電動(dòng)汽車(chē)單踏板駕駛模式控制原理分析

吳格 杜瑞 李錦 周衡 黨鑫 魏俊天

【摘? 要】電動(dòng)汽車(chē)單踏板駕駛模式通過(guò)加速踏板，可控制車(chē)輛加速、勻速行駛和減速停車(chē)過(guò)程，簡(jiǎn)化駕駛操作并在實(shí)際使用時(shí)可增大能量回收比例，給用戶帶來(lái)全新的駕駛體驗(yàn)。文章介紹單踏板駕駛功能的控制原理，并對(duì)單踏板駕駛模式下車(chē)輛常見(jiàn)工況的控制過(guò)程進(jìn)行分析和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】單踏板;純電動(dòng)汽車(chē);滑行能量回收

中圖分類號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）05-0006-03

Analysis of the One Pedal Driving Mode Control Principle on Electric Vehicle

WU Ge1，DU Rui1，LI Jin1，ZHOU Heng1，DANG Xin1，WEI Juntian2

（1.SAIC General Motors Co.，Ltd.，Wuhan Branch，Wuhan 430000;

2. Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai 201201，China）

【Abstract】The one pedal driving mode of electric vehicles can control the vehicle's acceleration，constant speed driving，and deceleration parking processes through the accelerator pedal. One pedal driving mode simplifies driving operation and increases the proportion of energy recovery in actual use，bringing users a new driving experience. This paper introduces the control principle of single pedal driving function and analyzes the control process of common working conditions of vehicles under one pedal driving mode.

【Key words】one pedal;electric vehicle;coast regen

作者簡(jiǎn)介

吳格（1990—），男，工程師，主要從事純電動(dòng)汽車(chē)三電系統(tǒng)整車(chē)集成工作。

發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)是解決能源問(wèn)題的其中一個(gè)重要途徑[1]，隨著純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，汽車(chē)廠商在多種加速模式和多種能量回收強(qiáng)度組合的基礎(chǔ)功能之上，為用戶提供了可單獨(dú)激活的單踏板（One Pedal）駕駛模式。單踏板模式只操作加速踏板便可在常規(guī)工況下滿足加速、勻速行駛及減速停車(chē)等全部駕駛需求，減少踏板切換頻率，減輕駕駛負(fù)擔(dān)，并提供更好的駕駛體驗(yàn)。本文介紹單踏板駕駛功能的實(shí)現(xiàn)原理，分析單踏板模式的控制目標(biāo)，以及單踏板駕駛模式典型工況的控制過(guò)程。

1? 單踏板駕駛功能控制邏輯

根據(jù)整車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)[2]，影響車(chē)輛的外部縱向力包括空氣阻力、重力、輪胎縱向力和滾動(dòng)阻力。圖1為整車(chē)在坡度為α的坡道上沿縱向方向的受力示意圖。

沿車(chē)輛縱向方向上力的平衡方程式如下：

mx = Fxf + Fxr - Faero - Rxf - Rxr - mgsin（α）

式中：Fxf ——前輪輪胎縱向力;Fxr——后輪輪胎縱向力;Faero——縱向空氣阻力;Rxf ——前輪滾動(dòng)阻力;Rxr——后輪滾動(dòng)阻力;m——車(chē)輛質(zhì)量;g——重力加速度;α——車(chē)輛行駛坡度。

對(duì)于常見(jiàn)的前驅(qū)車(chē)型，其單踏板駕駛系統(tǒng)由加速踏板、制動(dòng)踏板、整車(chē)集成控制器、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、單級(jí)減速箱、半軸和驅(qū)動(dòng)輪及線束等零件組成，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

車(chē)輛提供旋鈕開(kāi)關(guān)或組合儀表選項(xiàng)為用戶提供獨(dú)立的單踏板模式激活選項(xiàng)，以便用戶在單踏板模式和其它駕駛模式（非單踏板模式）之間進(jìn)行選擇。

