自动变速车辆下坡换挡策略研究∗

孟凡婧，金 辉

前言

我国山地、高原面积广大，山区面积占国土总面积的69%，因此山区道路成为我国道路交通系统的重要组成部分。下坡是典型的较危险工况，当重力沿坡道方向的分力大于车辆所受的阻力时，车辆就会不断加速，采用通常换挡规律的自动变速车辆其挡位也会相应地不断增加，直至最高挡。在实际行驶时，为了避免车速过高，驾驶员不得不频繁地使用行车制动以使车辆减速。据相关研究表明，轿车在山区行驶时，制动器连续制动引起的热衰退可能使制动距离增加多达50%，倘若不及时采取有效的应急措施，将会导致制动器完全失效，极有可能酿成交通事故[1-2]。若采用发动机制动，既能减少对行车制动器的磨损，又能避免制动过程的冲击感，提高了行驶的舒适性，同时还可降低对制动踏板的操作频率，减轻驾驶员的工作强度[3-4]。因而在下坡路段合理地利用发动机的牵阻作用进行制动是十分必要的。

道路因素是换挡策略制定中的一个重要影响因素。针对道路坡度的识别，研究较为成熟的方法主要有基于传感器的识别方法和基于动力学模型的识别方法。前者需要在车辆上加装额外的传感器，如利用加速度传感器测得纵向加速度进而对坡道进行估计[5]。后者利用CAN总线和通用传感器获取的数据，分析车辆在不同坡道路面行驶状态参数的差异来实现对坡度的识别[6-8]。然而上述识别方法的可预见性较差，给其实际应用带来了一定的困难。而地图传感器(map sensor)作为一种特殊的传感器融入车辆系统，可提供道路的先验知识。随着先进辅助驾驶技术(advanced driver assistance system，ADAS)、数据处理技术和云技术的不断发展和完善，目前有很多研究机构和地图厂商如美国的ED Map项目[9]、欧洲的 HERE[10]、OpenRouteService[11]和我国的四维图新[12]等，均已着手开发包含道路坡度和曲率等信息在内的可用于汽车实时控制的高精度电子地图。这些成果使基于道路坡度信息的换挡策略研究成为可能。

在此基础上，近年来国内外也有众多针对下坡换挡策略问题的研究。文献[13]中分析了发动机辅助制动作用产生的机理及其对整车制动性能的影响。文献[14]中将制动工况进行分类，提出了依据发动机转速信号来识别不同制动工况的方法，并制定了相应的换挡控制策略。文献[15]中定义了辅助制动的等效制动强度，在分析实验数据基础上提出了基于制动强度和车速的主动降挡辅助换挡策略。文献[16]中通过分析不同挡位发动机制动效果的差别，提出了计算各坡度下合适挡位的方法，为AMT下坡控制策略的开发奠定了基础。文献[17]中通过对加速和制动踏板操纵行为的识别，对一般换挡曲线进行修正，通过缩小或扩大挡位作用范围来满足驾驶员的需求。文献[18]中采用模糊推理的方法制定了下坡换挡策略，文献[19]中采用神经网络的方法学习驾驶员的驾驶行为，从而解决自动变速车辆下坡行驶时所存在的问题。

通过对上述文献的归纳和分析发现，对下坡换挡策略的研究仍然存在局限，主要表现为:在制定下坡换挡策略时大多基于驾驶经验，未能从理论上充分平衡安全性与行驶效率之间的关系。因此本文中从对下坡工况的动力学分析出发，基于道路坡度信息，结合公路的设计标准，以安全性为基础充分考虑行驶效率，确定了各工况的目标参考车速和约束挡位，从理论上制定了下坡换挡控制策略。通过驾驶员在环仿真，证明了该换挡策略既能反映驾驶员的驾驶意图，又能提高车辆的行驶效率，还能在必要时有效发挥发动机的制动特性。

1 下坡工况动力学分析

1.1 发动机制动特性研究

发动机处于制动工况时，加速踏板应完全松开，此时节气门几乎处于完全关闭的状态，怠速油道会给气缸提供少量的燃料，而这部分燃料燃烧所产生的能量有限，一般仅供发动机怠速使用。此时若踩下离合器踏板使传动系统与发动机断开，则发动机处于怠速状态，产生的功率主要用于克服自身内部机件的摩擦阻力等。若此时传动系统与发动机处于接合状态，在车辆的带动下发动机的实际转速高于其怠速转速时，燃料燃烧所产生的功率将不足以克服发动机运转的各种阻力，此时发动机就变成了一个耗能负载。发动机的这种特性称为发动机的制动特性。

