高速牽引車輔助駕駛節(jié)油算法研究

符興勝， 紀(jì)嘉偉， 趙曉嵩

（上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司，上海 200438）

0 前言

公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國(guó)車用燃油消耗2.27億t，占汽柴油消耗總量的85%［1］，隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)汽車燃料消耗量在我國(guó)石油消耗量中所占比例還會(huì)繼續(xù)提高，由此帶來(lái)的能源緊張問(wèn)題將更加突出。重型商用車保有量雖然僅占汽車總量的15%左右，但作為生產(chǎn)資料，其具有單車能耗高、使用強(qiáng)度大、行駛里程長(zhǎng)等特點(diǎn)，是目前我國(guó)道路交通中柴油消耗的主力軍，貢獻(xiàn)了超過(guò)50%的能耗和碳排放量［2］。隨著能源問(wèn)題的日益尖銳，重型商用車的燃油耗問(wèn)題成為社會(huì)和企業(yè)重點(diǎn)專注的對(duì)象。

目前，市場(chǎng)上大部分重型商用車配備有定速巡航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使車輛按照駕駛員設(shè)定的車速運(yùn)行，減輕駕駛員疲勞，避免不必要的車速變化，在一定程度上提升了車輛的經(jīng)濟(jì)性。但是，實(shí)際道路的坡度起伏變化，在上坡時(shí)定速巡航控制策略會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，使燃油耗大幅上升，而下坡時(shí)無(wú)法利用車輛慣性，將帶來(lái)不必要的能量損失。我國(guó)地形以山地、丘陵居多，全國(guó)地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)顯示，山地、丘陵和臺(tái)地占據(jù)我國(guó)國(guó)土面積的73.38%［3］，由于道路的坡度變化較大，標(biāo)配的定速巡航系統(tǒng)必然會(huì)導(dǎo)致整車經(jīng)濟(jì)性下降。

目前，斯堪尼亞、奔馳、沃爾沃、曼等重型卡車制造商均積極開(kāi)展了預(yù)見(jiàn)性巡航控制（PCC）系統(tǒng)方面的研究工作［3］。

斯堪尼亞的主動(dòng)預(yù)測(cè)巡航控制系統(tǒng)可通過(guò)使用道路網(wǎng)的地形圖數(shù)據(jù)來(lái)彌補(bǔ)普通定速巡航系統(tǒng)的不足，該系統(tǒng)已完全覆蓋歐洲西部和中部地區(qū)。配備該系統(tǒng)的車輛在公路和高速上行駛時(shí)可節(jié)省3%的燃油。

奔馳的PCC系統(tǒng)將當(dāng)前關(guān)于卡車精確定位的全球定位系統(tǒng)（GPS）信息與存儲(chǔ)的數(shù)字3D路線地圖進(jìn)行鏈接，通過(guò)計(jì)算得出電子視野模型，進(jìn)而使卡車自動(dòng)適應(yīng)此模型。PCC系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算出道路的方向和地形，以便提前規(guī)劃換檔時(shí)機(jī)，并通過(guò)巡航控制預(yù)見(jiàn)性地調(diào)整車輛速度。同時(shí)，該系統(tǒng)不斷使用來(lái)自動(dòng)態(tài)控制輔助系統(tǒng)的信息，將前方車輛的駕駛行為納入到動(dòng)力鏈總成的燃油優(yōu)化控制中。配備該系統(tǒng)的車輛在公路和高速上的燃油耗最多可降低3%，在鄉(xiāng)村越野道路上，燃油耗可減少5%［4］。

沃爾沃基于所提出的山路駕駛“6步法”推出ISee自動(dòng)巡航系統(tǒng)。如圖1所示。I-See自動(dòng)巡航系統(tǒng)通過(guò)變速箱內(nèi)的角度傳感器獲得周圍的地勢(shì)信息，系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存有4 000個(gè)斜坡信息，相當(dāng)于5 000 km的路面信息。除了路面的坡度信息，I-See自動(dòng)巡航系統(tǒng)還可獲得空氣阻力、車輛載重等多方面信息。經(jīng)各種實(shí)際道路的模擬測(cè)試可得出，采用該系統(tǒng)平均可以減少5%的燃油耗。

圖1 I-See自動(dòng)巡航系統(tǒng)的山路駕駛“6步法”

本文以某款長(zhǎng)途高效牽引車為研究對(duì)象，采集并分析優(yōu)秀駕駛員的駕駛習(xí)慣，設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)道路坡度信息的PCC策略，使用AVL-Cruise軟件和Matlab/Simulink軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，給出仿真和實(shí)車的測(cè)試結(jié)果，分析預(yù)見(jiàn)性巡航和定速巡航的整車燃油耗變化量和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況。

1 駕駛行為分析

選取該長(zhǎng)途高效牽引車車隊(duì)燃油耗表現(xiàn)優(yōu)秀的車輛，使用整車數(shù)據(jù)采集工具采集該車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)。對(duì)該車駕駛員的駕駛行為進(jìn)行分析，提取其對(duì)車速和加速度的控制數(shù)據(jù)，如圖2 和圖3 所示。由圖2 和圖3 可以看出：該車輛運(yùn)行車速集中在60～90 km/h，加速度集中在-0.2～0.2 m/s2。

圖2 長(zhǎng)途高效牽引車的車速分布

圖3 長(zhǎng)途高效牽引車的加速度分布

駕駛員對(duì)車速和加速度的控制反映在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩脈譜圖中，如圖4所示。由圖4可以看出：轉(zhuǎn)速集中在1 000～1 200 r/min，負(fù)荷率中等偏低，發(fā)動(dòng)機(jī)整體功率需求較低。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩脈譜圖

