混合动力汽车分离离合器故障诊断测试技术研究

赵德银 许中芳 王伟东 高艳 高奥

（中国第一汽车股份有限公司 智能网联开发院,长春 130013）

主题词：P2构型 混合动力车 分离离合器 故障诊断

1 前言

当前全球正面临着日益加剧的环境污染和逐渐耗尽的能源危机，而燃油汽车是二氧化碳排放和石油消耗的主要贡献者，必须对其进行变革以减轻环境和能源问题。目前新能源汽车发展已在全球形成共识，包括插电式混合动力、纯电动、燃料电池技术将是新能源汽车的主要技术方向。

采用P2构型的混合动力车，动力系统搭载了发动机和电机，发动机和电机之间通过分离离合器连接。根据不同的行驶工况，在整车控制器HCU的控制下，通过电磁阀的开启或关闭，及通过压力传感器实时获取分离离合器结合压力，以精确控制分离离合器的结合或分离状态，使整车处于纯电动、发动机单独驱动、联合驱动、怠速发电、行车发电等不同的行驶模式。由分离离合器、电磁阀、压力传感器及HCU构成的分离离合器系统对整车行驶的安全舒适非常重要，因此对分离离合器的故障诊断也很重要。在分离离合器系统出现故障时，HCU必须能及时检测到故障情况，并对故障做出合理、有效的反应。

本文针对分离离合器系统故障情况进行分析，编写测试大纲，并在整车HIL（Hardware In Loop）测试系统上搭建自动化测试序列，实现了对分离离合器系统故障诊断的自动化测试，以检测在分离离合器系统出现故障时，HCU对故障情况的诊断功能及故障情况下控制功能是否合理。

2 P2构型及分离离合器系统结构

基于P2构型的混合动力车架构如图1所示。

图1 P2构型混合动力车架构

分离离合器系统结构如下图2所示，由压力控制电磁阀、分离离合器、压力传感器及整车控制器HCU组成。压力控制电磁阀的输入油源来自于油泵的输出油压。电磁阀在HCU的电流控制下，通过阀芯的打开或关闭，使油泵的油压进入或离开分离离合器，进而控制分离离合器结合或分离。分离离合器中的压力传感器将离合器结合压力实时传递给HCU，以便HCU能通过反馈压力做到对离合器结合程度的精确控制。

图2 分离离合器系统结构示意

3 分离离合器系统故障诊断测试

3.1 测试环境

分离离合器系统故障诊断测试基于整车HIL测试系统进行。该系统软件部分包含动力电池模型、电机模型、离合器模型、发动机模型、变速器模型及车辆动力学实时仿真模型。实时硬件在回路系统由实时处理器、输入输出通道、信号调理、故障注入、真实/仿真负载组成。通过上位机的控制，可以实现模型下载、自动化测试、数据采集及保存。

图3 整车HIL测试系统

3.2 测试系统设计

在P2构型的混合动力车中，分离离合器连接着发动机和电机，起着动力系统扭矩耦合和分离的作用，实现了混合动力车各种行驶模式。在分离离合器系统中，电磁阀驱动线路故障、压力传感器偏移故障、压力传感器线路故障及分离离合器自身故障，都会影响分离离合器的结合或分离，进而对整车的行驶状态及行驶安全带来影响。作为分离离合器系统的控制者，HCU必须能及时诊断出这些故障，并对故障做出及时、正确、有效的反应（比如：关闭电磁阀、起动或停止发动机），以保证车辆处于安全、可控的状态中。

针对分离离合器系统中各个故障点，明确测试对象和测试目的，设计分离离合器系统故障诊断测试大纲，如下表1所示。

表1 分离离合器系统故障诊断测试大纲

3.3 测试实施

基于分离离合器系统测试大纲，编写测试用例，搭建自动化测试序列，完成批量运行主程序、数据字典、测试参数集和测试框架的构建，如下图4所示。在自动化测试过程中，自动化测试序列自动调用测试参数，完成分离离合器系统的自动化批量测试。

图4 测试实施

3.4 数据处理

在自动化测试过程中，会产生大量的测试数据，本文采用Python脚本语言编写数据批处理软件，将测试过程中采集的数据转换为MATLAB格式，并将该数据与总线信号进行同进步、合并，对合并后的数据进行提取、分析。

