電動(dòng)汽車單踏板動(dòng)力控制策略優(yōu)化

徐明毅

（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

汽車工業(yè)現(xiàn)正處于從傳統(tǒng)燃油車演變到新能源汽車的過渡階段，單踏板制動(dòng)技術(shù)作為應(yīng)用在純電動(dòng)汽車上的新技術(shù)逐漸受到較多關(guān)注。單踏板制動(dòng)技術(shù)通過將制動(dòng)回收功能集成到加速踏板上，僅通過單踏板操作就可實(shí)現(xiàn)車輛的加速、減速和停車等車輛的狀態(tài)控制。單踏板制動(dòng)技術(shù)不僅滿足了純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收功能，同時(shí)也降低了制動(dòng)踏板使用頻率，簡(jiǎn)化了駕駛操作，已被較多汽車企業(yè)采用，目前已有寶馬i3、日產(chǎn)Leaf、雪佛蘭Bolt以及特斯拉Model Y等車型采用單踏板制動(dòng)技術(shù)[1-3]。

但是現(xiàn)階段，采用單踏板技術(shù)的電動(dòng)汽車并不是只有1個(gè)踏板，而是同時(shí)配備了剎車踏板，即仍需要?jiǎng)x車制動(dòng)功能。雖然在正常駕駛情況下，單踏板足以完成大多數(shù)加速、減速操作，但在遇到緊急情況需要急剎時(shí)，駕駛者仍然需要?jiǎng)x車踏板來完成。因此，采用單踏板模式的電動(dòng)汽車仍然屬于雙踏板車型，或者說，處于從雙踏板汽車轉(zhuǎn)變到單踏板汽車的過渡狀態(tài)。同時(shí)，單踏板模式也引起不少爭(zhēng)議，很多初次接觸單踏板模式的駕駛者無法很好適應(yīng)這套操作習(xí)慣，動(dòng)能回收較難精準(zhǔn)掌握導(dǎo)致了車輛產(chǎn)生強(qiáng)烈頓挫感，有人甚至質(zhì)疑單踏板駕駛會(huì)造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文嘗試分析現(xiàn)有單踏板模式的利弊，對(duì)改進(jìn)動(dòng)力控制及剎車操縱性能提出了優(yōu)化思路和合理建議，以促進(jìn)智能電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

2 現(xiàn)有單踏板模式的特點(diǎn)

傳統(tǒng)自動(dòng)擋汽車的駕駛常采用雙踏板控制（手動(dòng)擋車型會(huì)多一個(gè)離合器踏板）。制動(dòng)踏板操縱制動(dòng)力的大小主要用于減速、停車。加速踏板又稱油門踏板，主要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，用于車輛加速。二者功能相對(duì)單一且獨(dú)立，操縱邏輯十分清晰。但新手司機(jī)易于將油門當(dāng)作剎車誤踩，從而出現(xiàn)交通事故。為安全起見，將2個(gè)踏板誤操作同時(shí)踩下時(shí)，操作邏輯是制動(dòng)優(yōu)先，此時(shí)能夠及時(shí)剎車。而如果剎車時(shí)誤踩油門，此時(shí)油門踏板的加速度往往遠(yuǎn)高于正常被踩時(shí)的加速度，若在油門踏板處設(shè)置1個(gè)加速度傳感器，當(dāng)油門踏板加速度大于設(shè)定值時(shí)，制動(dòng)執(zhí)行裝置即被啟動(dòng)，使誤踩油門時(shí)會(huì)自動(dòng)剎車[4-5]，但此類防誤踩裝置由于會(huì)增加費(fèi)用，故還未被廣泛采用。

