新能源乘用車駕駛性評價及仿真方法研究

郭丁伊 張?zhí)鞆?劉元治 程健

（1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：新能源汽車 駕駛性 離線仿真 客觀評價

1 前言

隨著全球環(huán)境保護工作的深入和人們環(huán)保意識的增強，新能源汽車越來越受到各國政府的重視和消費者的追求。整車控制器（Vehichle Control Unit，VCU）是新能源汽車的核心部件，承擔(dān)駕駛員轉(zhuǎn)矩解析、轉(zhuǎn)矩分配、能量管理、轉(zhuǎn)矩濾波的重要功能，因此與整車的性能關(guān)系密切。

駕駛性是指人-車-環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)中，縱向行駛中駕駛員對車輛響應(yīng)感覺的舒適程度，主要包括駕駛員易操控性，駕駛過程中駕駛舒適性，駕駛員體感，駕駛員路感。駕駛性的評價方式主要包括主觀評價和客觀評價[1]。

本文通過對新能源乘用車的駕駛性評價指標(biāo)的選擇、評價模型的建立、仿真方法的研究3方面進行梳理，得出國內(nèi)外學(xué)者及工程師關(guān)于駕駛性評價及仿真方法的開展思路。

2 特征指標(biāo)研究

2.1 VCU功能概述

VCU的主要功能包括行駛控制、能量管理、高壓上下電控制、充放電控制、熱管理和安全診斷，VCU的功能拓撲如圖1所示。其中行駛控制通過識別油門、制動、換擋等駕駛員行為控制發(fā)動機、電機等關(guān)鍵總成輸出轉(zhuǎn)矩，滿足駕駛員行駛意圖與加減速預(yù)期，與用戶感知的動力性、駕駛性、噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise Vibration Harhness,NVH）有著密切關(guān)系，而其他功能與整車能耗、動力具備、車輛安全方面有重要聯(lián)系。

圖1 VCU的功能拓撲

因為換擋時機依賴變速箱控制單元進行控制，本文主要討論的駕駛性限定在與VCU相關(guān)功能范圍，車型為配備自動變速器的混動車輛以及純電動汽車。

2.2 特征指標(biāo)的確定

過去，對車輛的主觀評價一方面根據(jù)評車師的經(jīng)驗，另一方面是通過與某一款車型進行對標(biāo)完成?，F(xiàn)在，大型整車廠都建立有對標(biāo)部門供開發(fā)工程師完成對標(biāo)工作，在這一過程中，人們根據(jù)經(jīng)驗逐漸形成客觀的評價指標(biāo)，并不斷加以積累形成自己的數(shù)據(jù)庫，這是一個較為龐大和系統(tǒng)的工程。下面通過對具體工況和指標(biāo)的描述確立評價標(biāo)準，并且對數(shù)據(jù)采集處理過程進行了探討。

2.2.1 起動過程

起動過程包括發(fā)動機從靜止到怠速過程，操作過程是首先關(guān)閉電氣設(shè)備，車輛掛入P檔，起動發(fā)動機，怠速15 s，分別進行0.5 s內(nèi)踩油門到30%、50%、70%、100%并立刻松開，等待發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。過程中需要采集的信號有發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩、加速踏板開度、檔位信號，起機工況對應(yīng)特征指標(biāo)見表1。

表1 起機對應(yīng)特征指標(biāo)

特征指標(biāo)說明：需要評價發(fā)動機響應(yīng)過程，以及轉(zhuǎn)速跟隨加速踏板的響應(yīng)，怠速平穩(wěn)所需要的時間，沖擊感。這里將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)時間作為發(fā)動機響應(yīng)評價指標(biāo)，轉(zhuǎn)速最大、最小差值反應(yīng)怠速穩(wěn)定性，通過峰值的變化時間長短與乘員駕駛感覺建立聯(lián)系。

2.2.2 起步過程

起步過程包括爬行起步、加速起步、坡道起步工況。爬行起步工況操作過程，具備行駛條件的車輛

掛入D/R檔，快速松開制動，不踩油門起步；加速起步工況下，快速松開制動踏板，踩加速踏板到10%～100%，每隔10%的開度進行起步操作；坡道起步工況，將車輛置于（8±2）%的坡路上，快松制動，踩加速踏板到20%～80%開度進行起步，起步過程對應(yīng)特征指標(biāo)見表2。

表2 起步過程對應(yīng)特征指標(biāo)

