吳光耀，李 偉，郭 靖，黃 喆

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司 產(chǎn)品規(guī)劃及汽車新技術(shù)研究院，廣東 深圳 518118）

汽車變速箱是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，其主要功能是用來改變發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速范圍以適應(yīng)各種不同路況的復(fù)雜行駛條件，如起步、加速、上坡等，同時(shí)還可以使發(fā)動(dòng)機(jī)處于比較有利的條件下工作[1]。因此，變速箱的工作性能對(duì)整車傳動(dòng)系的工作性能有著重要影響。通過各種研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，變速箱工作效率低下或者零部件損壞并不僅僅與變速箱各零部件結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與變速箱工作狀態(tài)下的內(nèi)部發(fā)熱狀況有關(guān)。因此，變速箱熱平衡狀態(tài)對(duì)變速箱的工作性能有著重要影響[2-3]。

汽車變速器結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞扭矩較大、工況變化復(fù)雜，如果變速箱內(nèi)部溫度過高會(huì)嚴(yán)重影響潤滑油的性能及零部件的使用狀態(tài)，進(jìn)而影響變速箱的使用壽命及傳動(dòng)效率[4]；同樣變速箱油的溫度過低，又會(huì)造成傳動(dòng)效率低，對(duì)經(jīng)濟(jì)性造成影響[5-6]。

隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，為減少變速箱在工作時(shí)齒輪嚙合產(chǎn)生的摩擦損失，變速箱的結(jié)構(gòu)變動(dòng)越來越集成化和簡單化。一些混動(dòng)新能源車輛的變速箱擋位只有兩個(gè)擋位或者只有一個(gè)擋位，相比傳統(tǒng)變速箱，新能源變速箱的擋位少了很多，同樣的換擋動(dòng)作會(huì)減少很多，所以擋位切換過程產(chǎn)生的熱量在混動(dòng)車輛是不存在或者是可以忽略不計(jì)的；而且很多混動(dòng)車輛和純電動(dòng)車輛，為解決整車布置的問題，縮小機(jī)械器件所占的空間，將變速箱與驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成于一體[7]。

一些混動(dòng)車輛的變速箱只有一個(gè)擋位，不存在換擋的工況，更沒有離合器。此變速箱油溫的升高主要是換擋過程中滑摩產(chǎn)生的熱量，當(dāng)變速箱與發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等集成于一體時(shí)，還要考慮電機(jī)本體的熱傳遞；此變速箱油溫的散熱主要靠風(fēng)扇對(duì)油冷器的冷卻以及對(duì)變速箱油底殼的冷卻[8]。

1 油溫預(yù)估控制模型

混動(dòng)車輛變速箱油溫的預(yù)估，行駛時(shí)的溫度預(yù)估是依靠油的流量、溫差產(chǎn)生的熱量和自然散熱綜合得到的；而車輛靜止時(shí)無油的流量，溫度的降低是依據(jù)自然冷卻散熱進(jìn)行。

1.1 整車下電時(shí)的溫度預(yù)估

溫度預(yù)估模塊檢測(cè)到整車是否為整車下電的狀態(tài)，如果為整車下電狀態(tài)，如圖 1所示，則記憶下電時(shí)的時(shí)間和油溫。此時(shí)車輛的散熱是依靠和空氣的溫度差自然散熱的，變速箱進(jìn)入自然冷卻狀態(tài)。此時(shí)的溫度預(yù)估策略為先計(jì)算溫度，溫差為下電時(shí)的油溫和當(dāng)前車外溫度的差值。根據(jù)溫差查標(biāo)定表確定當(dāng)前油溫冷卻到大氣溫度所需要的時(shí)間TTRA，此表格是由溫差查找冷卻時(shí)間的一維表格。如果下電的時(shí)間超過該冷卻時(shí)間TTRA，則油溫等于車外溫度。如果車輛下電時(shí)間在TTRA時(shí)間之內(nèi)，則根據(jù)溫差和下電時(shí)間查表確定下電后自然冷卻的溫度變化量，該表格是由溫差和下電時(shí)間所確定溫度變化量的三維表格，當(dāng)前的油溫則等于下電時(shí)溫度減去下電后自然冷卻的溫度變化量。

