一種車輛經(jīng)濟(jì)性駕駛模式的研究

楊小波

摘要：駕駛行為對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性有著極大的影響，本文分析了導(dǎo)致車輛燃油消耗惡化的幾種典型駕駛行為，針對這些駕駛行為設(shè)計了相應(yīng)的電控優(yōu)化方案，采用Matlab-Simulink搭建控制算法后，再通過AVL-Cruise與Matlab-Simulink聯(lián)合仿真對電控方案進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化，最后通過實(shí)車道路試驗(yàn)優(yōu)化并驗(yàn)證了本經(jīng)濟(jì)性駕駛模式。

關(guān)鍵詞：駕駛行為分析;經(jīng)濟(jì)性駕駛;Cruise;聯(lián)合仿真;路試

中圖分類號：U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0036-05

1 引言

受節(jié)能環(huán)保及市場競爭等多方面壓力的影響，提升汽車產(chǎn)品核心競爭力勢在必行。燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車核心競爭力的重要因素，因此，提升車輛燃油經(jīng)濟(jì)性成為當(dāng)前汽車設(shè)計制造技術(shù)的重中之重。

本文從優(yōu)化駕駛行為的方向研究燃油經(jīng)濟(jì)性提升技術(shù)，駕駛行為對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性有著極大的影響，道路油耗對比測試顯示，同一臺車同樣工況下，不同駕駛員間的油耗差異可達(dá)到20%以上。這個差異在優(yōu)秀駕駛員和新手之間更為明顯，優(yōu)化駕駛員駕駛行為可以有效的提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。導(dǎo)致車輛燃油經(jīng)濟(jì)性惡化的駕駛行為有很多，如不合理的擋位選擇、大油門急加速以及未能合理控制車速導(dǎo)致的制動行為等。本文針對其中急加速行為進(jìn)行分析，設(shè)計并驗(yàn)證了一種針對性的經(jīng)濟(jì)性改善方案。

2系統(tǒng)開發(fā)流程

如圖1流程圖所示，本文針對一種導(dǎo)致車輛燃油消耗惡化的駕駛行為進(jìn)行分析。為避免急加速行為，設(shè)計了一種基于外特性限制的電控優(yōu)化策略，再通過AVL-Cruise與Matlab-Simulink聯(lián)合仿真對電控方案進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化。最后通過實(shí)車道路調(diào)試固化控制參數(shù)，綜合工況下對比測試驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)性提升效果。

3電控優(yōu)化方案

電控優(yōu)化方案以高速綜合為目標(biāo)工況。通過對一段含60%平原高速、40%丘陵高速，合計100公里左右的實(shí)車道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2所示，除去起步及爬坡，90%以上的行程采用最高擋及次高擋。

加速度限制可以通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速或是扭矩限制實(shí)現(xiàn)，不同擋位下車輛的加速性能各有差異。考慮到目標(biāo)工況下車輛主要工作在高擋區(qū)，按擋位或是車速設(shè)定相應(yīng)的加速度限制會讓整個系統(tǒng)復(fù)雜化，本文設(shè)計電控優(yōu)化方案時并不嚴(yán)格控制車輛在所有擋位保持同樣的最高加速性能。

基于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩響應(yīng)特性，有兩種限制車輛急加速行為的電控優(yōu)化方案，分別為根據(jù)整車工況對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，或是發(fā)動機(jī)扭矩進(jìn)行限制。通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速限制可以實(shí)現(xiàn)對車輛加速度較為精準(zhǔn)的控制，但這種方式需要以固定的變化率對轉(zhuǎn)速限值進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。相比之下，以固定扭矩限值進(jìn)行扭矩限制的控制方式更為簡單，本文的電控優(yōu)化方案采用這種方式如圖3示例。

考慮到動力差異化需求，以上電控優(yōu)化方案通過E/P開關(guān)觸發(fā)，電控優(yōu)化方案僅在E模式工作。同時，為了保證E模式下車輛基本的爬坡性能，電控優(yōu)化方案設(shè)定有相應(yīng)的退出機(jī)制，這里設(shè)定油門開度大于設(shè)定值時退出。

