一種實現換檔提醒功能的控制策略

王業慶 黃柳升 任強

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

2021年中國汽車保有量達3.02 億輛，其中傳統燃油車占比達97.4%。年消耗燃料4500 萬噸以上，CO 排放量超8000 萬噸，氮氧化合物排放量超900 萬噸，國家要求在2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和，對傳統傳統燃油車的油耗，排放要求越來越高，迫使各主機廠對各種節油措施進行研究。該換檔提醒功能讓駕駛員容易接受，對降低油耗效果明顯。

該控制策略無需在換檔手柄上增加檔位傳感器，檔位信息根據傳動系統速比通過計算得到。根據駕駛員駕駛動作和當前車輛信息，結合發動機特性，進行換檔提示，從而讓車輛工作在經濟區間，降低油耗，培養駕駛員的駕駛習慣。該功能只起到輔助提示功能，并不會干擾發動機及車輛的運行狀態。

2 換檔提醒功能系統原理圖

換檔提醒功能的實現，需要在儀表上顯示當前檔位、升檔提醒標志、降檔提醒標志，發動機控制模塊（ECM）根據當前發動機轉速、車輛速度、駕駛員是否踩油門踏板，是否掛空檔，是否踩離合踏板等輸入，通過計算來確定當前工況最佳的檔位，并將目標檔位通過CAN 網絡輸出給儀表，控制儀表顯示當前檔位，顯示升檔提醒加當前檔位，或者顯示降檔提醒加當前檔位。具體原理見換檔提醒功能系統原理圖（如圖1）。

圖1 換檔提醒功能系統原理圖

當前檔位通過當前車速和發動機轉速結合傳動鏈速比計算得到。升檔提醒根據當前檔位，油門開度、車輛速度、發動機和轉速，整車參數，變速箱速比和主減速比（如表1），發動機油耗萬有特性（如圖2），結合當前坡度、海拔等因素，確定當前工況最經濟的檔位，并點亮升檔提醒標志。降檔提醒根據當前檔位，油門開度、車輛速度、發動機和轉速，發動機油耗萬有特性，發動機油耗萬有特性，整車參數，結合當前坡度、海拔等因素，確定當前工況最經濟的檔位，并點亮降檔提醒標志。降檔提醒主要考慮高檔位，低車輛速度導致車輛熄火進而影響駕駛安全情況。

圖2 發動機油耗萬有特性

表1 某車型各檔位速比和主減速比

3 換檔提醒功能控制策略

3.1 換檔提醒功能邏輯

換檔提醒功能實現的核心是換檔提醒功能系統控制邏輯（如圖3）。該邏輯主要涉及4 個模塊：當前實際檔位計算，目標檔位計算，坡道修正計算，海拔修正計算，該控制邏輯直接決定了軟件架構。

圖3 換檔提醒功能系統邏輯

3.2 實際檔位功能的控制邏輯

實際檔位計算根據發動機轉速和車輛速度的比值與各檔位下的實際速比進行比對得到。檔位信號可以用車速和發動機轉速的比值來表征，該值反映了不同檔位下的車輛變速系統速比、驅動系統以及輪胎直徑等的關系。在檔位一定時，不同的車速下該比值會在一個很小的區域內波動。

離合器斷開時，傳動鏈斷開，空檔位置開關發出模擬信號，軟件控制邏輯判斷此時為空檔，不再進行檔位計算和檔位信息發出。軟件采用濾波等控制手段，通過精細標定可以防止在顛簸路面、壞路等工況出現檔位跳變。

3.3 目標檔位的控制邏輯

目標檔位的控制邏輯是功能實現的核心，用于計算目標檔位和換檔狀態：未踩下離合踏板時，目標檔位等于當前實際檔位；踩下離合踏板，并且踩剎車時的減速度大于一個閥值時，說明是在一個深踩離合大力剎車的過程，此時傳動鏈完全脫開，實際檔位應該為空檔，目標檔位接受比之前實際檔位小的檔位信號；當松開離合空檔位置傳感器狀態為“true”，說明目前處于空檔，此時將屏蔽換檔指示功能。

根據車輛特性并接合發動機萬有特性可知，為了“節油”各檔位均需要及時升檔、降檔，通過理論計算得到各檔位的初步的升檔線和降檔線，實際升降檔線的確定具有很大的靈活性，需要ECM 標定工程師在實際駕駛過程中結合車況、實際工況進行駕駛性調整，且換檔提示功能為輔助性功能，經濟性換檔最終決定于駕駛員。基本原則是：各油門下的換檔車速建議比正常駕駛的換檔車速略低，即為了經濟性需要稍提前升檔，但不至過分影響動力性。各個檔位下，帶檔滑行至開始抖動，以抖動時刻的車速為基準，加上一定的安全冗余車速，作為降擋車速。因此，各檔位換檔線設置的合理性需要根據轉轂試驗和實際道路試驗進行標定檢查后確定各個檔位的升檔線和降檔線（如表2）。