特征指標(biāo)說明：起步過程反應(yīng)車輛起步能力，也是最常見工況之一，這里通過對不同工況，不同加速踏板開度下加速度的大小與變化率以及穩(wěn)態(tài)車速建立時間等觀測量的評價建立了特征指標(biāo)與主觀感受之間的聯(lián)系；另一方面，對于裝有離合器的混動車輛，起步過程包含離合器接合，離合器滑磨對車輛縱向沖擊有重大影響，本文將加速度的最大、最小差值作為該項評價指標(biāo)。

2.2.3 加速過程

加速過程反應(yīng)車輛的動力性，在變道、超車等實際行駛過程中非常重要的性能。對加速過程的評價采取如下步驟：對于混動車輛，變速器掛入1檔，以爬行車速行駛，迅速踩下加速踏板到100%，但是不要進入Tip in工況，或者迅速踩加速踏板到20%～80%，每隔10%的開度分別進行測試評價；對于純電動車輛，采取上述加速踏板開度間隔，測量車輛在這一過程中的加速度和車速變化，加速工況對應(yīng)特征指標(biāo)見表3。

表3 加速對應(yīng)特征指標(biāo)

特征指標(biāo)說明：加速度沖擊是縱向加速過程中，駕駛員的主觀感覺明顯的評價指標(biāo)。這里選擇加速度最大、最小值的差值、加速度超調(diào)量、加速度峰值間隔時間作為評價指標(biāo)。

對于自動變速器的混動車輛，換擋過程中由于齒輪轉(zhuǎn)速不同而存在沖擊，這里使用整車加速度和電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化率作為評價指標(biāo)。

駕駛員在加速過程中關(guān)注最終車速建立時間，時間過慢使得車輛整體表現(xiàn)遲緩，評分較低，所以車速建立時間同樣作為評價指標(biāo)。

2.2.4 勻速過程

勻速行駛過程包括爬行過程不踩加速踏板，觀察感受車輛的車速是否穩(wěn)定和加速度是否有沖擊；固定加速踏板開度下的勻速行駛工況，車速從10～100 km/h，每隔10 km/h行駛1 min，觀察行駛過程中車速和加速度變化，勻速工況對應(yīng)特征指標(biāo)見表4。

表4 勻速工況對應(yīng)特征指標(biāo)

特征指標(biāo)說明：車身聳動反映了車輛的縱向振動，與駕駛員主觀評價關(guān)系密切。這里采用車速振蕩的差值表征。同時勻速行駛時，由于汽車受到的阻力是實時變化的，所以會存在前沖或非主動制動的情況，用整車加速度表征。加速踏板開度一定，車速最終也會維持在一定范圍內(nèi)，這個車速的建立時間也是非常重要的指標(biāo)。

2.2.5 Tip in/Tip out

對于混動車輛自動變速器模式和純電動車輛，從車速30 km/h到120 km/h，每隔10 km/h作為一個基礎(chǔ)車速，分別Tip in到加速踏板開度為20%、50%、70%、100%，并保持2 s，Tip out至加速踏板完全松開，Tip in/Tip out工況對應(yīng)特征指標(biāo)見表5。

表5 Tip in/Tip out工況對應(yīng)特征指標(biāo)

特征指標(biāo)說明：Tip in/Tip out工況對于新能源車輛要著重考慮，因為電機與傳動系間的齒輪間隙會因為驅(qū)動和制動的轉(zhuǎn)換而發(fā)生沖擊，目前實車采取的策略是在靠近零轉(zhuǎn)矩區(qū)域，降低轉(zhuǎn)矩變化率的方法減小沖擊，同時又想讓轉(zhuǎn)矩快速跟隨駕駛員需求轉(zhuǎn)矩。所以，此處用加速度最大值30%所用時間作為轉(zhuǎn)矩跟隨指標(biāo)，用加速度最大值、加速度最大、最小值的差值表征沖擊。

2.2.6 換檔

本文探討的換檔過程包括自動變速器的換檔操作、爬行換檔、動力升檔和滑行降檔工況。純電動汽車的換檔控制功能是VCU控制，VCU接收換檔器的信號依據(jù)換檔邏輯實現(xiàn)PRND的變換；混動車輛的換擋由變速器控制單元控制，換檔工況對應(yīng)特征指標(biāo)見表6。

表6 換檔工況對應(yīng)特征指標(biāo)

特征指標(biāo)說明：車輛在靜態(tài)時，需要評價P→R，→N，N→D，D→N，N→R，R→P，P→D，D→P，R→D，D→R等一系列換檔工況，用換檔時間評價換檔的操控性。在爬行工況下，車速一般維持在5 km/h，這時候需要進行D、R檔的反復(fù)切換。從車速5 km/h開始，分別踩加速踏板10%～100%，保持加速踏板開度到車速穩(wěn)定。保持最高檔120 km/h車速以滑行方式減速，通過縱向換擋沖擊評價動力升檔品質(zhì)。