電動(dòng)汽車為簡(jiǎn)化操作引入了單踏板模式，它將加速和制動(dòng)集成在一個(gè)裝置上，也就是說僅憑一個(gè)踏板基本就能控制加速和減速，這與傳統(tǒng)汽車的駕駛模式不同。單踏板模式充分利用了電動(dòng)汽車基本不需要變速箱，僅憑高轉(zhuǎn)速、高扭矩的電機(jī)就能驅(qū)動(dòng)車輛的特性。當(dāng)駕駛者踩下油門踏板時(shí)，電機(jī)接收到加速指令，從而開始增強(qiáng)功率完成加速過程；而駕駛者松開油門踏板，電機(jī)則開始回收車輛動(dòng)能，從而降低車速。單踏板模式不僅能夠通過能量回收機(jī)制大幅提升車輛的續(xù)航能力，還有效減少了制動(dòng)觸發(fā)的次數(shù)和力度，降低了液壓制動(dòng)的負(fù)擔(dān)，在一定程度上延長(zhǎng)了制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和控制原理不同，再生制動(dòng)有串聯(lián)式和并聯(lián)式之分[2]。串聯(lián)式再生制動(dòng)的主要特點(diǎn)為優(yōu)先產(chǎn)生再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不滿足制動(dòng)需求時(shí)，不足部分由機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充。而并聯(lián)式再生制動(dòng)是再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相互獨(dú)立，并將再生制動(dòng)分為滑行回收和制動(dòng)回收2個(gè)階段。車輛處于滑行回收階段時(shí)，只有再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)制動(dòng)踏板開度增加，進(jìn)入制動(dòng)回收模式，此時(shí)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩共同起作用。從理論上看，串聯(lián)式再生制動(dòng)使能量回收率高，但剎車控制弱，而并聯(lián)式再生制動(dòng)剎車控制強(qiáng)，但能量回收率降低。若要兼顧能量回收率和剎車控制強(qiáng)度，可在車速較高時(shí)優(yōu)先使用再生制動(dòng)以回收能量，且隨著踏板行程逐步提高再生制動(dòng)強(qiáng)度，在車速降到一定程度再生制動(dòng)難以利用時(shí)，機(jī)械制動(dòng)適時(shí)介入直至完全剎停。這種模式并非單純的串聯(lián)或并聯(lián)，而是混合制動(dòng)模式，即串聯(lián)-并聯(lián)-串聯(lián)的模式，既能滿足剎車強(qiáng)度逐漸增大的需要，又能盡量回收能量。由于這種理想情況系統(tǒng)控制較為復(fù)雜，還需要在實(shí)踐中確定再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的混合比例和介入時(shí)機(jī)，逐步調(diào)整優(yōu)化。

現(xiàn)有的單踏板制動(dòng)技術(shù)的控制原理如圖1所示。在某一車速下，加速踏板在滑行區(qū)間時(shí)，電機(jī)不輸出轉(zhuǎn)矩或輸出較小轉(zhuǎn)矩，此時(shí)車輛為滑行狀態(tài)。當(dāng)加速踏板在滑行區(qū)間深踩踏板時(shí)，車輛進(jìn)入驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩使車輛加速。當(dāng)松開加速踏板時(shí)，車輛進(jìn)入制動(dòng)回收區(qū)間，電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)回收轉(zhuǎn)矩，車輛除受到滾動(dòng)阻力和空氣阻力外，還受到電機(jī)制動(dòng)阻力。

圖1 現(xiàn)有單踏板動(dòng)力控制策略

駕駛者一旦熟悉了“單踏板”模式，在擁擠的城市路況下駕駛疲勞感將大大減小。此外，“松踏板即剎車”的特性可讓剎車介入時(shí)間早于傳統(tǒng)車輛，減少反應(yīng)時(shí)間，提升行車安全性。在“單踏板”駕駛模式的普及過程中，盡管短期內(nèi)會(huì)有一些不適應(yīng)，但其最終目的是更加簡(jiǎn)化的操作邏輯，讓駕控愈加輕松智能。這與“雙踏板”自動(dòng)擋車型代替“三踏板”手動(dòng)擋車型的經(jīng)歷有些相似，因?yàn)橹悄芑?、?jiǎn)約化的趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的科技發(fā)展潮流。

但是現(xiàn)有電動(dòng)汽車的單踏板模式仍然不夠完善。從表面上來看，單踏板模式確實(shí)是大幅減少了駕駛者在加速踏板和制動(dòng)踏板之間來回切換的次數(shù)，但是對(duì)于沒有接觸過單踏板模式的駕駛者而言，踏板開度控制并不好把控。因此單踏板模式雖然在正常情況下足以完成大多數(shù)加速和減速的操作，但是在緊急情況下駕駛者依然需要踩下剎車踏板來完成緊急制動(dòng)。從這個(gè)意義上說，現(xiàn)有的單踏板模式并不完整，還需要增加剎車踏板來實(shí)現(xiàn)完整功能，這也是現(xiàn)有電動(dòng)汽車的真實(shí)選擇。