图5 测试结果分析

4 典型工况测试结果分析

4.1 电磁阀驱动线路高端对电源短路故障

在车辆纯电动模式行驶过程中，电机驱动车辆行驶，发动机停机，电磁阀驱动电流较小，分离离合器处于分离状态。测试结果表明：在电磁阀驱动线路高端对电源短路时，电磁阀流过的驱动电流最大（如图6，最大达到2 A），电磁阀全开，油泵通过电磁阀输出压力使分离离合器意外结合，发动机被电机拖动转动。HCU通过发动机转速检测到发动机意外转动，并通过电磁阀驱动芯片检测到驱动线束故障。为了行驶的安全性及车辆可控性，HCU向驾驶员发送报警信息，同时关闭电磁阀低端驱动，使电磁阀驱动电流减小到为0 A，电磁阀关闭，使流过电磁阀的压力减小，分离离合器分离，发动机转速下降，车辆进入纯电动跛行。在此行驶工况下，HCU能及时检测到故障情况，并对故障做出处理，进而保证车辆安全、可靠的行驶。

图6 电磁阀驱动线路高端对电源短路故障测试结果

4.2 电磁阀驱动线路开路故障

在车辆混动模式行驶过程中，由发动机和电机联合驱动车辆行驶，电磁阀驱动电流较大，分离离合器处于结合状态。测试结果表明：在电磁阀驱动线路开路时，电磁阀流过的驱动电流最小（如图7，电流减小到0 A），电磁阀全关，油泵输出油压不能通过电磁阀进入分离离合器，使分离离合器意外分离，发动机突然失去负载导致发动机转速升高。HCU通过电机转速和发动机转速检测到分离离合器意外分离，并通过电磁阀驱动芯片检测到驱动线束故障。为了行驶的安全，避免发动机无意义工作，HCU向驾驶员发送报警信息，发送发动机停机命令，车辆进入纯电动跛行。在此行驶工况下，HCU对故障检测不够及时，导致发动机转速增加较多时，才发送发动机停机命令，整车舒适性、经济性不好。

图7 电磁阀驱动线路开路故障测试结果

4.3 分离离合器自身故障测试

在车辆纯电动模式行驶过程中，电机驱动车辆行驶，发动机停机，电磁阀驱动电流较小，分离离合器处于分离状态。测试结果表明（图8）：HCU在行驶过程中通过电机起动发动机时，HCU会先增大电磁阀电流，使分离离合器压力增大，由电机将发动机拖动起动。由于分离离合器存在不能结合故障，即使分离离合器压力增大，发动机不能被拖动转动。HCU通过电机转速和发动机转速检测到分离离合器结合失败。为了避免发动机无意义工作，HCU向驾驶员发送报警信息，同时停止起动发动机，车辆进入纯电动跛行状态。HCU在此行驶工况下，对故障检测比较及时，其故障处理也是安全、可靠的。

图8 离合器本体故障测试结果

4.4 压力传感器线路故障

在车辆混动模式行驶过程中，由发动机和电机联合驱动车辆行驶，电磁阀驱动电流较大，分离离合器处于结合状态。测试结果表明（图9）：在压力传感器线路出现对电源短路故障时，HCU检测到压力传感器输出信号电压较大，此时HCU无法通过压力传感器实时获取离合器结合压力真实值。为了行驶的安全及离合器控制的精准，提高整车舒适性和安全性，HCU发送发动机停机命令，车辆进入纯电动跛行模式。

图9 压力传感器线路故障测试结果

4.5 压力传感器偏移故障

在车辆混动模式行驶过程中，由发动机和电机联合驱动车辆行驶，分离离合器处于结合状态。测试结果表明（图10）：在压力传感器出现偏移故障时，HCU检测到当前实际压力与期望压力偏差较大，此时HCU无法通过压力传感器实时获取离合器结合压力真实值。为了行驶的安全及离合器控制的精准，提高整车舒适性和安全性，HCU发送发动机停机命令，车辆进入纯电动跛行模式。

图10 压力传感器偏移故障测试结果

5 总结

针对P2构型混合动力车分离离合器系统结构、故障情况及故障结果进行分析，并根据故障情况进行针对性测试，以检测HCU在故障发生时的故障检测功能及故障控制功能是否合理、可靠。在自动化测试平台上，采用测试参数和测试序列分离设计技术，实现了自动化批量测试，同时采用数据批量处理技术，实现了对分离离合器系统故障情况的快速测试、验证，达到了很好的测试效果，降低了测试成本，缩短了验证周期，提高了HCU的功能品质。