其中驱动电机流量FMCU等于油泵流量与电机流量比例之积，发电机流量FGMCU等于油泵流量与发电机流量比例之积，油冷器流量FOIL等于油泵流量。

基本量计算完成后，就要考虑在整车运行过程中所产生的热量。首先是电机工作传递给变速箱油的热变化量TMCU。热量的计算是通过温差TMCUDIFF和电机流量FMCU查表确定的。此表格为温差和流量所确定温度变化量的三维表格，表格是通过试验标定得到的。其中，标定的数据直接关系到预估温度的准确性。发电机的工作也会产生热量传递给变速箱，导致变速箱油温的升高。发电机工作导致变速箱油温的升高是通过温差TGMCUDIFF和发电机流量FGMCU查表确定的。此表格为温差TGMCUDIFF和发电机流量FGMCU所确定温度变化量的三维表格，也通过严格的试验获取数据。

考虑导致变速箱油温度升高的因素后，要考虑散热因素导致变速箱油温度降低的因素。首先是变速箱油通过油冷器传递给空气的热量。车辆在正常运行中如果达到一定温度条件，风扇是会根据策略进行占空比的控制的，风扇的运行也会对油冷器的散热起到作用。VCU首先根据散热风扇的占空比查表确定等效车速当量，此表格是由风扇占空比确定等效车速当量的一维表格。那么最终的等效车速为真实车速与等效车速当量之和。再根据空气和油温的温差TAIRDIFF和油冷器流量FOIL查表确定热量变化当量HCOOL，此表格为空气和油温的温差TAIRDIFF和油冷器流量FOIL所确定温度变化量的三维表格，此表格数据的确定也是完全通过试验精准获取。然后根据空气和油温的温差TAIRDIFF和等效车速查表确定热量变化当量系数，最后油冷气散热的热量变化当量TOIL为热量变化当量HCOOL与热量变化当量系数乘积。

导致变速箱油温度降低的因素还有变速箱油底壳的自然散热。首先根据温差TAIRDIFF查表确定自然散热变化量HAIR，此表格为一维表格；然后根据空气和油温的温差TAIRDIFF和等效车速查表确定热量变化当量系数，最终的自然散热热量变化当量TOIL为HAIR与热量变化当量系数之积。

最终的变速油油温即为产生的热量变化量与散热的热量变化量之差，所以，变速箱油温T=初始化温度T1+电机油热量变化当量TMCU+发电机油热量变化当量TGMCU-油冷器热量变化当量TOIL-自然散热量TAIR，如图1所示。