自動變速車輛下坡換擋策略研究?

孟凡婧，金 輝

前言

我國山地、高原面積廣大，山區面積占國土總面積的69%，因此山區道路成為我國道路交通系統的重要組成部分。下坡是典型的較危險工況，當重力沿坡道方向的分力大于車輛所受的阻力時，車輛就會不斷加速，采用通常換擋規律的自動變速車輛其擋位也會相應地不斷增加，直至最高擋。在實際行駛時，為了避免車速過高，駕駛員不得不頻繁地使用行車制動以使車輛減速。據相關研究表明，轎車在山區行駛時，制動器連續制動引起的熱衰退可能使制動距離增加多達50%，倘若不及時采取有效的應急措施，將會導致制動器完全失效，極有可能釀成交通事故[1-2]。若采用發動機制動，既能減少對行車制動器的磨損，又能避免制動過程的沖擊感，提高了行駛的舒適性，同時還可降低對制動踏板的操作頻率，減輕駕駛員的工作強度[3-4]。因而在下坡路段合理地利用發動機的牽阻作用進行制動是十分必要的。

道路因素是換擋策略制定中的一個重要影響因素。針對道路坡度的識別，研究較為成熟的方法主要有基于傳感器的識別方法和基于動力學模型的識別方法。前者需要在車輛上加裝額外的傳感器，如利用加速度傳感器測得縱向加速度進而對坡道進行估計[5]。后者利用CAN總線和通用傳感器獲取的數據，分析車輛在不同坡道路面行駛狀態參數的差異來實現對坡度的識別[6-8]。然而上述識別方法的可預見性較差，給其實際應用帶來了一定的困難。而地圖傳感器(map sensor)作為一種特殊的傳感器融入車輛系統，可提供道路的先驗知識。隨著先進輔助駕駛技術(advanced driver assistance system，ADAS)、數據處理技術和云技術的不斷發展和完善，目前有很多研究機構和地圖廠商如美國的ED Map項目[9]、歐洲的 HERE[10]、OpenRouteService[11]和我國的四維圖新[12]等，均已著手開發包含道路坡度和曲率等信息在內的可用于汽車實時控制的高精度電子地圖。這些成果使基于道路坡度信息的換擋策略研究成為可能。

在此基礎上，近年來國內外也有眾多針對下坡換擋策略問題的研究。文獻[13]中分析了發動機輔助制動作用產生的機理及其對整車制動性能的影響。文獻[14]中將制動工況進行分類，提出了依據發動機轉速信號來識別不同制動工況的方法，并制定了相應的換擋控制策略。文獻[15]中定義了輔助制動的等效制動強度，在分析實驗數據基礎上提出了基于制動強度和車速的主動降擋輔助換擋策略。文獻[16]中通過分析不同擋位發動機制動效果的差別，提出了計算各坡度下合適擋位的方法，為AMT下坡控制策略的開發奠定了基礎。文獻[17]中通過對加速和制動踏板操縱行為的識別，對一般換擋曲線進行修正，通過縮小或擴大擋位作用范圍來滿足駕駛員的需求。文獻[18]中采用模糊推理的方法制定了下坡換擋策略，文獻[19]中采用神經網絡的方法學習駕駛員的駕駛行為，從而解決自動變速車輛下坡行駛時所存在的問題。

通過對上述文獻的歸納和分析發現，對下坡換擋策略的研究仍然存在局限，主要表現為:在制定下坡換擋策略時大多基于駕駛經驗，未能從理論上充分平衡安全性與行駛效率之間的關系。因此本文中從對下坡工況的動力學分析出發，基于道路坡度信息，結合公路的設計標準，以安全性為基礎充分考慮行駛效率，確定了各工況的目標參考車速和約束擋位，從理論上制定了下坡換擋控制策略。通過駕駛員在環仿真，證明了該換擋策略既能反映駕駛員的駕駛意圖，又能提高車輛的行駛效率，還能在必要時有效發揮發動機的制動特性。

1 下坡工況動力學分析

1.1 發動機制動特性研究

發動機處于制動工況時，加速踏板應完全松開，此時節氣門幾乎處于完全關閉的狀態，怠速油道會給氣缸提供少量的燃料，而這部分燃料燃燒所產生的能量有限，一般僅供發動機怠速使用。此時若踩下離合器踏板使傳動系統與發動機斷開，則發動機處于怠速狀態，產生的功率主要用于克服自身內部機件的摩擦阻力等。若此時傳動系統與發動機處于接合狀態，在車輛的帶動下發動機的實際轉速高于其怠速轉速時，燃料燃燒所產生的功率將不足以克服發動機運轉的各種阻力，此時發動機就變成了一個耗能負載。發動機的這種特性稱為發動機的制動特性。