實(shí)際駕駛過(guò)程中，駕駛員通過(guò)開(kāi)關(guān)旋鈕或組合儀表操作選擇單踏板駕駛模式后，在加速階段，整車(chē)集成控制器根據(jù)Pedal Map（踏板特性）解析加速踏板的開(kāi)度百分比信號(hào)，結(jié)合車(chē)速信號(hào)確定整車(chē)需要的加速度值x，并對(duì)車(chē)輛質(zhì)量m、坡度α等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估算。根據(jù)縱向力平衡方程，計(jì)算輪胎對(duì)應(yīng)的輪胎縱向力，并結(jié)合有效輪胎半徑以及減速比，計(jì)算電機(jī)的需求扭矩值。扭矩請(qǐng)求通過(guò)總線發(fā)送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)扭矩指令控制電機(jī)輸出需要的扭矩，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖并對(duì)全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

當(dāng)需要進(jìn)行常規(guī)減速或停車(chē)時(shí)，減小加速踏板的開(kāi)度，整車(chē)集成控制器根據(jù)Pedal Map解析加速踏板的開(kāi)度百分比信號(hào)，結(jié)合當(dāng)前車(chē)速確定整車(chē)需要的減速度值x，并對(duì)相關(guān)車(chē)輛參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估算。計(jì)算輪胎縱向力以及驅(qū)動(dòng)輪端的扭矩和電機(jī)負(fù)扭矩值，電機(jī)控制器控制電機(jī)輸出負(fù)扭矩，通過(guò)能量回收給電池充電的同時(shí)，達(dá)到減速的目的。

一般選擇單踏板模式時(shí)，起步階段，加速踏板開(kāi)度為0%時(shí)，車(chē)輛保持靜止?fàn)顟B(tài)，需要踩下加速踏板，車(chē)輛才會(huì)加速。車(chē)輛具備一定初速度后，減小加速踏板開(kāi)度到0%時(shí)，車(chē)輛會(huì)快速減速停車(chē)并維持0車(chē)速狀態(tài)。

2? 單踏板駕駛模式的控制目標(biāo)

2.1? 單踏板駕駛模式的Pedal Map

單踏板駕駛模式下，某車(chē)型的車(chē)速、加速踏板開(kāi)度和加減速度值組成的Pedal Map如圖3所示。其中各車(chē)速與橫軸的交點(diǎn)表征了維持勻速行駛需要的加速踏板開(kāi)度值，各車(chē)速與縱軸的交點(diǎn)表征了0%加速踏板開(kāi)度下車(chē)輛減速度值。

在單踏板駕駛模式下，當(dāng)加速踏板開(kāi)度為0%時(shí)，整車(chē)以0車(chē)速作為控制目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)平地以及一定坡度的停車(chē)功能?？朔亓ρ仄旅娴姆至繉?shí)現(xiàn)坡道停車(chē)的扭矩由電機(jī)提供，坡道停車(chē)到達(dá)一定時(shí)間后，液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入防止車(chē)輛溜坡。也可以選擇坡道停車(chē)后直接請(qǐng)求液壓系統(tǒng)介入，通過(guò)制動(dòng)卡鉗實(shí)現(xiàn)坡道長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)功能。

單踏板駕駛功能為滿足臨時(shí)停車(chē)的控制目標(biāo)，其滑行能量回收（Coast Regen）的強(qiáng)度設(shè)定強(qiáng)于普通駕駛模式。某些車(chē)型會(huì)設(shè)置駕駛員實(shí)時(shí)控制的能量回收強(qiáng)度調(diào)整功能，根據(jù)駕駛情況及時(shí)調(diào)整能量回收強(qiáng)度。

2.2? 單踏板駕駛模式停車(chē)控制過(guò)程

如前文所述，除Pedal Map和Coast Regen強(qiáng)度與普通駕駛模式的差異外，0%加速踏板開(kāi)度下的減速控制過(guò)程是單踏板模式與普通模式的主要差異點(diǎn)。

