經(jīng)濟(jì)性駕駛模式控制策略與應(yīng)用技術(shù)研究

李衛(wèi)兵，吳瓊，陳東峰，鄔旭宏，楊天軍，張偉

(1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601； 2.汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

法規(guī)對(duì)整車油耗要求越來(lái)越高，GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》[1]從整體上要求乘用車百公里燃料消耗量在2015年為7 L，2020年為5 L，從而推動(dòng)整車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展節(jié)能減排的技術(shù)研究與量產(chǎn)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)乘用車油耗整體達(dá)標(biāo)。另一方面，不同客戶對(duì)整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性要求不同，在整車動(dòng)力總成匹配標(biāo)定開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了兼顧對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求，只能使用折中方案，這會(huì)導(dǎo)致失去部分個(gè)性化需求客戶。為此，在正常駕駛模式以外研究開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)性駕駛模式(Economic Driving Mode,EDM)，通過(guò)犧牲整車部分動(dòng)力性來(lái)提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)油的目的，滿足部分對(duì)動(dòng)力性要求不高、優(yōu)先考慮燃油經(jīng)濟(jì)性的客戶。

研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)的動(dòng)力輸出速率對(duì)該過(guò)程中燃油消耗有較大的影響，但是由于整車慣性，短暫的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出對(duì)整車的加速性能和客戶體驗(yàn)沒(méi)有明顯的改善，只有穩(wěn)態(tài)持續(xù)的動(dòng)力輸出才能取得良好的整車加速性能和客戶體驗(yàn)。因此通過(guò)制定相應(yīng)的控制策略來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)力輸出速率，從而達(dá)到節(jié)油的效果[2-4]。

另外，研究發(fā)現(xiàn)自動(dòng)變速箱合適的換擋時(shí)機(jī)可以顯著提高燃油經(jīng)濟(jì)性，過(guò)早或過(guò)遲換擋都會(huì)導(dǎo)致整車燃油經(jīng)濟(jì)性變差。通過(guò)匹配、標(biāo)定和試驗(yàn)確定動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性平衡的換擋線，實(shí)現(xiàn)該模式下油耗最優(yōu)，同時(shí)動(dòng)力性滿足客戶日常使用需求[3-5]。

所以，研究經(jīng)濟(jì)性駕駛模式的節(jié)油策略以及滿足整車量產(chǎn)應(yīng)用的各項(xiàng)指標(biāo)要求，可在沒(méi)有硬件投入的情況下通過(guò)軟件和標(biāo)定的手段來(lái)獲取理想的節(jié)油效果，值得深入研究并在整個(gè)行業(yè)內(nèi)推廣使用。

1 經(jīng)濟(jì)性駕駛模式節(jié)油原理

經(jīng)濟(jì)性駕駛模式是在普通駕駛模式的基礎(chǔ)上通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(Engine control module，ECU)和變速箱控制模塊(Transmission Control Module，TCU)實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)力輸出，通過(guò)犧牲小油門工況部分動(dòng)力性來(lái)提高整車經(jīng)濟(jì)性。如圖1所示，當(dāng)駕駛員踩50%的油門踏板開(kāi)度請(qǐng)求加速時(shí)，EDM模式下期望發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩變小，期望扭矩的上升速率變慢，當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門后期望扭矩下降也變慢，從而達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的目的。

圖1 EDM模式扭矩輸出控制對(duì)比

根據(jù)汽車?yán)碚撝衅囼?qū)動(dòng)力平衡方程(式(1))和汽車驅(qū)動(dòng)功率平衡方程(式(2))可知，車輛在加速過(guò)程中加速度(du/dt)變小，可以減小加速阻力，從而減小車輛驅(qū)動(dòng)力(Ft)需求，減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率(Pe)輸出，最終達(dá)到節(jié)油的目的[6]。

(2)

TCU通過(guò)選擇合適的換擋時(shí)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在轉(zhuǎn)速和油耗更優(yōu)化區(qū)域，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出相同的扭矩時(shí)負(fù)荷更大，節(jié)氣門開(kāi)度增大，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣阻力減小，從而得到更優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。

通過(guò)ECU與TCU相互協(xié)調(diào)配合，可以充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)性駕駛模式下的節(jié)油潛力，降低整車油耗。