本研究利用某款125kW發動機反拖實驗數據作為研究的基礎，實驗數據如表1所示。

表1 125kW發動機反拖實驗數據

采用Smoothing Spline方法對實驗數據進行擬合，得到發動機制動特性曲線，如圖1所示。

從圖中可以直觀地看出，反拖轉矩隨轉速的增加而不斷增大，即發動機轉速越高，發動機制動效果越明顯。

圖1 發動機制動特性曲線

1.2 帶擋滑行車輛動力學分析

為定量分析車輛動力學特性，本文中選用某款搭載該125kW發動機的B級轎車來進行研究，其主要參數如表2所示。

表2 某125k W B-Class車型主要參數

車輛在下坡過程中帶擋滑行時，行駛方程為

式中:Fi為重力沿坡道方向的分量；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fft為等效發動機阻力；Fj為加速阻力。

將式(1)展開可得

式中:m為整車整備質量；g為重力加速度；θ為坡道角；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為車輛的迎風面積；ρ為空氣密度；v為車輛行駛的速度；Tft為發動機的反拖力矩；ig為變速器傳動比；i0為主減速比；η為傳動效率；Rw為車輪的有效作用半徑；δ為旋轉質量換算系數；a為車輛行駛加速度。

車輛在下坡行駛過程中，等效的外部驅動力Fex可表示為

由此可繪制出各擋位下等效發動機制動力和等效外部驅動力隨車速的變化曲線，如圖2所示。圖中實線與虛線的交點為對應坡度下的穩定車速點，當虛線位于實線之上時，車輛在重力作用下處于加速狀態，反之車輛處于減速狀態。圖3為僅在發動機制動的情況下各擋位所能達到的穩定車速。

圖2 帶擋滑行動力特性曲線

圖3 各擋位穩定車速與道路坡度關系曲線

由圖2可以看出:在14%的坡道上下坡行駛時只有在1擋帶擋滑行時發動機能起到控制車速的作用，當車速較低時發動機的制動效果并不明顯，此時車輛處于加速狀態，隨著車速的增加，若變速器的擋位不發生改變，發動機的轉速將隨車速一起增加，最終達到平衡，使車速穩定在46km/h；在10%的坡道上下坡行駛時，雖然各擋位均能達到穩定車速，但隨著擋位的升高，穩定車速越來越大，在高擋位時雖然也達到了平衡，但車速早已超出了安全車速，此時發動機的制動效果并不明顯，沒有起到其應有的作用。

由以上分析可知，要想充分利用發動機的制動效果，不僅要使發動機處于較高的轉速，同時還應使用盡可能低的擋位。

2 下坡換擋策略的制定

基于對車輛本身及路面交通狀況的考慮，下坡換擋策略的制定需要遵循以下幾個原則:

(1)以行駛的安全性為基礎，充分考慮行駛工況及道路參與者的實際感受；

(2)杜絕意外升擋，并能根據駕駛員的駕駛意圖實現主動降擋及推遲升擋；

(3)對于危險系數較小的坡段應更注重行駛效率，對于危險系數較大的坡段需充分發揮發動機的制動作用。

2.1 坡道行駛環境信息提取

高精度電子地圖可提供道路形狀、拓撲和其它高級屬性等信息，如道路坡度、彎道曲率、車道數或限速數值等。為了實現地圖信息在車輛各個子系統中的傳輸，消除各圖商、車廠、ADAS零部件供應商之間協議的差異，ADASIS Forum制定了地圖與ADAS系統之間的通信協議ADASIS(advanced driver assistance systems interface specifications)，其系統架構如圖4所示。目前ADASIS已經發布了v1和v2兩個版本，其中ADASISv2[20]已經被多家車廠采用。

圖4 ADASIS系統架構示意圖

如圖4所示，電子地圖供應商可提取詳細的地形、道路相關數據和車輛的位置信息，生成ADAS Horizon所需要的數據，并向車輛的CAN總線進行數據發送。車輛系統利用數據重構單元可從CAN總線上提取相關數據并進行解析，將其轉變為控制單元可以直接使用的數據。而地圖信息的傳輸均遵循ADASISv2協議。

基于上述分析，隨著高精度電子地圖的不斷發展和普及，今后只需要利用CAN總線進行數據通信，便可實現變速器控制單元(TCU)對車輛前方道路坡度、坡長信息和相關車輛狀態信息的提取。

2.2 目標車速與擋位約束

國外對于連續下坡的交通安全問題已有較為系統的研究，較具代表性的是美國道路坡度嚴重度分級體 系(grade severity rating system， GSRS)[21]。GSRS針對不同載質量的貨車在下坡路段行駛時，根據坡度和坡長的不同組合提出合理的控制擋位和車速建議，以保證行車安全。我國交通部門對《公路工程技術標準》進行了修正[22]，并開展了公路縱坡坡度與坡長限制方面的研究[23-25]，詳細分析了坡度、坡長對交通安全的影響。標準根據不同的公路等級對公路的坡度、坡長、設計速度等做出了規定，同時規定了轎車各設計車速下不同縱坡的最大坡長，如表3所示。