2 PCC策略設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將PCC策略分為平路、下坡、上坡3部分，如圖5所示。策略模型會(huì)預(yù)設(shè)一段探測(cè)距離：當(dāng)前方探測(cè)距離內(nèi)無(wú)坡道時(shí)，按平路策略進(jìn)行控制；當(dāng)前方出現(xiàn)坡道時(shí)，判斷坡度并進(jìn)行下坡或上坡的策略控制。

圖5 PCC策略

根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)，在汽車行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩需滿足下式：

式中：Tn為發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩；ig為主減速比；i0為變速器的速比；ηT為動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)效率；r為車輪滾動(dòng)半徑；m為汽車總質(zhì)量；g為重力加速度；a為道路坡度；f為滾動(dòng)阻力；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)面積；V為當(dāng)前車速；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；t為時(shí)間。

策略模型可根據(jù)路譜反饋的坡度信息和整車加速度的變化實(shí)時(shí)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求，并將其反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)模型。

2.1 平路控制策略

車輛在平路上自由行駛，考慮行駛舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性，勻速行駛是一個(gè)合理策略［5］，但實(shí)際道路會(huì)存在微小坡度，因此將坡度為-0.5%～0.5%的道路均定義為平路。車輛在平路上行駛時(shí)采用定速巡航策略，如圖6所示。策略模型根據(jù)坡度、加速度變化引起的功率需求變化實(shí)時(shí)修正。

圖6 平路控制策略模型

2.2 下坡控制策略

為最大化地利用整車重力勢(shì)能和動(dòng)能，在下坡初始階段整車進(jìn)行空檔滑行，當(dāng)車速達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，將整車切換至帶檔滑行，利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)或使用機(jī)械制動(dòng)以避免超速，下坡控制策略模型如圖7所示。

圖7 下坡控制策略模型

2.3 上坡控制策略

上坡控制策略與定速巡航類似，其在定速巡航的基礎(chǔ)上增加了道路坡度判斷，在不需要降檔的前提下，根據(jù)不同的道路坡度設(shè)定分段的巡航車速。

3 整車仿真模型

3.1 整車模型

利用AVL-Cruise軟件對(duì)該款長(zhǎng)途高效牽引車進(jìn)行建模，如圖8 所示。由圖8 可看出通過(guò)Matlab dll模塊引入Simulink搭建的PCC策略。

圖8 牽引車整車模型

3.2 運(yùn)行工況

為準(zhǔn)確地在PCC策略模型中輸入坡度信息，對(duì)汽車行駛工況進(jìn)行采集統(tǒng)計(jì)，形成的里程與坡度的二維分布如圖9所示。

圖9 里程與坡度的二維分布

4 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.1 仿真分析

仿真行駛里程為712.3 km，PCC策略與定速巡航策略的仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，相較于定速巡航，在PCC策略下燃油耗下降11.57%，所耗時(shí)間僅增加27 min。

表1 PCC策略與定速巡航的仿真結(jié)果對(duì)比

采用PCC策略后，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率明顯降低，發(fā)動(dòng)機(jī)整體功耗減小。爬坡車速降低避免了降檔增速，充分利用了大排量柴油機(jī)低轉(zhuǎn)扭矩大的特性，而定速巡航在上坡時(shí)為保持預(yù)設(shè)的車速，需要降檔來(lái)提升轉(zhuǎn)速，在PCC策略和定速巡航策略下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況分別如圖10和圖11所示，其中發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)內(nèi)數(shù)值代表在該工況點(diǎn)運(yùn)行的占比。

圖10 PCC策略下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況

圖11 定速巡航策略下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況

采用PCC 策略后，整車車速隨坡度發(fā)生變化，下坡時(shí)車速增加，這為平路行駛或沖坡積累了動(dòng)能，上坡時(shí)車速降低，以節(jié)省能量，其中某一段里程的車速和道路海拔高度變化如圖12所示。

圖12 仿真車速與海拔高度的關(guān)系

4.2 實(shí)車測(cè)試

在同配置牽引車上配置PCC系統(tǒng)，選取上海周邊一段長(zhǎng)為44 km的高速作為測(cè)試路段，如圖13所示。該路段的坡道信息可通過(guò)車輛信息采集工具獲得，并載入測(cè)試車輛的巡航系統(tǒng)中。

圖13 實(shí)車測(cè)試線路

實(shí)車在PCC策略與定速巡航策略下的百公里燃油耗對(duì)比見(jiàn)表2。采用PCC 策略后，燃油耗降低6.8%，所耗時(shí)間僅增加1.4 min。

表2 在PCC策略與定速巡航策略下的百公里燃油耗對(duì)比

測(cè)試車輛的車速隨海拔高度的變化如圖14 所示。由圖14可以看出：海拔高度上升即上坡時(shí)車速下降，海拔高度降低即下坡時(shí)車速升高，海拔高度平緩即平路時(shí)整車維持相對(duì)穩(wěn)定的車速，其中車速急劇減小是由于前方有低速車輛，人為干預(yù)制動(dòng)避讓。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)優(yōu)秀駕駛員駕駛行為的研究分析，設(shè)計(jì)出高速牽引車PCC策略，并進(jìn)行模型仿真和實(shí)車測(cè)試，得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)優(yōu)秀駕駛員駕駛行為設(shè)計(jì)的預(yù)見(jiàn)性巡航策略在Cruise軟件中對(duì)車速的控制與預(yù)期相符。

（2）使用帶坡度信息的實(shí)際路譜來(lái)對(duì)比PCC策略和定速巡航策略的燃油耗，在時(shí)效性相近的情況下，PCC策略可節(jié)油11.57%。

（3）在上海周邊高速上進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，與定速巡航相比，長(zhǎng)途高速牽引車在PCC 策略下可節(jié)油6.8%。