混合动力汽车电子换挡手柄控制信号可靠性设计

汪东坪 李舜酩 魏民祥  于海生

（1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016;2.上海华普汽车有限公司，上海201501)

    【摘要】基于混合动力汽车电子换挡手柄的结构和信号控制逻辑，通过信号故障处理和策略冗余算法，设计了电子换挡手柄信号的可靠性控制方法，通过建立Simulink控制模型，并采用快速控制原型的方式对换挡手柄信号控制进行仿真测试，验证控制的可靠性。测试结果表明该控制方法满足了混合动力汽车的换挡需求，并保证了换挡手柄信号控制的可靠性及车辆行驶安全。

    关键词：混合动力汽车  电子换挡  手柄可靠性设计

    中图分类号：U463. 212：U469. 79    文献标识码：A    文章编号：1000-1298∞12）06-0025 -05

    引言

    混联式混合动力汽车通过动力合成装置将来自发动机和电动机的动力进行合成以驱动整车运行，该动力合成装置可作为混合动力汽车的变速器，常采用多行星排耦合的形式凹，通过调节行星排各元件的转速，使其像无级变速器一样工作。因结构和工作原理的不同，应用于传统汽车变速器上的机械式换挡机构已经无法匹配和满足混合动力汽车变速器的机械结构和工作特性，而来用电子换挡机构可以解决这个问题。

电子换挡机构不同于机械式换挡机构，其对变速器的控制采用信号识别、传输和发送指令的模式，与混合动力汽车变速器之间没有直接的机械连接。混合动力汽车通过电控单元ECU采集当前电子换挡机构传感器发送的挡位位置电压模拟信号，经分析计算后，判断其挡位状态，并根据各挡位下汽车的行驶状态发送指令控制和改变变速器的运行模式。  

 由于电子换挡机构采用信号传输而非机械连接的工作模式，在对其操作过程中，为控制和保证其挡位状态，防止发生挡位识别错误、信号传输错误、挡位状态与当前汽车行驶工况不符等故障，需要对电子换挡机构的工作特性和信号控制逻辑进行研究，保证其换挡的可靠性和准确性。电子换挡机构已经在丰田汽车公司的多款混合动力汽车上得到了成熟的应用，但在其他汽车制造商的应用还未得到普及，国内外对其信号控制逻辑以及可靠性控制设计方法也少有研究。本文基于电子换挡机构的结构和工作原理，设计其信号的控制逻辑及可靠性控制方法，并通过建模仿真日巧3和快速控制原型技术对该控制逻辑和可靠性控制方法进行验证。

1  换挡信号控制逻辑

1.1  挡位结构

    图1所示为电子换挡手柄位置示意图，有5个挡位，分别是：原始挡0挡、空挡N挡、前进挡D挡、带发动机倒拖前进挡DB挡以及倒车挡R挡。换挡手柄的初始位置处于0挡，当拨动换挡手柄至除O挡外任意挡位后，手柄都会自动回到O挡位置。电子换挡手柄对动力系统没有直接的机械作用，其拥有4路传感器信号，混合动力电控单元ECU通过采集和分析各路传感器信号，判断其挡位状态，从而控制动力总成系统对外输出相应的扭矩模式。    此外，混合动力汽车还有由驻车控制按钮输入的驻车挡Park挡。在整车允许驻车的状态下，通过按下驻车按钮向电控单元发送驻车请求，系统控制机械驻车机构锁止变速器输出轴，整车进入驻车状态。

1.2换挡手柄输出信号控制逻辑

    电子换挡手柄有2个传感器共4路电压模拟信号，其中传感器X的2踣信号戈，和戈，相等，传感器Y的2路信号Yi和y：相等。在各路信号都没有故障的情况下，设定传感器X的输出信号x=x，，传感器Y的输出信号y=Yi，根据戈和y信号值不同，通过手柄位置判断函数P=f＆，y），判断当前手柄位置。

手柄位置判断如表1所示。

    表1中，信号状态T表示信号满足设定条件，F表示信号不满足设定条件；对应手柄位置判断函数P值0为O挡，1为N挡，2为D挡，3为DB挡，4为R挡。

    换挡信号控制逻辑应能满足驾驶员正常的换挡需求，简化换挡操作过程，降低和消除因误操作而对驻车机构和行驶系造成的损坏。换挡信号控制逻辑如图2所示，图中”表示车速，d表示刹车踏板开度。

    车辆上电后系统默认进入空挡位；在车辆起步时，踩踏刹车踏板超过30%的开度，通过操作换挡手柄就可以使系统从空挡进入任意动力挡位；在车辆向前行驶过程中，N挡、D挡和DB挡三者之间可以任意互换；前进挡D挡和DB挡与倒车档R挡之间禁止直接互换，必须在车速”小于5 km/h且刹车踏板开度d超过30%时才能够相互切换，以防止车辆动力总成受到车辆运动惯性的冲击；此外，车辆在任何情况下，只需通过操作换挡手柄挂空挡，就可以使系统从动力挡位进入空挡。

