一種商用車預見性節(jié)油巡航系統(tǒng)的開發(fā)及應用

彭宏偉，劉冬東

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

當前，我國的電商行業(yè)發(fā)展迅猛，帶動了整體物流運輸行業(yè)的爆發(fā)式增長，據(jù)中國物流與采購聯(lián)合會測算，2020年國內A級資質的物流企業(yè)共6 898家，累計物流業(yè)總收入達到10.5萬億。但是隨著油價的不斷上漲和行業(yè)間激烈的競爭，物流企業(yè)的經(jīng)營利潤卻不斷被壓縮，這就迫使客戶對運輸車輛的燃油經(jīng)濟性要求越來越高，如何節(jié)油也成為各大商用車主機廠開展技術研究的重點內容。

近年來，基于傳統(tǒng)燃油車的節(jié)油技術研究，主要落腳點集中在車輛硬件優(yōu)化和主觀駕駛行為提醒兩大方面。硬件優(yōu)化設計常用的技術包括匹配燃油經(jīng)濟性更優(yōu)的發(fā)動機、根據(jù)使用場景設計選取更優(yōu)的傳動比、車輛底盤輕量化設計等。這些技術的關注點都在車輛硬件本身，現(xiàn)階段已經(jīng)遇到了技術發(fā)展的瓶頸。另外一方面，在主觀駕駛行為提醒上，可以通過對駕駛員的駕駛行為進行綜合評價，以打分的形式提醒駕駛員培養(yǎng)良好的開車習慣，但是該技術僅限于行為評價，無法替代駕駛員的主觀駕駛行為，并不能達成高效的節(jié)油效果。為了解決駕駛員駕駛經(jīng)驗不足導致的油耗浪費，近年來國外出現(xiàn)了一種主觀預見性節(jié)油巡航技術（Predictive Cruise Control, PCC）。本文以預見性節(jié)油巡航技術基本邏輯原理為基礎，采用多系統(tǒng)集成調用的設計理念，針對高速物流運輸車輛開發(fā)了預見性巡航系統(tǒng)，并基于實際道路驗證其節(jié)油效果。

1 預見性巡航系統(tǒng)開發(fā)

1.1 應用現(xiàn)狀

歐洲早在2012年就開始進行相關技術的研發(fā)工作，斯堪尼亞在2012年就推出主動預見性（Active Prediction）巡航控制系統(tǒng)，并在2015年進行了升級優(yōu)化。該系統(tǒng)使用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）確定車輛位置和預測前方道路地形，在進入上坡或下坡路段前，可對巡航速度進行調節(jié)，在整個行駛過程中可節(jié)省高達3%的燃油。2015年，沃爾沃在新款FH車型上應用了一種新型的、更加智能化的I-See系統(tǒng)，在丘陵或者山坡道路行駛時，車上的I-See系統(tǒng)可以獲得最新的道路地形信息，能夠自動在山坡道路上換擋、加速和進行發(fā)動機制動，最大程度提高燃油經(jīng)濟性，據(jù)測算長途運輸路段可以節(jié)約燃油約4%。2018年，奔馳發(fā)布了新一代Actros車型，其上搭載了全新的預見性動力總成控制系統(tǒng)（Predictive Powertrain Control, PPC），該系統(tǒng)優(yōu)化了駕駛風格，主要目的是避免不必要的制動、加速或換擋，并盡可能提高燃油效率。經(jīng)過運營測試，與上一代車型相比，新Actros在高速公路上的燃油消耗量減少了3%。

除了一些大型的整車生產企業(yè)之外，一級供應商威伯科也在2015年發(fā)布了一款面向卡車與客車的預見性電子巡航控制系統(tǒng)OptiPaceTM，該系統(tǒng)采用車載數(shù)字地圖技術和專用算法，根據(jù)前方道路的地形特征預測并規(guī)劃最經(jīng)濟的路線，還能夠和威伯科的自適應巡航控制系統(tǒng)融合成為一體，既能顯著地節(jié)約燃油，又能減少行車過程中的多余制動操作，減少摩擦片磨損，提升行車安全性。

綜上所述，最早從2012年起，歐洲主流商用車公司均研發(fā)并應用了預見性節(jié)油巡航技術，雖然對外發(fā)布的控制系統(tǒng)名稱各不相同，但是其技術本質是相同的，都是采用地圖獲取前方路況信息，綜合決策后執(zhí)行車速控制，達到節(jié)油的目的，且均已實現(xiàn)量產。

