經濟性駕駛模式控制策略與應用技術研究

李衛兵，吳瓊，陳東峰，鄔旭宏，楊天軍，張偉

(1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601； 2.汽車智能網聯技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；3.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400)

法規對整車油耗要求越來越高，GB 27999—2014《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》[1]從整體上要求乘用車百公里燃料消耗量在2015年為7 L，2020年為5 L，從而推動整車企業和研究機構開展節能減排的技術研究與量產化應用，實現乘用車油耗整體達標。另一方面，不同客戶對整車動力性與經濟性要求不同，在整車動力總成匹配標定開發過程中，為了兼顧對動力性和經濟性要求，只能使用折中方案，這會導致失去部分個性化需求客戶。為此，在正常駕駛模式以外研究開發一種經濟性駕駛模式(Economic Driving Mode,EDM)，通過犧牲整車部分動力性來提高整車燃油經濟性，達到節油的目的，滿足部分對動力性要求不高、優先考慮燃油經濟性的客戶。

研究發現，發動機瞬態的動力輸出速率對該過程中燃油消耗有較大的影響，但是由于整車慣性，短暫的發動機動力輸出對整車的加速性能和客戶體驗沒有明顯的改善，只有穩態持續的動力輸出才能取得良好的整車加速性能和客戶體驗。因此通過制定相應的控制策略來控制發動機的瞬態動力輸出速率，從而達到節油的效果[2-4]。

另外，研究發現自動變速箱合適的換擋時機可以顯著提高燃油經濟性，過早或過遲換擋都會導致整車燃油經濟性變差。通過匹配、標定和試驗確定動力性與經濟性平衡的換擋線，實現該模式下油耗最優，同時動力性滿足客戶日常使用需求[3-5]。

所以，研究經濟性駕駛模式的節油策略以及滿足整車量產應用的各項指標要求，可在沒有硬件投入的情況下通過軟件和標定的手段來獲取理想的節油效果，值得深入研究并在整個行業內推廣使用。

1 經濟性駕駛模式節油原理

經濟性駕駛模式是在普通駕駛模式的基礎上通過發動機控制模塊(Engine control module，ECU)和變速箱控制模塊(Transmission Control Module，TCU)實現不同動力輸出，通過犧牲小油門工況部分動力性來提高整車經濟性。如圖1所示，當駕駛員踩50%的油門踏板開度請求加速時，EDM模式下期望發動機輸出的扭矩變小，期望扭矩的上升速率變慢，當駕駛員松開油門后期望扭矩下降也變慢，從而達到控制發動機動力輸出的目的。

圖1 EDM模式扭矩輸出控制對比

根據汽車理論中汽車驅動力平衡方程(式(1))和汽車驅動功率平衡方程(式(2))可知，車輛在加速過程中加速度(du/dt)變小，可以減小加速阻力，從而減小車輛驅動力(Ft)需求，減少發動機功率(Pe)輸出，最終達到節油的目的[6]。

(2)

TCU通過選擇合適的換擋時機，使發動機工作在轉速和油耗更優化區域，使發動機輸出相同的扭矩時負荷更大，節氣門開度增大，進而發動機進氣阻力減小，從而得到更優的發動機燃油消耗。

通過ECU與TCU相互協調配合，可以充分發揮經濟性駕駛模式下的節油潛力，降低整車油耗。

2 經濟性駕駛模式控制策略

為了達到整車量產化應用要求，設計經濟性駕駛模式(見圖2)。ECU首選對請求開關狀態(布置在MP5上的軟開關)進行邏輯判斷，看駕駛員是否有EDM功能請求，然后再判斷ECU側是否滿足條件；如果ECU側滿足EDM功能進入條件，再判斷TCU側是否滿足進入EDM功能；如果以上條件(駕駛員有請求、ECU條件滿足、TCU條件滿足)都滿足,執行EDM控制策略并點亮儀表上指示燈，如果不滿足當前循環結束。

圖2 EDM控制流程框圖

2.1 ECU控制邏輯

1) 進入判斷條件

滿足以下條件ECU可以進入EDM模式：ECU未工作在跛行模式下；無重要零部件故障；發動機已經熱機完成；CAN通信正常；其他模塊未發送EDM模式禁止命令；未工作在巡航模式下。

2) 駕駛員期望扭矩的修正

在EDM模式下，設計修正表格(見表1)修正駕駛員期望扭矩，將如圖1中的(5)修正至(2)。在小油門時修正幅度較大，以期望取得較好的節油效果；大油門時不進行修正，滿足客戶實際使用過程中對加速超車性能的需求。修正系數需要根據實車表現進行標定確認，以確保動力性、經濟性與客戶的主觀感受達到平衡。

表1 駕駛員期望扭矩修正系數

3) 扭矩上升(TIP IN)過程控制邏輯

在EDM模式下，使用獨立標定的方式對進入/退出扭矩上升過程進行控制，將圖1中的(4)修正至(1)。對各擋位下TIP IN過程進入/退出EDM模式的閾值和濾波系數進行了標定(見表2至表4)，通過這些參數控制各擋位動力輸出速率。通過反復標定這些參數控制發動機扭矩輸出增加更加平緩，并確保這個過程中車輛加速無沖擊。

