一种车辆经济性驾驶模式的研究

杨小波

摘要：驾驶行为对车辆燃油经济性有着极大的影响，本文分析了导致车辆燃油消耗恶化的几种典型驾驶行为，针对这些驾驶行为设计了相应的电控优化方案，采用Matlab-Simulink搭建控制算法后，再通过AVL-Cruise与Matlab-Simulink联合仿真对电控方案进行验证及优化，最后通过实车道路试验优化并验证了本经济性驾驶模式。

关键词：驾驶行为分析;经济性驾驶;Cruise;联合仿真;路试

中图分类号：U462.2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018） 02-0036-05

1 引言

受节能环保及市场竞争等多方面压力的影响，提升汽车产品核心竞争力势在必行。燃油经济性是汽车核心竞争力的重要因素，因此，提升车辆燃油经济性成为当前汽车设计制造技术的重中之重。

本文从优化驾驶行为的方向研究燃油经济性提升技术，驾驶行为对车辆燃油经济性有着极大的影响，道路油耗对比测试显示，同一台车同样工况下，不同驾驶员间的油耗差异可达到20%以上。这个差异在优秀驾驶员和新手之间更为明显，优化驾驶员驾驶行为可以有效的提高车辆燃油经济性。导致车辆燃油经济性恶化的驾驶行为有很多，如不合理的挡位选择、大油门急加速以及未能合理控制车速导致的制动行为等。本文针对其中急加速行为进行分析，设计并验证了一种针对性的经济性改善方案。

2系统开发流程

如图1流程图所示，本文针对一种导致车辆燃油消耗恶化的驾驶行为进行分析。为避免急加速行为，设计了一种基于外特性限制的电控优化策略，再通过AVL-Cruise与Matlab-Simulink联合仿真对电控方案进行验证及优化。最后通过实车道路调试固化控制参数，综合工况下对比测试验证经济性提升效果。

3电控优化方案

电控优化方案以高速综合为目标工况。通过对一段含60%平原高速、40%丘陵高速，合计100公里左右的实车道路试验数据进行分析，如图2所示，除去起步及爬坡，90%以上的行程采用最高挡及次高挡。

加速度限制可以通过发动机转速或是扭矩限制实现，不同挡位下车辆的加速性能各有差异。考虑到目标工况下车辆主要工作在高挡区，按挡位或是车速设定相应的加速度限制会让整个系统复杂化，本文设计电控优化方案时并不严格控制车辆在所有挡位保持同样的最高加速性能。

基于发动机的转速及扭矩响应特性，有两种限制车辆急加速行为的电控优化方案，分别为根据整车工况对发动机转速，或是发动机扭矩进行限制。通过发动机转速限制可以实现对车辆加速度较为精准的控制，但这种方式需要以固定的变化率对转速限值进行动态调整。相比之下，以固定扭矩限值进行扭矩限制的控制方式更为简单，本文的电控优化方案采用这种方式如图3示例。

考虑到动力差异化需求，以上电控优化方案通过E/P开关触发，电控优化方案仅在E模式工作。同时，为了保证E模式下车辆基本的爬坡性能，电控优化方案设定有相应的退出机制，这里设定油门开度大于设定值时退出。

4仿真分析

仿真是此系统开发的一个关键环节，本文通过CRUISE与MATLAB联合仿真分析电控优化方案对整车燃油经济性的改善效果，利用CRUISE软件提供的MATLAB/SIMULINKTM模块接口实现在CRUISE中集成基于MATLAB/SIMULINK的控制策略，从而实现CRUISE调用SIMULINK控制策略的仿真计算。通过仿真我们可以验证方案的可行性，并对电控优化方案的控制边界进行筛选。

4.1仿真建模

CRUISE模块化的建模理念使得用户可以便捷的搭建不同布置结构的车辆模型，已广泛用于车辆的动力性，燃油经济性仿真。建模细节本文不做累述，仿真模型如图4。

需要注意的是，本文采用的是CRUISE与MATLAB DLL的联合仿真方式，较非联合仿真时略有区别，具体如下所示。

1）在Cruise模型中加入用于Cruise与matlab数据交换的DLL模块并将DLL模块链接地址指向生成的编译文件。

2）将Matlab DLL模块的Load Signal信号链接地址指向Cockpit，将Engine模块的Load Signal信号链接地址指向Matlab DLL模块，如图5所示。