本研究利用某款125kW发动机反拖实验数据作为研究的基础，实验数据如表1所示。

表1 125kW发动机反拖实验数据

采用Smoothing Spline方法对实验数据进行拟合，得到发动机制动特性曲线，如图1所示。

从图中可以直观地看出，反拖转矩随转速的增加而不断增大，即发动机转速越高，发动机制动效果越明显。

图1 发动机制动特性曲线

1.2 带挡滑行车辆动力学分析

为定量分析车辆动力学特性，本文中选用某款搭载该125kW发动机的B级轿车来进行研究，其主要参数如表2所示。

表2 某125k W B-Class车型主要参数

车辆在下坡过程中带挡滑行时，行驶方程为

式中:Fi为重力沿坡道方向的分量；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fft为等效发动机阻力；Fj为加速阻力。

将式(1)展开可得

式中:m为整车整备质量；g为重力加速度；θ为坡道角；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为车辆的迎风面积；ρ为空气密度；v为车辆行驶的速度；Tft为发动机的反拖力矩；ig为变速器传动比；i0为主减速比；η为传动效率；Rw为车轮的有效作用半径；δ为旋转质量换算系数；a为车辆行驶加速度。

车辆在下坡行驶过程中，等效的外部驱动力Fex可表示为

由此可绘制出各挡位下等效发动机制动力和等效外部驱动力随车速的变化曲线，如图2所示。图中实线与虚线的交点为对应坡度下的稳定车速点，当虚线位于实线之上时，车辆在重力作用下处于加速状态，反之车辆处于减速状态。图3为仅在发动机制动的情况下各挡位所能达到的稳定车速。

图2 带挡滑行动力特性曲线

图3 各挡位稳定车速与道路坡度关系曲线

由图2可以看出:在14%的坡道上下坡行驶时只有在1挡带挡滑行时发动机能起到控制车速的作用，当车速较低时发动机的制动效果并不明显，此时车辆处于加速状态，随着车速的增加，若变速器的挡位不发生改变，发动机的转速将随车速一起增加，最终达到平衡，使车速稳定在46km/h；在10%的坡道上下坡行驶时，虽然各挡位均能达到稳定车速，但随着挡位的升高，稳定车速越来越大，在高挡位时虽然也达到了平衡，但车速早已超出了安全车速，此时发动机的制动效果并不明显，没有起到其应有的作用。

由以上分析可知，要想充分利用发动机的制动效果，不仅要使发动机处于较高的转速，同时还应使用尽可能低的挡位。

2 下坡换挡策略的制定

基于对车辆本身及路面交通状况的考虑，下坡换挡策略的制定需要遵循以下几个原则:

(1)以行驶的安全性为基础，充分考虑行驶工况及道路参与者的实际感受；

(2)杜绝意外升挡，并能根据驾驶员的驾驶意图实现主动降挡及推迟升挡；

(3)对于危险系数较小的坡段应更注重行驶效率，对于危险系数较大的坡段需充分发挥发动机的制动作用。

2.1 坡道行驶环境信息提取

高精度电子地图可提供道路形状、拓扑和其它高级属性等信息，如道路坡度、弯道曲率、车道数或限速数值等。为了实现地图信息在车辆各个子系统中的传输，消除各图商、车厂、ADAS零部件供应商之间协议的差异，ADASIS Forum制定了地图与ADAS系统之间的通信协议ADASIS(advanced driver assistance systems interface specifications)，其系统架构如图4所示。目前ADASIS已经发布了v1和v2两个版本，其中ADASISv2[20]已经被多家车厂采用。

图4 ADASIS系统架构示意图

如图4所示，电子地图供应商可提取详细的地形、道路相关数据和车辆的位置信息，生成ADAS Horizon所需要的数据，并向车辆的CAN总线进行数据发送。车辆系统利用数据重构单元可从CAN总线上提取相关数据并进行解析，将其转变为控制单元可以直接使用的数据。而地图信息的传输均遵循ADASISv2协议。

基于上述分析，随着高精度电子地图的不断发展和普及，今后只需要利用CAN总线进行数据通信，便可实现变速器控制单元(TCU)对车辆前方道路坡度、坡长信息和相关车辆状态信息的提取。

2.2 目标车速与挡位约束

国外对于连续下坡的交通安全问题已有较为系统的研究，较具代表性的是美国道路坡度严重度分级体 系(grade severity rating system， GSRS)[21]。GSRS针对不同载质量的货车在下坡路段行驶时，根据坡度和坡长的不同组合提出合理的控制挡位和车速建议，以保证行车安全。我国交通部门对《公路工程技术标准》进行了修正[22]，并开展了公路纵坡坡度与坡长限制方面的研究[23-25]，详细分析了坡度、坡长对交通安全的影响。标准根据不同的公路等级对公路的坡度、坡长、设计速度等做出了规定，同时规定了轿车各设计车速下不同纵坡的最大坡长，如表3所示。

