基于純電動汽車平臺的定速巡航系統(tǒng)設計與研究

肖 聰

（東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430056）

1 前言

定速巡航系統(tǒng) （Cruise Control System，CCS），又稱自動駕駛系統(tǒng)，是指在一定的車速范圍內(nèi)，駕駛員不用控制加速踏板而能夠使汽車保持設定速度行駛的控制系統(tǒng)。定速巡航系統(tǒng)開啟后汽車自動保持恒定車速，減輕疲勞。同時節(jié)約燃料，提高駕駛便利性、舒適性和安全性。汽車一旦被設定為巡航狀態(tài)時，VCU（整車控制器）控制MCU（電動機控制器），進而控制電動機。電動機的轉(zhuǎn)速就由VCU控制，VCU會根據(jù)道路狀況和汽車的行駛阻力不斷地調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，使汽車始終保持在所設定的車速行駛，而無需操縱加速踏板。此外，在法規(guī)規(guī)定的車速下，汽車巡航控制系統(tǒng)能夠優(yōu)化行程時間和降低駕駛花費，提高整車收益。

2 定速巡航控制系統(tǒng)

2.1 定速巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

巡航控制系統(tǒng)如圖1所示，巡航控制系統(tǒng)主要由人機交互平臺、巡航工作模式、巡航控制策略3個部分組成。人機交互平臺包括巡航開關、儀表巡航狀態(tài)顯示、巡航推遲信號（制動等），負責巡航控制系統(tǒng)與駕駛員的信息互動。巡航工作模式是通過巡航人機交互平臺知道駕駛員的各種操作，根據(jù)駕駛員的操作來決定當前的巡航工作模式。巡航控制策略根據(jù)巡航工作模式，通過計算當前需要電動機發(fā)出的扭矩等，來控制當前電動機的狀態(tài)進而達到行駛要求。

圖1 巡航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以上3個部分組成了巡航控制系統(tǒng)，能夠按照駕駛員的意圖自動控制汽車的速度，駕駛員只要通過對巡航開關的操作就能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能。

2.2%定速巡航控制系統(tǒng)介紹

在巡航控制前，先通過用戶接口判斷當前車速狀態(tài)和操作意圖，當巡航激活就進入巡航控制狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)有巡航退出信號就退出巡航功能，如果沒有就進行巡航目標車速管理，根據(jù)當前行駛條件計算需要的扭矩從而達到巡航的作用，定速巡航控制策略圖如圖2所示。

3 巡航控制系統(tǒng)人機交互平臺

3.1 巡航開關

圖2 定速巡航控制策略圖

巡航開關為駕駛員請求巡航功能的唯一輸入界面，是設定巡航速度和取消巡航功能的重要部件，巡航開關的技術要求如下：①巡航主開關為自鎖式，即按下后不能自動復位；②巡航開關上帶CANCEL鍵；③巡航開關功能組合方式為V+／ON鍵 （加速鍵／設定鍵）、V-鍵 （減速鍵）、OFF鍵 （關閉鍵）、RES鍵 （恢復鍵）4個鍵，這4個開關為非自鎖式。巡航開關電路，電阻值以及精度要求如圖3所示，輸入信號類型為模擬量，每個電阻的精度要求為±5%。

圖3 巡航開關電氣原理圖

3.2 儀表指示

儀表上巡航指示燈的作用是指示巡航系統(tǒng)工作狀態(tài)，由VCU輸出信號給儀表，通過硬線輸出或者CAN通信方式輸入至儀表，儀表負責顯示當前巡航的狀態(tài)。對儀表和顯示的要求如下。

3.2.1 VCU通過硬線直接驅(qū)動儀表上巡航指示燈

VCU通過硬線直接驅(qū)動儀表的巡航狀態(tài)燈遵循：①巡航主開關為OFF狀態(tài)，此時儀表上巡航指示燈熄滅；②巡航主開關為ON狀態(tài)，但巡航條件不滿足，沒有進入巡航狀態(tài)，巡航指示燈閃爍，閃爍的頻率為1Hz；③巡航激活，汽車正在進行巡航，巡航指示燈為常亮，巡航指示燈的顏色為綠色。