表3 不同縱坡的最大坡長

公路的設計車速是指在氣候良好、交通密度低的條件下，一般駕駛員在路段上能保持安全、舒適行駛的最大車速。因此可將各路段對應的設計車速作為車輛下坡行駛過程中的目標參考車速。

針對確定的路段，提取其坡度和坡長信息，依據我國工程技術標準對公路的設計要求，可得到該路段的目標參考車速。根據目標參考車速和坡度值由圖3可得到滿足車輛行駛安全要求的所有擋位(當某擋位對應的穩定車速高出設計車速不超過5km/h時，行車制動系統可有效發揮制動作用，可認為此擋位也屬于安全擋位。以長800m的5%的坡道為例，其目標參考車速為60km/h，根據圖3各擋位坡度下的穩定車速曲線可知，1擋、2擋均能充分發揮發動機的制動作用將車速控制在60km/h以內，為了保證車輛在安全行駛的前提下有較高的行駛效率，因此可選擇滿足條件的最高擋位(2擋)作為其約束擋位。按照上述方法可確定各道路工況下的目標參考車速和約束擋位，如表4所示。

表4 各道路工況下目標參考車速和約束擋位

2.3 下坡工況換擋規律

前文所得出的目標參考車速和約束擋位已能保證車輛的安全性和行駛效率，但換擋策略還須反映駕駛員的駕駛意圖。駕駛意圖可簡單地從對加速和制動踏板的操縱進行區分:

(1)若駕駛員松開加速或踩下制動踏板其意圖為控制車速下坡，此時換擋策略應能充分發揮發動機的制動作用；

(2)若駕駛員踩下加速踏板，則其意圖為加速，這時應充分考慮行駛安全(車速不能超過目標參考車速、擋位低于約束擋位)，結合此時的車速，換擋策略應盡量保持擋位，推遲升擋。

在實車控制中，既可以用車速也可以用變速器輸出軸轉速作為換擋決策參數，本文中在制定換擋策略時選用后者作為決策參數。

下坡工況的換擋策略是根據各擋位純發動機制動工況下所能達到的穩定車速制定的。為了抑制車輛在下坡過程中的連續升擋，并在需要制動時可有效降擋，充分發揮發動機的制動特性，設計降擋曲線略低于高擋平衡曲線，升擋曲線位于降擋曲線與高擋平衡曲線之間。在大坡度時為使車輛能夠盡快地識別駕駛員的意圖，充分利用發動機牽阻進行制動，采用收斂型的降擋曲線。因此下坡工況的換擋規律曲線如圖5所示。

圖5 下坡工況換擋曲線

該車在平路上行駛時使用的雙參數動力性換擋曲線如圖6所示。

當車輛在平路上行駛達到60km/h的車速時遇到5%的下坡路段，此時松開加速踏板直至節氣門完全關閉，在節氣門近乎完全關閉時，車輛處于圖6所示A點狀態，擋位為5擋，當節氣門完全關閉后，進入純發動機制動工況，車輛處于圖5所示A點狀態，此時受降擋曲線的控制車輛將很快降為3擋，并使車速穩定在65km/h。若駕駛員認為此工況可以以更高的車速行駛，則可踩下加速踏板進行加速，此時車輛離開平衡位置開始加速，并在接近4擋平衡車速時才可進行升擋，這從一定程度上達到了保持擋位，推遲升擋的效果，在此期間若松開加速踏板車輛依然能夠自主利用發動機進行制動。若駕駛員認為此工況需要以更低的車速進行行駛則可輕踩制動踏板，在制動力的作用下，車輛離開平衡位置開始減速，由于降擋曲線臨近高擋平衡曲線，因此僅需施加不大的制動力就可穿越降擋曲線掛入低擋，此后則無須再施加行車制動力，車輛便可自主利用發動機的制動作用繼續進行減速。

圖6 平路換擋曲線

根據2.2節的分析，車輛在小于3%的坡道上下坡行駛時，安全車速較高并不需要利用發動機進行牽阻制動，因此出于對車輛行駛效率的考慮，在小于3%的坡段選用平路動力性換擋曲線，其余下坡路段選用更利于發揮發動機牽阻作用的下坡工況換擋曲線。