傳統(tǒng)燃油車沒有“松踏板即剎車”的能量回收概念，在駕駛傳統(tǒng)汽車遇到緊急情況時(shí)，駕駛者會(huì)潛意識(shí)地踩下剎車踏板，由此導(dǎo)致的一條安全原則，即駕駛者在不需要踩油門時(shí)將右腳放在剎車踏板上。這一原則不僅能夠讓駕駛者在緊急情況下能夠第一時(shí)間踩下剎車踏板，并且還能避免出現(xiàn)“油門當(dāng)剎車”的誤操作。電動(dòng)汽車的單踏板模式違背了這一條安全原則，容易引發(fā)安全問題。雖然單踏板模式也有剎車踏板，但在緊急情況下必須首先將腳從油門踏板切換到剎車踏板上，使動(dòng)作復(fù)雜化了，從而失去了寶貴的制動(dòng)時(shí)間。一個(gè)長(zhǎng)期將腳放在一個(gè)踏板上的駕駛者，平時(shí)很少有“事故演習(xí)”的機(jī)會(huì)，在緊急情況下很容易直接踩下踏板，釀成“油門當(dāng)剎車”的事故。從這個(gè)意義上來說，單踏板模式存在著安全隱患，在平時(shí)可將單踏板當(dāng)作剎車使用，但在緊急情況下又不能當(dāng)作完全的剎車使用，這增加了出現(xiàn)事故的可能性。

3 現(xiàn)有單踏板模式的改進(jìn)

從以上分析可以看出，現(xiàn)有電動(dòng)汽車的單踏板模式使駕駛操作更加便利，在將油門踏板改造為單踏板后，踩下踏板可以加速，松開踏板可進(jìn)行再生制動(dòng)減速，但緊急情況下駕駛員可能潛意識(shí)猛踩踏板意圖剎車，而此時(shí)反而為加速狀態(tài)，從而導(dǎo)致事故。綜合來看，現(xiàn)有的單踏板模式?jīng)]有實(shí)現(xiàn)完整功能，踩下是加速，放開是輕剎，急剎卻沒有，急剎還是要把腳切換到剎車踏板上，這不是完整的單踏板模式，會(huì)帶來突發(fā)切換失誤導(dǎo)致的事故隱患。

因此，現(xiàn)有的單踏板模式處于較為矛盾的狀態(tài)，要么重安全、輕舒適，這樣將不停在加速、剎車踏板之間切換，即為雙踏板的控制邏輯，發(fā)揮不出單踏板的便捷優(yōu)勢(shì)，要么重舒適、輕安全，在遇到突發(fā)情況時(shí)，要完成抬腳、挪腳、踩下的連貫動(dòng)作，增加了出錯(cuò)概率。要化解安全性和舒適性之間的矛盾，需要轉(zhuǎn)變一下思路，即將現(xiàn)有的單踏板模式改造為在剎車踏板上實(shí)現(xiàn)。

遵循“安全第一，剎車優(yōu)先”的原則，將單踏板模式合并到剎車踏板上，這樣輕踩踏板為輕剎，重踩踏板為急剎，松開踏板為加速，操作方向與現(xiàn)有的單踏板模式正好相反，優(yōu)點(diǎn)是用單踏板實(shí)現(xiàn)了加減速的完整邏輯，可從操作原理上杜絕誤踩踏板導(dǎo)致加速的可能性，達(dá)到既操作簡(jiǎn)便又安全可靠的目的。這樣定義的單踏板首先是剎車踏板，安全性得到滿足，由于無需挪腳，舒適性也得到了保證。

改進(jìn)的單踏板動(dòng)力控制策略如圖2（a）所示，踏板行程定義如圖2（b）所示。在某一車速下，單踏板在踏板行程中部的滑行區(qū)間時(shí)，電機(jī)不輸出轉(zhuǎn)矩或輸出較小轉(zhuǎn)矩，此時(shí)車輛為滑行狀態(tài)。通過滑行區(qū)間輕踩踏板時(shí)，車輛進(jìn)入制動(dòng)回收區(qū)間，電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)回收轉(zhuǎn)矩，在進(jìn)一步深踩踏板時(shí)，在能量再生制動(dòng)的同時(shí)，機(jī)械制動(dòng)介入，剎車強(qiáng)度繼續(xù)增大，直至車輛剎停。從剎停位置逐漸松開踏板時(shí)，由于車速為零，沒有再生制動(dòng)，而機(jī)械制動(dòng)逐漸減弱至零，踏板又回到中部位置，但由于踏板行程方向相反，此處設(shè)定為蠕行區(qū)間，電機(jī)輸出較小動(dòng)力，使車輛進(jìn)入蠕行狀態(tài)，此時(shí)若要?jiǎng)x停車輛，只需略微踩下踏板即可，這便于車輛在慢速狀態(tài)下的即時(shí)控制。從踏板中部位置繼續(xù)抬起，車輛進(jìn)入驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩使車輛加速。踏板松開越多，則動(dòng)力輸出越大，但完全松開時(shí)，電機(jī)動(dòng)力輸出停止，車輛保持滑行狀態(tài)。在踏板的加速區(qū)間，判斷踏板的行程方向，若從松開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴认聽顟B(tài)，則動(dòng)力輸出立即停止，即進(jìn)入滑行狀態(tài)，此時(shí)車輛在滾動(dòng)阻力和空氣阻力等作用下自然減速，該控制策略如圖2（a）所示?？梢钥吹剑Y(jié)合踏板的行程區(qū)間和行程方向，可定義單踏板的動(dòng)力控制邏輯，使加減速的操作幅度較小，減輕駕駛者的操作強(qiáng)度。