2.3 采集數(shù)據(jù)的處理

試驗過程中，由于振動、路面不平、環(huán)境噪聲等因素使得數(shù)據(jù)并不可靠，影響對指標(biāo)的判定。

清華大學(xué)的陳浩[2]判斷汽車本身的加速度是低頻信號，而汽車的振動噪聲屬于高頻信號，通過一階低通濾波器除掉高頻成分，完成對加速度信號的處理（加速度信號濾波對比如圖2）。

圖2 加速度信號濾波對比

同濟大學(xué)的劉海江[3]通過選取合適的小波基函數(shù)和閾值規(guī)則，由多個指標(biāo)構(gòu)造的復(fù)合值確定小波去噪的分解層數(shù)，實現(xiàn)了對加速度信號的去噪（不同分解層數(shù)下小波去噪后加速度曲線如圖3）。

圖3 不同分解層數(shù)下小波去噪后加速度曲線

綜上，對信號的處理可以兼顧處理靈活性和有效性，采用合適的濾波算法。

3 評估體系模型建立

通過統(tǒng)計學(xué)原理建立的主觀評價與客觀特征指標(biāo)的模型，構(gòu)建類似于實際駕駛員的評價體系，將試驗得到的樣本數(shù)據(jù)進行處理，對車輛的駕駛性進行預(yù)測和評價。

劉普輝[4]基于層次分析法，建立了駕駛性評價體系，分為全負荷響應(yīng)、部分負荷響應(yīng)、加速踏板感覺、換擋平順性、瞬態(tài)響應(yīng)等準則層，各個準則層又按照指標(biāo)層分為全負荷加速度響應(yīng)等具體指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上按照人對事物的認知強弱程度制定了相應(yīng)的模糊規(guī)則，將模糊層次分析法和模糊綜合評判方法結(jié)合，通過模糊一致判斷矩陣計算各指標(biāo)權(quán)重（駕駛性主觀評價雷達圖如圖4）。

圖4 駕駛性主觀評價雷達圖

黃偉[5]等首先建立宏觀指標(biāo)層和微觀指標(biāo)層，宏觀指標(biāo)層包括縱向響應(yīng)特性，縱向平順特性，縱向穩(wěn)態(tài)特性，縱向響應(yīng)特性微觀指標(biāo)包括響應(yīng)時間、響應(yīng)延遲等，縱向平順特性微觀指標(biāo)包括松制動沖擊，喘振等，縱向穩(wěn)態(tài)車速微觀指標(biāo)包括穩(wěn)車速時間。依據(jù)Smart原則建立評價體系，運用網(wǎng)絡(luò)層次分析法和組合熵的優(yōu)化權(quán)重模型對指標(biāo)權(quán)重進行估算。

胡月[6]通過相關(guān)性原理分析主觀評價得分和客觀評價指標(biāo)的相關(guān)性；通過多元線性回歸原理，建立多元線性回歸方程，搭建了多元線性回歸預(yù)測模型；針對換檔、起步工況建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，包括輸入輸出神經(jīng)元個數(shù)、傳遞函數(shù)與訓(xùn)練算法、訓(xùn)練樣本等要素，對測試樣本進行駕駛性預(yù)測。結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的準確性優(yōu)于多元線性回歸模型（BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型如圖5）。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

Pickering[7]將主觀評價指標(biāo)與車輛的試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸計算，得到了客觀參數(shù)與評價指標(biāo)的回歸模型，提出了駕駛性的評估模型。

AVL公司推出的駕駛性客觀評價工具AVLDRIVE，在主機廠得到廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)包括了硬件設(shè)備與專家數(shù)據(jù)庫[8]。測試設(shè)備包括布置在車上的各種傳感器及組件[9]。軟件系統(tǒng)包括各種車型的數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等評價方法，經(jīng)過計算指標(biāo)與權(quán)重給出評分[10-11]（AVL-DRIVE駕駛性評價系統(tǒng)如圖6）。

圖6 AVL-DRIVE駕駛性評價系統(tǒng)[8]

4 整車駕駛性仿真方法研究

現(xiàn)有的車輛動力學(xué)商業(yè)軟件包括AVL Cruise可以對汽車進行穩(wěn)態(tài)性能分析和驗證，如動力性、經(jīng)濟性、排放性；Carsim軟件包含基于穩(wěn)態(tài)特性的發(fā)動機模型，可以進行加速、制動、操縱性等方面驗證；Tes?isVedynare動力傳動模型，基于集中質(zhì)量建模，主要包含離合器組件模型，傳動軸模型，車輪模型。

