經(jīng)濟性駕駛模式控制策略與應用技術研究

李衛(wèi)兵，吳瓊，陳東峰，鄔旭宏，楊天軍，張偉

(1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601； 2.汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；3.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

法規(guī)對整車油耗要求越來越高，GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》[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，從而推動整車企業(yè)和研究機構(gòu)開展節(jié)能減排的技術研究與量產(chǎn)化應用，實現(xiàn)乘用車油耗整體達標。另一方面，不同客戶對整車動力性與經(jīng)濟性要求不同，在整車動力總成匹配標定開發(fā)過程中，為了兼顧對動力性和經(jīng)濟性要求，只能使用折中方案，這會導致失去部分個性化需求客戶。為此，在正常駕駛模式以外研究開發(fā)一種經(jīng)濟性駕駛模式(Economic Driving Mode,EDM)，通過犧牲整車部分動力性來提高整車燃油經(jīng)濟性，達到節(jié)油的目的，滿足部分對動力性要求不高、優(yōu)先考慮燃油經(jīng)濟性的客戶。

研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機瞬態(tài)的動力輸出速率對該過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)動機動力輸出對整車的加速性能和客戶體驗沒有明顯的改善，只有穩(wěn)態(tài)持續(xù)的動力輸出才能取得良好的整車加速性能和客戶體驗。因此通過制定相應的控制策略來控制發(fā)動機的瞬態(tài)動力輸出速率，從而達到節(jié)油的效果[2-4]。

另外，研究發(fā)現(xiàn)自動變速箱合適的換擋時機可以顯著提高燃油經(jīng)濟性，過早或過遲換擋都會導致整車燃油經(jīng)濟性變差。通過匹配、標定和試驗確定動力性與經(jīng)濟性平衡的換擋線，實現(xiàn)該模式下油耗最優(yōu)，同時動力性滿足客戶日常使用需求[3-5]。

所以，研究經(jīng)濟性駕駛模式的節(jié)油策略以及滿足整車量產(chǎn)應用的各項指標要求，可在沒有硬件投入的情況下通過軟件和標定的手段來獲取理想的節(jié)油效果，值得深入研究并在整個行業(yè)內(nèi)推廣使用。

1 經(jīng)濟性駕駛模式節(jié)油原理

經(jīng)濟性駕駛模式是在普通駕駛模式的基礎上通過發(fā)動機控制模塊(Engine control module，ECU)和變速箱控制模塊(Transmission Control Module，TCU)實現(xiàn)不同動力輸出，通過犧牲小油門工況部分動力性來提高整車經(jīng)濟性。如圖1所示，當駕駛員踩50%的油門踏板開度請求加速時，EDM模式下期望發(fā)動機輸出的扭矩變小，期望扭矩的上升速率變慢，當駕駛員松開油門后期望扭矩下降也變慢，從而達到控制發(fā)動機動力輸出的目的。

圖1 EDM模式扭矩輸出控制對比

根據(jù)汽車理論中汽車驅(qū)動力平衡方程(式(1))和汽車驅(qū)動功率平衡方程(式(2))可知，車輛在加速過程中加速度(du/dt)變小，可以減小加速阻力，從而減小車輛驅(qū)動力(Ft)需求，減少發(fā)動機功率(Pe)輸出，最終達到節(jié)油的目的[6]。

(2)

TCU通過選擇合適的換擋時機，使發(fā)動機工作在轉(zhuǎn)速和油耗更優(yōu)化區(qū)域，使發(fā)動機輸出相同的扭矩時負荷更大，節(jié)氣門開度增大，進而發(fā)動機進氣阻力減小，從而得到更優(yōu)的發(fā)動機燃油消耗。

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

2 經(jīng)濟性駕駛模式控制策略

為了達到整車量產(chǎn)化應用要求，設計經(jīng)濟性駕駛模式(見圖2)。ECU首選對請求開關狀態(tài)(布置在MP5上的軟開關)進行邏輯判斷，看駕駛員是否有EDM功能請求，然后再判斷ECU側(cè)是否滿足條件；如果ECU側(cè)滿足EDM功能進入條件，再判斷TCU側(cè)是否滿足進入EDM功能；如果以上條件(駕駛員有請求、ECU條件滿足、TCU條件滿足)都滿足,執(zhí)行EDM控制策略并點亮儀表上指示燈，如果不滿足當前循環(huán)結(jié)束。

圖2 EDM控制流程框圖

2.1 ECU控制邏輯

1) 進入判斷條件

滿足以下條件ECU可以進入EDM模式：ECU未工作在跛行模式下；無重要零部件故障；發(fā)動機已經(jīng)熱機完成；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，設計修正表格(見表1)修正駕駛員期望扭矩，將如圖1中的(5)修正至(2)。在小油門時修正幅度較大，以期望取得較好的節(jié)油效果；大油門時不進行修正，滿足客戶實際使用過程中對加速超車性能的需求。修正系數(shù)需要根據(jù)實車表現(xiàn)進行標定確認，以確保動力性、經(jīng)濟性與客戶的主觀感受達到平衡。

