基于加速度的混合動(dòng)力城市客車加速踏板解析算法

郭 俊，王俊華，汪 偉，王文明

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 510640；2.中國(guó)南車集團(tuán) 株洲電力機(jī)車研究所，湖南 株洲 412001）

基于加速度的混合動(dòng)力城市客車加速踏板解析算法

郭 俊1，王俊華1，汪 偉2，王文明2

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 510640；2.中國(guó)南車集團(tuán) 株洲電力機(jī)車研究所，湖南 株洲 412001）

以混合動(dòng)力城市客車為研究對(duì)象，提出基于加速度的駕駛員加速踏板的踏板控制算法，從而解析出駕駛員意圖，更好地操控加速踏板。實(shí)際應(yīng)用效果良好。

加速踏板；駕駛員意圖；混合動(dòng)力城市客車

車輛行駛過(guò)程中駕駛員會(huì)根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境，以及自己的駕駛習(xí)慣對(duì)加速踏板、制動(dòng)踏板等進(jìn)行控制，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛意圖。在“人一車一路”這一個(gè)大的閉環(huán)系統(tǒng)中，駕駛員可以被看作是一個(gè)自適應(yīng)智能傳感器，而駕駛員意圖就是將該傳感器的信號(hào)加以處理得到的信息。在自動(dòng)變速系統(tǒng)中，駕駛員只通過(guò)加速踏板來(lái)表達(dá)自己的期望加速特性，必要時(shí)輔以制動(dòng)踏板。這里只討論駕駛員不踩制動(dòng)踏板的情況，制動(dòng)狀態(tài)下的駕駛員踏板意圖解析及換檔規(guī)律將另文討論。在裝有電子踏板的混合動(dòng)力城市客車中，加速踏板開(kāi)度和油門開(kāi)度并不一致，前者反映的是駕駛員意圖，后者則是調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)，而用作駕駛員意圖識(shí)別的是加速踏板開(kāi)度[1]。

1 混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力學(xué)分析

由汽車?yán)碚揫2]可知，汽車驅(qū)動(dòng)力

式中：r為車輪半徑；Ttq為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；ig為變速器的速比；i0為主減速器傳動(dòng)比；ηT表示傳動(dòng)系的機(jī)械效率。

上式中的Ttq正是我們從駕駛員踏板動(dòng)作解析中獲得的要給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。對(duì)于混合動(dòng)力城市客車，該轉(zhuǎn)矩由發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)提供，或是它們兩者之和。在混合動(dòng)力城市客車踏板解析模塊中，解析算法的核心目的就是從駕駛員的踏板動(dòng)作、踏板開(kāi)度中，分析出駕駛員意圖，算出駕駛員想要的加速度，從而由發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

車輛行駛時(shí)，滾動(dòng)阻力等于滾動(dòng)阻力系數(shù)與車輪負(fù)荷之乘積。城市道路一般都是良好的瀝青或混凝土路面，在這種路面上以中、低速行駛時(shí)，滾動(dòng)阻力系數(shù)大致在0.01～0.018之間。又因?yàn)榛旌蟿?dòng)力城市客車車速比較低，所采用的又是子午線輪胎，所以其滾動(dòng)阻力系數(shù)較小，驅(qū)動(dòng)力參數(shù)變化對(duì)其影響也小，在為混合動(dòng)力城市客車踏板解析算法建模中，滾動(dòng)阻力系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取了定值0.012[2]。

又根據(jù)文獻(xiàn)[2],在汽車行駛范圍內(nèi)，只考慮無(wú)風(fēng)條件下的汽車空氣阻力式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，即汽車行駛方向上的投影面積；ua為汽車行駛速度。對(duì)于混合動(dòng)力城市客車來(lái)說(shuō)，其迎風(fēng)面積一般都比較大，此處取經(jīng)驗(yàn)值7.5m2，而空氣阻力系數(shù)則取為0.6。

同樣，汽車加速行駛時(shí)的加速阻力Fj=δm×d u/d t。式中：m為汽車質(zhì)量；d u/d t為行駛加速度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，它可用下式計(jì)算，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式[3]，其中δ1取 0.04，δ2取 0.0025。