1）普通駕駛模式下，車(chē)輛在前進(jìn)擋加速到一定車(chē)速后，維持0%加速踏板開(kāi)度，整車(chē)集成控制器請(qǐng)求負(fù)扭矩通過(guò)電機(jī)回收車(chē)輛動(dòng)能，接近Creep（蠕行模式）車(chē)速時(shí)，電機(jī)控制器的扭矩請(qǐng)求由負(fù)扭矩平緩過(guò)渡為正扭矩，控制車(chē)輛進(jìn)入Creep模式。

2）在單踏板模式下，當(dāng)加速踏板開(kāi)度為0%時(shí)，如果路面水平，電機(jī)維持負(fù)扭矩直到車(chē)速為0km/h。若車(chē)輛駛?cè)肫碌?，整?chē)集成控制器以0車(chē)速為控制目標(biāo)，調(diào)整扭矩指令值，控制車(chē)輛平穩(wěn)減速并保持坡道停車(chē)。停車(chē)后，電機(jī)控制器控制電機(jī)維持坡道停車(chē)扭矩輸出或請(qǐng)求液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入以維持坡道停車(chē)狀態(tài)。單踏板開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的減速控制過(guò)程如圖4所示，其中虛線代表單踏板模式下在不同坡度的坡道上實(shí)現(xiàn)停車(chē)時(shí)軸端扭矩變化過(guò)程。

在單踏板模式下，通過(guò)制動(dòng)踏板使車(chē)輛減速的過(guò)程和普通模式下減速過(guò)程相同。制動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)控制器反饋的電機(jī)可用回收制動(dòng)扭矩，對(duì)駕駛員意向制動(dòng)扭矩進(jìn)行分配，優(yōu)先請(qǐng)求電機(jī)通過(guò)能量回收提供制動(dòng)扭矩，在電機(jī)回收制動(dòng)扭矩?zé)o法完全滿足駕駛員意向制動(dòng)扭矩時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入，與電機(jī)制動(dòng)能量回收扭矩共同作用使車(chē)輛減速并停車(chē)。

3? 單踏板起步和停車(chē)典型工況控制過(guò)程分析

在非單踏板模式下，車(chē)輛在水平路面由停車(chē)狀態(tài)開(kāi)始加速到一定車(chē)速并松開(kāi)加速踏板，車(chē)輛會(huì)在電機(jī)的Coast Regen作用下減速并進(jìn)入Creep模式，電機(jī)輸出扭矩維持Creep車(chē)速。非單踏板模式加速和Creep過(guò)程如圖5所示。

車(chē)輛進(jìn)入Ready（可行駛）狀態(tài)后，在水平路面由停車(chē)狀態(tài)開(kāi)啟OPD模式，此時(shí)松開(kāi)制動(dòng)踩下加速踏板后，整車(chē)集成控制器根據(jù)加速踏板開(kāi)度解析駕駛員意向，輸出意向扭矩。意向扭矩經(jīng)過(guò)仲裁和抑制處理后，通過(guò)總線發(fā)送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器控制電機(jī)輸出扭矩，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛按照駕駛員意圖進(jìn)行平穩(wěn)加速。

停車(chē)狀態(tài)Auto Hold（自動(dòng)駐車(chē)）或者EPB（電子駐車(chē)制動(dòng)）等液壓制動(dòng)系統(tǒng)也可能介入以維持長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，踩下加速踏板進(jìn)行加速，電機(jī)輸出扭矩根據(jù)加速踏板開(kāi)度計(jì)算的用戶加速意圖結(jié)合縱向力平衡方程進(jìn)行控制，同時(shí)需要與液壓制動(dòng)系統(tǒng)在輪端施加制動(dòng)力減小過(guò)程進(jìn)行協(xié)同，避免出現(xiàn)扭矩輸出波動(dòng)過(guò)大，引起起步頓挫。

