一種車輛經濟性駕駛模式的研究

楊小波

摘要：駕駛行為對車輛燃油經濟性有著極大的影響，本文分析了導致車輛燃油消耗惡化的幾種典型駕駛行為，針對這些駕駛行為設計了相應的電控優化方案，采用Matlab-Simulink搭建控制算法后，再通過AVL-Cruise與Matlab-Simulink聯合仿真對電控方案進行驗證及優化，最后通過實車道路試驗優化并驗證了本經濟性駕駛模式。

關鍵詞：駕駛行為分析;經濟性駕駛;Cruise;聯合仿真;路試

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0036-05

1 引言

受節能環保及市場競爭等多方面壓力的影響，提升汽車產品核心競爭力勢在必行。燃油經濟性是汽車核心競爭力的重要因素，因此，提升車輛燃油經濟性成為當前汽車設計制造技術的重中之重。

本文從優化駕駛行為的方向研究燃油經濟性提升技術，駕駛行為對車輛燃油經濟性有著極大的影響，道路油耗對比測試顯示，同一臺車同樣工況下，不同駕駛員間的油耗差異可達到20%以上。這個差異在優秀駕駛員和新手之間更為明顯，優化駕駛員駕駛行為可以有效的提高車輛燃油經濟性。導致車輛燃油經濟性惡化的駕駛行為有很多，如不合理的擋位選擇、大油門急加速以及未能合理控制車速導致的制動行為等。本文針對其中急加速行為進行分析，設計并驗證了一種針對性的經濟性改善方案。

2系統開發流程

如圖1流程圖所示，本文針對一種導致車輛燃油消耗惡化的駕駛行為進行分析。為避免急加速行為，設計了一種基于外特性限制的電控優化策略，再通過AVL-Cruise與Matlab-Simulink聯合仿真對電控方案進行驗證及優化。最后通過實車道路調試固化控制參數，綜合工況下對比測試驗證經濟性提升效果。

3電控優化方案

電控優化方案以高速綜合為目標工況。通過對一段含60%平原高速、40%丘陵高速，合計100公里左右的實車道路試驗數據進行分析，如圖2所示，除去起步及爬坡，90%以上的行程采用最高擋及次高擋。

加速度限制可以通過發動機轉速或是扭矩限制實現，不同擋位下車輛的加速性能各有差異。考慮到目標工況下車輛主要工作在高擋區，按擋位或是車速設定相應的加速度限制會讓整個系統復雜化，本文設計電控優化方案時并不嚴格控制車輛在所有擋位保持同樣的最高加速性能。

基于發動機的轉速及扭矩響應特性，有兩種限制車輛急加速行為的電控優化方案，分別為根據整車工況對發動機轉速，或是發動機扭矩進行限制。通過發動機轉速限制可以實現對車輛加速度較為精準的控制，但這種方式需要以固定的變化率對轉速限值進行動態調整。相比之下，以固定扭矩限值進行扭矩限制的控制方式更為簡單，本文的電控優化方案采用這種方式如圖3示例。

考慮到動力差異化需求，以上電控優化方案通過E/P開關觸發，電控優化方案僅在E模式工作。同時，為了保證E模式下車輛基本的爬坡性能，電控優化方案設定有相應的退出機制，這里設定油門開度大于設定值時退出。

4仿真分析

仿真是此系統開發的一個關鍵環節，本文通過CRUISE與MATLAB聯合仿真分析電控優化方案對整車燃油經濟性的改善效果，利用CRUISE軟件提供的MATLAB/SIMULINKTM模塊接口實現在CRUISE中集成基于MATLAB/SIMULINK的控制策略，從而實現CRUISE調用SIMULINK控制策略的仿真計算。通過仿真我們可以驗證方案的可行性，并對電控優化方案的控制邊界進行篩選。

4.1仿真建模

CRUISE模塊化的建模理念使得用戶可以便捷的搭建不同布置結構的車輛模型，已廣泛用于車輛的動力性，燃油經濟性仿真。建模細節本文不做累述，仿真模型如圖4。

需要注意的是，本文采用的是CRUISE與MATLAB DLL的聯合仿真方式，較非聯合仿真時略有區別，具體如下所示。

1）在Cruise模型中加入用于Cruise與matlab數據交換的DLL模塊并將DLL模塊鏈接地址指向生成的編譯文件。

2）將Matlab DLL模塊的Load Signal信號鏈接地址指向Cockpit，將Engine模塊的Load Signal信號鏈接地址指向Matlab DLL模塊，如圖5所示。