混合動(dòng)力城市客車主要的爬坡、下坡時(shí)段就是上、下立交橋的時(shí)候，所以，此處建模計(jì)算不考慮坡度情況，爬坡阻力Fi默認(rèn)為零。因此，可得混合動(dòng)力城市客車加速時(shí)的基本動(dòng)力學(xué)方程式：

根據(jù)上式，在滾動(dòng)阻力系數(shù)f、空氣阻力系數(shù)CD都已確定的基礎(chǔ)上，只要依據(jù)駕駛員期望的加速特性，就可依據(jù)駕駛員踏板解析出所需要的駕駛員期望傳動(dòng)力矩Ttq。

2 駕駛員期望的加速特性

如前所述，在清楚駕駛員的期望加速特性情況下，可解析出所需求的駕駛員期望傳動(dòng)力矩Ttq，整車控制器依據(jù)整車控制算法對(duì)駕駛員期望傳動(dòng)力矩Ttq進(jìn)行計(jì)算之后，再計(jì)算出傳動(dòng)系統(tǒng)期望力矩Tsys，并將其發(fā)給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和電機(jī)控制器，就能獲得相應(yīng)的實(shí)際傳動(dòng)力矩Tpow。

在這一控制算法中，如何從駕駛員踏板動(dòng)作中獲得駕駛員所期望的加速特性非常關(guān)鍵。實(shí)際上駕駛員任何對(duì)加速踏板的動(dòng)作都是為了通過(guò)加速獲得不同速度。因此，加速特性實(shí)際上是車輛控制的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在駕駛員踏板解析算法中也是一樣。本算法的一個(gè)最大亮點(diǎn)就是對(duì)于駕駛員踏板動(dòng)作的解析是基于駕駛員期望的加速特性。

駕駛員期望的加速特性是與力強(qiáng)相關(guān)的，根據(jù)前面的動(dòng)力學(xué)分析，可以確定汽車加速度需要掌握沿汽車行駛方向作用于汽車的各種外力，即驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力。而在車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中，很重要的一項(xiàng)就是車輛的動(dòng)力性計(jì)算。按照整車動(dòng)力性指標(biāo)需求，根據(jù)整車動(dòng)力性計(jì)算結(jié)果，工程師再相應(yīng)選擇適合的傳動(dòng)系參數(shù)，根據(jù)傳動(dòng)系參數(shù)對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。在傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)定完之后，傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩外特性已知，依據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩特性和傳動(dòng)速比，就能得到整車的設(shè)計(jì)加速曲線。

根據(jù)整車設(shè)計(jì)加速曲線，就可以計(jì)算出駕駛員期望的加速特性。在每個(gè)檔位、每個(gè)車速下，其最大加速度是一定的，此時(shí)駕駛員踏板開(kāi)度表征的是駕駛員期望力矩的大小，而駕駛員踏板開(kāi)度變化率的大小則表征的是駕駛員期望的力矩變化的快慢。此兩個(gè)參數(shù)是并列的，但駕駛員踏板開(kāi)度的重要性高于駕駛員踏板開(kāi)度變化率。實(shí)際上，在駕駛過(guò)程中，當(dāng)駕駛員加速踏板踩得較大而且踩得較快時(shí)，意味著此時(shí)駕駛員想快速起步或快速加速，所以駕駛員期望的力矩較大、較快；反之，則駕駛員期望的力矩較小、變化緩慢。處于這兩種條件之間的情況有無(wú)數(shù)種非線性的狀態(tài)[4]。

總的來(lái)說(shuō)，駕駛員加速踏板開(kāi)度β從某種意義上來(lái)講，是當(dāng)前車速下最高加速度的一個(gè)表征量。如果說(shuō)當(dāng)前車速下，駕駛員踩滿踏板，得到是當(dāng)前最大加速度amax的話，則踏板開(kāi)度為β時(shí)所期望獲得的最大加速度。

