经济性驾驶模式控制策略与应用技术研究

2018-07-05李卫兵吴琼陈东峰邬旭宏杨天军张伟

车用发动机 2018年3期

李卫兵，吴琼，陈东峰，邬旭宏，杨天军，张伟

(1.安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601； 2.汽车智能网联技术安徽省重点实验室，安徽合肥 230601；3.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

法规对整车油耗要求越来越高，GB 27999—2014《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》[1]从整体上要求乘用车百公里燃料消耗量在2015年为7 L，2020年为5 L，从而推动整车企业和研究机构开展节能减排的技术研究与量产化应用，实现乘用车油耗整体达标。另一方面，不同客户对整车动力性与经济性要求不同，在整车动力总成匹配标定开发过程中，为了兼顾对动力性和经济性要求，只能使用折中方案，这会导致失去部分个性化需求客户。为此，在正常驾驶模式以外研究开发一种经济性驾驶模式(Economic Driving Mode,EDM)，通过牺牲整车部分动力性来提高整车燃油经济性，达到节油的目的，满足部分对动力性要求不高、优先考虑燃油经济性的客户。

研究发现，发动机瞬态的动力输出速率对该过程中燃油消耗有较大的影响，但是由于整车惯性，短暂的发动机动力输出对整车的加速性能和客户体验没有明显的改善，只有稳态持续的动力输出才能取得良好的整车加速性能和客户体验。因此通过制定相应的控制策略来控制发动机的瞬态动力输出速率，从而达到节油的效果[2-4]。

另外，研究发现自动变速箱合适的换挡时机可以显著提高燃油经济性，过早或过迟换挡都会导致整车燃油经济性变差。通过匹配、标定和试验确定动力性与经济性平衡的换挡线，实现该模式下油耗最优，同时动力性满足客户日常使用需求[3-5]。

所以，研究经济性驾驶模式的节油策略以及满足整车量产应用的各项指标要求，可在没有硬件投入的情况下通过软件和标定的手段来获取理想的节油效果，值得深入研究并在整个行业内推广使用。

1 经济性驾驶模式节油原理

经济性驾驶模式是在普通驾驶模式的基础上通过发动机控制模块(Engine control module，ECU)和变速箱控制模块(Transmission Control Module，TCU)实现不同动力输出，通过牺牲小油门工况部分动力性来提高整车经济性。如图1所示，当驾驶员踩50%的油门踏板开度请求加速时，EDM模式下期望发动机输出的扭矩变小，期望扭矩的上升速率变慢，当驾驶员松开油门后期望扭矩下降也变慢，从而达到控制发动机动力输出的目的。

图1 EDM模式扭矩输出控制对比

根据汽车理论中汽车驱动力平衡方程(式(1))和汽车驱动功率平衡方程(式(2))可知，车辆在加速过程中加速度(du/dt)变小，可以减小加速阻力，从而减小车辆驱动力(Ft)需求，减少发动机功率(Pe)输出，最终达到节油的目的[6]。

(2)

TCU通过选择合适的换挡时机，使发动机工作在转速和油耗更优化区域，使发动机输出相同的扭矩时负荷更大，节气门开度增大，进而发动机进气阻力减小，从而得到更优的发动机燃油消耗。

通过ECU与TCU相互协调配合，可以充分发挥经济性驾驶模式下的节油潜力，降低整车油耗。

2 经济性驾驶模式控制策略

为了达到整车量产化应用要求，设计经济性驾驶模式(见图2)。ECU首选对请求开关状态(布置在MP5上的软开关)进行逻辑判断，看驾驶员是否有EDM功能请求，然后再判断ECU侧是否满足条件；如果ECU侧满足EDM功能进入条件，再判断TCU侧是否满足进入EDM功能；如果以上条件(驾驶员有请求、ECU条件满足、TCU条件满足)都满足,执行EDM控制策略并点亮仪表上指示灯，如果不满足当前循环结束。

图2 EDM控制流程框图

2.1 ECU控制逻辑

1) 进入判断条件

满足以下条件ECU可以进入EDM模式：ECU未工作在跛行模式下；无重要零部件故障；发动机已经热机完成；CAN通信正常；其他模块未发送EDM模式禁止命令；未工作在巡航模式下。

2) 驾驶员期望扭矩的修正

在EDM模式下，设计修正表格(见表1)修正驾驶员期望扭矩，将如图1中的(5)修正至(2)。在小油门时修正幅度较大，以期望取得较好的节油效果；大油门时不进行修正，满足客户实际使用过程中对加速超车性能的需求。修正系数需要根据实车表现进行标定确认，以确保动力性、经济性与客户的主观感受达到平衡。