经过上述模型建立及数据连接，Cruise与matlab/simulink联合仿真的模型已创建完成，通过联合仿真及反复调试控制策略及仿真模型即可得到目标设定结果。

4.2仿真分析

仿真可以验证电控方案是否能有效提升经济性，同时对电控优化方案控制边界进行初步筛选。针对上文设定的电控优化原理，我们按梯度选取几组外特性限值进行仿真。电控优化方案考虑了动力恢复机制，但外特性限制过低仍会造成较为明显的动力偏弱，所以控制边界仅在一个较小的限制范围内进行筛选，本文分别选取三组限值进行仿真分析。仿真结果见表1。

仿真結果显示，在设定的限值范围内，通过限制扭矩避免急加速行为，加速度越低经济性提升效果越好（见图7）。另外，限制车辆加速性能后也造成了平均车速的降低（见图8），不过以高速综合工况70公里左右平均车速而言，折算下来最大1.6公里左右的车速降低属于能接受的范围。

另外，数据显示，在爬坡等动力需求较大的工况下，油门开度大于设定值时退出限扭模式，即设定的动力恢复机制可以正常触发。保证车辆E模式时满足高速综合工况下基本动力需求。

5控制系统开发

控制策略利用Matlab/Simulink搭建，明确电控方案后，控制策略建模过程较为简单，本文不做展开。对发动机的响应特性进行优化有两种方式，一种是在EECU中对发动机外特性进行标定，另外一种是方式是利用发动机可响应其他控制系统的扭矩限制请求，通过总线发送扭矩限来实现优化发动机的响应特性。相对来说，第二种方式灵活度更高，通过第二种方式，我们可以更方便的对整车工况进行判断，并由此设定更为合理的动力恢复机制。

控制系统硬件采用dSPACE公司的快速原型。其包括处理器板卡和丰富的外围I/O资源，拥有高效的运算、数据采集及处理能力。实验时，模型下载到板卡实时运行。上位机与板卡通过网线进行通讯，完成模型下载、试验管理、参数修改等操作。控制系统从点烟器处取电，通过CAN总线与整车进行通讯，所以控制系统的搭建较为简单，且对整车的线束等均不造成影响。

6 系统调试及优化

完成控制系统的开发及搭建后，我们通过实车道路试验对各项功能进行验证，并对边界值进行调整及优化。

6.1功能调试

系统调试的第一步是通过实车道路试验验证各项功能是否在设定的工况下正常触发，主要包括起步判断、扭矩限制进入及退出机制、动力恢复等。

如图10所示，在超车及爬坡工况下，油门开度大于设定值时，系统退出扭矩限制模式，发动机最大扭矩恢复为限制前（见图中红线）。保证了车辆基本的动力性需求。

6.2边界值优化

前面我们通过仿真对设定控制边界下的经济性性动力性进行了测试，仿真可以验证方案可行性并初步筛选边界值的范围，但车辆实际的动力性经济性还是需要通过道路试验来确认。这里通过加速油耗试验来进一步验证并确定扭矩限值。采用前文设定的几组控制边界进行道路测试。

道路试验时，我们先关闭系统的动力恢复机制，针对高速工况最常使用的两个挡位进行全油门加速油耗试验，分别设定原车的各项性能参数为100%，数据显示三个限制边界下次高挡加速油耗分别优化4.8%、7.2%、8.4%（见图11），最高挡加速油耗分别优化5.8%、8.1%、8.8%（见图12）。从数据结果来看，限值2与限值3边界下经济性提升效果非常接近，但限值2边界下车辆的加速性能更好，所以接下来针对限值2做进一步综合工况下的调试验证。

需要说明的是，满油门加速性能是考核车辆动力性的一项指标，我们选取的基础车动力性略高于同吨位其他车型，再加上动力恢复机制的优化。尽管进行了扭矩限制，加载此系统后车辆的动力性满足各种工况下基本动力性需求。

7道路油耗试验

最后我们通过综合工况道路油耗试验来验证系统的实际节油效果。为了保证试验数据的准确性，我们选取四个不同驾驶员分别进行四组E、P模式综合工况道路油耗试验。同时，为了避免早、晚气候及道路工况差异造成的影响，每完成一组测试后调整两种模式的试验顺序。

試验数据见表2，从试验结果来看，在海拔逐渐上升工况下系统的经济性提升效果要优于返程时的海拔逐渐下降工况，其原因在于去程较返程更多的触发了扭矩优化功能。往返综合工况下经济性平均提升了2.95%。

8结论

分析导致燃油经济性恶化的驾驶行为，采用扭矩限制的方式避免急加速并设定相应的动力恢复机制。通过CRUISE与MATLAB联合仿真验证方案的可行性，并初步筛选控制边界的大概范围，最后通过实车调试进行优化验证。