而駕駛員踏板開(kāi)度變化率并非如駕駛員踏板開(kāi)度一樣具有類似線性的關(guān)系，它更多的是駕駛員操作經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)。實(shí)際上，根據(jù)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以得到這樣的結(jié)論：急踏加速踏板既不利于汽車速度的很快提高，也不利于節(jié)油，同時(shí)還存在安全隱患，對(duì)乘客的舒適度有一定影響[5]。與傳統(tǒng)汽車不同，混合動(dòng)力城市客車的加速踏板并不與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門或油門直接關(guān)聯(lián)，它是先以電信號(hào)送到整車控制器，通過(guò)整車控制算法解析后再到傳動(dòng)系，也就是說(shuō)，實(shí)際上混合動(dòng)力城市客車的加速踏板與傳動(dòng)力矩是解耦的。這樣，就可以在整車控制中對(duì)不良的駕駛操作習(xí)慣進(jìn)行部分修正，在踏板解析時(shí)，盡量減少駕駛員踏板開(kāi)度的劇烈變化。因?yàn)樵诨旌蟿?dòng)力城市客車整車控制算法中，如果駕駛員踏板變化很快，盡管踏板并不與發(fā)動(dòng)機(jī)油門直接關(guān)聯(lián)，但需求功率的強(qiáng)烈變化，還是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有影響的。實(shí)際上，駕駛員對(duì)踏板操作的變化是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，可以為駕駛員踏板變化建立一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停簩Ⅰ{駛員踏板開(kāi)度分段，在不同開(kāi)度區(qū)間，當(dāng)踏板開(kāi)度變化為△β時(shí)，可以將駕駛員所期望踏板變化引起的轉(zhuǎn)矩變化曲線率設(shè)為λi（i=β∈[0，1]），λi依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定[6]。為了使混合動(dòng)力城市客車與傳統(tǒng)客車操控感覺(jué)一致，它通過(guò)統(tǒng)計(jì)傳統(tǒng)客車油門踏板數(shù)據(jù)分析獲得，其曲線見(jiàn)圖1。這樣，駕駛員期望加速度

3 算法模型與應(yīng)用實(shí)例

按照前面汽車動(dòng)力學(xué)公式的推導(dǎo)，當(dāng)駕駛員對(duì)加速踏板產(chǎn)生動(dòng)作，在清楚駕駛員動(dòng)作對(duì)應(yīng)期望加速特性的情況下，依據(jù)駕駛員期望加速特性，就可以解析出所需求的駕駛員期望傳動(dòng)力矩Ttq了。據(jù)此就可以建立起混合動(dòng)力城市客車加速踏板解析算法的模型[7]。

將上節(jié)推導(dǎo)的駕駛員期望加速度公式代入到第一節(jié)中的公式（1），可得到駕駛員期望的轉(zhuǎn)矩解析模型。

實(shí)際上，當(dāng)駕駛員加速踏板開(kāi)度為零，即駕駛員不踩加速踏板時(shí)，其期望加速度應(yīng)該是小于或等于零的。這時(shí)，駕駛員或是利用地面阻力溜車減速或是踩制動(dòng)踏板加制動(dòng)力減速，那么，當(dāng)踏板開(kāi)度為零時(shí)，上式中對(duì)應(yīng)克服風(fēng)阻和滾阻的驅(qū)動(dòng)力力矩也應(yīng)該為0。這樣通過(guò)一個(gè)標(biāo)識(shí)加速踏板位置為零的限制開(kāi)關(guān)來(lái)限制加速踏板位置為零時(shí)的助力矩，根據(jù)上式很容易建立起解析算法的MATLAB模型，見(jiàn)圖2。整車控制器對(duì)MATLAB編程就可以得到相應(yīng)的整車控制程序。

本算法實(shí)際應(yīng)用在湖南南車時(shí)代開(kāi)發(fā)的6119串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車上。該車采用上柴SC8DK215Q3發(fā)動(dòng)機(jī)，可靠性高，動(dòng)力性較強(qiáng)，使用維修方便，國(guó)III排放，日本DENSO電控高壓共軌技術(shù)。該車所用的加速踏板是與發(fā)動(dòng)機(jī)配套的油門踏板，該加速踏板信號(hào)傳感器與加速踏板（油門）為一體式結(jié)構(gòu)，傳感器具有兩路信號(hào)：油門信號(hào)1和油門信號(hào)2，其中油門信號(hào)2是用于校正油門信號(hào)1的，它們都可以使電控中心獲得油門控制信號(hào)。兩路油門信號(hào)的輸入電壓都為+5V，油門電阻約為1 kΩ。與BOSCH油門標(biāo)準(zhǔn)不同的是該兩路油門信號(hào)不是2:1，而是1:1的關(guān)系，它們的電壓范圍都是0～5 V。參考地線、油門信號(hào)1、油門信號(hào)2分別與整車控制器油門參考地線、油門信號(hào)線相連，整車控制器對(duì)加速踏板信號(hào)采樣，計(jì)算出加速踏板開(kāi)度，然后再按照本文介紹的解析算法對(duì)油門解析，進(jìn)行整車控制能量分配[8]。