2 經(jīng)濟(jì)性駕駛模式控制策略

為了達(dá)到整車量產(chǎn)化應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性駕駛模式(見(jiàn)圖2)。ECU首選對(duì)請(qǐng)求開(kāi)關(guān)狀態(tài)(布置在MP5上的軟開(kāi)關(guān))進(jìn)行邏輯判斷，看駕駛員是否有EDM功能請(qǐng)求，然后再判斷ECU側(cè)是否滿足條件；如果ECU側(cè)滿足EDM功能進(jìn)入條件，再判斷TCU側(cè)是否滿足進(jìn)入EDM功能；如果以上條件(駕駛員有請(qǐng)求、ECU條件滿足、TCU條件滿足)都滿足,執(zhí)行EDM控制策略并點(diǎn)亮儀表上指示燈，如果不滿足當(dāng)前循環(huán)結(jié)束。

圖2 EDM控制流程框圖

2.1 ECU控制邏輯

1) 進(jìn)入判斷條件

滿足以下條件ECU可以進(jìn)入EDM模式：ECU未工作在跛行模式下；無(wú)重要零部件故障；發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)熱機(jī)完成；CAN通信正常；其他模塊未發(fā)送EDM模式禁止命令；未工作在巡航模式下。

2) 駕駛員期望扭矩的修正

在EDM模式下，設(shè)計(jì)修正表格(見(jiàn)表1)修正駕駛員期望扭矩，將如圖1中的(5)修正至(2)。在小油門時(shí)修正幅度較大，以期望取得較好的節(jié)油效果；大油門時(shí)不進(jìn)行修正，滿足客戶實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)加速超車性能的需求。修正系數(shù)需要根據(jù)實(shí)車表現(xiàn)進(jìn)行標(biāo)定確認(rèn)，以確保動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與客戶的主觀感受達(dá)到平衡。

表1 駕駛員期望扭矩修正系數(shù)

3) 扭矩上升(TIP IN)過(guò)程控制邏輯

在EDM模式下，使用獨(dú)立標(biāo)定的方式對(duì)進(jìn)入/退出扭矩上升過(guò)程進(jìn)行控制，將圖1中的(4)修正至(1)。對(duì)各擋位下TIP IN過(guò)程進(jìn)入/退出EDM模式的閾值和濾波系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定(見(jiàn)表2至表4)，通過(guò)這些參數(shù)控制各擋位動(dòng)力輸出速率。通過(guò)反復(fù)標(biāo)定這些參數(shù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出增加更加平緩，并確保這個(gè)過(guò)程中車輛加速無(wú)沖擊。

表2 各擋位TIP IN進(jìn)入EDM模式閾值

表3 各擋位TIP IN退出EDM模式閾值

表4 各擋位TIP IN過(guò)程中EDM模式濾波系數(shù)修正系數(shù)

4) 扭矩下降過(guò)程(Dashpot)控制邏輯

與TIP IN的控制過(guò)程類似，通過(guò)設(shè)置閾值控制進(jìn)入/退出控制模式，進(jìn)入控制模式后通過(guò)修正系數(shù)控制扭矩下降的過(guò)程。在實(shí)車上反復(fù)進(jìn)行標(biāo)定，使Dashpot過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降過(guò)程中轉(zhuǎn)速和車速平穩(wěn)。

5) 動(dòng)力加濃觸發(fā)邏輯

在EDM模式下，設(shè)計(jì)獨(dú)立的觸發(fā)條件控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入動(dòng)力加濃噴油模式，從而在駕駛過(guò)程中降低油耗。如表5所示，以節(jié)氣門開(kāi)度作為判斷條件，部分轉(zhuǎn)速下標(biāo)定為節(jié)氣門開(kāi)度大于100%，但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)達(dá)到該條件。在進(jìn)入動(dòng)力加濃噴油模式后，也設(shè)定獨(dú)立的空燃比(見(jiàn)表6)，只有全油門4 000 r/min以上時(shí)采用加濃。通過(guò)以上兩個(gè)策略控制EDM模式不進(jìn)行動(dòng)力加濃，從而達(dá)到節(jié)油的目的。