4仿真分析

仿真是此系統(tǒng)開發(fā)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文通過CRUISE與MATLAB聯(lián)合仿真分析電控優(yōu)化方案對整車燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果，利用CRUISE軟件提供的MATLAB/SIMULINKTM模塊接口實(shí)現(xiàn)在CRUISE中集成基于MATLAB/SIMULINK的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)CRUISE調(diào)用SIMULINK控制策略的仿真計算。通過仿真我們可以驗(yàn)證方案的可行性，并對電控優(yōu)化方案的控制邊界進(jìn)行篩選。

4.1仿真建模

CRUISE模塊化的建模理念使得用戶可以便捷的搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，已廣泛用于車輛的動力性，燃油經(jīng)濟(jì)性仿真。建模細(xì)節(jié)本文不做累述，仿真模型如圖4。

需要注意的是，本文采用的是CRUISE與MATLAB DLL的聯(lián)合仿真方式，較非聯(lián)合仿真時略有區(qū)別，具體如下所示。

1）在Cruise模型中加入用于Cruise與matlab數(shù)據(jù)交換的DLL模塊并將DLL模塊鏈接地址指向生成的編譯文件。

2）將Matlab DLL模塊的Load Signal信號鏈接地址指向Cockpit，將Engine模塊的Load Signal信號鏈接地址指向Matlab DLL模塊，如圖5所示。

經(jīng)過上述模型建立及數(shù)據(jù)連接，Cruise與matlab/simulink聯(lián)合仿真的模型已創(chuàng)建完成，通過聯(lián)合仿真及反復(fù)調(diào)試控制策略及仿真模型即可得到目標(biāo)設(shè)定結(jié)果。

4.2仿真分析

仿真可以驗(yàn)證電控方案是否能有效提升經(jīng)濟(jì)性，同時對電控優(yōu)化方案控制邊界進(jìn)行初步篩選。針對上文設(shè)定的電控優(yōu)化原理，我們按梯度選取幾組外特性限值進(jìn)行仿真。電控優(yōu)化方案考慮了動力恢復(fù)機(jī)制，但外特性限制過低仍會造成較為明顯的動力偏弱，所以控制邊界僅在一個較小的限制范圍內(nèi)進(jìn)行篩選，本文分別選取三組限值進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果見表1。

仿真結(jié)果顯示，在設(shè)定的限值范圍內(nèi)，通過限制扭矩避免急加速行為，加速度越低經(jīng)濟(jì)性提升效果越好（見圖7）。另外，限制車輛加速性能后也造成了平均車速的降低（見圖8），不過以高速綜合工況70公里左右平均車速而言，折算下來最大1.6公里左右的車速降低屬于能接受的范圍。

另外，數(shù)據(jù)顯示，在爬坡等動力需求較大的工況下，油門開度大于設(shè)定值時退出限扭模式，即設(shè)定的動力恢復(fù)機(jī)制可以正常觸發(fā)。保證車輛E模式時滿足高速綜合工況下基本動力需求。

5控制系統(tǒng)開發(fā)

控制策略利用Matlab/Simulink搭建，明確電控方案后，控制策略建模過程較為簡單，本文不做展開。對發(fā)動機(jī)的響應(yīng)特性進(jìn)行優(yōu)化有兩種方式，一種是在EECU中對發(fā)動機(jī)外特性進(jìn)行標(biāo)定，另外一種是方式是利用發(fā)動機(jī)可響應(yīng)其他控制系統(tǒng)的扭矩限制請求，通過總線發(fā)送扭矩限來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化發(fā)動機(jī)的響應(yīng)特性。相對來說，第二種方式靈活度更高，通過第二種方式，我們可以更方便的對整車工況進(jìn)行判斷，并由此設(shè)定更為合理的動力恢復(fù)機(jī)制。