表1 駕駛員期望扭矩修正系數(shù)

3) 扭矩上升(TIP IN)過程控制邏輯

在EDM模式下，使用獨立標定的方式對進入/退出扭矩上升過程進行控制，將圖1中的(4)修正至(1)。對各擋位下TIP IN過程進入/退出EDM模式的閾值和濾波系數(shù)進行了標定(見表2至表4)，通過這些參數(shù)控制各擋位動力輸出速率。通過反復標定這些參數(shù)控制發(fā)動機扭矩輸出增加更加平緩，并確保這個過程中車輛加速無沖擊。

表2 各擋位TIP IN進入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過程中EDM模式濾波系數(shù)修正系數(shù)

4) 扭矩下降過程(Dashpot)控制邏輯

與TIP IN的控制過程類似，通過設置閾值控制進入/退出控制模式，進入控制模式后通過修正系數(shù)控制扭矩下降的過程。在實車上反復進行標定，使Dashpot過程發(fā)動機扭矩下降過程中轉(zhuǎn)速和車速平穩(wěn)。

5) 動力加濃觸發(fā)邏輯

在EDM模式下，設計獨立的觸發(fā)條件控制發(fā)動機進入動力加濃噴油模式，從而在駕駛過程中降低油耗。如表5所示，以節(jié)氣門開度作為判斷條件，部分轉(zhuǎn)速下標定為節(jié)氣門開度大于100%，但實際應用過程中不會達到該條件。在進入動力加濃噴油模式后，也設定獨立的空燃比(見表6)，只有全油門4 000 r/min以上時采用加濃。通過以上兩個策略控制EDM模式不進行動力加濃，從而達到節(jié)油的目的。

表5 EDM模式下不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速的加濃條件

表6 EDM模式下加濃空燃比標定

6) 單獨減速斷油恢復策略

為了獲得最大的節(jié)油效果，在EDM模式下，制定單獨的減速斷油恢復控制策略，延長減速斷油時間。發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時恢復供油會增加因負荷變化帶來的熄火風險或者整車沖擊，另外發(fā)動機水溫會影響混合氣燃燒，車輛負載會影響恢復供油時的整車沖擊。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定恢復供油轉(zhuǎn)速(見表7)。熱機轉(zhuǎn)速越低，發(fā)動機處在斷油過程時間越長，節(jié)油效果越明顯。表7中的數(shù)據(jù)都需要根據(jù)車型部分作相應的平衡和取舍。

表7 EDM模式下減速斷油轉(zhuǎn)速標定 r/min

2.2 TCU控制邏輯

TCU控制是通過設置不同的換擋線，通過試驗與標定確定最佳的燃油消耗和整車動力需求，實現(xiàn)節(jié)油的同時不影響正常的駕駛體驗。

1) TCU進入EDM模式的條件判斷

當以下條件均滿足并持續(xù)一段時間，TCU發(fā)出允許進入EDM模式命令：變速箱不處于換擋狀態(tài)；變速箱無故障；換擋桿處于D擋；其他換擋模式未觸發(fā)，駕駛員有EDM請求。

2) EDM模式換擋線

當TCU進入EDM模式后執(zhí)行單獨的換擋線(見表8)。實際使用按照油門開度與車速確定升擋時序，車速越低升擋越及時，發(fā)動機轉(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，駕駛過程中能明顯感覺到換擋提前。從換擋時發(fā)動機轉(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，更低的離合器預接合力可以減少離合器的摩擦阻力，進而減小發(fā)動機在D擋怠速工況下的燃油消耗，從而達到節(jié)油的效果。

對于ECU與TCU在EDM模式下各項節(jié)油控制策略，通過在整車上經(jīng)過整車轉(zhuǎn)轂標定、三高標定(高溫、高寒和高原)、排放循環(huán)標定等環(huán)節(jié)，確認各項控制參數(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)要求開展整車油耗對比試驗[7-8]，試驗車輛參數(shù)見表9。

表9 試驗車輛主要參數(shù)

制造誤差和車輛磨合里程數(shù)會影響整車油耗值，為了減少試驗誤差，增加試驗結(jié)果的可信性，本研究使用4輛試驗車，每輛車開EDM功能和關EDM功能各開展3次試驗，然后取平均值。多臺車輛按照法規(guī)進行油耗對比測試，試驗結(jié)果統(tǒng)計見表10。由表10可知，每臺車的平均節(jié)油效果平均值達到3.5%以上，4臺車的平均節(jié)油效果達到4.45%，節(jié)油效果明顯。

表10 節(jié)油效果對比

除按照法規(guī)工況進行節(jié)油效果對比試驗外，還開展模擬客戶駕駛習慣固定油門加速過程油耗對比試驗，試驗結(jié)果表明，中小油門EDM模式下節(jié)油效果明顯。

4 相關性標定與驗證

EDM模式下對ECU和TCU的控制參數(shù)重新進行標定，會對整車排放性能、動力性能、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)濟性提高的同時還需要性能達標，使其各項性能滿足法規(guī)與使用要求。