圖1 變速箱油溫預(yù)估控制流程圖

1.2 整車上電時(shí)的溫度預(yù)估

當(dāng)車輛不是處于下電狀態(tài)則整車處于工作狀態(tài)，變速箱也進(jìn)入工作狀態(tài)。首先調(diào)取油溫初始化模塊，此模塊首先判斷當(dāng)前車輛是否為該軟件的第一次上電，即指帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM）中是否有記憶的油溫值，如果沒有記憶的油溫值，則為第一次上電，如果有存儲(chǔ)的油溫值則不為第一次上電。如果該車輛為使用該軟件的第一次上電則初始化油溫T1默認(rèn)為室外溫度，如果不為第一次上電，則初始化油溫T1等于TCOOL。

初始化油溫T1獲得后，進(jìn)行一些基本量的計(jì)算。首先是溫差計(jì)算模塊，電機(jī)與油溫的溫差TMCUDIFF為電機(jī)溫度與油溫之差，發(fā)電機(jī)與油溫的溫差TGMCUDIFF為發(fā)電機(jī)與油溫之差，空氣和油溫的溫差TAIRDIFF為油溫與車外溫度之差。

再進(jìn)入流量計(jì)算模塊，整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）判斷整車實(shí)際工作模式是否為電動(dòng)車（Electric Vehicle, EV）模式，如果是則只進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)流量FMCU和油冷器流量FOIL的計(jì)算，否則不僅要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)流量FMCU和油冷器流量FOIL的計(jì)算，還要進(jìn)行發(fā)電機(jī)流量FGMCU的計(jì)算。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)流量FMCU等于油泵流量與電機(jī)流量比例之積，發(fā)電機(jī)流量FGMCU等于油泵流量與發(fā)電機(jī)流量比例之積，油冷器流量FOIL等于油泵流量。

基本量計(jì)算完成后，就要考慮在整車運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱量。首先是電機(jī)工作傳遞給變速箱油的熱變化量TMCU。熱量的計(jì)算是通過溫差TMCUDIFF和電機(jī)流量FMCU查表確定的。此表格為溫差和流量所確定溫度變化量的三維表格，表格是通過試驗(yàn)標(biāo)定得到的。其中，標(biāo)定的數(shù)據(jù)直接關(guān)系到預(yù)估溫度的準(zhǔn)確性。發(fā)電機(jī)的工作也會(huì)產(chǎn)生熱量傳遞給變速箱，導(dǎo)致變速箱油溫的升高。發(fā)電機(jī)工作導(dǎo)致變速箱油溫的升高是通過溫差TGMCUDIFF和發(fā)電機(jī)流量FGMCU查表確定的。此表格為溫差TGMCUDIFF和發(fā)電機(jī)流量FGMCU所確定溫度變化量的三維表格，也通過嚴(yán)格的試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)。

考慮導(dǎo)致變速箱油溫度升高的因素后，要考慮散熱因素導(dǎo)致變速箱油溫度降低的因素。首先是變速箱油通過油冷器傳遞給空氣的熱量。車輛在正常運(yùn)行中如果達(dá)到一定溫度條件，風(fēng)扇是會(huì)根據(jù)策略進(jìn)行占空比的控制的，風(fēng)扇的運(yùn)行也會(huì)對(duì)油冷器的散熱起到作用。VCU首先根據(jù)散熱風(fēng)扇的占空比查表確定等效車速當(dāng)量，此表格是由風(fēng)扇占空比確定等效車速當(dāng)量的一維表格。那么最終的等效車速為真實(shí)車速與等效車速當(dāng)量之和。再根據(jù)空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和油冷器流量FOIL查表確定熱量變化當(dāng)量HCOOL，此表格為空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和油冷器流量FOIL所確定溫度變化量的三維表格，此表格數(shù)據(jù)的確定也是完全通過試驗(yàn)精準(zhǔn)獲取。然后根據(jù)空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和等效車速查表確定熱量變化當(dāng)量系數(shù)，最后油冷氣散熱的熱量變化當(dāng)量TOIL為熱量變化當(dāng)量HCOOL與熱量變化當(dāng)量系數(shù)乘積。