表3 不同纵坡的最大坡长

公路的设计车速是指在气候良好、交通密度低的条件下，一般驾驶员在路段上能保持安全、舒适行驶的最大车速。因此可将各路段对应的设计车速作为车辆下坡行驶过程中的目标参考车速。

针对确定的路段，提取其坡度和坡长信息，依据我国工程技术标准对公路的设计要求，可得到该路段的目标参考车速。根据目标参考车速和坡度值由图3可得到满足车辆行驶安全要求的所有挡位(当某挡位对应的稳定车速高出设计车速不超过5km/h时，行车制动系统可有效发挥制动作用，可认为此挡位也属于安全挡位。以长800m的5%的坡道为例，其目标参考车速为60km/h，根据图3各挡位坡度下的稳定车速曲线可知，1挡、2挡均能充分发挥发动机的制动作用将车速控制在60km/h以内，为了保证车辆在安全行驶的前提下有较高的行驶效率，因此可选择满足条件的最高挡位(2挡)作为其约束挡位。按照上述方法可确定各道路工况下的目标参考车速和约束挡位，如表4所示。

表4 各道路工况下目标参考车速和约束挡位

2.3 下坡工况换挡规律

前文所得出的目标参考车速和约束挡位已能保证车辆的安全性和行驶效率，但换挡策略还须反映驾驶员的驾驶意图。驾驶意图可简单地从对加速和制动踏板的操纵进行区分:

(1)若驾驶员松开加速或踩下制动踏板其意图为控制车速下坡，此时换挡策略应能充分发挥发动机的制动作用；

(2)若驾驶员踩下加速踏板，则其意图为加速，这时应充分考虑行驶安全(车速不能超过目标参考车速、挡位低于约束挡位)，结合此时的车速，换挡策略应尽量保持挡位，推迟升挡。

在实车控制中，既可以用车速也可以用变速器输出轴转速作为换挡决策参数，本文中在制定换挡策略时选用后者作为决策参数。

下坡工况的换挡策略是根据各挡位纯发动机制动工况下所能达到的稳定车速制定的。为了抑制车辆在下坡过程中的连续升挡，并在需要制动时可有效降挡，充分发挥发动机的制动特性，设计降挡曲线略低于高挡平衡曲线，升挡曲线位于降挡曲线与高挡平衡曲线之间。在大坡度时为使车辆能够尽快地识别驾驶员的意图，充分利用发动机牵阻进行制动，采用收敛型的降挡曲线。因此下坡工况的换挡规律曲线如图5所示。

图5 下坡工况换挡曲线

该车在平路上行驶时使用的双参数动力性换挡曲线如图6所示。

当车辆在平路上行驶达到60km/h的车速时遇到5%的下坡路段，此时松开加速踏板直至节气门完全关闭，在节气门近乎完全关闭时，车辆处于图6所示A点状态，挡位为5挡，当节气门完全关闭后，进入纯发动机制动工况，车辆处于图5所示A点状态，此时受降挡曲线的控制车辆将很快降为3挡，并使车速稳定在65km/h。若驾驶员认为此工况可以以更高的车速行驶，则可踩下加速踏板进行加速，此时车辆离开平衡位置开始加速，并在接近4挡平衡车速时才可进行升挡，这从一定程度上达到了保持挡位，推迟升挡的效果，在此期间若松开加速踏板车辆依然能够自主利用发动机进行制动。若驾驶员认为此工况需要以更低的车速进行行驶则可轻踩制动踏板，在制动力的作用下，车辆离开平衡位置开始减速，由于降挡曲线临近高挡平衡曲线，因此仅需施加不大的制动力就可穿越降挡曲线挂入低挡，此后则无须再施加行车制动力，车辆便可自主利用发动机的制动作用继续进行减速。

图6 平路换挡曲线

根据2.2节的分析，车辆在小于3%的坡道上下坡行驶时，安全车速较高并不需要利用发动机进行牵阻制动，因此出于对车辆行驶效率的考虑，在小于3%的坡段选用平路动力性换挡曲线，其余下坡路段选用更利于发挥发动机牵阻作用的下坡工况换挡曲线。

3 下坡工况仿真分析

为验证制定的换挡策略能否达到期望的效果，选择3种工况进行对比实验，分别为长缓坡(3%，1 000m)、中长坡(6%，600m)和急陡坡(9%，300m)。同时为了验证制定的换挡策略能否反映驾驶员的驾驶意图，使仿真结果更逼近真实情况，试验设计在模拟驾驶仪上进行，实时采集驾驶员对加速踏板及制动踏板的操作信号。