    驻车挡Park挡作为辅助挡位，通过驻车机构锁止变速器输出轴以保证车辆的静止状态。在车辆上电后，为防止驻车机构对动力系统和行驶系统的损坏，必须先按下Park挡按钮，取消驻车机构对输出轴的锁止作用，才能有效操作换挡手柄从空挡进入动力挡位，否则系统将一直保持空挡，没有动力输出；车辆在中高速行驶过程中，不会响应Park挡按钮信号，系统将保持当前运行状态，只有当车速”小于5 km/h时，按下Park挡按钮，系统才会从当前动力挡位进入空挡，动力中断，车辆滑行，直至车速”小于1 km/h时，系统控制驻车机构锁止输出轴，车辆进入驻车状态；车辆在5 km/h以下Park挡滑行期间，操作换挡手柄进入当前整车状态允许的动力挡位，都将取消Park挡信号，车辆重新获得动力。

2  可靠性控制设计

2.1  信号故障处理

    为了确保电子换挡手柄传感器信号传输和识别的可靠性，防止因信号故障导致换挡系统无法正常工作，需对4路信号的状态进行检测，通过4路信号状态组合函数C=f纽．，戈：，Y．，Y2），对故障状态进行分类，并作相应处理。传感器信号状态判断如表2所示，表中根据各挡位下对应的信号值设定各路信号的判断条件，若满足设定条件则认定该信号正确，不满足则认定信号错误。进行挡位状态判断的过程中仍有可能出现异常，从而导致系统对挡位的错误判断，因此需要通过系统控制策略进一步对该故障做冗余处理。手柄位置判断的冗余处理如表3所示，传感器信号戈和y只要有一个出现错误，经手柄位置判断函数P=f&，y）计算输出P=l，系统即进入空挡，整车动力中断。

    此外，在车辆行驶过程中，为防止跳挡导致传动系统受损，影响行车安全，设定操作手柄换挡需在目标挡位停留0.5 s以上，方能进入目标挡位。若停留时间小于0.1 s，则认定该情况为跳挡，并保持当前挡位不变；若停留时间在0.1—0.5 s之间，则认定该情况为换挡过快，为配合驾驶员换挡意图并保证行车安全，设定该情况下系统进入空挡，整车动力中断，直至重新换挡且有效停留时间超过0.5 s。

3仿真测试

3.1控制系统

    图4所示为通过Simulink建立的电子换挡手柄信号控制模型网。图中Signal_lnput为信号输入模块，包括刹车踏板开度信号a.车速信号”和驻车挡信号Park，以及4路传感器信号戈1、戈2、Y1和Y2;Signal_Processing为信号故障处理模块，输入4路传感器信号，经故障处理后输出信号戈和y；Handle_Position力手柄位置判断模块，输入经故障处理后的传感器信号戈和y，经手柄位置判断函数及策略冗余算法输出当前手柄位置P; Control_Logic为换挡信号控制逻辑模块，通过该模块最终输出挡位状态S。在Matlab环境下，采用MotoTron快速控制原型开发工具弘阃，将图4所示的控制模型编译成代码，并刷写进ECU中，构成快速控制原型测试系统，通过该系统对换挡手柄信号的可靠性控制方法进行仿真测试“u。

3.2测试及结果分析

    图5—7为仿真测试的输入信号，其中图5为传感器X信号，图6为传感器Y信号，图7为刹车踏板开度a.车速”和驻车挡信号；图8为仿真测试的输出信号，包括手柄位置P和挡位状态S。

    设定仿真时间为40 s，系统执行周期为50 ms。开始阶段，车辆处于驻车状态，系统默认为空挡，按下Park挡按钮，系统打开驻车锁止机构，允许车辆起步；第5秒开始，踩踏刹车踏板至50%开度，同时操作换挡手柄经空挡位置进入D挡位置，停留0.6 s后再经空挡位置回到原始挡位，系统由空挡进入前进挡D挡，松开刹车踏板，车辆起步，车速缓慢增加；在第10~15秒之间，检测到戈，=0，信号错误，而其他3路信号正常，系统触发事件C2，令x=x，，经计算后保持D挡状态；在第15~20秒之间，检测到传感器X的2路信号都为0，触发事件Cl，且Cl连续输出超过10个执行周期，为保证行车安全，令x=y=0，系统由D挡进入空挡，车辆滑行降速；第20秒开始，重新操作换挡手柄至D挡位置，检测4路传感器信号正常，车辆进入D挡运行状态；第25秒开始，操作换挡手柄至DB挡位置，系统由D挡进入带发动机倒拖的DB挡，车辆减速运行；第30秒开始，按下Park挡按钮，系统进入空挡，动力中断，同时踩踏刹车踏板，车辆减速直至静止，系统控制驻车机构锁止输出轴，车辆进入驻车状态。

4结论

    d)该控制方法可以满足驾驶员正常的换挡需求，防止因换挡误操作导致车辆行驶状态的改变及动力系统和行驶系的冲击和损坏，保证换挡平顺。

    Q)采用分类方法处理信号故障，可以简化处理方法，防止因信号故障导致换挡系统无法正常工作，保证换挡信号控制的可靠性。

    (3)经故障处理的信号通过策略冗余算法可防止因信号传输和识别异常导致系统对挡位的错误判断和跳挡的出观，保证换挡可靠性及车辆行驶安全。