導(dǎo)致變速箱油溫度降低的因素還有變速箱油底殼的自然散熱。首先根據(jù)溫差TAIRDIFF查表確定自然散熱變化量HAIR，此表格為一維表格；然后根據(jù)空氣和油溫的溫差TAIRDIFF和等效車速查表確定熱量變化當(dāng)量系數(shù)，最終的自然散熱熱量變化當(dāng)量TOIL為HAIR與熱量變化當(dāng)量系數(shù)之積。

最終的變速油油溫即為產(chǎn)生的熱量變化量與散熱的熱量變化量之差，所以，變速箱油溫T=初始化溫度T1+電機(jī)油熱量變化當(dāng)量TMCU+發(fā)電機(jī)油熱量變化當(dāng)量TGMCU-油冷器熱量變化當(dāng)量TOIL-自然散熱量TAIR，如圖1所示。

1.3 溫度預(yù)估保護(hù)

變速箱油溫度預(yù)估最后經(jīng)過保護(hù)模塊輸出。如圖 2所示，保護(hù)模塊即保證變速箱的溫度是大于環(huán)境溫度的，也小于發(fā)電機(jī)溫度和驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度。當(dāng)預(yù)估溫度小于環(huán)境溫度時(shí)則等于環(huán)境溫度處理，當(dāng)預(yù)估溫度大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度或者發(fā)電機(jī)溫度時(shí)，則預(yù)估溫度等于相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度和發(fā)電機(jī)溫度。

圖2 變速箱油溫保護(hù)模塊

2 實(shí)測(cè)對(duì)比

為驗(yàn)證混動(dòng)車輛變速箱油溫預(yù)估模型和標(biāo)定數(shù)據(jù)匹配的正確性，共測(cè)試了 3輛不同型號(hào)的混動(dòng)車輛，按照城市路況、高速路況的道路分類進(jìn)行測(cè)試，其中高速路況又分為正常駕駛和激烈駕駛的駕駛風(fēng)格進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

圖3為常溫城市路況變速箱油溫實(shí)測(cè)溫度和預(yù)估溫度的對(duì)比，基本差值都在5 ℃范圍之內(nèi)。

圖3 城市路況變速箱油溫實(shí)測(cè)對(duì)比

圖4為常溫高速路況變速箱油溫實(shí)測(cè)溫度和預(yù)估溫度的對(duì)比，基本差值都在5 ℃范圍之內(nèi)。

圖4 高速路況變速箱油溫實(shí)測(cè)對(duì)比

圖5為高溫高速路況正常駕駛變速箱油溫實(shí)測(cè)溫度和預(yù)估溫度的對(duì)比，基本差值都在7 ℃范圍之內(nèi)。

圖5 高溫高速路況正常駕駛變速箱油溫實(shí)測(cè)對(duì)比

圖6為高溫高速路況激烈駕駛變速箱油溫實(shí)測(cè)溫度和預(yù)估溫度的對(duì)比，基本差值都在9 ℃范圍之內(nèi)。

圖6 高溫高速路況激烈駕駛變速箱油溫實(shí)測(cè)對(duì)比

綜上，通過不同路況，不同駕駛風(fēng)格和環(huán)境的測(cè)試，變速箱預(yù)估油溫與實(shí)際溫度的誤差都在10 ℃以內(nèi)，滿足變速箱控制對(duì)油溫的要求，符合預(yù)期。

3 結(jié)論

對(duì)于混動(dòng)車輛只有一個(gè)擋位的變速箱，為了降低整車制造成本，通過建立變速箱油溫預(yù)估模型來預(yù)估變速箱油的溫度，通過實(shí)車標(biāo)定后，并經(jīng)過常溫城市路況、常溫高速路況、高溫下高速工況正常駕駛，高溫下高速工況激烈駕駛實(shí)測(cè)對(duì)比，預(yù)估溫度與實(shí)際傳感器測(cè)試溫度的溫差都在10 ℃范圍內(nèi)，滿足整車控制需求。