基于加速度的混合动力城市客车加速踏板解析算法

郭 俊，王俊华，汪 伟，王文明

（1.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 510640；2.中国南车集团 株洲电力机车研究所，湖南 株洲 412001）

基于加速度的混合动力城市客车加速踏板解析算法

郭 俊1，王俊华1，汪 伟2，王文明2

（1.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 510640；2.中国南车集团 株洲电力机车研究所，湖南 株洲 412001）

以混合动力城市客车为研究对象，提出基于加速度的驾驶员加速踏板的踏板控制算法，从而解析出驾驶员意图，更好地操控加速踏板。实际应用效果良好。

加速踏板；驾驶员意图；混合动力城市客车

车辆行驶过程中驾驶员会根据车辆运行状态和周围环境，以及自己的驾驶习惯对加速踏板、制动踏板等进行控制，以此来实现驾驶意图。在“人一车一路”这一个大的闭环系统中，驾驶员可以被看作是一个自适应智能传感器，而驾驶员意图就是将该传感器的信号加以处理得到的信息。在自动变速系统中，驾驶员只通过加速踏板来表达自己的期望加速特性，必要时辅以制动踏板。这里只讨论驾驶员不踩制动踏板的情况，制动状态下的驾驶员踏板意图解析及换档规律将另文讨论。在装有电子踏板的混合动力城市客车中，加速踏板开度和油门开度并不一致，前者反映的是驾驶员意图，后者则是调节发动机的基础，而用作驾驶员意图识别的是加速踏板开度[1]。

1 混合动力城市客车动力学分析

由汽车理论[2]可知，汽车驱动力

式中：r为车轮半径；Ttq为驱动系统输出的驱动转矩；ig为变速器的速比；i0为主减速器传动比；ηT表示传动系的机械效率。

上式中的Ttq正是我们从驾驶员踏板动作解析中获得的要给驱动系统的目标转矩。对于混合动力城市客车，该转矩由发动机或电机提供，或是它们两者之和。在混合动力城市客车踏板解析模块中，解析算法的核心目的就是从驾驶员的踏板动作、踏板开度中，分析出驾驶员意图，算出驾驶员想要的加速度，从而由发动机或电机提供相应的驱动转矩。

车辆行驶时，滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积。城市道路一般都是良好的沥青或混凝土路面，在这种路面上以中、低速行驶时，滚动阻力系数大致在0.01～0.018之间。又因为混合动力城市客车车速比较低，所采用的又是子午线轮胎，所以其滚动阻力系数较小，驱动力参数变化对其影响也小，在为混合动力城市客车踏板解析算法建模中，滚动阻力系数根据经验取了定值0.012[2]。

又根据文献[2],在汽车行驶范围内，只考虑无风条件下的汽车空气阻力式中：CD为空气阻力系数；A为迎风面积，即汽车行驶方向上的投影面积；ua为汽车行驶速度。对于混合动力城市客车来说，其迎风面积一般都比较大，此处取经验值7.5m2，而空气阻力系数则取为0.6。

同样，汽车加速行驶时的加速阻力Fj=δm×d u/d t。式中：m为汽车质量；d u/d t为行驶加速度；δ为汽车旋转质量系数，它可用下式计算，这是一个经验公式[3]，其中δ1取 0.04，δ2取 0.0025。

混合动力城市客车主要的爬坡、下坡时段就是上、下立交桥的时候，所以，此处建模计算不考虑坡度情况，爬坡阻力Fi默认为零。因此，可得混合动力城市客车加速时的基本动力学方程式：

根据上式，在滚动阻力系数f、空气阻力系数CD都已确定的基础上，只要依据驾驶员期望的加速特性，就可依据驾驶员踏板解析出所需要的驾驶员期望传动力矩Ttq。

2 驾驶员期望的加速特性

如前所述，在清楚驾驶员的期望加速特性情况下，可解析出所需求的驾驶员期望传动力矩Ttq，整车控制器依据整车控制算法对驾驶员期望传动力矩Ttq进行计算之后，再计算出传动系统期望力矩Tsys，并将其发给发动机控制器和电机控制器，就能获得相应的实际传动力矩Tpow。

在这一控制算法中，如何从驾驶员踏板动作中获得驾驶员所期望的加速特性非常关键。实际上驾驶员任何对加速踏板的动作都是为了通过加速获得不同速度。因此，加速特性实际上是车辆控制的一个关键点，在驾驶员踏板解析算法中也是一样。本算法的一个最大亮点就是对于驾驶员踏板动作的解析是基于驾驶员期望的加速特性。

