基于混合动力系统的换挡系统及升档换挡方法

摘要

一种基于混合动力系统的换挡系统及升档换挡方法，在混合动力系统处于纯电动模式，且进行升档换挡时，信息采集单元采集变速箱输出轴转速、高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流及同步器在退档时的电机实时转速，并将该信息传递至控制单元；在电机调速阶段中，控制单元根据高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流计算高压电系统允许充电功率，同时根据变速箱输出轴转速以及目标档位的齿轮速比电机实时转速确定同步器在挂档时的电机目标转速，从而计算电机在上述高压电系统允许充电功率下从电机实时转速降低至电机目标转速的预估时间，当该预估时间大于预先设定的时间阈值时，控制单元控制离合器结合，以辅助电机调速。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆动力系统技术领域，尤其是涉及基于混合动力系统的换挡系统及基于该换挡系统的升档换挡方法。

背景技术

随着技术的发展，混合动力系统已经越来越多的运用于车辆中，混合动力系统以发动机及电机作为动力源，可以根据车辆的情况进行多种不同的动力组合方式进行工作。

由于电机被集成到了同步器的输入轴上，因此，电机转子的转动惯量可以叠加到同步器的输入轴上，在换挡时，同步器两端会存在较大的速度差，会对混合动力系统产生较大的冲击，严重影响系统的性能。通常情况下，混合动力系统可以通过电机调速，辅助同步器进行变速，使同步器的差速控制在设定的阈值内，然后在控制同步器与目标档位结合，从而提高系统的性能。

具体地，在电机辅助同步器进行换挡时需要经过以下五个步骤：一、电机扭矩归零(见图2a中的阶段1)；二、同步器摘挡(见图2a中的阶段2)；三、电机调速以使同步器输入端转速与输出端转速小于差速阈值(见图2a中的阶段3)；四、同步器挂档(见图2a中的阶段4)；五、电机扭矩恢复(见图2a中的阶段5)。

但是，由于在升档换挡过程中，电机需要从较高的转速降低到较低的转速，特别是低档齿轮之间进行升档的过程中，需要电机调速的范围比较大，为了快速实现电机调速过程，需要产生较大的回馈电流。然而电池系统的性能受到环境温度的因素影响较大，对于某些特殊工况(如环境温度较高或者较低)而言，通过电机进行调速的时间较长，从而增加了动力系统动力中断的时间。若混合动力系统是在混合动力模式，即发动机与电机共同输出动力的模式下工作时，上述问题还可以通过发动机对车辆动力进行补偿。然而，若当混合动力系统处于纯电动工作模式，发动机不向外输出动力，此时，如果电池系统能力受到环境因素的影响而导致电机调速时间变长，就会使动力系统在换挡过程中的中断现象变得十分明显，从而降低了动力系统的性能，降低了驾驶的舒适度。

在现有技术中，为了解决在纯电动工作模式下换挡所产生的动力传输中断的问题，一般会有以下两种解决方式：一种是增加制动器，在电机调节过程中通过制动器提供制动作用，使同步器的速度能够在较短的时间内发生变化，此种方法需要新增加制动器，因此成本较大；一种是采用电池大功率脉冲充电的方式，在电机调速过程中提供更大的电池系统能力，此种方式对电池系统的要求较高，损害电池的使用寿命，同时需要通过较多的试验来确保在采用电池大功率脉冲充电方式时，电机调速过程中的安全性，因此也增加了研发成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混合动力系统的换挡系统及基于该换挡系统的升档换挡方法，该换挡系统能够在不增加成本的情况下，使得混合动力系统能够在较短的时间内完成升档换挡过程，减少动力输出中断时间，提高驾驶的舒适度。

本发明实施例提供一种基于混合动力系统的换挡系统，包括发动机、离合器、电机、变速箱、高压电池、信息采集单元及控制单元；

所述发动机通过所述离合器与所述变速箱的输入轴相连，所述电机与所述变速箱的输入轴相连，所述高压电池与所述电机相连，所述变速箱内设置有同步器；

在混合动力系统处于纯电动模式，且进行升档换挡时，所述信息采集单元采集变速箱输出轴转速、高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流及所述同步器在退档时的电机实时转速，并将该信息传递至控制单元；

在电机调速阶段中，所述控制单元根据所述高压电池温度、所述高压电池电压、所述高压电池电流计算高压电系统允许的最大充电功率，同时根据所述变速箱输出轴转速以及目标档位的齿轮速比确定同步器在挂档时的电机目标转速，从而计算所述电机在所述最大充电功率下从所述电机实时转速降低至电机目标转速的预估时间，，当该预估时间大于预先设定的时间阈值时，所述控制单元控制所述离合器结合，以辅助所述电机调速。