控制系統(tǒng)硬件采用dSPACE公司的快速原型。其包括處理器板卡和豐富的外圍I/O資源，擁有高效的運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集及處理能力。實(shí)驗(yàn)時，模型下載到板卡實(shí)時運(yùn)行。上位機(jī)與板卡通過網(wǎng)線進(jìn)行通訊，完成模型下載、試驗(yàn)管理、參數(shù)修改等操作?？刂葡到y(tǒng)從點(diǎn)煙器處取電，通過CAN總線與整車進(jìn)行通訊，所以控制系統(tǒng)的搭建較為簡單，且對整車的線束等均不造成影響。

6 系統(tǒng)調(diào)試及優(yōu)化

完成控制系統(tǒng)的開發(fā)及搭建后，我們通過實(shí)車道路試驗(yàn)對各項功能進(jìn)行驗(yàn)證，并對邊界值進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化。

6.1功能調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試的第一步是通過實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證各項功能是否在設(shè)定的工況下正常觸發(fā)，主要包括起步判斷、扭矩限制進(jìn)入及退出機(jī)制、動力恢復(fù)等。

如圖10所示，在超車及爬坡工況下，油門開度大于設(shè)定值時，系統(tǒng)退出扭矩限制模式，發(fā)動機(jī)最大扭矩恢復(fù)為限制前（見圖中紅線）。保證了車輛基本的動力性需求。

6.2邊界值優(yōu)化

前面我們通過仿真對設(shè)定控制邊界下的經(jīng)濟(jì)性性動力性進(jìn)行了測試，仿真可以驗(yàn)證方案可行性并初步篩選邊界值的范圍，但車輛實(shí)際的動力性經(jīng)濟(jì)性還是需要通過道路試驗(yàn)來確認(rèn)。這里通過加速油耗試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證并確定扭矩限值。采用前文設(shè)定的幾組控制邊界進(jìn)行道路測試。

道路試驗(yàn)時，我們先關(guān)閉系統(tǒng)的動力恢復(fù)機(jī)制，針對高速工況最常使用的兩個擋位進(jìn)行全油門加速油耗試驗(yàn)，分別設(shè)定原車的各項性能參數(shù)為100%，數(shù)據(jù)顯示三個限制邊界下次高擋加速油耗分別優(yōu)化4.8%、7.2%、8.4%（見圖11），最高擋加速油耗分別優(yōu)化5.8%、8.1%、8.8%（見圖12）。從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，限值2與限值3邊界下經(jīng)濟(jì)性提升效果非常接近，但限值2邊界下車輛的加速性能更好，所以接下來針對限值2做進(jìn)一步綜合工況下的調(diào)試驗(yàn)證。

需要說明的是，滿油門加速性能是考核車輛動力性的一項指標(biāo)，我們選取的基礎(chǔ)車動力性略高于同噸位其他車型，再加上動力恢復(fù)機(jī)制的優(yōu)化。盡管進(jìn)行了扭矩限制，加載此系統(tǒng)后車輛的動力性滿足各種工況下基本動力性需求。

7道路油耗試驗(yàn)

最后我們通過綜合工況道路油耗試驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)油效果。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們選取四個不同駕駛員分別進(jìn)行四組E、P模式綜合工況道路油耗試驗(yàn)。同時，為了避免早、晚氣候及道路工況差異造成的影響，每完成一組測試后調(diào)整兩種模式的試驗(yàn)順序。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，從試驗(yàn)結(jié)果來看，在海拔逐漸上升工況下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提升效果要優(yōu)于返程時的海拔逐漸下降工況，其原因在于去程較返程更多的觸發(fā)了扭矩優(yōu)化功能。往返綜合工況下經(jīng)濟(jì)性平均提升了2.95%。

8結(jié)論

分析導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性惡化的駕駛行為，采用扭矩限制的方式避免急加速并設(shè)定相應(yīng)的動力恢復(fù)機(jī)制。通過CRUISE與MATLAB聯(lián)合仿真驗(yàn)證方案的可行性，并初步篩選控制邊界的大概范圍，最后通過實(shí)車調(diào)試進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證。