驾驶员期望的加速特性是与力强相关的，根据前面的动力学分析，可以确定汽车加速度需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力和行驶阻力。而在车辆设计过程中，很重要的一项就是车辆的动力性计算。按照整车动力性指标需求，根据整车动力性计算结果，工程师再相应选择适合的传动系参数，根据传动系参数对传动系进行设计。在传动系参数设定完之后，传动系驱动转矩外特性已知，依据传动系统转矩特性和传动速比，就能得到整车的设计加速曲线。

根据整车设计加速曲线，就可以计算出驾驶员期望的加速特性。在每个档位、每个车速下，其最大加速度是一定的，此时驾驶员踏板开度表征的是驾驶员期望力矩的大小，而驾驶员踏板开度变化率的大小则表征的是驾驶员期望的力矩变化的快慢。此两个参数是并列的，但驾驶员踏板开度的重要性高于驾驶员踏板开度变化率。实际上，在驾驶过程中，当驾驶员加速踏板踩得较大而且踩得较快时，意味着此时驾驶员想快速起步或快速加速，所以驾驶员期望的力矩较大、较快；反之，则驾驶员期望的力矩较小、变化缓慢。处于这两种条件之间的情况有无数种非线性的状态[4]。

总的来说，驾驶员加速踏板开度β从某种意义上来讲，是当前车速下最高加速度的一个表征量。如果说当前车速下，驾驶员踩满踏板，得到是当前最大加速度amax的话，则踏板开度为β时所期望获得的最大加速度。

而驾驶员踏板开度变化率并非如驾驶员踏板开度一样具有类似线性的关系，它更多的是驾驶员操作经验的体现。实际上，根据长期数据统计，可以得到这样的结论：急踏加速踏板既不利于汽车速度的很快提高，也不利于节油，同时还存在安全隐患，对乘客的舒适度有一定影响[5]。与传统汽车不同，混合动力城市客车的加速踏板并不与汽车发动机节气门或油门直接关联，它是先以电信号送到整车控制器，通过整车控制算法解析后再到传动系，也就是说，实际上混合动力城市客车的加速踏板与传动力矩是解耦的。这样，就可以在整车控制中对不良的驾驶操作习惯进行部分修正，在踏板解析时，尽量减少驾驶员踏板开度的剧烈变化。因为在混合动力城市客车整车控制算法中，如果驾驶员踏板变化很快，尽管踏板并不与发动机油门直接关联，但需求功率的强烈变化，还是对发动机有影响的。实际上，驾驶员对踏板操作的变化是一个经验值，可以为驾驶员踏板变化建立一个经验模型：将驾驶员踏板开度分段，在不同开度区间，当踏板开度变化为△β时，可以将驾驶员所期望踏板变化引起的转矩变化曲线率设为λi（i=β∈[0，1]），λi依据经验数据设定[6]。为了使混合动力城市客车与传统客车操控感觉一致，它通过统计传统客车油门踏板数据分析获得，其曲线见图1。这样，驾驶员期望加速度

3 算法模型与应用实例

按照前面汽车动力学公式的推导，当驾驶员对加速踏板产生动作，在清楚驾驶员动作对应期望加速特性的情况下，依据驾驶员期望加速特性，就可以解析出所需求的驾驶员期望传动力矩Ttq了。据此就可以建立起混合动力城市客车加速踏板解析算法的模型[7]。

将上节推导的驾驶员期望加速度公式代入到第一节中的公式（1），可得到驾驶员期望的转矩解析模型。

实际上，当驾驶员加速踏板开度为零，即驾驶员不踩加速踏板时，其期望加速度应该是小于或等于零的。这时，驾驶员或是利用地面阻力溜车减速或是踩制动踏板加制动力减速，那么，当踏板开度为零时，上式中对应克服风阻和滚阻的驱动力力矩也应该为0。这样通过一个标识加速踏板位置为零的限制开关来限制加速踏板位置为零时的助力矩，根据上式很容易建立起解析算法的MATLAB模型，见图2。整车控制器对MATLAB编程就可以得到相应的整车控制程序。