3.2.2 通過CAN通信方式發(fā)信號至儀表

VCU通過CAN通信方式發(fā)送巡航信號給儀表，由儀表MCU驅(qū)動巡航狀態(tài)燈，需要VCU發(fā)送巡航主開關狀態(tài)／巡航激活狀態(tài)／巡航目標車速／巡航目標車速的有效標志位等信號到儀表，再由儀表根據(jù)燈的控制算法控制巡航指示燈工作。同時，儀表控制巡航指示燈遵從：①巡航主開關是OFF狀態(tài)時，巡航指示燈熄滅；②巡航主開關是ON狀態(tài)時，但巡航條件不滿足，沒有進入巡航狀態(tài)，巡航指示燈為白色常亮；③巡航激活時，巡航指示燈為綠色常亮等方式。

以上兩個方面定義了巡航的人機交互的巡航開關和巡航狀態(tài)指示燈，除此之外還有制動信號、電子油門信號和擋位信號，這些信號也是駕駛員對汽車的操作意圖的輸入。

4 巡航工作模式

巡航工作模式是進入巡航控制、解除巡航控制、設置巡航目標車速、恢復巡航控制、記憶與清除巡航目標車速等5種功能。

4.1 進入巡航控制條件

當駕駛員把擋位掛到D擋或者R擋時，此時的車速大于Vmin且小于Vmax，同時VCU沒有檢測到與巡航功能相關的故障碼，這時按下V+／ON鍵激活巡航功能，巡航主開關變?yōu)镺N狀態(tài)，隨之汽車以目前的車速進入巡航，并且記憶當前車速。

4.2 解除巡航控制

當汽車正在進行巡航時，如果發(fā)生下述任何一種情況時，就取消定速巡航功能。

1）當駕駛員把巡航主開關撥至OFF鍵，定速巡航就取消，同時清除巡航記憶車速。

2）當駕駛員踩制動或者踩油門或者擋位撥到N擋，巡航被解除。

3）當車速傳感器／制動開關／巡航開關等出現(xiàn)故障時，巡航被解除。

4）當電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) （ESC）等功能激活或者通信故障時巡航被解除。

5）當電動機轉(zhuǎn)速超過限值，巡航被解除。

6）當前車速低于最小設定巡航車速或者最大設定巡航車速，巡航被解除。

4.3 設置巡航目標車速

4.3.1 巡航加速

汽車在巡航過程中，按V+／ON鍵，目標車速增加，實際車速會很快靠近目標車速，達到汽車加速目的。短按V+／ON鍵一次，目標車速增加V11；長按V+／ON鍵不放，目標車速以ΔV為步長增加目標車速。

在需要超車時，踩下加速踏板加速，巡航控制暫時退出，在超越巡航車速后，松開加速踏板，汽車將恢復之前設定的速度。超車時，巡航指示燈熄滅，恢復巡航時，巡航指示燈恢復。當上陡坡或者下陡坡時，汽車不會保持設定速度。在這種情況下行駛時，不要使用定速巡航 （當目標車速與車速偏差太大時，定速巡航自動退出，巡航指示燈熄滅）。

4.3.2 巡航減速

汽車在巡航過程中，按V-鍵，目標車速減少，實際車速會很快靠近目標車速，達到汽車減速目的。短按V-鍵一次，目標車速減少V21；長按V-鍵不放，目標車速以ΔV為步長減少目標車速。

4.4 恢復巡航控制

當巡航主開關在ON位置，由于按OFF鍵、踩制動、變速桿至N擋、踩油門加速操作巡航功能被解除。當前汽車工況符合4.1巡航進入條件時，按V+／ON鍵，將被解除前的目標車速設置為當前的目標車速。速度控制系統(tǒng)將會加速或者減速到目標車速附近，進行巡航控制。

4.5 記憶與清除巡航目標車速

當按下V-鍵時，此時的汽車車速就被記錄為目標車速。當駕駛員把巡航主開關撥至OFF狀態(tài)，表明汽車關閉巡航功能；如果巡航主開關在ON狀態(tài)，但是電動機熄火，巡航目標車速將會被清除。

5 巡航控制策略

5.1 按鍵狀態(tài)的識別

巡航控制按鍵由V+／ON鍵、V-鍵、RES鍵以及OFF鍵4個按鍵組成，其中車速設置鍵與V+／ON鍵為同一按鍵。按鍵可根據(jù)上述4個按鍵的狀態(tài)進行識別。按鍵功能定義如表1所示。

