基于CVT的怠速节油控制模型

江铭　杨燕　李应优　谷城　徐恒

摘 要：降成本和提效率是鞭策汽车行业不断前行的动力。在已知整车怠速节油原理的基础上，本文从汽车控制软件方面入手，基于汽车软件开发V模型，优化汽车软件控制模型，控制整车硬件在运行过程中开启怠速节油。并通过实车实验对比验证，得出设计符合预期功能。为整车降油耗提供软件助力。

关键词：模型设计 怠速节油 控制器 离合器

Design of fuel-efficient control software for CVT

Jiang Ming Yang Yan Li Yingyou Gu Cheng Xv Heng

Abstract：Cost reduction and efficiency improvement are the driving force for the automobile industry to move forward. Based on the known principle of fuel saving at vehicle idle speed， this paper starts from the aspect of vehicle control software， develops V model based on vehicle software， optimizes the vehicle software control model， and controls the vehicle hardware to open idle speed and fuel saving during operation. Through the comparison and verification of real vehicle experiments， it is concluded that the design conforms to the expected function to provide software assistance for reducing fuel consumption of the vehicle.

Key words：pattern design， idle fuel-efficient， controller， clutch

1 引言

隨着国家强制性排放油耗法规的不断加码，各大车企的油耗压力变得越来越大。对此，提升整车传动效率成为了传统车企发展的必经之路。提升效率的方法也层出不穷，零件轻量化、动力牺牲、发动机节油新技术的应用等。如今软件定义汽车[1]的呼声方兴未艾，软件已经渗透了几乎所有的汽车系统，在汽车的开发中，软件的设计变得越来越重要。本文从软件层面出发，利用软件的V型开发流程，设计一种基于无极自动变速器（CVT）的怠速节油控制模型。CVT作为主流变速器的一种，燃油经济性和驾驶性能是其主要竞争力，并且随着国内CVT技术的提升，搭载CVT上市的车辆品牌越来越多，总体来说，从改善CVT控制软件方面提升效率是一个不错的选择。

2 原理分析

传统的CVT变速箱都设计有液力变矩器结构（Torque Converter），液力变矩器的涡轮端与DNR离合器为花键连接。在车辆处于前进挡并且怠速时，离合器处于前进挡结合状态，车辆整体传动链在液力变矩器处实现柔性连接。液力变矩器内部油液是存在阻力的，发动机需要消耗相应的燃油产生扭矩克服阻力。设计怠速控制模型，在车辆怠速时，将液力变矩器的拖曳扭矩控制在最小范围内，减小发动机怠速时的负载[2]。

汽车软件开发V模型[3]是汽车软件设计的常用开发方法，包括功能定义、需求分析、架构设计、软件单元设计、目标/产品代码生成、单元测试、Hil测试、系统集成测试、整车测试等流程，如图1所示。本文主要描述怠速节油模型设计的需求分析与软件单元设计方面，并通过实车测试验证功能是否符合定义。

3 需求分析

怠速节油控制应用场景：城市用户日常用车的应用工况中，等待红绿灯工况出现频率较高且驾驶环境平和。在此工况下怠速节油功能的介入对车辆动力与车辆驾驶性影响最小。此时车辆静止并且挡位手柄处于D挡，驾驶员处于等待出发状态。功能需求：在以上类似的应用场景下，开启怠速节油功能，降低车辆燃油消耗。

怠速节油模型目标功能：车辆怠速时，控制CVT的D挡离合器产生滑差（液力变矩器的拖曳扭矩在最小范围，变速箱接近空挡状态[4]）。保证起步的前提下，降低发动机转速与涡轮转速差值，提高换档（D-N）驾驶感受。

CVT控制系统的控制流如图2所示。整个控制系统分为TCU硬件与CVT硬件两大部分，本设计是基于TCU硬件的基础进行应用层软件设计。TCU发送电流信号至电磁阀，在电流的作用下电磁阀进行动作，电磁阀与液压阀板配合改变CVT内各个部件的压力，各个部件在压力的作用下改变运行状态，最终动力从CVT输出到车轮。

4 控制模型设计

4.1 软件架构

根据需求分析，将控制模型分为三个小模型进行设计，软件架构如图3所示。首先是场景判定，怠速节油功能只有在特定的场景下才能开启，场景的识别应该作为控制模型的首要功能进行设计，通过TC工作原理以及整车运行分析，确定场景识别条件。然后是压力控制，控制D挡离合器产生滑差，就需要在原本离合器压力的基础进行偏移，压力偏移的大小直接影响驾驶员换挡回N与车辆起步时的驾驶性。最后是滑差的PI控制器，怠速节油功能开启时控制D挡离合器产生滑差，设计PI控制器，调节产生滑差的过程更平稳、更迅速、更准确。