圖2 改進(jìn)單踏板動(dòng)力控制設(shè)計(jì)

以上單踏板動(dòng)力控制改進(jìn)方案雖然優(yōu)點(diǎn)明顯，即控制邏輯完整，操作十分簡(jiǎn)便，但也有不足：對(duì)操作的精細(xì)度要求提高，使用初期可能不太習(xí)慣。為了保持使用習(xí)慣以便自然過渡，可將原有的剎車踏板保留，而將油門踏板改造為剎車優(yōu)先的改進(jìn)單踏板模式，踩下為剎車，抬起為加速，并結(jié)合踏板行程方向進(jìn)行智能判斷。在加速區(qū)間內(nèi)抬起踏板為驅(qū)動(dòng)，而反向操作不會(huì)發(fā)生作用，只使車輛保持滑行。為進(jìn)一步增強(qiáng)安全性，還可將加速區(qū)間設(shè)置為遲滯區(qū)，即在該區(qū)間內(nèi)短暫停留后才進(jìn)行加速，而直接放開踏板，則快速通過該區(qū)，使車輛在踏板不受力時(shí)保持滑行。這樣提高驅(qū)動(dòng)作用的難度，可滿足潛意識(shí)猛踩踏板即為剎車的安全優(yōu)先準(zhǔn)則。當(dāng)然，要設(shè)計(jì)出符合人機(jī)工程學(xué)的單踏板操縱機(jī)構(gòu)，達(dá)到智能判斷準(zhǔn)確可靠，遲滯時(shí)間合理可行，反饋力度清晰可控[6]，還需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷優(yōu)化。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，電動(dòng)汽車的單踏板控制仍然是一個(gè)過渡方案，從三踏板（油門、剎車、離合）到雙踏板（油門、剎車），再到單踏板（油門剎車合二為一），直到全自動(dòng)駕駛的無踏板、無方向盤，將隨著科技進(jìn)步不斷演進(jìn)。如2021-07-17，百度無人駕駛網(wǎng)約車在廣州黃埔區(qū)正式面向公眾全面開放，使廣州成為百度無人駕駛網(wǎng)約車在中國(guó)的第4個(gè)試運(yùn)營(yíng)城市，并計(jì)劃在未來3年內(nèi)陸續(xù)擴(kuò)展到30個(gè)城市，為共享出行提供應(yīng)用典范?？梢灶A(yù)見，在智能技術(shù)加持下，汽車進(jìn)化之路將不斷加速。

4 結(jié)論

電動(dòng)汽車的單踏板模式將加速和制動(dòng)合成在1個(gè)踏板上，提高了操作便利性，是汽車動(dòng)力控制的發(fā)展方向，但現(xiàn)有的單踏板動(dòng)力控制方案存在不足，即控制邏輯不完整，還必須保留剎車踏板，同時(shí)在緊急情況下由于切換失誤，容易導(dǎo)致“油門當(dāng)剎車”的安全問題。

對(duì)現(xiàn)有的電動(dòng)汽車單踏板模式稍加改進(jìn)，將剎車踏板改造為單踏板，踩下為剎車，抬起為加速，可在單踏板上實(shí)現(xiàn)加速和剎車的完整邏輯，另外還可杜絕誤踩踏板導(dǎo)致加速的可能性，達(dá)到既操作簡(jiǎn)便又安全可靠的目的。

實(shí)用的單踏板操作模式是從人工到自動(dòng)的汽車駕駛方式轉(zhuǎn)變的合理過渡，必將加速推進(jìn)汽車交通的進(jìn)化之路，使人們出行更加清潔低碳、安全便捷。