本算法实际应用在湖南南车时代开发的6119串联式混合动力城市客车上。该车采用上柴SC8DK215Q3发动机，可靠性高，动力性较强，使用维修方便，国III排放，日本DENSO电控高压共轨技术。该车所用的加速踏板是与发动机配套的油门踏板，该加速踏板信号传感器与加速踏板（油门）为一体式结构，传感器具有两路信号：油门信号1和油门信号2，其中油门信号2是用于校正油门信号1的，它们都可以使电控中心获得油门控制信号。两路油门信号的输入电压都为+5V，油门电阻约为1 kΩ。与BOSCH油门标准不同的是该两路油门信号不是2:1，而是1:1的关系，它们的电压范围都是0～5 V。参考地线、油门信号1、油门信号2分别与整车控制器油门参考地线、油门信号线相连，整车控制器对加速踏板信号采样，计算出加速踏板开度，然后再按照本文介绍的解析算法对油门解析，进行整车控制能量分配[8]。

实际应用证明，该解析算法很好地解析了驾驶员意图，它有效地输出了驾驶员期望的加速特性，很好地将驾驶员经验与混合动力城市客车的特性相结合，既符合驾驶员操作习惯，又对驾驶员不良操作进行了有效的纠正。采用该解析算法的混合动力城市客车具有非常好的节油效果，同时踏板操作又符合人体工学原理，驾驶操作具有非常好的平稳性。对于客户来说，无论是乘客还是驾驶员，对该车都比较满意。实际应用见图3。从图中可以看到，对比传统油门踏板操作，该控制算法能更好地给出驾驶员期望加速力矩，获得相应加速度；在该控制算法下加速度变化更加平稳，驾驶员操作平顺性更佳[9-10]。

4 结束语

与传统汽车的操作不同，混合动力城市客车的加速踏板并不与发动机电控系统直接相连，驾驶员在踩加速踏板加速时并不是增大发动机油门，它只是将驾驶员的加速意图通过电信号传给整车控制器，由整车控制器通过踏板解析算法去调控、分配传动系统转矩。因此，如何正确反映驾驶员的加速意图，在对整车按能量分配策略进行控制的基础上，又让踏板操作符合驾驶员操作习惯，与传统车一致就成了混合动力车加速踏板控制的一个关键问题。本文所介绍的基于加速度的加速踏板解析算法，从驾驶员踩加速踏板其动作本质就是为了获得加速度这一根本意图出发，很好解析了驾驶员期望的加速特性，有效输出了传动转矩，使得整车踏板操作与传统车一致，同时又具有非常良好的节油效果。

[1]王玉海,宋健,李兴坤.驾驶员意图与行驶环境的统一识别及实时算法[J].机械工程学报，2006，（4）

[2]余志生.汽车理论（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]ThomasD.Gillespie.车辆动力学基础[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]吕世威.模糊理论在离合器上的应用[J].科技情报开发与经济，2006，（15）

[5]侯立智，卢永兴.应养成平稳操作油门踏板的良好习惯[J].汽车运用，1995，（2）

[6]欧阳明高，李建秋，杨福源，等.汽车新型动力系统：构型、建模与控制[M].北京：清华大学出版社，2009.

[7]（波）索左曼罗夫斯基.混合电动车辆基础[M].陈清泉，孙逢春，译.北京：北京理工大学出版社，2001.

[8]Talesjo Aso,Masato Fukino,Toshio Kikuchi,et al.Simulation Study of Third Generation Series Hybrid System[C].EVS215,Brussels,Belgium,October1998.

[9]Paganelli G,Delprat S,Guerra T,ets.Equivalent Consumption Minimization Strategy for Parallel Hybrid Powertrains.IEEE Vehicular Technology Conference.2002:2076-2081.

[10]Peter Walter mann,et al.A Testbed for the Analysis of Performance and Efficiency of a Series Hybrid Drive Train[A].In:1998 FISITA Automotive World Congress[C].F98T/P697.

修改稿日期：2013-01-29

Analytical Algorithm of Hybrid City Bus Accel Pedal Based on Acceleration

Guo Jun1,Wang Junhua1,WangWei2,Wang Wenming2
(1.Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd,Automotive Engineering Institute,Guangzhou 510640,China;2.Hunan CSRTimes Electric Vehicle Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China)

The authors show an analytical algorithm of hybrid city buses'accelerative pedal based on acceleration.This algorithm analyzes the drivers'intensions in order to control the accelerative pedal better.The actual application has a good effection.

accel pedal；drivers'intension；hybrid city bus

U 463.21；U469.7

B

1006-3331（2013）02-0024-03

郭 俊（1980-），男，工程师；新能源系统主管；从事新能源汽车系统及整车控制技术研究工作。