表1 按鍵功能定義表

5.2 按鍵的操作意圖識別

一般地，PTO控制按鍵、巡航控制的加減速按鍵、車速最高限制調(diào)整按鍵以及怠速微調(diào)按鍵之間是復用的，因此在識別到加減按鍵操作后，還需要根據(jù)電動機工作的狀態(tài)以及車速條件對按鍵的操作意圖進行確認，以保證系統(tǒng)的安全性。

5.2.1 按鍵功能操作意圖判斷

1）當最高車速限制調(diào)整功能被激活后，巡航的加減速按鍵功能將被鎖定，即此時加減速按鍵被車速限制模塊調(diào)用，直到車速最高限制調(diào)整時間結(jié)束后，加減速按鍵功能方能再次被巡航控制功能調(diào)用。

2）在巡航控制被暫停時，巡航按鍵的狀態(tài)除關閉按鍵可被識別外，其余按鍵狀態(tài)將被忽略。

3）在車速小于巡航激活車速且大于巡航退出車速時，此時巡航按鍵狀態(tài)除持續(xù)的減速按鍵以及關閉按鍵狀態(tài)可以被識別以外，其余按鍵操作將被忽略。意味著巡航的退出必須通過OFF按鍵控制，加減速按鍵功能不能導致巡航的自動退出，目的為了與PTO控制按鍵功能進行解耦。

操作意圖的判斷流程如圖4所示。

圖4 巡航組合開關操作意圖識別流程

5.2.2 定速巡航車速使能區(qū)間

為進一步說明對按鍵操作意圖的控制，給出了定速巡航車速使能區(qū)間，如圖5所示。在不同車速區(qū)域內(nèi)，對按鍵的操作進行不同程度的限制，具體說明如下。

1）區(qū)域1表示在該區(qū)域巡航的控制功能處于退出狀態(tài)，不再響應任何按鍵的操作。

2）區(qū)域2表示在該區(qū)域巡航的控制功能處于退出等待狀態(tài)，除了關閉按鍵不再響應任何按鍵的操作。

3）區(qū)域3表示在該區(qū)域巡航的控制功能處于退出過渡狀態(tài)，在該區(qū)間可識別OFF鍵以及從4區(qū)域到3區(qū)域持續(xù)的DECL鍵，其余按鍵將會識別為NEUTR或者識別為OFF，取決于標定。

4）區(qū)域4表示在該區(qū)域巡航的控制功能處于正?？刂茽顟B(tài)，在該區(qū)域各個按鍵狀態(tài)都會被識別與響應。

綜上所述巡航組合式開關的處理流程如圖6所示。

圖5 定速巡航車速使能區(qū)間

圖6 巡航控制狀態(tài)切換狀態(tài)機

5.3 巡航退出條件

巡航控制受到多個條件約束，每個約束條件都可以停止巡航的控制，但需要指出的是，巡航退出可以有暫時性的，比如說在巡航控制過程換擋時，巡航暫時退出，待換擋結(jié)束后，巡航控制可自動恢復。對于不同的退出條件，我們可以將其分為3類，如表2所示。

對于巡航的退出方式也可以分為3類，如表3所示。

5.4 巡航目標車速的管理

巡航目標車速根據(jù)巡航控制狀態(tài)和控制子狀態(tài)對目標車速進行單次加減計算以及斜坡處理。按狀態(tài)可分為以下幾種。

1）連續(xù)加速狀態(tài)CrCtl_ACCELERATION：在目標車速允許的范圍內(nèi)處理目標車速上升步長，同時判斷車速與目標車速偏差，若偏差過大應停止車速斜坡；除此還需要檢測巡航扭矩輸出是否大于上限值，若扭矩過大也需要停止車速的斜坡，當持續(xù)加速退出時，目標車速將設置為當前車速。

2）連續(xù)減速狀態(tài)CrCtl_DECELERATION：在目標車速允許的范圍內(nèi)處理目標車速下降步長，同時判斷車速與目標車速偏差，若偏差過大應停止車速斜坡；除此還需要檢測巡航扭矩輸出是否小于下限值，若扭矩過小也需要停止車速的斜坡，當持續(xù)減速退出時，目標車速將設置為當前車速。

3）單次加速狀態(tài)CrCtl_TIP_UP：在目標車速允許的范圍內(nèi)處理目標車速單次上升。

4）單次減速狀態(tài)CrCtl_TIP_DOWN：在目標車速允許的范圍內(nèi)處理目標車速單次下降。

表2 巡航退出條件種類表

表3 巡航退出方式以及優(yōu)先級分類

5）高速恢復低速狀態(tài)CrCtl_RESUME_F_ABOVE：處理RES按鍵請求，當前車速大于恢復目標車速時，對目標車速進行斜坡處理。斜坡過程可參考連續(xù)減速處理。