表2 各擋位TIP IN進入EDM模式閾值

表3 各擋位TIP IN退出EDM模式閾值

表4 各擋位TIP IN過程中EDM模式濾波系數修正系數

4) 扭矩下降過程(Dashpot)控制邏輯

與TIP IN的控制過程類似，通過設置閾值控制進入/退出控制模式，進入控制模式后通過修正系數控制扭矩下降的過程。在實車上反復進行標定，使Dashpot過程發動機扭矩下降過程中轉速和車速平穩。

5) 動力加濃觸發邏輯

在EDM模式下，設計獨立的觸發條件控制發動機進入動力加濃噴油模式，從而在駕駛過程中降低油耗。如表5所示，以節氣門開度作為判斷條件，部分轉速下標定為節氣門開度大于100%，但實際應用過程中不會達到該條件。在進入動力加濃噴油模式后，也設定獨立的空燃比(見表6)，只有全油門4 000 r/min以上時采用加濃。通過以上兩個策略控制EDM模式不進行動力加濃，從而達到節油的目的。

表5 EDM模式下不同發動機轉速的加濃條件

表6 EDM模式下加濃空燃比標定

6) 單獨減速斷油恢復策略

為了獲得最大的節油效果，在EDM模式下，制定單獨的減速斷油恢復控制策略，延長減速斷油時間。發動機轉速較低時恢復供油會增加因負荷變化帶來的熄火風險或者整車沖擊，另外發動機水溫會影響混合氣燃燒，車輛負載會影響恢復供油時的整車沖擊。所以，EDM模式下減速斷油的策略需根據變速箱擋位和水溫設定恢復供油轉速(見表7)。熱機轉速越低，發動機處在斷油過程時間越長，節油效果越明顯。表7中的數據都需要根據車型部分作相應的平衡和取舍。

表7 EDM模式下減速斷油轉速標定 r/min

2.2 TCU控制邏輯

TCU控制是通過設置不同的換擋線，通過試驗與標定確定最佳的燃油消耗和整車動力需求，實現節油的同時不影響正常的駕駛體驗。

1) TCU進入EDM模式的條件判斷

當以下條件均滿足并持續一段時間，TCU發出允許進入EDM模式命令：變速箱不處于換擋狀態；變速箱無故障；換擋桿處于D擋；其他換擋模式未觸發，駕駛員有EDM請求。

2) EDM模式換擋線

當TCU進入EDM模式后執行單獨的換擋線(見表8)。實際使用按照油門開度與車速確定升擋時序，車速越低升擋越及時，發動機轉速越低，節油效果越好。

表8 EDM模式換擋線 km/h

與普通模式換擋線相比，EDM模式換擋線低擋位和小油門時車速減小3 km/h，高擋位和大油門的車速減小10 km/h以上，駕駛過程中能明顯感覺到換擋提前。從換擋時發動機轉速看，EDM升擋前轉速在1 500 r/min左右，換擋后轉速在1 200 r/min左右；普通模式換擋線升擋前轉速在1 800 r/min以上，換擋后轉速在1 400 r/min左右。

3) 離合器接合策略

在EDM模式下，離合器在D擋怠速停車時，更低的離合器預接合力可以減少離合器的摩擦阻力，進而減小發動機在D擋怠速工況下的燃油消耗，從而達到節油的效果。

對于ECU與TCU在EDM模式下各項節油控制策略，通過在整車上經過整車轉轂標定、三高標定(高溫、高寒和高原)、排放循環標定等環節，確認各項控制參數的合理性、整車駕駛舒適性、主觀感受和節油效果等性能，平衡后確定最終參數。

3 整車節油效果

按照GB/T 19233—2008和GB 18352.5—2013法規要求開展整車油耗對比試驗[7-8]，試驗車輛參數見表9。

表9 試驗車輛主要參數

制造誤差和車輛磨合里程數會影響整車油耗值，為了減少試驗誤差，增加試驗結果的可信性，本研究使用4輛試驗車，每輛車開EDM功能和關EDM功能各開展3次試驗，然后取平均值。多臺車輛按照法規進行油耗對比測試，試驗結果統計見表10。由表10可知，每臺車的平均節油效果平均值達到3.5%以上，4臺車的平均節油效果達到4.45%，節油效果明顯。

表10 節油效果對比

除按照法規工況進行節油效果對比試驗外，還開展模擬客戶駕駛習慣固定油門加速過程油耗對比試驗，試驗結果表明，中小油門EDM模式下節油效果明顯。

4 相關性標定與驗證

EDM模式下對ECU和TCU的控制參數重新進行標定，會對整車排放性能、動力性能、車載故障診斷(On Board Diagnosis，OBD)性能、駕駛性能產生影響。在整車燃油經濟性提高的同時還需要性能達標，使其各項性能滿足法規與使用要求。

