家用乘用車檔位設置及檔位控制策略的研究

李家雄　黃振華　許聲堂

摘 要：本文首先分析討論了車輛檔位設置的類型和定義，明確討論內容;然后提煉了車輛的狀態分類，規范研究方向;最后，利用列表法重點討論了搭載不同類型動力系統的乘用車的檔位控制策略。本文研究結果有一定的普遍性，在進行某一車型的具體匹配時，應根據車型的開發需求具體分析，制定針對性的檔位控制策略。

關鍵詞：檔位 動力系統 換檔策略 整車架構

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

本文討論的家用乘用車，是指轎車、SUV、MPV等乘用車，區別于卡車，農用車，特種汽車等商用車。檔位設置，狹義上是指汽車變速器的檔位設置，本文對車輛的檔位的定義在應用對象方面進行了拓展和類比。檔位控制策略，是給車輛的使用狀態設置合適的車輛檔位，從而使車輛在使用過程中滿足駕乘舒適性，操控性，動力經濟性等方面的要求。

隨著新能源汽車的崛起和擴張，汽車動力系統和整車控制策略日趨復雜化。車輛的檔位設置和檔位控制策略，是動力系統和整車控制系統的銜接部分，對此進行研究可以加深對整車控制架構的了解，從而優化整車架構，不斷完善整車控制策略。

2 車輛檔位設置

人們提到汽車檔位時，一般都默認指的是汽車變速器的檔位。本文討論的是整車的檔位設置和檔位控制，在這里對車輛檔位的定義作進一步的拓展及定義，把車輛檔位分成以下三種類型：

1、整車檔位：車輛實際的狀態，倒如前進，倒退，原地駐車等;

2、變速器檔位：變速器位于動力源到車輪之間，是控制整車檔位狀態的關鍵零部件，變速器的檔位狀態可分為空檔，前進檔，倒檔，駐車檔（自動檔汽車）等;

3、換檔器檔位：換檔器的作用是把駕駛員的意圖及換檔動作傳遞給變速器或整車，從而改變整車的實際狀態，并同時向駕駛員顯示整車狀態。換檔器檔位是指可從換檔器讀取到的檔位信息，換檔器的檔位信息可通過換檔器的機械狀態（例如換檔桿的位置）或信號狀態（例如點亮檔位字符燈）來識別。

3 車輛狀態分析

車輛狀態是指在外界輸入不變的情況下，車輛可長期保持的一種狀態。當車輛處于某種狀態時，可認為車輛的檔位也處一個固定的檔位。車輛狀態的分析和確認是進行車輛檔位設置和控制的前提。

一般的家用乘用車，行駛路況大多數是鋪裝路面，包括城市路況，鄉村路況，高速路況等以及少量的山路或壞路況。在整車耐久性，動力經濟性，底盤可靠性等功能開發時，需要針對這些工況對整車進行匹配優化。

但整車的檔位設置及檔位控制策略關系的其實是整車的動力控制策略，在汽車行駛過程中，不管是上述的哪種路況，為了適應行駛路況及駕駛員性格，車輛的檔位狀態都會處于一種不斷變化的狀態。因此，需要對汽車工況進行進一步的提煉及分類。

在本文的討論中，汽車穩定狀態分為以下幾個類型：

1、原地駐車：車輛停在原地不動，動力源不工作;

2、原地怠速：車輛停在原地不動，動力源工作;

3、前進行駛：車輛向前勻速或加速運動，動力源輸出;

4、前進滑行：車輛靠慣性向前運動，動力源不輸出;

5、倒車行駛：車輛向后勻速或加速運動，動力源輸出;

6、倒車滑行：車輛靠慣性向后運動，動力源不輸出

以上狀態均包括帶坡度的路況。

4 檔位控制策略分析

在規范了車輛檔位設置和車輛狀態的定義后，下面進行檔位控制策略進行分析，按車輛動力系統類型來進行分類討論。

4.1 手動檔車型

在手動檔車型中，從換檔器到變速器之間為機械連接，變速器檔位和換檔器檔位是一致的。當換檔器換到某個前進檔時，假設為1檔，那此時變速器檔位也是前進檔中的1檔，空檔和倒檔也是同樣的情況。比較特殊的是駐車檔，手動檔變速器一般沒有駐車機構，手動檔車型的駐車檔為通過手剎控制車輪制動來駐車，為了方便討論，把手剎也包含在廣義的換檔器里面。把車輛狀態、檔位設置進行列表匯總，得到手動檔車型換檔策略，如表1所示。