4.1 整車排放性能

常溫排放與油耗試驗采用相同的試驗程序進行，排放試驗過程通過碳平衡法間接計算出NEDC循環(huán)中的油耗。進行油耗標定過程中，排放是需要考慮的第一因素，如果排放不能滿足要求，降低油耗無任何意義。

排放標定內(nèi)容：發(fā)動機水溫20～30 ℃冷機起動時，燃油、進氣和點火角配合，使冷機起動過程中原始污染物排放最低且發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升與下降平穩(wěn)；發(fā)動機暖機過程中標定開環(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。在標定開發(fā)過程中首先完成排放標定，再進行EDM標定，通過標定EDM的條件溫度使EDM影響最小。為了取得最佳的節(jié)油效果，這個溫度需要反復試驗后確定，該車型EDM條件溫度最后設定為45 ℃[9-11]。

通過多車多輪次的反復標定，最終該車型的常溫排放結(jié)果達到法規(guī)一次性通過要求。1號和2號標定車輛分別開展2×2次排放驗證試驗，驗證試驗結(jié)果見表11。由結(jié)果可知，標定數(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，滿足工程開發(fā)要求。

表11 排放驗證結(jié)果 g/km

4.2 整車動力性能

EDM模式主要是通過犧牲中小油門下的動力性來降低整車油耗，但是動力性犧牲太多就會對客戶駕駛體驗產(chǎn)生較大的影響。所以標定開發(fā)過程中TCU換擋線和ECU的TIP IN修正系數(shù)不會有較大的差異，達到油耗目標即可。

模擬客戶駕駛習慣，以不同的油門開度起步加速至100 km/h，記錄過程數(shù)據(jù)，對加速時間、行駛距離和加速過程油耗進行對比，結(jié)果見表12。

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

表12 整車動力性能試驗結(jié)果

4.3 OBD性能

OBD指標是GB 18352.5—2013法規(guī)強制要求，采用EDM模式后也需要開展OBD診斷演示試驗，確認各項性能滿足法規(guī)要求[12-13]。

在試驗之前需要進行精細標定，EDM模式下標定主要考慮NEDC工況下診斷條件能夠兼容EDM與非EDM模式，并進行現(xiàn)場調(diào)整，最后的演示結(jié)果見表13至表15。

用氧信號模擬器模擬氧傳感器失效進行NEDC循環(huán)試驗，排放結(jié)果都滿足法規(guī)要求，并且能夠在診斷循環(huán)中報出故障碼點亮故障燈，排放試驗中分子計數(shù)器完成增加。

表13 氧傳感器診斷試驗結(jié)果

利用失火發(fā)生器導入3%的失火率，進行NEDC循環(huán)試驗，排放結(jié)果均滿足法規(guī)要求，均能夠在診斷循環(huán)中報出故障碼點亮故障燈(見表14)。

表14 3%失火診斷試驗結(jié)果

使用極限催化器進行NEDC循環(huán)試驗，排放結(jié)果都小于法規(guī)限值120%(見表15)，均能夠在NEDC循環(huán)報出故障碼點亮故障燈。

表15 催化器診斷試驗結(jié)果

在NEDC驗證試驗過程中記錄各參數(shù)的變動情況，結(jié)果表明分母和分子計數(shù)器增加正常，IUPR符合法規(guī)要求。

4.4 駕駛性能

使用AVL-Drive整車駕駛性客觀評價系統(tǒng)進行駕駛性專業(yè)的評價分析。由于EDM模式只對部分油門加速過程的駕駛性有影響，所以只對該工況進行對比分析，其他工況不作對比分析，結(jié)果見表16。

EDM模式下對發(fā)動機扭矩輸出曲線進行修正，導致加速過程中發(fā)動機扭矩上升變慢，所以扭矩響應評分略低，但是扭矩的建立更平順，期望加速度和實際加速度相關性更好，期望扭矩和實際扭矩相關性更好，扭矩上升更平順，油門與扭矩的線性相關度更好；加速度跳變更柔和，沖擊更小一些，所以總體評分要略高。EDM模式和非EDM模式最終加速工況客觀評分均高于7分，達到了量產(chǎn)要求。

表16 駕駛性客觀評價結(jié)果

5 結(jié)束語

闡述了經(jīng)濟性駕駛模式的基本節(jié)油理論和節(jié)油原理，從量產(chǎn)工程應用角度出發(fā)詳細分析控制邏輯和標定開發(fā)過程，以及如何消除對達標、客戶體驗和整車性能的影響。最終該車型實現(xiàn)節(jié)油效果4%以上。通過設置專門的控制邏輯使其與EDM功能相關的排放與OBD法規(guī)要求、動力性能和駕駛性都滿足企業(yè)的量產(chǎn)要求。

EDM模式幾乎沒有硬件投入，但是卻帶來較明顯的節(jié)油效果，而且不會對客戶駕駛體驗帶來較大的影響，是一種經(jīng)濟的整車節(jié)油方法。

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