6）低速恢復高速狀態(tài)CrCtl_RESUME_F_BELOW：處理RES按鍵請求，當前車速小于恢復目標車速時，對目標車速進行斜坡處理。斜坡過程可參考連續(xù)加速處理。

7）關閉狀態(tài)CrCtl_OFF：根據(jù)退出條件對巡航退出方式進行判斷，并根據(jù)退出條件對目標車速記錄是否進行刪除。

8）等待狀態(tài)CrCtl_STAND_BY：在該狀態(tài)下，巡航控制未激活，巡航有效扭矩輸出為0，巡航車速不做改變。

9）巡航狀態(tài)CrCtl_CRUISE：在該狀態(tài)下，巡航目標車速將不做變化，巡航保持激活。

巡航車速處理示意圖，如圖7所示。

圖7 巡航目標車速設置示意

5.5 巡航扭矩的管理

巡航扭矩管理主要通過巡航目標車速與實際車速偏差計算巡航控制扭矩。巡航控制器是一個PI控制器，其中P、I參數(shù)可通過汽車擋位信息進行選擇?？刂破鬏敵龅呐ぞ匦枰艿窖埠娇刂婆ぞ厣舷孪拗档南拗?。巡航扭矩管理可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種方式。巡航扭矩開環(huán)控制主要是針對巡航固定時間退出與固定斜率退出條件以及處理巡航控制狀態(tài)切換時扭矩的突變，以保證巡航狀態(tài)切換時汽車駕駛的舒適性；而閉環(huán)控制則主要是為了實現(xiàn)車速閉環(huán)控制進行設計。巡航扭矩管理示意圖如圖8所示。

圖8 巡航扭矩管理示意

6 巡航診斷與標定

6.1 巡航輸入診斷

巡航控制系統(tǒng)診斷功能的目的是防止巡航開關出現(xiàn)故障不能回位，或者是被其他信號干擾，或者是巡航信號輸入信號線出現(xiàn)故障情況，而被VCU錯誤地識別駕駛員的輸入。為了保證人、車、環(huán)境系統(tǒng)安全要求巡航控制系統(tǒng)具備故障診斷功能，故障碼按照ISO-15031-6-2005要求進行設置，如表4所示。

當出現(xiàn)任何一個故障時，需要立即屏蔽巡航功能并點亮故障燈，巡航系統(tǒng)零部件診斷功能驗證在OBD標定驗證模塊中統(tǒng)一進行。

表4 診斷故障表

6.2 巡航標定性能驗證

6.2.1 巡航車速與目標車速誤差驗證

進行巡航時，汽車完全由VCU控制汽車按照駕駛員設定的速度進行工作，如果標定不合理的，當前的巡航車速與駕駛員需求的目標車速會有較大的誤差，影響巡航性能。所以需要驗證巡航車速控制誤差，試驗環(huán)境需要在轉(zhuǎn)轂上進行驗證，轉(zhuǎn)轂加載方式為查表進行加載，試驗過程需要采集數(shù)據(jù)進行分析，同時要求巡航目標車速和實際車速誤差小于±3km／h。

6.2.2 巡航功能駕駛性驗證

由駕駛性評價人員在試驗場地進行巡航功能驗證，驗證巡航功能、駕駛性能。汽車正常駕駛，自動擋汽車D擋模式，根據(jù)平直道路上正常駕駛、加速巡航、減速巡航、巡航解除、巡航功能恢復與解除，以及坡道上巡航加速和巡航減速性能驗證等項目工況進行標定，這些項目下不同的車速巡航下進行評價，標定表如表5所示。

7 總結(jié)

全文開篇介紹了定速巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和定速巡航控制系統(tǒng)，分別對巡航控制系統(tǒng)人機交互平臺、巡航工作模式、巡航控制策略進行詳細的設計說明，最后還介紹了巡航輸入診斷和巡航標定性能驗證的方法，全面地檢查巡航功能的駕駛性水平。本文對純電動汽車的定速巡航系統(tǒng)研究和開發(fā)提供了一種有效的設計方案，具有一定的參考價值。

表5 巡航標定評價表