表1 驾驶员期望扭矩修正系数

3) 扭矩上升(TIP IN)过程控制逻辑

在EDM模式下，使用独立标定的方式对进入/退出扭矩上升过程进行控制，将图1中的(4)修正至(1)。对各挡位下TIP IN过程进入/退出EDM模式的阈值和滤波系数进行了标定(见表2至表4)，通过这些参数控制各挡位动力输出速率。通过反复标定这些参数控制发动机扭矩输出增加更加平缓，并确保这个过程中车辆加速无冲击。

表2 各挡位TIP IN进入EDM模式阈值

表3 各挡位TIP IN退出EDM模式阈值

表4 各挡位TIP IN过程中EDM模式滤波系数修正系数

4) 扭矩下降过程(Dashpot)控制逻辑

与TIP IN的控制过程类似，通过设置阈值控制进入/退出控制模式，进入控制模式后通过修正系数控制扭矩下降的过程。在实车上反复进行标定，使Dashpot过程发动机扭矩下降过程中转速和车速平稳。

5) 动力加浓触发逻辑

在EDM模式下，设计独立的触发条件控制发动机进入动力加浓喷油模式，从而在驾驶过程中降低油耗。如表5所示，以节气门开度作为判断条件，部分转速下标定为节气门开度大于100%，但实际应用过程中不会达到该条件。在进入动力加浓喷油模式后，也设定独立的空燃比(见表6)，只有全油门4 000 r/min以上时采用加浓。通过以上两个策略控制EDM模式不进行动力加浓，从而达到节油的目的。

表5 EDM模式下不同发动机转速的加浓条件

表6 EDM模式下加浓空燃比标定

6) 单独减速断油恢复策略

为了获得最大的节油效果，在EDM模式下，制定单独的减速断油恢复控制策略，延长减速断油时间。发动机转速较低时恢复供油会增加因负荷变化带来的熄火风险或者整车冲击，另外发动机水温会影响混合气燃烧，车辆负载会影响恢复供油时的整车冲击。所以，EDM模式下减速断油的策略需根据变速箱挡位和水温设定恢复供油转速(见表7)。热机转速越低，发动机处在断油过程时间越长，节油效果越明显。表7中的数据都需要根据车型部分作相应的平衡和取舍。

表7 EDM模式下减速断油转速标定 r/min

2.2 TCU控制逻辑

TCU控制是通过设置不同的换挡线，通过试验与标定确定最佳的燃油消耗和整车动力需求，实现节油的同时不影响正常的驾驶体验。

1) TCU进入EDM模式的条件判断

当以下条件均满足并持续一段时间，TCU发出允许进入EDM模式命令：变速箱不处于换挡状态；变速箱无故障；换挡杆处于D挡；其他换挡模式未触发，驾驶员有EDM请求。

2) EDM模式换挡线

当TCU进入EDM模式后执行单独的换挡线(见表8)。实际使用按照油门开度与车速确定升挡时序，车速越低升挡越及时，发动机转速越低，节油效果越好。

表8 EDM模式换挡线 km/h

与普通模式换挡线相比，EDM模式换挡线低挡位和小油门时车速减小3 km/h，高挡位和大油门的车速减小10 km/h以上，驾驶过程中能明显感觉到换挡提前。从换挡时发动机转速看，EDM升挡前转速在1 500 r/min左右，换挡后转速在1 200 r/min左右；普通模式换挡线升挡前转速在1 800 r/min以上，换挡后转速在1 400 r/min左右。

3) 离合器接合策略

在EDM模式下，离合器在D挡怠速停车时，更低的离合器预接合力可以减少离合器的摩擦阻力，进而减小发动机在D挡怠速工况下的燃油消耗，从而达到节油的效果。

对于ECU与TCU在EDM模式下各项节油控制策略，通过在整车上经过整车转毂标定、三高标定(高温、高寒和高原)、排放循环标定等环节，确认各项控制参数的合理性、整车驾驶舒适性、主观感受和节油效果等性能，平衡后确定最终参数。

3 整车节油效果

按照GB/T 19233—2008和GB 18352.5—2013法规要求开展整车油耗对比试验[7-8]，试验车辆参数见表9。

表9 试验车辆主要参数

制造误差和车辆磨合里程数会影响整车油耗值，为了减少试验误差，增加试验结果的可信性，本研究使用4辆试验车，每辆车开EDM功能和关EDM功能各开展3次试验，然后取平均值。多台车辆按照法规进行油耗对比测试，试验结果统计见表10。由表10可知，每台车的平均节油效果平均值达到3.5%以上，4台车的平均节油效果达到4.45%，节油效果明显。