從表1中可以看出，車速為0時整車為駐車檔，變速器檔位則與發動機有關，發動機啟動時變速器要為空檔，發動機未啟動時則變速器檔位無要求，變速器檔位與整車檔位以及換檔器均發生分離。整車前進或后退時，變速器為相應的檔位或空檔，這樣換檔器檔位與變速器檔位一致，并同時與整車檔位發生分離。

由此來見，雖然手動檔車型聽起來檔次不高，但其整車檔位控制策略仍有一定的復雜性。目前市場上反應手動檔車型檔位控制相關的故障較少，主要有兩個原因：一是手動檔車型的檔位控制中樞是駕駛員的大腦，這比比任何自動控制芯片都更靈活，更可靠，可快速響應各種整車工況來進行整車調整;二是因為手動檔車型檔位控制相關部件均為機械連接，結構簡單，容錯率高，出現故障時往往駕駛員獨自即可進行排錯重啟，不需要到維修點或4S店，從而顯得故障少。

手動檔車型控制策略變化少，大多數整車廠的整車開發重點為提升換檔舒適性。

4.2 自動檔車型

在自動檔車型中，由于電子換檔器的加入，換檔器與變速器之間的機械連接被切斷或部分切斷，整車檔位，變速器檔位，換檔器檔位之間的對應關系開始發生化，典型的場景是，駕駛員把換檔器切換到D檔（前進檔）位置，但此時駕駛員仍踩著剎車或沒有解除駐車開關，那整車控制系統會把變速器檔位切換到空檔。在這種狀態下，換檔器檔位為前進檔，變速器檔位為空檔，整車檔位狀態為原地駐車，三個檔位狀態不一致。

在電子換檔器的應用中，有的會集成駐車開關，有的仍單獨設置駐車開關，而駐車開關的應用類型，也有控制變速器P檔駐車機構，控制車輪制動器，同時控制變速器P檔駐車機構和車輪制動器等多種類型。因此，在自動檔車型的討論中仍單獨考慮駐車開關，檔位設置及控制策略見表2。

從表2中可以看出，自動檔汽車在原地時較易發生檔位檔位分離，在前進或倒車行駛過程中，出于安全考慮，可以通過軟件控制保證變速器檔位與車輛檔位一致。同時，由于后臺控制軟件的存在，在行駛過程中換檔器的重要性降低，行業上有的會采取鎖止手段，保證換檔器檔位也與整車檔位一致，有的會為了給駕駛員保持一定的操作感，仍然保持為可切換狀態，具體設置方式可參照整車定位和控制風格實施。

4.3 新能源汽車

最近幾年，新能源汽車飛速發展，隨著汽車動力源的變化，汽車的檔位及控制也發生了了相應的調整。這里分別從純電動汽車和混合動力汽車兩種類型進行闡述。

首先是純電動汽車，它的動力源是電動機，電動機相對于內燃機有一個優勢是它可以快速的進行正反轉切換，可以通過控制電機反轉來代替變速器中的倒檔。另外，電動機優良的啟停性能，也不需要跟內燃機汽車一樣用復雜的變速器檔位來協調動力源轉速與車輪轉速的速差。因此，在純電動汽車中，變速器的結構大大簡化，成為固定傳動比的減速器，變速器檔位在汽車檔位的討論中失去了意義，不列入討論。此時車輛的前進、后退完全由電機實現，而電機的運轉方向由換檔器及電機控制器控制。所以純電動汽車也是換檔器檔位與整車檔位一致的類型（變速器檔位已忽略）。

具體換檔策略參見表3，變速器保持為固定檔位，整車檔位完全由換檔器檔位控制，在原地時不會發生檔位分離，而在前進或倒車行駛過程中，檔位分離也跟自動檔車型一樣僅出于操作性的考慮，影響不大。

然后是混合動力汽車，由于電驅動和內燃機驅動雙動力源，變速器結構及整車驅動形式都發生了復雜的變化，汽車檔位及檔位控制也相應的復雜化：

1、兩驅車型且變速器只有一條動力傳遞路徑：內燃機、電動機及變速器都集成在一套動力總成上，且整車只有一套動力總成。此時檔位控制邏輯基本上跟自動檔車型一樣，但會新增一個制動能量回收工況。