以上使用較為廣泛的商業(yè)軟件多基于穩(wěn)態(tài)負載特性進行建模，無法模擬車輛受到的激勵，對傳動系包括發(fā)動機懸置沒有建立仿真過程，無法模擬瞬態(tài)的駕駛性變化，也就無法對相應(yīng)工況進行模擬。

針對商業(yè)模型存在的不足之處，有學(xué)者在該工作上付出了努力。吉林大學(xué)的徐亮博士[12]，基于示功圖對發(fā)動機準瞬態(tài)實時模型進行研究，建立發(fā)動機燃燒壓力模型，發(fā)動機懸置功能部件動態(tài)模型，同時建立發(fā)動機虛擬電控系統(tǒng)以及動力傳動系統(tǒng)模型，最后通過滑行工況、換檔工況的仿真與實車進行對比，得出該模型可以明顯提升對汽車瞬態(tài)的仿真能力。

長安汽車股份有限公司的曾浩[13]等利用GTSUITE對乘用車駕駛性進行仿真和評價。首先建立主觀評價和客觀仿真之間的對應(yīng)關(guān)系，接下來建立包含轉(zhuǎn)矩控制模型、發(fā)動機瞬態(tài)模型、駕駛員模塊、變速器控制模塊以及整車模塊在內(nèi)的仿真模型。通過定油門原地起步加速工況和定車速Tip in加速工況進行驗證。通過仿真與試驗結(jié)果對比可知，2者綜合誤差控制在8%以內(nèi)，滿足整車性能開發(fā)要求，不同模式下仿真與實車試驗的對比如圖7。

圖7 3種模式下仿真與實車試驗的對比

一汽研發(fā)總院[14]利用AVL的工具鏈進行了駕駛性自動化標(biāo)定，AVL自動化標(biāo)定工具鏈如圖8。車輛集成到AVL-PUMA臺架控制軟件，利用AVL-VSM模擬車輪轉(zhuǎn)速、懸架、空氣阻力和駕駛員操作等，利用AVL DRIVE采集信號進行駕駛性評分。該臺架的控制軟件AVL-CAMEO擁有最高優(yōu)先級，可以調(diào)用CANape配置標(biāo)定參數(shù)，使能VSM進行輪速計算、空氣阻力計算、工況配置，同時采集DRIVE的評分。最后通過自動化的標(biāo)定，大幅提升了效率。

圖8 AVL自動化標(biāo)定工具鏈

Walters等[15]首先在實車上運用AVL-DRIVE進行實車信號采集和評分，然后通過AVL Cruise建立HEV車型，利用Simulink建立簡化的發(fā)動機瞬態(tài)模型代替Cruise中原來的模型并進行聯(lián)合仿真，關(guān)鍵的一步在于將實車采集信號和仿真模型的對應(yīng)信號進行了對比分析，使得發(fā)動機和扭矩傳遞路徑的仿真數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)的匹配度達到90%。

5 結(jié)論

綜上所述，VCU作為新能源汽車的核心部件，對整車的駕駛性起到至關(guān)重要的作用。為了更好的開發(fā)VCU行駛功能，節(jié)省成本縮短開發(fā)時間，需要關(guān)注相關(guān)的評價和仿真方法。

（1）車輛的主觀評價與客觀指標(biāo)研究。該工作的重點是建立主觀評價與客觀指標(biāo)的聯(lián)系，需要通過對標(biāo)建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，并且要對數(shù)據(jù)進行處理去噪，是一個較為龐大的工程。

（2）評估體系模型建立。目前多數(shù)研究者采用的是層次分析法，融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法和模糊算法，建立工況和指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，尋找指標(biāo)的權(quán)重，可以看出好的算法可以較為真實的模擬評車師的經(jīng)驗，客觀的評定車輛的品質(zhì)。

（3）駕駛性仿真方法研究。目前應(yīng)用較為廣泛的商業(yè)動力學(xué)軟件大多是基于穩(wěn)態(tài)模型，可以仿真動力學(xué)、操縱性、經(jīng)濟性等特性，但是對于駕駛性的瞬態(tài)仿真難以實現(xiàn)。從公開發(fā)表的論文來看，僅有AVL、GTSUITE 2項商業(yè)軟件含有這一功能。還有研究者自行建立動力總成的瞬態(tài)模型，和其他商業(yè)軟件聯(lián)合仿真。

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，對車輛駕駛性進行自動化的預(yù)標(biāo)定將大大降低成本，提高車輛的動態(tài)性能，相信有更多的研究投入到這一領(lǐng)域。