表2 某車型各檔位的升檔線和降檔線

為了保證車輛正常行使過程中不存在頻繁指示和指示過程中異常消除的可能性，引入升檔遲滯車速、降檔遲滯車速、目標檔位濾波來進行控制。

當車輛速度達到或者大于升檔目標車速時，升檔提示標志位置“ture”，升檔提醒指示燈亮；當實際車輛速度在升檔線附件波動時，升檔提醒指示燈繼續點亮；當實際車速小于升檔車速-遲滯車速時，升檔指示燈熄滅。詳見升檔提示車速遲滯控制示意圖（如圖4）。

圖4 升檔提示車速遲滯控制示意圖

當車輛速度降到或者小于降檔目標車速時，降檔提示標志位置“ture”，降檔提醒指示燈亮；當實際車輛速度在降檔線附件波動時，降檔提醒指示燈繼續點亮；當實際車速大于升檔車速＋遲滯車速時，升檔指示燈熄滅。詳見降檔提示車速遲滯示控制示意圖（如圖5）。

圖5 降檔提示車速遲滯控制示意圖

目標檔位濾波用于換檔狀態判別的目標檔位合理性、有效性。在駕駛員急踩下油門加速，或者已經松開油門及踩下離合器等情況下，目標檔位不進行更新操作，仍保持上一有效的檔位值，防止由于駕駛工況的突變引發的頻繁指示或者非正常指示。以下條件滿足時才進行目標檔位更新：目標檔位變化且保持時間大于某個固定時間；目標檔位更新時間大于某個固定時間；不處于換檔過程或猛踩油門工況且換檔指示使能；換檔過程恢復的下降沿且換檔指示使能；時間需要標定檢查后確定。

3.4 換檔狀態控制邏輯

升檔指示部分的置位與退出條件：僅會在踩油門、松開離合、在檔且不是倒檔的情況下才會置位。此外在加速度過低的情況下不會提示升檔，原因為一旦升檔會導致動力性變弱，會使加速度更低。以下條件只要滿足一個，升檔指示就會退出：升檔操作結束，踩下了離合超過一定時間，目標檔位低于當前檔位，目標檔位不再高于當前檔位。

降檔指示部分的置位與退出條件：只有當不踩離合、不在換檔過程中、加速度小于一定的閥值、在檔且不是空檔的情況下才可能會進行降擋提示。當以下條件有一個滿足時，可以退出降擋提示：降擋操作已經完成，踩下離合超過一定的時間，目標檔位高于當前檔位，目標檔位不再低于當前檔位。

3.5 坡道修正計算及控制策略

汽車行駛的動力學方程如下：

式中：F為車輛驅動力，F為車輛行駛的滾動阻力，F為坡道阻力，F為車輛行駛的風阻，F車輛加速阻力。

式中：T為離合器端扭矩，為驅動輪半徑，ig 為當前檔位的速比，為主減速比，η為當前檔位下的傳動效率，為車輛的重力，為滾動阻力系數，為坡度，C為風阻系數，為汽車迎風投影面積，為車速，為旋轉質量轉換系數，為車輛質量。據汽車行駛的動力學方程得到車輛行駛的坡道阻力計算方程如下：

根據以上表達式可計算出車輛的坡道阻力，并對其進行濾波處理，得到濾波后的坡道阻力用于后續檔位線修正。

坡道修正主要通過計算坡道阻力的檔位線修正系數。在坡道阻力增加或者減少時，分別選擇不同的濾波系數，濾波后得到坡道阻力再根據不同檔位下坡道阻力特性進行差值與限幅計算，得到各個檔位下的坡道檔位線修正系數。

坡道修正判斷的的條件有：車速與允許換檔提醒的最小閥值比較，當前檔位狀態，制動踏板是否踩下，離合踏板是否踩下，以上狀態持續時間，是否存在故障等。

3.6 海拔修正計算及控制策略

當車輛在高原行駛時，由于氣壓偏低進氣量較少，動力性下降，引入海拔修正可以根據當前加速踏板開度大小及海拔修正系數，適當增加各檔位的升檔、降檔檔位線車速閥值，以保證車輛在高原行駛的動力性要求。

通過海拔查詢對應MAP 得到檔位線海拔修正系數，通過踏板開度查詢對應MAP 得到基本海拔修正車速。檔位線海拔修正系數與對應加速踏板開度MAP 下的基本海拔修正車速相乘獲得各個檔位下最終的檔位線修正量。

選擇不同的海拔點對應不同修正量，海拔越高該值越大，實際標定檢查過程中可以先預設，再根據實際動力性表現進行調整。

4 換檔提醒功能實施的效果

4.1 在WLTC 循環中的節油效果

通過計算發現，需要對WLTC 中換檔時機進行優化，并將優化前、后的換檔點進行驗證（如表3），對比驗證要求車輛為同一臺車，試驗操作人員相同，試驗標定轉轂相同，然后優化控制軟件中的換檔線。

表3 WLTC循環中換檔提醒功能優化前后對比

4.2 道路試驗有較好的動力和節油表現

經過夏季、高原等道路試驗，駕駛員能夠很快熟悉該換檔提醒功能，能讓新手司機快速養成良好的駕駛習慣，按換檔提醒進行操作，動力表現得到提升，節油效果顯著。

5 結語

該換檔提醒功能通過在轉轂和道路上的標定檢查及驗證，可以讓新手司機快速養成良好的駕駛習慣，司機按換檔提醒進行及時升、降檔操作，油耗可降2%。