实验过程首先利用制定的下坡换挡策略在Matlab/Simulink环境中进行驾驶员在环仿真实验，仿真过程实时显示目标参考车速提示驾驶员，驾驶员根据显示信息及道路情况控制加速和制动踏板。再以同样的工况，采用与上述仿真完全相同的油门及制动控制信号，利用平路换挡策略在Matlab/Simulink中进行对比实验。仿真结果如图7～图9所示。

(1)长缓坡(3%，1 000m)实验，车辆先在平路行驶一段距离后，以低于设计车速的速度进入下坡路段，此坡道的设计车速为100km/h，推荐挡位为5挡。

图7 长缓坡工况仿真结果

图8 中长坡工况仿真结果

分析:一般换挡策略和坡道换挡控制策略在此情况下具有同样的仿真效果，原因是在下坡坡度较缓的路段，此时坡道对车速影响并不大，不会造成车辆的失控，因此在制定坡道换挡控制策略时出于对行驶效率的考虑缓坡仍选用平路的换挡规律进行换挡，且不对挡位进行限制。

图9 急陡坡工况仿真结果

(2)中长坡(6%，600m)试验，车辆先在平路行驶一段距离后，以略高于设计车速的速度进入下坡路段，此坡道的设计车速为60km/h，推荐挡位为2挡。

分析:采用坡道换挡策略时，当对车辆采取制动即驾驶员有减速需求时，换挡策略能实现主动降挡来满足驾驶员的需求，降到推荐挡位后，即便驾驶员不再进行行车制动，车辆也能充分利用发动机的牵阻作用进行制动，并逐渐趋近于该挡的稳定车速(45km/h)。

采用一般换挡策略时，在同样的路段采取同样的控制输入后，首先在行车制动时，同样的制动意图却不能使车辆发生主动降挡来满足驾驶员的减速需求；其次在施加行车制动的过程中车速的降低明显小于采用坡道换挡策略时车速的降低；最后在撤掉行车制动后，车辆选择的挡位(5挡)并不能有效发挥发动机的牵阻作用，而且还会使车速进一步升高，并向更危险的方向远离道路的设计车速。若要实现对车速的有效控制必须施加更大强度的制动，给行车制动系统带来更大的负担。

(3)急陡坡(9%，300m)实验，车辆先在平路行驶一段距离后，以略高于设计车速的速度进入下坡路段，此坡道的设计车速为20km/h，推荐挡位为1挡。

分析:采用坡道换挡策略时，车辆能够在下坡过程中保持在1挡，最大程度地利用发动机进行制动，仅需施加较小的行车制动就可使车辆稳定在推荐车速附近。

采用一般换挡策略时，在同样的路段采取同样的控制输入后，车速和挡位均不断升高，原有的换挡策略并不能满足驾驶员的减速意图实现主动降挡，反而在不断地升挡。挡位的增加不仅弱化了发动机的牵阻作用，同时还会使行驶工况进一步恶化。若要实现对车速的有效控制必须施加更大强度的制动，给行车制动系统带来更大的负担，更易引起制动器的热失效。

从上述各仿真结果可以看出，一般换挡策略在大部分下坡工况特别是危险工况下存在巨大的安全隐患，会使车辆产生意外升挡，使车速不断提高，随着坡道的增长车辆的实际行驶车速将远高于安全车速。而本文中针对下坡路段提出的坡道换挡控制策略可有效地根据坡道的坡度、坡长、车速和驾驶员的意图合理地调整挡位，使车辆在危险系数小的长缓坡行驶时更注重行驶效率，选择中高挡，而在危险系数较大的急陡坡行驶时更注重行驶的安全性，充分发挥发动机的制动作用，选择中低挡。

4 结论

本文中从发动机的制动特性出发，根据车辆行驶方程，对下坡工况带挡滑行时车辆动力学进行了分析。在此基础上结合我国公路设计标准，确定了目标参考车速和约束挡位，制定了下坡工况的换挡控制策略，并运用Matlab/Simulink和模拟驾驶仪进行仿真实验，仿真结果表明，本文中制定的换挡策略能有效解决下坡时意外升挡的问题，可有效地根据坡道的坡度、坡长、车速和驾驶员的意图合理地调整挡位，使车辆在危险系数小的长缓坡行驶时更注重行驶效率，而在危险系数较大的急陡坡行驶时更注重行驶的安全性，充分发挥发动机的制动作用。

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