實(shí)際應(yīng)用證明，該解析算法很好地解析了駕駛員意圖，它有效地輸出了駕駛員期望的加速特性，很好地將駕駛員經(jīng)驗(yàn)與混合動(dòng)力城市客車的特性相結(jié)合，既符合駕駛員操作習(xí)慣，又對(duì)駕駛員不良操作進(jìn)行了有效的糾正。采用該解析算法的混合動(dòng)力城市客車具有非常好的節(jié)油效果，同時(shí)踏板操作又符合人體工學(xué)原理，駕駛操作具有非常好的平穩(wěn)性。對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，無(wú)論是乘客還是駕駛員，對(duì)該車都比較滿意。實(shí)際應(yīng)用見(jiàn)圖3。從圖中可以看到，對(duì)比傳統(tǒng)油門踏板操作，該控制算法能更好地給出駕駛員期望加速力矩，獲得相應(yīng)加速度；在該控制算法下加速度變化更加平穩(wěn)，駕駛員操作平順性更佳[9-10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)汽車的操作不同，混合動(dòng)力城市客車的加速踏板并不與發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)直接相連，駕駛員在踩加速踏板加速時(shí)并不是增大發(fā)動(dòng)機(jī)油門，它只是將駕駛員的加速意圖通過(guò)電信號(hào)傳給整車控制器，由整車控制器通過(guò)踏板解析算法去調(diào)控、分配傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩。因此，如何正確反映駕駛員的加速意圖，在對(duì)整車按能量分配策略進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，又讓踏板操作符合駕駛員操作習(xí)慣，與傳統(tǒng)車一致就成了混合動(dòng)力車加速踏板控制的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文所介紹的基于加速度的加速踏板解析算法，從駕駛員踩加速踏板其動(dòng)作本質(zhì)就是為了獲得加速度這一根本意圖出發(fā)，很好解析了駕駛員期望的加速特性，有效輸出了傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得整車踏板操作與傳統(tǒng)車一致，同時(shí)又具有非常良好的節(jié)油效果。

[1]王玉海,宋健,李興坤.駕駛員意圖與行駛環(huán)境的統(tǒng)一識(shí)別及實(shí)時(shí)算法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，（4）

[2]余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]ThomasD.Gillespie.車輛動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]呂世威.模糊理論在離合器上的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，（15）

[5]侯立智，盧永興.應(yīng)養(yǎng)成平穩(wěn)操作油門踏板的良好習(xí)慣[J].汽車運(yùn)用，1995，（2）

[6]歐陽(yáng)明高，李建秋，楊福源，等.汽車新型動(dòng)力系統(tǒng)：構(gòu)型、建模與控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

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[8]Talesjo Aso,Masato Fukino,Toshio Kikuchi,et al.Simulation Study of Third Generation Series Hybrid System[C].EVS215,Brussels,Belgium,October1998.

[9]Paganelli G,Delprat S,Guerra T,ets.Equivalent Consumption Minimization Strategy for Parallel Hybrid Powertrains.IEEE Vehicular Technology Conference.2002:2076-2081.

[10]Peter Walter mann,et al.A Testbed for the Analysis of Performance and Efficiency of a Series Hybrid Drive Train[A].In:1998 FISITA Automotive World Congress[C].F98T/P697.

修改稿日期：2013-01-29

Analytical Algorithm of Hybrid City Bus Accel Pedal Based on Acceleration

Guo Jun1,Wang Junhua1,WangWei2,Wang Wenming2
(1.Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd,Automotive Engineering Institute,Guangzhou 510640,China;2.Hunan CSRTimes Electric Vehicle Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China)

The authors show an analytical algorithm of hybrid city buses'accelerative pedal based on acceleration.This algorithm analyzes the drivers'intensions in order to control the accelerative pedal better.The actual application has a good effection.

accel pedal；drivers'intension；hybrid city bus

U 463.21；U469.7

B

1006-3331（2013）02-0024-03

郭 俊（1980-），男，工程師；新能源系統(tǒng)主管；從事新能源汽車系統(tǒng)及整車控制技術(shù)研究工作。