1）單踏板模式平地停車(chē)。在一定車(chē)速下，駕駛員松開(kāi)加速踏板，保持加速踏板0%開(kāi)度情況下，電機(jī)控制器會(huì)控制電機(jī)進(jìn)入能量回收狀態(tài)，車(chē)輛在電機(jī)負(fù)扭矩作用下，平穩(wěn)減速并停車(chē)，此時(shí)可激活A(yù)uto Hold或者EPB，維持長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)。單踏板模式停車(chē)過(guò)程如圖6所示。

2）單踏板模式坡道起步。當(dāng)車(chē)輛處于坡道停車(chē)狀態(tài)時(shí)，例如車(chē)頭朝上停車(chē)，此時(shí)電機(jī)處于正扭矩輸出狀態(tài)，當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時(shí)，電機(jī)扭矩加大，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛在坡道平穩(wěn)向前行駛。如果Auto Hold或者EPB已激活，此時(shí)電機(jī)扭矩為0，液壓制動(dòng)扭矩作用使車(chē)輛維持坡道停車(chē)。在加速踏板踩下的同時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始泄壓，制動(dòng)扭矩逐步減少，同時(shí)電機(jī)扭矩從0開(kāi)始增加，制動(dòng)扭矩和電機(jī)扭矩需要相互協(xié)同，在保持車(chē)輛不會(huì)溜坡的情況下，快速實(shí)現(xiàn)車(chē)輛平穩(wěn)起步。單踏板模式坡道起步過(guò)程如圖7所示。

3）單踏板模式坡道停車(chē)。在單踏板模式下，當(dāng)車(chē)輛以一定的初速度向前行駛到坡道并完全釋放加速踏板后，整車(chē)集成控制器需要根據(jù)當(dāng)前車(chē)速、坡道估算值和整車(chē)質(zhì)量估算值的綜合計(jì)算結(jié)果，減少電機(jī)的正扭矩輸出，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛減速并平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在坡道上停車(chē)。待Auto Hold或者EPB激活并建立駐車(chē)制動(dòng)力矩后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止扭矩輸出。液壓駐車(chē)制動(dòng)扭矩的建立和電機(jī)扭矩的減小過(guò)程需要相互協(xié)同，避免車(chē)輛在停車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)頓挫或溜坡的情況。坡道停車(chē)過(guò)程中，單踏板坡道停車(chē)過(guò)程如圖8所示。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了單踏板駕駛模式的控制方法和典型工況的控制過(guò)程。單踏板駕駛模式可以通過(guò)加速踏板的操作實(shí)現(xiàn)加速和減速停車(chē)的全程操作。在一般駕駛工況下，駕駛員不需要來(lái)回切換加速踏板和制動(dòng)踏板，提高了駕駛的便利性。

目前單踏板駕駛模式及其子功能有很多衍生概念和方案，例如通過(guò)方向盤(pán)裝置調(diào)整單踏板模式的能量回收強(qiáng)度，回收強(qiáng)度等級(jí)由施加于該裝置的動(dòng)作來(lái)確定[3]。例如將制動(dòng)踏板和加速踏板合并成一個(gè)踏板[4]，踩下踏板為加速，松開(kāi)踏板為減速，從安全角度出發(fā)杜絕緊急制動(dòng)時(shí)誤踩加速踏板導(dǎo)致非預(yù)期加速的可能性。

隨著電動(dòng)汽車(chē)的智能化以及自動(dòng)駕駛的發(fā)展，單踏板駕駛模式及其子功能會(huì)越來(lái)越豐富，具體的操作方式會(huì)越來(lái)越人性化，在保證安全的同時(shí)，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的駕乘體驗(yàn)。

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（編輯? 楊凱麟）

收稿日期：2023-10-11