3 下坡工況仿真分析

為驗證制定的換擋策略能否達到期望的效果，選擇3種工況進行對比實驗，分別為長緩坡(3%，1 000m)、中長坡(6%，600m)和急陡坡(9%，300m)。同時為了驗證制定的換擋策略能否反映駕駛員的駕駛意圖，使仿真結果更逼近真實情況，試驗設計在模擬駕駛儀上進行，實時采集駕駛員對加速踏板及制動踏板的操作信號。

實驗過程首先利用制定的下坡換擋策略在Matlab/Simulink環境中進行駕駛員在環仿真實驗，仿真過程實時顯示目標參考車速提示駕駛員，駕駛員根據顯示信息及道路情況控制加速和制動踏板。再以同樣的工況，采用與上述仿真完全相同的油門及制動控制信號，利用平路換擋策略在Matlab/Simulink中進行對比實驗。仿真結果如圖7～圖9所示。

(1)長緩坡(3%，1 000m)實驗，車輛先在平路行駛一段距離后，以低于設計車速的速度進入下坡路段，此坡道的設計車速為100km/h，推薦擋位為5擋。

圖7 長緩坡工況仿真結果

圖8 中長坡工況仿真結果

分析:一般換擋策略和坡道換擋控制策略在此情況下具有同樣的仿真效果，原因是在下坡坡度較緩的路段，此時坡道對車速影響并不大，不會造成車輛的失控，因此在制定坡道換擋控制策略時出于對行駛效率的考慮緩坡仍選用平路的換擋規律進行換擋，且不對擋位進行限制。

圖9 急陡坡工況仿真結果

(2)中長坡(6%，600m)試驗，車輛先在平路行駛一段距離后，以略高于設計車速的速度進入下坡路段，此坡道的設計車速為60km/h，推薦擋位為2擋。

分析:采用坡道換擋策略時，當對車輛采取制動即駕駛員有減速需求時，換擋策略能實現主動降擋來滿足駕駛員的需求，降到推薦擋位后，即便駕駛員不再進行行車制動，車輛也能充分利用發動機的牽阻作用進行制動，并逐漸趨近于該擋的穩定車速(45km/h)。

采用一般換擋策略時，在同樣的路段采取同樣的控制輸入后，首先在行車制動時，同樣的制動意圖卻不能使車輛發生主動降擋來滿足駕駛員的減速需求；其次在施加行車制動的過程中車速的降低明顯小于采用坡道換擋策略時車速的降低；最后在撤掉行車制動后，車輛選擇的擋位(5擋)并不能有效發揮發動機的牽阻作用，而且還會使車速進一步升高，并向更危險的方向遠離道路的設計車速。若要實現對車速的有效控制必須施加更大強度的制動，給行車制動系統帶來更大的負擔。

(3)急陡坡(9%，300m)實驗，車輛先在平路行駛一段距離后，以略高于設計車速的速度進入下坡路段，此坡道的設計車速為20km/h，推薦擋位為1擋。

分析:采用坡道換擋策略時，車輛能夠在下坡過程中保持在1擋，最大程度地利用發動機進行制動，僅需施加較小的行車制動就可使車輛穩定在推薦車速附近。

采用一般換擋策略時，在同樣的路段采取同樣的控制輸入后，車速和擋位均不斷升高，原有的換擋策略并不能滿足駕駛員的減速意圖實現主動降擋，反而在不斷地升擋。擋位的增加不僅弱化了發動機的牽阻作用，同時還會使行駛工況進一步惡化。若要實現對車速的有效控制必須施加更大強度的制動，給行車制動系統帶來更大的負擔，更易引起制動器的熱失效。

從上述各仿真結果可以看出，一般換擋策略在大部分下坡工況特別是危險工況下存在巨大的安全隱患，會使車輛產生意外升擋，使車速不斷提高，隨著坡道的增長車輛的實際行駛車速將遠高于安全車速。而本文中針對下坡路段提出的坡道換擋控制策略可有效地根據坡道的坡度、坡長、車速和駕駛員的意圖合理地調整擋位，使車輛在危險系數小的長緩坡行駛時更注重行駛效率，選擇中高擋，而在危險系數較大的急陡坡行駛時更注重行駛的安全性，充分發揮發動機的制動作用，選擇中低擋。

4 結論

本文中從發動機的制動特性出發，根據車輛行駛方程，對下坡工況帶擋滑行時車輛動力學進行了分析。在此基礎上結合我國公路設計標準，確定了目標參考車速和約束擋位，制定了下坡工況的換擋控制策略，并運用Matlab/Simulink和模擬駕駛儀進行仿真實驗，仿真結果表明，本文中制定的換擋策略能有效解決下坡時意外升擋的問題，可有效地根據坡道的坡度、坡長、車速和駕駛員的意圖合理地調整擋位，使車輛在危險系數小的長緩坡行駛時更注重行駛效率，而在危險系數較大的急陡坡行駛時更注重行駛的安全性，充分發揮發動機的制動作用。

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