表5 EDM模式下不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的加濃條件

表6 EDM模式下加濃空燃比標(biāo)定

6) 單獨(dú)減速斷油恢復(fù)策略

為了獲得最大的節(jié)油效果，在EDM模式下，制定單獨(dú)的減速斷油恢復(fù)控制策略，延長(zhǎng)減速斷油時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)恢復(fù)供油會(huì)增加因負(fù)荷變化帶來(lái)的熄火風(fēng)險(xiǎn)或者整車沖擊，另外發(fā)動(dòng)機(jī)水溫會(huì)影響混合氣燃燒，車輛負(fù)載會(huì)影響恢復(fù)供油時(shí)的整車沖擊。所以，EDM模式下減速斷油的策略需根據(jù)變速箱擋位和水溫設(shè)定恢復(fù)供油轉(zhuǎn)速(見(jiàn)表7)。熱機(jī)轉(zhuǎn)速越低，發(fā)動(dòng)機(jī)處在斷油過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)油效果越明顯。表7中的數(shù)據(jù)都需要根據(jù)車型部分作相應(yīng)的平衡和取舍。

表7 EDM模式下減速斷油轉(zhuǎn)速標(biāo)定 r/min

2.2 TCU控制邏輯

TCU控制是通過(guò)設(shè)置不同的換擋線，通過(guò)試驗(yàn)與標(biāo)定確定最佳的燃油消耗和整車動(dòng)力需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)油的同時(shí)不影響正常的駕駛體驗(yàn)。

1) TCU進(jìn)入EDM模式的條件判斷

當(dāng)以下條件均滿足并持續(xù)一段時(shí)間，TCU發(fā)出允許進(jìn)入EDM模式命令：變速箱不處于換擋狀態(tài)；變速箱無(wú)故障；換擋桿處于D擋；其他換擋模式未觸發(fā)，駕駛員有EDM請(qǐng)求。

2) EDM模式換擋線

當(dāng)TCU進(jìn)入EDM模式后執(zhí)行單獨(dú)的換擋線(見(jiàn)表8)。實(shí)際使用按照油門開(kāi)度與車速確定升擋時(shí)序，車速越低升擋越及時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，節(jié)油效果越好。

表8 EDM模式換擋線 km/h

與普通模式換擋線相比，EDM模式換擋線低擋位和小油門時(shí)車速減小3 km/h，高擋位和大油門的車速減小10 km/h以上，駕駛過(guò)程中能明顯感覺(jué)到換擋提前。從換擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速看，EDM升擋前轉(zhuǎn)速在1 500 r/min左右，換擋后轉(zhuǎn)速在1 200 r/min左右；普通模式換擋線升擋前轉(zhuǎn)速在1 800 r/min以上，換擋后轉(zhuǎn)速在1 400 r/min左右。

3) 離合器接合策略

在EDM模式下，離合器在D擋怠速停車時(shí)，更低的離合器預(yù)接合力可以減少離合器的摩擦阻力，進(jìn)而減小發(fā)動(dòng)機(jī)在D擋怠速工況下的燃油消耗，從而達(dá)到節(jié)油的效果。

對(duì)于ECU與TCU在EDM模式下各項(xiàng)節(jié)油控制策略，通過(guò)在整車上經(jīng)過(guò)整車轉(zhuǎn)轂標(biāo)定、三高標(biāo)定(高溫、高寒和高原)、排放循環(huán)標(biāo)定等環(huán)節(jié)，確認(rèn)各項(xiàng)控制參數(shù)的合理性、整車駕駛舒適性、主觀感受和節(jié)油效果等性能，平衡后確定最終參數(shù)。

3 整車節(jié)油效果

按照GB/T 19233—2008和GB 18352.5—2013法規(guī)要求開(kāi)展整車油耗對(duì)比試驗(yàn)[7-8]，試驗(yàn)車輛參數(shù)見(jiàn)表9。

表9 試驗(yàn)車輛主要參數(shù)