进一步地，当所述同步器输入端转速与同步器输出端转速之差不超过设定的差速阈值时，所述离合器分离，所述电机调速过程结束，所述控制器控制所述同步器进行挂档操作。

进一步地，控制单元通过所述变速箱输出轴转速以及目标档位的齿轮速比得出目标档位需求转速，所述电机实时转速与目标档位侧同步器输出端转速相对应，所述目标档位需求转速与目标档位侧同步器输出端转速之差不超过差速阈值。

进一步地，当所述预估时间大于所述时间阈值时，所述控制单元根据所述时间阈值、所述电机实时转速及所述电机目标转速得出离合器目标扭矩值，并控制所述离合器结合，以提供不低于所述离合器目标扭矩值的扭矩。

进一步地，所述离合器目标扭矩值小于发动机静态扭矩值，离合器输入端转速小于所述发动机保持静态时对应的最大转速。

进一步地，所述时间阈值为一个范围值，在所述时间阈值的范围内，所述离合器目标扭矩值随具体的时间阈值的增大而减小。

本发明还提供了一种升档换挡方法，运用上述基于混合动力系统的换挡系统，并包括如下步骤：

所述电机扭矩归零；

所述同步器摘挡；

所述信息采集单元采集变速箱输出轴转速、高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流及同步器在退档时的电机实时转速，并将上述信息传递至所述控制单元；

在电机调速阶段中，所述控制单元根据根据所述高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流计算高压电系统允许充电功率，同时根据所述变速箱输出轴转速以及目标档位的齿轮速比确定同步器在挂档时的电机目标转速，从而计算电机在上述高压电系统允许充电功率下从电机实时转速降低至电机目标转速的预估时间，电机实时转速电机实时转速当该预估时间大于预先设定的时间阈值时，所述控制单元控制所述离合器结合，以辅助所述电机调速；

同步器挂档；

电机扭矩恢复，升档换挡完成。

进一步地，当所述电机实时转速等于所述电机目标转速时，所述离合器分离，所述电机调速过程结束，所述控制器控制所述同步器进行挂档操作。

进一步地，当所述预估时间大于所述时间阈值时，所述控制单元根据所述时间阈值、所述电机实时转速及所述电机目标转速得出离合器目标扭矩值，并控制所述离合器结合，以提供不低于所述离合器目标扭矩值的扭矩。

进一步地，当所述离合器目标扭矩值大于或等于发动机静态扭矩值，但所述电机仍不能在所述时间阈值内完成调速时，所述控制单元退出纯电动工作模式，进入混合动力工作模式，启动所述发动机为车辆提供动力。

综上所述，本发明提供的基于混合动力系统的换挡控制系统能够在纯电动工作模式下的升档过程之中，通过控制离合器的结合，为同步器提供负扭矩，辅助电机对同步器输入端进行降速，以降低电机调速过程的时间，减少动力输出中断的时间，提高驾驶舒适度。同时，在升档过程的每个步骤中，通过反馈调节，使各步骤的控制更加精确。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于混合动力系统的换挡系统的系统框图。

图2a为现有技术中升档换挡时各步骤的时序变化示意图。

图2b为本发明实施例提供的基于混合动力系统的换挡系统的各步骤的时序变化示意图。

图3为本发明实施例提供的基于混合动力系统的换挡系统的升档换挡方法的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如下。

本发明的目的在于提供一种基于混合动力系统的换挡系统及基于该换挡系统的升档方法，该换挡系统能够在不增加成本的情况下，使得混合动力系统能够在较短的时间内完成升档换挡过程，减少动力输出中断时间，提高驾驶的舒适度。