4.1 整車排放性能

常溫排放與油耗試驗采用相同的試驗程序進行，排放試驗過程通過碳平衡法間接計算出NEDC循環中的油耗。進行油耗標定過程中，排放是需要考慮的第一因素，如果排放不能滿足要求，降低油耗無任何意義。

排放標定內容：發動機水溫20～30 ℃冷機起動時，燃油、進氣和點火角配合，使冷機起動過程中原始污染物排放最低且發動機轉速上升與下降平穩；發動機暖機過程中標定開環空燃比，降低催化器起燃前污染物排放量；催化器起燃后標定空燃比修正系數，使混合氣空燃比保持在理論空燃比附近，使95%以上的污染物完成轉換。在標定開發過程中首先完成排放標定，再進行EDM標定，通過標定EDM的條件溫度使EDM影響最小。為了取得最佳的節油效果，這個溫度需要反復試驗后確定，該車型EDM條件溫度最后設定為45 ℃[9-11]。

通過多車多輪次的反復標定，最終該車型的常溫排放結果達到法規一次性通過要求。1號和2號標定車輛分別開展2×2次排放驗證試驗，驗證試驗結果見表11。由結果可知，標定數據優化平衡后，排放結果穩定，不同車輛一致性和穩定性好，滿足工程開發要求。

表11 排放驗證結果 g/km

4.2 整車動力性能

EDM模式主要是通過犧牲中小油門下的動力性來降低整車油耗，但是動力性犧牲太多就會對客戶駕駛體驗產生較大的影響。所以標定開發過程中TCU換擋線和ECU的TIP IN修正系數不會有較大的差異，達到油耗目標即可。

模擬客戶駕駛習慣，以不同的油門開度起步加速至100 km/h，記錄過程數據，對加速時間、行駛距離和加速過程油耗進行對比，結果見表12。

由試驗結果可知，70%以上油門開度時EDM對整車動力性沒有影響，從而不影響EDM模式下的加速與超車要求，但中小油門開度時EDM對加速性能有明顯的影響。EDM模式下30%油門開度時加速至100 km/h的時間延長27%，距離增大29%，但是油耗降低14%；50%油門開度時加速至100 km/h的時間延長39%，距離增大45%，但是油耗降低18%。

表12 整車動力性能試驗結果

4.3 OBD性能

OBD指標是GB 18352.5—2013法規強制要求，采用EDM模式后也需要開展OBD診斷演示試驗，確認各項性能滿足法規要求[12-13]。

在試驗之前需要進行精細標定，EDM模式下標定主要考慮NEDC工況下診斷條件能夠兼容EDM與非EDM模式，并進行現場調整，最后的演示結果見表13至表15。

用氧信號模擬器模擬氧傳感器失效進行NEDC循環試驗，排放結果都滿足法規要求，并且能夠在診斷循環中報出故障碼點亮故障燈，排放試驗中分子計數器完成增加。

表13 氧傳感器診斷試驗結果

利用失火發生器導入3%的失火率，進行NEDC循環試驗，排放結果均滿足法規要求，均能夠在診斷循環中報出故障碼點亮故障燈(見表14)。

表14 3%失火診斷試驗結果

使用極限催化器進行NEDC循環試驗，排放結果都小于法規限值120%(見表15)，均能夠在NEDC循環報出故障碼點亮故障燈。

表15 催化器診斷試驗結果

在NEDC驗證試驗過程中記錄各參數的變動情況，結果表明分母和分子計數器增加正常，IUPR符合法規要求。

4.4 駕駛性能

使用AVL-Drive整車駕駛性客觀評價系統進行駕駛性專業的評價分析。由于EDM模式只對部分油門加速過程的駕駛性有影響，所以只對該工況進行對比分析，其他工況不作對比分析，結果見表16。

EDM模式下對發動機扭矩輸出曲線進行修正，導致加速過程中發動機扭矩上升變慢，所以扭矩響應評分略低，但是扭矩的建立更平順，期望加速度和實際加速度相關性更好，期望扭矩和實際扭矩相關性更好，扭矩上升更平順，油門與扭矩的線性相關度更好；加速度跳變更柔和，沖擊更小一些，所以總體評分要略高。EDM模式和非EDM模式最終加速工況客觀評分均高于7分，達到了量產要求。

表16 駕駛性客觀評價結果

5 結束語

闡述了經濟性駕駛模式的基本節油理論和節油原理，從量產工程應用角度出發詳細分析控制邏輯和標定開發過程，以及如何消除對達標、客戶體驗和整車性能的影響。最終該車型實現節油效果4%以上。通過設置專門的控制邏輯使其與EDM功能相關的排放與OBD法規要求、動力性能和駕駛性都滿足企業的量產要求。

EDM模式幾乎沒有硬件投入，但是卻帶來較明顯的節油效果，而且不會對客戶駕駛體驗帶來較大的影響，是一種經濟的整車節油方法。

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