家用乘用车档位设置及档位控制策略的研究

李家雄　黄振华　许声堂

摘 要：本文首先分析讨论了车辆档位设置的类型和定义，明确讨论内容;然后提炼了车辆的状态分类，规范研究方向;最后，利用列表法重点讨论了搭载不同类型动力系统的乘用车的档位控制策略。本文研究结果有一定的普遍性，在进行某一车型的具体匹配时，应根据车型的开发需求具体分析，制定针对性的档位控制策略。

关键词：档位 动力系统 换档策略 整车架构

Research on the Gear Setting and Gear Control Strategy of Household Passenger Cars

Li Jiaxiong Huang Zhenhua Xu Shengtang

Abstract：This article first analyzes and discusses the types and definitions of vehicle gear settings， and clarifies the content of the discussion; then refines the vehicle state classification and standardizes the research direction; finally， using the list method， the article focuses on the discussion of the gear control strategies of passenger cars equipped with different types of power systems. The research results of this paper have a certain generality. When the specific matching of a certain model is carried out， a specific analysis should be made according to the development needs of the model， and a targeted gear control strategy should be formulated.

Key words：gear position， power system， shift strategy， vehicle architecture

1 引言

本文討论的家用乘用车，是指轿车、SUV、MPV等乘用车，区别于卡车，农用车，特种汽车等商用车。档位设置，狭义上是指汽车变速器的档位设置，本文对车辆的档位的定义在应用对象方面进行了拓展和类比。档位控制策略，是给车辆的使用状态设置合适的车辆档位，从而使车辆在使用过程中满足驾乘舒适性，操控性，动力经济性等方面的要求。

随着新能源汽车的崛起和扩张，汽车动力系统和整车控制策略日趋复杂化。车辆的档位设置和档位控制策略，是动力系统和整车控制系统的衔接部分，对此进行研究可以加深对整车控制架构的了解，从而优化整车架构，不断完善整车控制策略。

2 车辆档位设置

人们提到汽车档位时，一般都默认指的是汽车变速器的档位。本文讨论的是整车的档位设置和档位控制，在这里对车辆档位的定义作进一步的拓展及定义，把车辆档位分成以下三种类型：

1、整车档位：车辆实际的状态，倒如前进，倒退，原地驻车等;

2、变速器档位：变速器位于动力源到车轮之间，是控制整车档位状态的关键零部件，变速器的档位状态可分为空档，前进档，倒档，驻车档（自动档汽车）等;

3、换档器档位：换档器的作用是把驾驶员的意图及换档动作传递给变速器或整车，从而改变整车的实际状态，并同时向驾驶员显示整车状态。换档器档位是指可从换档器读取到的档位信息，换档器的档位信息可通过换档器的机械状态（例如换档杆的位置）或信号状态（例如点亮档位字符灯）来识别。

3 车辆状态分析

车辆状态是指在外界输入不变的情况下，车辆可长期保持的一种状态。当车辆处于某种状态时，可认为车辆的档位也处一个固定的档位。车辆状态的分析和确认是进行车辆档位设置和控制的前提。

一般的家用乘用车，行驶路况大多数是铺装路面，包括城市路况，乡村路况，高速路况等以及少量的山路或坏路况。在整车耐久性，动力经济性，底盘可靠性等功能开发时，需要针对这些工况对整车进行匹配优化。

但整车的档位设置及档位控制策略关系的其实是整车的动力控制策略，在汽车行驶过程中，不管是上述的哪种路况，为了适应行驶路况及驾驶员性格，车辆的档位状态都会处于一种不断变化的状态。因此，需要对汽车工况进行进一步的提炼及分类。

在本文的讨论中，汽车稳定状态分为以下几个类型：

1、原地驻车：车辆停在原地不动，动力源不工作;

2、原地怠速：车辆停在原地不动，动力源工作;

3、前进行驶：车辆向前匀速或加速运动，动力源输出;

4、前进滑行：车辆靠惯性向前运动，动力源不输出;

5、倒车行驶：车辆向后匀速或加速运动，动力源输出;