图1为本发明实施例提供的基于混合动力系统的换挡系统的系统框图，图2a为现有技术中升档换挡时各步骤的时序变化示意图，图2b为本发明实施例提供的基于混合动力系统的换挡系统的各步骤的时序变化示意图。如图1、图2a及图2b所示，本发明实施例提供的基于混合动力系统的换挡系统包括发动机10、离合器20、电机30、变速箱40、信息采集单元50、控制单元60及高压电池70，发动机10通过离合器20与变速箱30的输入轴相连，电机40与变速箱30的输入轴相连，高压电池70与电机相连，变速箱30内设置有同步器，在混合动力系统处于纯电动模式，且混合动力系统在进行升档换挡时，信息采集单元50采集变速箱输出轴转速、高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流及同步器在退档时的电机实时转速，并将上述信息传递至控制单元60；在电机调速阶段中，控制单元60根据所述高压电池温度、所述高压电池电压及所述高压电池电流计算出高压电系统允许的最大充电功率，同时根据变速箱输出轴转速以及目标档位的齿轮速比确定同步器在挂档时的电机目标转速，从而计算出电机在最大充电功率下从电机实时转速降低至电机目标转速的预估时间，当该预估时间大于预先设定的时间阈值时，控制单元60控制离合器20结合，以辅助电机调速。

在本发明中，在混合动力系统处于纯电动模式，且混合动力系统在进行升档操作时，需要通过以下步骤：一、电机扭矩归零(如图2b中的阶段1)；二、同步器摘挡(如图2b中的阶段2)；三、电机调速(如图2b中的阶段3)；四、同步器挂档(如图2b中的阶段4)；五、电机扭矩恢复(如图2b中的阶段5)。在车辆工作过程中，由于高压电池70工作环境的变化，其高压电池温度、高压电池电压及高压电池电流也在不断变化，因此高压电池70所在的高压电系统允许的最大充电功率也在不断变化，也即在不同的工作环境中，单位时间内电机转速的变化率也会发生变化。在升档换挡过程中，电机实时转速与目标档位侧同步器输出端之间具有固定的转速比，也即二者的转速相对应，当目标档位侧同步器输出端转速应该与目标档位需求转速相一致时，同步器才能进行挂档操作，因此通过变速器输出轴转速及目标档位的齿轮速比可以得知目标档位的需求转速，通过目标档位的需求转速可以得到电机目标转速。在第三步电机调速中，通过电机30输出负扭矩，将电机实时转速降低至电机目标转速，也即将目标档位的同步器侧输出端转速降低至目标档位的需求转速。若控制单元60判断预估时间大于时间阈值，也即在当前的工作环境中，仅依靠电机30对同步器提供负扭矩已经无法使电机实时转速在较为合理的时间，即预先设定的时间阈值，内趋近于电极目标转速转速，控制单元60会控制离合器20结合。由于在纯电动工作模式时，离合器20是处于分离状态的，控制单元60控制离合器20从分离状态到结合状态，离合器20的滑磨会使离合器20同样对同步器提供负扭矩，以辅助同步器的输入端降速，通过离合器20及电机30的共同作用，可以保证目标档位侧同步器输出端转速在较短的时间内趋近于目标档位需求转速。如图2a及图2b所示，在本实施例中，阶段3的时间能够明显缩短，电机30转速的变化率能够加快。也即，在某些特殊工况，电机30仅靠自身的调控下难以再提升的情况下，可以通过离合器20的结合，提高电机60转速的变化率，以利于换挡系统进行换挡，减少动力输出中断时间，提高驾驶舒适度。在该换挡系统中，由于并没有增加新的元件也没有对高压电系统产生任何附加需求，因此不会增加成本。

在本实施例中，混合动力系统可以为双离合混合动力系统，也可以为普通单离合混合动力系统。

在本实施例中，电机实时转速可以由电机控制单元(Moter Control Unit，简称MCU)根据旋转变压器采集到的信息进行估算；高压电池电压可以由电机控制单元通过电压传感器测得；高压电池电流可以由电机控制单元通过电流传感器测得，高压电池温度可以由电机控制单元通过温度传感器测得。目标档位侧同步器输出端转速可以通过自动变速箱控制单元(Transmission Control Unit，简称TCU)根据同步器输出端的编码器的信号得出；整车控制单元(Vehicle Control Unit，简称VCU)通过硬线信号或CAN信号采集上述信息，并根据变速箱输出轴转速、高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流及电机实时转速得出电机目标转速。

进一步地，在电机扭矩归零及扭矩恢复的步骤中，电机控制单元控制电机的扭矩不断发生变化，为了保证扭矩值的准确，电机控制单元通过测量电机30的交流电流对电机实时扭矩进行估算，以不断对电机实时扭矩进行修正，保证电机实时扭矩以及电机实时扭矩的变化量的精度应控制在一定的范围内。

进一步地，在同步器摘挡及挂档的过程中，变速箱控制单元通过位置传感器检测同步器的位置，通过编码器采集目标档位侧同步器输出端转速，以检测在电机实时转速达到电机目标转速时，目标档位侧同步器输出端转速是否与目标档位需求转速相一致，便于精确控制同步器的摘挡及挂档。