4.2 场景识别

场景识别的主要作用是识别车辆所处工况能否为期望工况。根据传感器采集信息进行判断，在不影响车辆驾驶性能与硬件寿命的前提下尽可能多次的开启功能，让节油的效果最大化。当下列条件全部满足，判定车辆处于期望工况：

车速小于标定阈值;

制动缸压力大于标定阈值;

制动缸压力变化小于标定阈值 ;

挡位手柄处于D挡;

变速器油温在30℃-120℃范围内;

坡道信号值小于3%;

发动机稳定运行标志位置位;

完成场景识别后检测离合器是否处于正常工作状态：离合器滑摩功低于离合器最大承受滑摩功时判定为正常工作。离合器处于正常工作状态后，开启怠速节油功能。场景识别算法流程如图4所示。

4.3 压力控制与PI控制器

根据控制流，设计怠速节油功能开启时D挡離合器的压力控制曲线。综合考虑驾驶性与传输效率，根据怠速节油标志位置位时间，将怠速节油功能的压力控制曲线分为两部分。第一部分为开启与运行阶段，第二部分为退出阶段，如图5所示，t1～t2为第一阶段，t2～t3为第二阶段。设置怠速节油功能运行时的基础压力为P1，离合器结合压力为P2。压力控制第一阶段，D挡离合器的滑差由0变成最小拖曳扭矩滑差，设置最小拖曳扭矩的滑差为期望滑差sp，通过调节D挡离合器压力实现。D挡离合器压力由P2变为P1，选择位置式PI控制器[5]对P1进行调节，直到满足期望滑差sp。位置式PI控制器表达式为：

（1）

其中：u（k）为第k个采样时刻需要作用于P1的输出量，KP为比例环节系数;e（k）为第k个采样时刻的滑差偏差（sp-）;Ki为积分环节系数;e（j）为j时刻的偏差。

压力控制第二阶段，D挡离合器滑差由sp变成0。D挡离合器压力由P1变为P2，变化过程为：

L（t）=P1+u（k）+H（k）   t2≤t≤t3   （2）

其中：L（t）为第t时刻作用于离合器的目标压力输出量，H（k）为第k个采样时刻离合器压力的增量;t3为=0的时刻;

（3）

其中：p为二元标定表格，与油门踏板、滑差相关，根据驾驶性标定。

综上所述，得出怠速节油压力控制原理图如图6所示，通过PI控制器的调节，能够在进入该功能时稳定、准确的达到目标滑差，合理的设定目标滑差能够减小挡位回N的冲击，提高换档的驾驶性。退出怠速节油功能时，车辆起步阶段增加压力斜率开环控制，防止离合器压力突增导致的冲击，同样对驾驶性的提升提供帮助。

5 实车实验

将控制模型加入某款CVT软件中进行集成，到整车上进行功能验证。测试工况为模拟车辆经过红绿灯：平路车速30km/h，刹车至车速为0km/h，深踩刹车20s，松刹车0油门起步，至车速10km/h。使用INCA采集实车数据并分析，如图7所示，在车辆速度降至0km/h后，涡轮转速与主动轮转速的差值逐渐增大，直到达到期望转速差（660rpm）。重新起步后，离合器压力斜率上升，直到转速差重新降至0。如图8所示，对照组的控制软件在车辆停止时转速差依旧为0。实验结果表明：在设定工况下，控制软件能够在怠速节油标志位置位后，打开离合器，实现控制离合器滑差，与预期功能定义符合。系统达到稳态后，控制精度可达到±20rpm，系统采用基于4955C的霍尔传感器，系统采集精度为±5rpm，累计误差±25rpm，误差控制在5%范围内，符合行业内误差控制标准。

6 结论

本文从TCU应用层软件出发，基于软件V型开发流程，详细描述了控制软件模型的设计过程，并经过实车测试验证。结果表明控制模型可实现高精度的压力调节，完整实现预期的滑差控制功能。为车辆整体的节油增效提供了软件支持。良好的控制软件需要不断的优化升级，在后期车辆上市后，还需对用户群体的大数据样本进行采集，根据客户群体的使用情况对软件控制策略、标定参数进行优化。

参考文献：

[1]罗慧培.百度王劲：“软件定义汽车”是大势所趋[J].机器人产业，2016（4）：83.

[2]徐玄之.自动变速箱NIC功能节油研究[J].江西科学，2017（4）：609.

[3]周晓翠.基于Aspice的汽车软件开发流程实践[J].汽车实用技术，2020（1）：109.

[4]方志勤.双离合自动变速车辆怠速节油技术研究[J].设计研究，2018（14）：154.

[5]张元良.基于模糊PID复合控制的医用控温毯控制系统设计[J].机械工程与自动化，2018（12）：167.