6、倒车滑行：车辆靠惯性向后运动，动力源不输出

以上状态均包括带坡度的路况。

4 档位控制策略分析

在规范了车辆档位设置和车辆状态的定义后，下面进行档位控制策略进行分析，按车辆动力系统类型来进行分类讨论。

4.1 手动档车型

在手动档车型中，从换档器到变速器之间为机械连接，变速器档位和换档器档位是一致的。当换档器换到某个前进档时，假设为1档，那此时变速器档位也是前进档中的1档，空档和倒档也是同样的情况。比较特殊的是驻车档，手动档变速器一般没有驻车机构，手动档车型的驻车档为通过手刹控制车轮制动来驻车，为了方便讨论，把手刹也包含在广义的换档器里面。把车辆状态、档位设置进行列表汇总，得到手动档车型换档策略，如表1所示。

从表1中可以看出，车速为0时整车为驻车档，变速器档位则与发动机有关，发动机启动时变速器要为空档，发动机未启动时则变速器档位无要求，变速器档位与整车档位以及换档器均发生分离。整车前进或后退时，变速器为相应的档位或空档，这样换档器档位与变速器档位一致，并同时与整车档位发生分离。

由此来见，虽然手动档车型听起来档次不高，但其整车档位控制策略仍有一定的复杂性。目前市场上反应手动档车型档位控制相关的故障较少，主要有两个原因：一是手动档车型的档位控制中枢是驾驶员的大脑，这比比任何自动控制芯片都更灵活，更可靠，可快速响应各种整车工况来进行整车调整;二是因为手动档车型档位控制相关部件均为机械连接，结构简单，容错率高，出现故障时往往驾驶员独自即可进行排错重启，不需要到维修点或4S店，从而显得故障少。

手动档车型控制策略变化少，大多数整车厂的整车开发重点为提升换档舒适性。

4.2 自动档车型

在自动档车型中，由于电子换档器的加入，换档器与变速器之间的机械连接被切断或部分切断，整车档位，变速器档位，换档器档位之间的对应关系开始发生化，典型的场景是，驾驶员把换档器切换到D档（前进档）位置，但此时驾驶员仍踩着刹车或没有解除驻车开关，那整车控制系统会把变速器档位切换到空档。在这种状态下，换档器档位为前进档，变速器档位为空档，整车档位状态为原地驻车，三个档位状态不一致。

在电子换档器的应用中，有的会集成驻车开关，有的仍单独设置驻车开关，而驻车开关的应用类型，也有控制变速器P档驻车机构，控制车轮制动器，同时控制变速器P档驻车机构和车轮制动器等多种类型。因此，在自动档车型的讨论中仍单独考虑驻车开关，档位设置及控制策略见表2。

从表2中可以看出，自动档汽车在原地时较易发生档位档位分离，在前进或倒车行驶过程中，出于安全考虑，可以通过软件控制保证变速器档位与车辆档位一致。同时，由于后台控制软件的存在，在行驶过程中换档器的重要性降低，行业上有的会采取锁止手段，保证换档器档位也与整车档位一致，有的会为了给驾驶员保持一定的操作感，仍然保持为可切换状态，具体设置方式可参照整车定位和控制风格实施。

4.3 新能源汽车

最近几年，新能源汽车飞速发展，随着汽车动力源的变化，汽车的档位及控制也发生了了相应的调整。這里分别从纯电动汽车和混合动力汽车两种类型进行阐述。

首先是纯电动汽车，它的动力源是电动机，电动机相对于内燃机有一个优势是它可以快速的进行正反转切换，可以通过控制电机反转来代替变速器中的倒档。另外，电动机优良的启停性能，也不需要跟内燃机汽车一样用复杂的变速器档位来协调动力源转速与车轮转速的速差。因此，在纯电动汽车中，变速器的结构大大简化，成为固定传动比的减速器，变速器档位在汽车档位的讨论中失去了意义，不列入讨论。此时车辆的前进、后退完全由电机实现，而电机的运转方向由换档器及电机控制器控制。所以纯电动汽车也是换档器档位与整车档位一致的类型（变速器档位已忽略）。

具体换档策略参见表3，变速器保持为固定档位，整车档位完全由换档器档位控制，在原地时不会发生档位分离，而在前进或倒车行驶过程中，档位分离也跟自动档车型一样仅出于操作性的考虑，影响不大。