經過上述模型建立及數據連接，Cruise與matlab/simulink聯合仿真的模型已創建完成，通過聯合仿真及反復調試控制策略及仿真模型即可得到目標設定結果。

4.2仿真分析

仿真可以驗證電控方案是否能有效提升經濟性，同時對電控優化方案控制邊界進行初步篩選。針對上文設定的電控優化原理，我們按梯度選取幾組外特性限值進行仿真。電控優化方案考慮了動力恢復機制，但外特性限制過低仍會造成較為明顯的動力偏弱，所以控制邊界僅在一個較小的限制范圍內進行篩選，本文分別選取三組限值進行仿真分析。仿真結果見表1。

仿真結果顯示，在設定的限值范圍內，通過限制扭矩避免急加速行為，加速度越低經濟性提升效果越好（見圖7）。另外，限制車輛加速性能后也造成了平均車速的降低（見圖8），不過以高速綜合工況70公里左右平均車速而言，折算下來最大1.6公里左右的車速降低屬于能接受的范圍。

另外，數據顯示，在爬坡等動力需求較大的工況下，油門開度大于設定值時退出限扭模式，即設定的動力恢復機制可以正常觸發。保證車輛E模式時滿足高速綜合工況下基本動力需求。

5控制系統開發

控制策略利用Matlab/Simulink搭建，明確電控方案后，控制策略建模過程較為簡單，本文不做展開。對發動機的響應特性進行優化有兩種方式，一種是在EECU中對發動機外特性進行標定，另外一種是方式是利用發動機可響應其他控制系統的扭矩限制請求，通過總線發送扭矩限來實現優化發動機的響應特性。相對來說，第二種方式靈活度更高，通過第二種方式，我們可以更方便的對整車工況進行判斷，并由此設定更為合理的動力恢復機制。

控制系統硬件采用dSPACE公司的快速原型。其包括處理器板卡和豐富的外圍I/O資源，擁有高效的運算、數據采集及處理能力。實驗時，模型下載到板卡實時運行。上位機與板卡通過網線進行通訊，完成模型下載、試驗管理、參數修改等操作。控制系統從點煙器處取電，通過CAN總線與整車進行通訊，所以控制系統的搭建較為簡單，且對整車的線束等均不造成影響。

6 系統調試及優化

完成控制系統的開發及搭建后，我們通過實車道路試驗對各項功能進行驗證，并對邊界值進行調整及優化。

6.1功能調試

系統調試的第一步是通過實車道路試驗驗證各項功能是否在設定的工況下正常觸發，主要包括起步判斷、扭矩限制進入及退出機制、動力恢復等。

如圖10所示，在超車及爬坡工況下，油門開度大于設定值時，系統退出扭矩限制模式，發動機最大扭矩恢復為限制前（見圖中紅線）。保證了車輛基本的動力性需求。

6.2邊界值優化

前面我們通過仿真對設定控制邊界下的經濟性性動力性進行了測試，仿真可以驗證方案可行性并初步篩選邊界值的范圍，但車輛實際的動力性經濟性還是需要通過道路試驗來確認。這里通過加速油耗試驗來進一步驗證并確定扭矩限值。采用前文設定的幾組控制邊界進行道路測試。

道路試驗時，我們先關閉系統的動力恢復機制，針對高速工況最常使用的兩個擋位進行全油門加速油耗試驗，分別設定原車的各項性能參數為100%，數據顯示三個限制邊界下次高擋加速油耗分別優化4.8%、7.2%、8.4%（見圖11），最高擋加速油耗分別優化5.8%、8.1%、8.8%（見圖12）。從數據結果來看，限值2與限值3邊界下經濟性提升效果非常接近，但限值2邊界下車輛的加速性能更好，所以接下來針對限值2做進一步綜合工況下的調試驗證。

需要說明的是，滿油門加速性能是考核車輛動力性的一項指標，我們選取的基礎車動力性略高于同噸位其他車型，再加上動力恢復機制的優化。盡管進行了扭矩限制，加載此系統后車輛的動力性滿足各種工況下基本動力性需求。

7道路油耗試驗

最后我們通過綜合工況道路油耗試驗來驗證系統的實際節油效果。為了保證試驗數據的準確性，我們選取四個不同駕駛員分別進行四組E、P模式綜合工況道路油耗試驗。同時，為了避免早、晚氣候及道路工況差異造成的影響，每完成一組測試后調整兩種模式的試驗順序。

試驗數據見表2，從試驗結果來看，在海拔逐漸上升工況下系統的經濟性提升效果要優于返程時的海拔逐漸下降工況，其原因在于去程較返程更多的觸發了扭矩優化功能。往返綜合工況下經濟性平均提升了2.95%。

8結論

分析導致燃油經濟性惡化的駕駛行為，采用扭矩限制的方式避免急加速并設定相應的動力恢復機制。通過CRUISE與MATLAB聯合仿真驗證方案的可行性，并初步篩選控制邊界的大概范圍，最后通過實車調試進行優化驗證。