國內的商用車公司在預見性巡航技術研究方面起步相對較晚，普遍都是近兩年才開展這方面技術的研發(fā)，見諸報道的企業(yè)主要集中在商用車的頭部公司和地圖廠商。

1.2 技術原理

預見性節(jié)油巡航技術是使用車載終端GPS定位和內置自動駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System, ADAS）地圖抓取前方道路的坡度和曲率等基本信息，再結合車輛當前行駛速度來綜合規(guī)劃前方行駛路徑，其技術原理如圖1所示。在進入上坡時，系統(tǒng)會結合規(guī)劃的行駛路徑提前給車輛加速，避免在爬坡時踩油門或者換擋，造成燃油和時間的浪費。在車輛即將上到坡頂?shù)臅r候，系統(tǒng)會適當降低設置車速，充分利用車輛加速的慣性實現(xiàn)沖頂。在快要下坡前，系統(tǒng)會提前松開油門，充分利用車輛的動力和重力勢能，在下坡時“免費”獲得較大的速度。如此往復，與定速巡航相比，預見性巡航可以實現(xiàn)更優(yōu)的節(jié)油效果。

1.3 系統(tǒng)組成

本文開發(fā)的預見性巡航系統(tǒng)由主控模塊、集成ADAS地圖的車載終端、發(fā)動機、變速箱、制動系統(tǒng)、儀表和開關等單元組成，其系統(tǒng)構成如圖2所示。

1.4 功能開發(fā)

本文提出的預見性巡航系統(tǒng)從軟硬件選型設計和整車匹配開發(fā)測試方面考慮，在確保系統(tǒng)功能可靠的前提下，最大程度上提升系統(tǒng)的節(jié)油效果。系統(tǒng)的功能開發(fā)涉及如下內容：

1.模塊開發(fā)

目前主流的開發(fā)方案有兩種，其一是開發(fā)獨立的控制單元，其二是利用發(fā)動機電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）進行功能集成。獨立控制單元具有較高的擴展性，通過植入自主節(jié)油算法，可以調動整車動力鏈上的各項功能，包括變速箱和制動系統(tǒng)，具備較高的可移植性，但是需要與不同的發(fā)動機進行適配測試，后期測試工作量較大。發(fā)動機ECU功能集成的開發(fā)工作量相對較小，節(jié)油邏輯集成在發(fā)動機ECU中，無需大量的測試驗證。本文介紹的預見性巡航系統(tǒng)采用獨立的控制單元進行系統(tǒng)開發(fā)和測試。

2.車載終端開發(fā)（集成ADAS地圖）

以軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit,SDK）的形式將ADAS地圖包集成到車載終端T-BOX控制器中，并在T-BOX控制器硬件上增加IMU慣導模塊，提升定位精度，滿足系統(tǒng)對節(jié)油路徑規(guī)劃的各項性能需求。車載終端開發(fā)過程中，各功能模塊之間的信號交互關系如圖3所示。

3.動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配

預見性節(jié)油巡航系統(tǒng)除了需要動態(tài)調整發(fā)動機的運行狀態(tài)外，還需對變速箱和制動系統(tǒng)進行動態(tài)控制。為實現(xiàn)更好的節(jié)油效果，需要對變速箱進行總線控制，包括擋位切換和空擋滑行控制，需要對制動系統(tǒng)進行控制，確保車輛處于合理的車速調節(jié)范圍內。

4.車身系統(tǒng)優(yōu)化開發(fā)

優(yōu)化整車控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）報文信號路由方案，將預見性節(jié)油巡航系統(tǒng)輸入輸出的信號重新分配，同時開發(fā)總線開關，新增預見性巡航退出開關，用于緊急情況下的功能退出，確保系統(tǒng)安全運行。

5.人機交互（Human Machine Interface, HMI）設計

基于整車數(shù)字化儀表設計全新的交互界面，增加預見性巡航設置界面，包括功能激活、關閉和速度限值調節(jié)等功能設置。同時，系統(tǒng)功能生效時，可以給用戶指示工作狀態(tài)和前方行駛路徑規(guī)劃信息，使駕駛員可以更加便捷地使用該系統(tǒng)。整車數(shù)字化儀表需包含的交互模塊及對應的界面統(tǒng)計如表1所示。

2 實車測試驗證與結果

為驗證按照上述方案開發(fā)的預見性節(jié)油巡航系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，在某型重卡牽引車上進行系統(tǒng)加裝和道路驗證。系統(tǒng)設置對前方2 km道路進行動態(tài)規(guī)劃，并通過多輪次的實際道路測試，充分驗證該系統(tǒng)的節(jié)油效果。