然后是混合动力汽车，由于电驱动和内燃机驱动双动力源，变速器结构及整车驱动形式都发生了复杂的变化，汽车档位及档位控制也相应的复杂化：

1、两驱车型且变速器只有一条动力传递路径：内燃机、电动机及变速器都集成在一套动力总成上，且整车只有一套动力总成。此时档位控制逻辑基本上跟自动档车型一样，但会新增一个制动能量回收工况。

2、两驱车型且变速器有多条动力传递路径：内燃机、电动机及变速器都集成在一套动力总成上，且整车只有一套动力总成。由于变速器有多条动力传递路径，每条动力传递路径会分别处于不同的状态，此时再变速器档位就失去了意义。排除了变速器档位的话，整车档位跟换档器档位会保持一致。

3、四驱车型：内燃机、电动机及变速器都集成在一套动力总成上，装在整车前轴，整车后轴另外装有一套电驱动桥，由电机和减速器组成。此时比两驱型混合动力汽车又会新增一种档位控制模式，整车档位为前进档，变速器档位是空档，换档器档位为前进档，此时整车由后驱动桥驱动，前桥处于发电状态。

因此，在讨论混合动力车型档位控制时，引入动力总成状态的概念，它介于变速器档位状态与整车档位状态之间，控制策略为从整车档位状态确认动力总成状态，再确认动力总成内的变速器档位状态。

表4整理了混合动力四驱车型的整车档位与总力总成状态的分布。其中动力状态定义了驻车、发电、驱动、空档四种主要模式;其中驱动模式下细分了前进档跟倒档两种状态，发电分成发动机发电与反拖发电两种状态。由于后桥只有电机，没有发动机，所以后桥的发电状态只有反拖发电一种。

从表4可以看出，除了前进行驶时有单前桥驱动，两桥驱动，前桥发电后桥驱动，两桥驱动同时前桥兼顾发电四种状态外，原地驻车、前进滑行、倒车行驶、倒车滑行时的动力总成状态比较简单，这主要是为了简化控制逻辑和提高零件寿命。在这些整车档位下，有些是长期状态不变，不需要变更状态，有些是状态短暂，频繁变动状态会电机、控制模块等零件寿命，所以有必要进行动力状态数量简化。

混合动力汽车节油原理主要有两方面：一是减少在起步、急加速等发动机效率状态不高的工况下使用发动机，提高发动机整体燃油效率;二是直接用电驱动代替发动机驱动，直接减少燃油消耗。这两种节油原理均要保证电动机能正常工作，所以混合动力汽车的动力总成都必须保留发动机发电的模式。在整车电量充足时，发动机以响应整车行驶的驱动需求为主，若整车电量不足，则进入发动机发电模式给电池充电，并兼顾整车行驶需求。在整车行驶过程中，系统需要保持对整车电量的监控，在电量不足时进行发动机发电充电。

除了表4列出的动力总成状态和整车档位状态，还需要制定变速器档位状态和换档器档位状态的控制策略。在動力总成状态确认后，变速器即可根据动力总成状态和变速器的结构特点，切换变速器的档位。所以在混合动力车型中，需要一个变速器控制模块TCU来控制变速器档位，另外还有一个混合动力控制模块HCU来控制整车的动力总成状态。

在混合动力车型中，变速器档位由动力总成状态确认，汽车驾驶状态更多与动力总成状态相关，所以换档器档位的控制逻辑需要改为与动力总成状态对应。此时比较特殊的是空档的设置，因为混合动力车型在起步时为电驱动，不需要单独发动机怠速，所以动力总成状态中没有空档的的状态。但仍不建议在换档器档位中取消空档的设置，一方面是为了保持与其他动力车型的一致性，降低驾驶更换驾驶车型的难度，另一方面是增加D/R切换的特殊性，增加提醒效果，提高安全性。同时，整车架构设计时也可根据整车需要在空档位置设置需求的其他功能。

5 结语

从原始的内燃机手动档车型到最新的混合动力车型，汽车的动力总成技术越来越先进，越来越环境友好，硬件结构和控制方法也越来越复杂。但得益于计算机技术的发展，汽车越来越智能化，对驾驶员的驾驶技术要求反而是越来越低的。汽车档位控制作为汽车人机交互的第一界面，在汽车开发上的角色也越来越重要。在进行整车架构开发和控制策略开发时，汽车开发工程师必须从整车功能定位、市场需求、硬件技术基础等方面统筹考虑，寻找最适当的档位控制策略。

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