制造誤差和車輛磨合里程數(shù)會(huì)影響整車油耗值，為了減少試驗(yàn)誤差，增加試驗(yàn)結(jié)果的可信性，本研究使用4輛試驗(yàn)車，每輛車開(kāi)EDM功能和關(guān)EDM功能各開(kāi)展3次試驗(yàn)，然后取平均值。多臺(tái)車輛按照法規(guī)進(jìn)行油耗對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表10。由表10可知，每臺(tái)車的平均節(jié)油效果平均值達(dá)到3.5%以上，4臺(tái)車的平均節(jié)油效果達(dá)到4.45%，節(jié)油效果明顯。

表10 節(jié)油效果對(duì)比

除按照法規(guī)工況進(jìn)行節(jié)油效果對(duì)比試驗(yàn)外，還開(kāi)展模擬客戶駕駛習(xí)慣固定油門加速過(guò)程油耗對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，中小油門EDM模式下節(jié)油效果明顯。

4 相關(guān)性標(biāo)定與驗(yàn)證

EDM模式下對(duì)ECU和TCU的控制參數(shù)重新進(jìn)行標(biāo)定，會(huì)對(duì)整車排放性能、動(dòng)力性能、車載故障診斷(On Board Diagnosis，OBD)性能、駕駛性能產(chǎn)生影響。在整車燃油經(jīng)濟(jì)性提高的同時(shí)還需要性能達(dá)標(biāo)，使其各項(xiàng)性能滿足法規(guī)與使用要求。

4.1 整車排放性能

常溫排放與油耗試驗(yàn)采用相同的試驗(yàn)程序進(jìn)行，排放試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)碳平衡法間接計(jì)算出NEDC循環(huán)中的油耗。進(jìn)行油耗標(biāo)定過(guò)程中，排放是需要考慮的第一因素，如果排放不能滿足要求，降低油耗無(wú)任何意義。

排放標(biāo)定內(nèi)容：發(fā)動(dòng)機(jī)水溫20～30 ℃冷機(jī)起動(dòng)時(shí)，燃油、進(jìn)氣和點(diǎn)火角配合，使冷機(jī)起動(dòng)過(guò)程中原始污染物排放最低且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升與下降平穩(wěn)；發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過(guò)程中標(biāo)定開(kāi)環(huán)空燃比，降低催化器起燃前污染物排放量；催化器起燃后標(biāo)定空燃比修正系數(shù)，使混合氣空燃比保持在理論空燃比附近，使95%以上的污染物完成轉(zhuǎn)換。在標(biāo)定開(kāi)發(fā)過(guò)程中首先完成排放標(biāo)定，再進(jìn)行EDM標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定EDM的條件溫度使EDM影響最小。為了取得最佳的節(jié)油效果，這個(gè)溫度需要反復(fù)試驗(yàn)后確定，該車型EDM條件溫度最后設(shè)定為45 ℃[9-11]。

通過(guò)多車多輪次的反復(fù)標(biāo)定，最終該車型的常溫排放結(jié)果達(dá)到法規(guī)一次性通過(guò)要求。1號(hào)和2號(hào)標(biāo)定車輛分別開(kāi)展2×2次排放驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。由結(jié)果可知，標(biāo)定數(shù)據(jù)優(yōu)化平衡后，排放結(jié)果穩(wěn)定，不同車輛一致性和穩(wěn)定性好，滿足工程開(kāi)發(fā)要求。

表11 排放驗(yàn)證結(jié)果 g/km

4.2 整車動(dòng)力性能

EDM模式主要是通過(guò)犧牲中小油門下的動(dòng)力性來(lái)降低整車油耗，但是動(dòng)力性犧牲太多就會(huì)對(duì)客戶駕駛體驗(yàn)產(chǎn)生較大的影響。所以標(biāo)定開(kāi)發(fā)過(guò)程中TCU換擋線和ECU的TIP IN修正系數(shù)不會(huì)有較大的差異，達(dá)到油耗目標(biāo)即可。

模擬客戶駕駛習(xí)慣，以不同的油門開(kāi)度起步加速至100 km/h，記錄過(guò)程數(shù)據(jù)，對(duì)加速時(shí)間、行駛距離和加速過(guò)程油耗進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表12。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，70%以上油門開(kāi)度時(shí)EDM對(duì)整車動(dòng)力性沒(méi)有影響，從而不影響EDM模式下的加速與超車要求，但中小油門開(kāi)度時(shí)EDM對(duì)加速性能有明顯的影響。EDM模式下30%油門開(kāi)度時(shí)加速至100 km/h的時(shí)間延長(zhǎng)27%，距離增大29%，但是油耗降低14%；50%油門開(kāi)度時(shí)加速至100 km/h的時(shí)間延長(zhǎng)39%，距離增大45%，但是油耗降低18%。