2.1 測試概述

按照面向高速物流運輸行業(yè)的既定目標，本次預見性巡航系統(tǒng)的實車道路測試主要選定的測試路段為高速公路，具體按照行駛速度、坡度要求及裝載情況等因素，路況要求如下：

（1）全程路段坡度變化大，推薦平均坡度3%～7%；

（2）彎道半徑大；

（3）路程中存在多個出入口匝道；

（4）路程中存在不小于500 m的隧道；

（5）單程距離不小于70 km，來回記為一次測試。

標定車輛載重要求為一臺掛車滿載標定，車輛試驗前完成2 500 km磨合試驗。盡可能保證試驗過程車輛不因故障原因而影響標定進度。標定過程資源需求，掛車選用9.6 m短掛，更適用于山路多彎路況，行駛過程更安全。整個試驗周期約7天。按照試驗安排和當?shù)氐缆非闆r，每天試驗1到2次。

2.2 測試路線

試驗過程路線設定為G3京臺高速屯溪—青陽路段，單程約113 km，多為環(huán)山公路，彎道多，坡道長，坡度在±6%以內，滿足測試路況的要求。路線起點為黃山屯溪國際機場高速入口，終點為沙濟高速出口。

2.3 測試車輛

參與道路測試車輛需具備如下技術狀態(tài)：

（1）發(fā)動機：按照系統(tǒng)方案要求，開通ECU的預見性巡航控制功能；

（2）變速箱及緩速器：變速箱及緩速器程序匹配車型及發(fā)動機技術狀態(tài)，系統(tǒng)無故障；

（3）制動系統(tǒng)：制動系統(tǒng)匹配整車技術狀態(tài)，系統(tǒng)無故障；

（4）車載終端：按照系統(tǒng)方案要求，T-BOX集成eHP和ADAS地圖，可按協(xié)議要求與ECU握手，并基于實車定位完成前方行駛路徑的動態(tài)規(guī)劃；

（5）車輛結構、線束無動態(tài)干涉，車輛運行良好。

具體車輛相關參數(shù)要求如表2所示。

2.4 性能驗證

在上述選定的測試路段，采用符合選型要求的車輛，進行多輪次的道路測試，基于發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性的工作轉速分布如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，與普通的定速巡航相比，預見

性巡航的發(fā)動機轉速/扭矩分布點更加集中，經(jīng)濟性負荷占比較高，燃油經(jīng)濟性也更好。

通過記錄車輛發(fā)動機ECU發(fā)出的累計噴油量，可以統(tǒng)計出完整測試過程中定速巡航和預見性巡航的百公里油耗數(shù)值，具體油耗數(shù)據(jù)對比如圖6所示，平均車速對比如圖7所示。通過記錄的數(shù)據(jù)可以清晰地看出，在選定的高速測試路段上進行巡航行駛，定速巡航平均油耗為31.98 L/100 km，預見性巡航平均油耗為30.75 L/100 km，比定速巡航平均節(jié)油1.23 L。測試路段最低節(jié)油率2.93%，最高節(jié)油率4.26%，平均節(jié)油率在3.85%。

但是由于預見性巡航對車速的主動控制調節(jié)，對測試全程的平均車速略有影響，與定速巡航相比，全程平均車速低2%～4%。

3 結論

以重卡6×4牽引車做為試驗車輛，匹配預見性巡航控制系統(tǒng)，通過車載終端集成eHP和ADAS地圖，實現(xiàn)對車輛前方2 km道路的動態(tài)規(guī)劃，并主動調節(jié)車輛的高速巡航車速，與普通定速巡航相比，可以顯著提升節(jié)油效果。經(jīng)過實際道路測試驗證，形成主要結論如下：

在地勢起伏較為明顯的路段，相比于定速巡航，預見性巡航可以降低油耗3%～4%。對于高速物流車輛，使用巡航頻率和里程均較高。單臺車以年行駛里程30萬公里、平均油耗32 L/100 km，節(jié)油效果按4%，巡航使用率80%計算，單車一年預計可以節(jié)油3 072 L，節(jié)約成本2.15萬左右，車輛在5年生命周期內累計可以節(jié)約成本大于10萬。由此可見，預見性巡航技術是高速物流運輸?shù)纳逃密噷崿F(xiàn)節(jié)油的有效手段。

由于預見性巡航控制系統(tǒng)對車輛巡航車速的主動調節(jié)，與定速巡航相比，平均車速會有3%～4%的降低，但是平均車速也達到80 km/h左右，對物流的時效性影響微弱。