2、兩驅車型且變速器有多條動力傳遞路徑：內燃機、電動機及變速器都集成在一套動力總成上，且整車只有一套動力總成。由于變速器有多條動力傳遞路徑，每條動力傳遞路徑會分別處于不同的狀態，此時再變速器檔位就失去了意義。排除了變速器檔位的話，整車檔位跟換檔器檔位會保持一致。

3、四驅車型：內燃機、電動機及變速器都集成在一套動力總成上，裝在整車前軸，整車后軸另外裝有一套電驅動橋，由電機和減速器組成。此時比兩驅型混合動力汽車又會新增一種檔位控制模式，整車檔位為前進檔，變速器檔位是空檔，換檔器檔位為前進檔，此時整車由后驅動橋驅動，前橋處于發電狀態。

因此，在討論混合動力車型檔位控制時，引入動力總成狀態的概念，它介于變速器檔位狀態與整車檔位狀態之間，控制策略為從整車檔位狀態確認動力總成狀態，再確認動力總成內的變速器檔位狀態。

表4整理了混合動力四驅車型的整車檔位與總力總成狀態的分布。其中動力狀態定義了駐車、發電、驅動、空檔四種主要模式;其中驅動模式下細分了前進檔跟倒檔兩種狀態，發電分成發動機發電與反拖發電兩種狀態。由于后橋只有電機，沒有發動機，所以后橋的發電狀態只有反拖發電一種。

從表4可以看出，除了前進行駛時有單前橋驅動，兩橋驅動，前橋發電后橋驅動，兩橋驅動同時前橋兼顧發電四種狀態外，原地駐車、前進滑行、倒車行駛、倒車滑行時的動力總成狀態比較簡單，這主要是為了簡化控制邏輯和提高零件壽命。在這些整車檔位下，有些是長期狀態不變，不需要變更狀態，有些是狀態短暫，頻繁變動狀態會電機、控制模塊等零件壽命，所以有必要進行動力狀態數量簡化。

混合動力汽車節油原理主要有兩方面：一是減少在起步、急加速等發動機效率狀態不高的工況下使用發動機，提高發動機整體燃油效率;二是直接用電驅動代替發動機驅動，直接減少燃油消耗。這兩種節油原理均要保證電動機能正常工作，所以混合動力汽車的動力總成都必須保留發動機發電的模式。在整車電量充足時，發動機以響應整車行駛的驅動需求為主，若整車電量不足，則進入發動機發電模式給電池充電，并兼顧整車行駛需求。在整車行駛過程中，系統需要保持對整車電量的監控，在電量不足時進行發動機發電充電。

除了表4列出的動力總成狀態和整車檔位狀態，還需要制定變速器檔位狀態和換檔器檔位狀態的控制策略。在動力總成狀態確認后，變速器即可根據動力總成狀態和變速器的結構特點，切換變速器的檔位。所以在混合動力車型中，需要一個變速器控制模塊TCU來控制變速器檔位，另外還有一個混合動力控制模塊HCU來控制整車的動力總成狀態。

在混合動力車型中，變速器檔位由動力總成狀態確認，汽車駕駛狀態更多與動力總成狀態相關，所以換檔器檔位的控制邏輯需要改為與動力總成狀態對應。此時比較特殊的是空檔的設置，因為混合動力車型在起步時為電驅動，不需要單獨發動機怠速，所以動力總成狀態中沒有空檔的的狀態。但仍不建議在換檔器檔位中取消空檔的設置，一方面是為了保持與其他動力車型的一致性，降低駕駛更換駕駛車型的難度，另一方面是增加D/R切換的特殊性，增加提醒效果，提高安全性。同時，整車架構設計時也可根據整車需要在空檔位置設置需求的其他功能。

5 結語

從原始的內燃機手動檔車型到最新的混合動力車型，汽車的動力總成技術越來越先進，越來越環境友好，硬件結構和控制方法也越來越復雜。但得益于計算機技術的發展，汽車越來越智能化，對駕駛員的駕駛技術要求反而是越來越低的。汽車檔位控制作為汽車人機交互的第一界面，在汽車開發上的角色也越來越重要。在進行整車架構開發和控制策略開發時，汽車開發工程師必須從整車功能定位、市場需求、硬件技術基礎等方面統籌考慮，尋找最適當的檔位控制策略。

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