表12 整車動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3 OBD性能

OBD指標(biāo)是GB 18352.5—2013法規(guī)強(qiáng)制要求，采用EDM模式后也需要開(kāi)展OBD診斷演示試驗(yàn)，確認(rèn)各項(xiàng)性能滿足法規(guī)要求[12-13]。

在試驗(yàn)之前需要進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定，EDM模式下標(biāo)定主要考慮NEDC工況下診斷條件能夠兼容EDM與非EDM模式，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，最后的演示結(jié)果見(jiàn)表13至表15。

用氧信號(hào)模擬器模擬氧傳感器失效進(jìn)行NEDC循環(huán)試驗(yàn)，排放結(jié)果都滿足法規(guī)要求，并且能夠在診斷循環(huán)中報(bào)出故障碼點(diǎn)亮故障燈，排放試驗(yàn)中分子計(jì)數(shù)器完成增加。

表13 氧傳感器診斷試驗(yàn)結(jié)果

利用失火發(fā)生器導(dǎo)入3%的失火率，進(jìn)行NEDC循環(huán)試驗(yàn)，排放結(jié)果均滿足法規(guī)要求，均能夠在診斷循環(huán)中報(bào)出故障碼點(diǎn)亮故障燈(見(jiàn)表14)。

表14 3%失火診斷試驗(yàn)結(jié)果

使用極限催化器進(jìn)行NEDC循環(huán)試驗(yàn)，排放結(jié)果都小于法規(guī)限值120%(見(jiàn)表15)，均能夠在NEDC循環(huán)報(bào)出故障碼點(diǎn)亮故障燈。

表15 催化器診斷試驗(yàn)結(jié)果

在NEDC驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中記錄各參數(shù)的變動(dòng)情況，結(jié)果表明分母和分子計(jì)數(shù)器增加正常，IUPR符合法規(guī)要求。

4.4 駕駛性能

使用AVL-Drive整車駕駛性客觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行駕駛性專業(yè)的評(píng)價(jià)分析。由于EDM模式只對(duì)部分油門加速過(guò)程的駕駛性有影響，所以只對(duì)該工況進(jìn)行對(duì)比分析，其他工況不作對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表16。

EDM模式下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出曲線進(jìn)行修正，導(dǎo)致加速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩上升變慢，所以扭矩響應(yīng)評(píng)分略低，但是扭矩的建立更平順，期望加速度和實(shí)際加速度相關(guān)性更好，期望扭矩和實(shí)際扭矩相關(guān)性更好，扭矩上升更平順，油門與扭矩的線性相關(guān)度更好；加速度跳變更柔和，沖擊更小一些，所以總體評(píng)分要略高。EDM模式和非EDM模式最終加速工況客觀評(píng)分均高于7分，達(dá)到了量產(chǎn)要求。

表16 駕駛性客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

闡述了經(jīng)濟(jì)性駕駛模式的基本節(jié)油理論和節(jié)油原理，從量產(chǎn)工程應(yīng)用角度出發(fā)詳細(xì)分析控制邏輯和標(biāo)定開(kāi)發(fā)過(guò)程，以及如何消除對(duì)達(dá)標(biāo)、客戶體驗(yàn)和整車性能的影響。最終該車型實(shí)現(xiàn)節(jié)油效果4%以上。通過(guò)設(shè)置專門的控制邏輯使其與EDM功能相關(guān)的排放與OBD法規(guī)要求、動(dòng)力性能和駕駛性都滿足企業(yè)的量產(chǎn)要求。

EDM模式幾乎沒(méi)有硬件投入，但是卻帶來(lái)較明顯的節(jié)油效果，而且不會(huì)對(duì)客戶駕駛體驗(yàn)帶來(lái)較大的影響，是一種經(jīng)濟(jì)的整車節(jié)油方法。

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