表10 节油效果对比

除按照法规工况进行节油效果对比试验外，还开展模拟客户驾驶习惯固定油门加速过程油耗对比试验，试验结果表明，中小油门EDM模式下节油效果明显。

4 相关性标定与验证

EDM模式下对ECU和TCU的控制参数重新进行标定，会对整车排放性能、动力性能、车载故障诊断(On Board Diagnosis，OBD)性能、驾驶性能产生影响。在整车燃油经济性提高的同时还需要性能达标，使其各项性能满足法规与使用要求。

4.1 整车排放性能

常温排放与油耗试验采用相同的试验程序进行，排放试验过程通过碳平衡法间接计算出NEDC循环中的油耗。进行油耗标定过程中，排放是需要考虑的第一因素，如果排放不能满足要求，降低油耗无任何意义。

排放标定内容：发动机水温20～30 ℃冷机起动时，燃油、进气和点火角配合，使冷机起动过程中原始污染物排放最低且发动机转速上升与下降平稳；发动机暖机过程中标定开环空燃比，降低催化器起燃前污染物排放量；催化器起燃后标定空燃比修正系数，使混合气空燃比保持在理论空燃比附近，使95%以上的污染物完成转换。在标定开发过程中首先完成排放标定，再进行EDM标定，通过标定EDM的条件温度使EDM影响最小。为了取得最佳的节油效果，这个温度需要反复试验后确定，该车型EDM条件温度最后设定为45 ℃[9-11]。

通过多车多轮次的反复标定，最终该车型的常温排放结果达到法规一次性通过要求。1号和2号标定车辆分别开展2×2次排放验证试验，验证试验结果见表11。由结果可知，标定数据优化平衡后，排放结果稳定，不同车辆一致性和稳定性好，满足工程开发要求。

表11 排放验证结果 g/km

4.2 整车动力性能

EDM模式主要是通过牺牲中小油门下的动力性来降低整车油耗，但是动力性牺牲太多就会对客户驾驶体验产生较大的影响。所以标定开发过程中TCU换挡线和ECU的TIP IN修正系数不会有较大的差异，达到油耗目标即可。

模拟客户驾驶习惯，以不同的油门开度起步加速至100 km/h，记录过程数据，对加速时间、行驶距离和加速过程油耗进行对比，结果见表12。

由试验结果可知，70%以上油门开度时EDM对整车动力性没有影响，从而不影响EDM模式下的加速与超车要求，但中小油门开度时EDM对加速性能有明显的影响。EDM模式下30%油门开度时加速至100 km/h的时间延长27%，距离增大29%，但是油耗降低14%；50%油门开度时加速至100 km/h的时间延长39%，距离增大45%，但是油耗降低18%。

表12 整车动力性能试验结果

4.3 OBD性能

OBD指标是GB 18352.5—2013法规强制要求，采用EDM模式后也需要开展OBD诊断演示试验，确认各项性能满足法规要求[12-13]。

在试验之前需要进行精细标定，EDM模式下标定主要考虑NEDC工况下诊断条件能够兼容EDM与非EDM模式，并进行现场调整，最后的演示结果见表13至表15。

用氧信号模拟器模拟氧传感器失效进行NEDC循环试验，排放结果都满足法规要求，并且能够在诊断循环中报出故障码点亮故障灯，排放试验中分子计数器完成增加。

表13 氧传感器诊断试验结果

利用失火发生器导入3%的失火率，进行NEDC循环试验，排放结果均满足法规要求，均能够在诊断循环中报出故障码点亮故障灯(见表14)。

表14 3%失火诊断试验结果

使用极限催化器进行NEDC循环试验，排放结果都小于法规限值120%(见表15)，均能够在NEDC循环报出故障码点亮故障灯。

表15 催化器诊断试验结果

在NEDC验证试验过程中记录各参数的变动情况，结果表明分母和分子计数器增加正常，IUPR符合法规要求。

4.4 驾驶性能

使用AVL-Drive整车驾驶性客观评价系统进行驾驶性专业的评价分析。由于EDM模式只对部分油门加速过程的驾驶性有影响，所以只对该工况进行对比分析，其他工况不作对比分析，结果见表16。

EDM模式下对发动机扭矩输出曲线进行修正，导致加速过程中发动机扭矩上升变慢，所以扭矩响应评分略低，但是扭矩的建立更平顺，期望加速度和实际加速度相关性更好，期望扭矩和实际扭矩相关性更好，扭矩上升更平顺，油门与扭矩的线性相关度更好；加速度跳变更柔和，冲击更小一些，所以总体评分要略高。EDM模式和非EDM模式最终加速工况客观评分均高于7分，达到了量产要求。