进一步地，在电机调速过程中，电机控制单元控制电机实时转速以高压电系统允许的最大充电功率逐渐降低至电机目标转速，为了保证电机实时转速变化的准确，电机控制单元通过不断测量旋转变压器以得出电机实时转速，并不断对电机实时转速进行修正，以保证电机实时转速及转速变化率的精度控制在一定的范围内。

当电机实时转速降低时，目标档位侧同步器输出端转速不断降低，当电机实时转速等于电机目标转速，也即目标档位侧同步器输出端转速等于目标档位需求转速时，变速箱控制单元控制离合器20分离，电机调速过程结束，控制器控制单元控制同步器进行挂档操作。在本实施例中，目标档位需求转速由变速箱输出轴转速以及目标档位的齿轮速比得出，目标档位需求转速与目标档位侧同步器输出端转速之差不超过设定的差速阈值时，电机目标转速由目标档位侧同步器输出端转速及二者之间的固定速比求得。变速箱控制单元控制离合器20分离，电机调速过程结束，控制器控制单元控制同步器进行挂档操作。

进一步地，在本实施例中，当预估时间大于时间阈值时，控制单元60，如整车控制单元根据时间阈值、电机实时转速及电机目标转速得出离合器目标扭矩值，并控制离合器20结合，以提供不低于离合器目标扭矩值的扭矩。当离合器20结合时，变速箱控制单元根据离合器20的位置测量值计算出离合器实时扭矩值，并根据离合器目标扭矩值对离合器实时扭矩值进行修正。为了保证离合器20的结合不对发动机10造成影响，优选地，离合器目标扭矩值应该小于发动机静态扭矩值。在离合器20结合过程中，变速箱控制单元应检测离合器输入端及输出端的转速，以保证离合器输入端转速应小于发动机10保持静态时对应的最大转速。

在本实施例中，时间阈值可以为一个范围值，在时间阈值的范围内，离合器目标扭矩值随具体的时间阈值的增大而减小。同样地，离合器目标扭矩值也可以不为一个恒定负扭矩值，其负扭矩值的绝对值可以根据实际情况先增大后减小(见图2b)。

需要说明的是，在本发明中，控制单元60不应该狭隘地理解为单一的控制单元，其可以分布于多个相关的控制系统的控制单元中，如上述提及的整车控制单元、电机控制单元及变速器控制单元中，并通过硬线信号或CAN信号进行信号的交互。

本发明实施例还提供了一种运用上述基于混合动力系统的换挡控制系统进行升档换挡的方法，该方法包括如下步骤：

电机扭矩归零；

同步器摘挡；

信息采集单元50采集变速箱输出轴转速、高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流及同步器在退档时的电机实时转速，并将上述信息传递至控制单元；

控制单元60根据高压电池温度、高压电池电压、高压电池电流计算高压电系统允许的最大充电功率，同时根据变速箱输出轴转速以及目标档位的齿轮速比确定同步器在挂档时的目标转速，从而计算电机在最大充电功率下从电机实时转速降低至电机目标转速的预估时间，当该预估时间大于预先设定的时间阈值时，控制单元60控制离合器20结合，以辅助电机调速；

同步器挂档；

电机扭矩恢复，升档换挡完成。

可以理解地，若预估时间不大于时间阈值时，说明仅依靠电机就可完成电机转速的变化，此时控制单元就不需要控制离合器结合，以提供额外的负扭矩。

进一步地，当电机实时转速等于电机目标转速时，离合器分离，电机调速过程结束，控制器控制同步器进行挂档操作。

进一步地，在本实施例中，当预估时间大于时间阈值时，控制单元60根据时间阈值、电机实时转速及电机目标转速得出离合器目标扭矩值，并控制离合器20结合，以提供不低于离合器目标扭矩值的扭矩。

进一步地，当离合器目标扭矩值大于或等于发动机静态扭矩值，但电机30仍不能在时间阈值内完成调速时，控制单元退出纯电动工作模式，进入混合动力工作模式，启动发动机为车辆提供动力。

综上所述，本发明提供的基于混合动力系统的换挡控制系统能够在纯电动工作模式下的升档过程之中，通过控制离合器的结合，为同步器提供负扭矩，辅助电机对同步器输入端进行降速，以降低电机调速过程的时间，减少动力输出中断的时间，提高驾驶舒适度。同时，在升档过程的每个步骤中，通过反馈调节，使各步骤的控制更加精确。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。