王業(yè)慶 黃柳升 任強(qiáng)

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(guó)汽車保有量達(dá)3.02 億輛，其中傳統(tǒng)燃油車占比達(dá)97.4%。年消耗燃料4500 萬(wàn)噸以上，CO 排放量超8000 萬(wàn)噸，氮氧化合物排放量超900 萬(wàn)噸，國(guó)家要求在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，對(duì)傳統(tǒng)傳統(tǒng)燃油車的油耗，排放要求越來(lái)越高，迫使各主機(jī)廠對(duì)各種節(jié)油措施進(jìn)行研究。該換檔提醒功能讓駕駛員容易接受，對(duì)降低油耗效果明顯。

該控制策略無(wú)需在換檔手柄上增加檔位傳感器，檔位信息根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)速比通過(guò)計(jì)算得到。根據(jù)駕駛員駕駛動(dòng)作和當(dāng)前車輛信息，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)特性，進(jìn)行換檔提示，從而讓車輛工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)間，降低油耗，培養(yǎng)駕駛員的駕駛習(xí)慣。該功能只起到輔助提示功能，并不會(huì)干擾發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛的運(yùn)行狀態(tài)。

2 換檔提醒功能系統(tǒng)原理圖

換檔提醒功能的實(shí)現(xiàn)，需要在儀表上顯示當(dāng)前檔位、升檔提醒標(biāo)志、降檔提醒標(biāo)志，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECM）根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛速度、駕駛員是否踩油門(mén)踏板，是否掛空檔，是否踩離合踏板等輸入，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定當(dāng)前工況最佳的檔位，并將目標(biāo)檔位通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò)輸出給儀表，控制儀表顯示當(dāng)前檔位，顯示升檔提醒加當(dāng)前檔位，或者顯示降檔提醒加當(dāng)前檔位。具體原理見(jiàn)換檔提醒功能系統(tǒng)原理圖（如圖1）。

圖1 換檔提醒功能系統(tǒng)原理圖

當(dāng)前檔位通過(guò)當(dāng)前車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)合傳動(dòng)鏈速比計(jì)算得到。升檔提醒根據(jù)當(dāng)前檔位，油門(mén)開(kāi)度、車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)速，整車參數(shù)，變速箱速比和主減速比（如表1），發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬(wàn)有特性（如圖2），結(jié)合當(dāng)前坡度、海拔等因素，確定當(dāng)前工況最經(jīng)濟(jì)的檔位，并點(diǎn)亮升檔提醒標(biāo)志。降檔提醒根據(jù)當(dāng)前檔位，油門(mén)開(kāi)度、車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬(wàn)有特性，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬(wàn)有特性，整車參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前坡度、海拔等因素，確定當(dāng)前工況最經(jīng)濟(jì)的檔位，并點(diǎn)亮降檔提醒標(biāo)志。降檔提醒主要考慮高檔位，低車輛速度導(dǎo)致車輛熄火進(jìn)而影響駕駛安全情況。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬(wàn)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(shí)現(xiàn)的核心是換檔提醒功能系統(tǒng)控制邏輯（如圖3）。該邏輯主要涉及4 個(gè)模塊：當(dāng)前實(shí)際檔位計(jì)算，目標(biāo)檔位計(jì)算，坡道修正計(jì)算，海拔修正計(jì)算，該控制邏輯直接決定了軟件架構(gòu)。

圖3 換檔提醒功能系統(tǒng)邏輯

3.2 實(shí)際檔位功能的控制邏輯

實(shí)際檔位計(jì)算根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車輛速度的比值與各檔位下的實(shí)際速比進(jìn)行比對(duì)得到。檔位信號(hào)可以用車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的比值來(lái)表征，該值反映了不同檔位下的車輛變速系統(tǒng)速比、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及輪胎直徑等的關(guān)系。在檔位一定時(shí)，不同的車速下該比值會(huì)在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)波動(dòng)。

離合器斷開(kāi)時(shí)，傳動(dòng)鏈斷開(kāi)，空檔位置開(kāi)關(guān)發(fā)出模擬信號(hào)，軟件控制邏輯判斷此時(shí)為空檔，不再進(jìn)行檔位計(jì)算和檔位信息發(fā)出。軟件采用濾波等控制手段，通過(guò)精細(xì)標(biāo)定可以防止在顛簸路面、壞路等工況出現(xiàn)檔位跳變。

3.3 目標(biāo)檔位的控制邏輯

目標(biāo)檔位的控制邏輯是功能實(shí)現(xiàn)的核心，用于計(jì)算目標(biāo)檔位和換檔狀態(tài)：未踩下離合踏板時(shí)，目標(biāo)檔位等于當(dāng)前實(shí)際檔位；踩下離合踏板，并且踩剎車時(shí)的減速度大于一個(gè)閥值時(shí)，說(shuō)明是在一個(gè)深踩離合大力剎車的過(guò)程，此時(shí)傳動(dòng)鏈完全脫開(kāi)，實(shí)際檔位應(yīng)該為空檔，目標(biāo)檔位接受比之前實(shí)際檔位小的檔位信號(hào)；當(dāng)松開(kāi)離合空檔位置傳感器狀態(tài)為“true”，說(shuō)明目前處于空檔，此時(shí)將屏蔽換檔指示功能。

根據(jù)車輛特性并接合發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性可知，為了“節(jié)油”各檔位均需要及時(shí)升檔、降檔，通過(guò)理論計(jì)算得到各檔位的初步的升檔線和降檔線，實(shí)際升降檔線的確定具有很大的靈活性，需要ECM 標(biāo)定工程師在實(shí)際駕駛過(guò)程中結(jié)合車況、實(shí)際工況進(jìn)行駕駛性調(diào)整，且換檔提示功能為輔助性功能，經(jīng)濟(jì)性換檔最終決定于駕駛員?；驹瓌t是：各油門(mén)下的換檔車速建議比正常駕駛的換檔車速略低，即為了經(jīng)濟(jì)性需要稍提前升檔，但不至過(guò)分影響動(dòng)力性。各個(gè)檔位下，帶檔滑行至開(kāi)始抖動(dòng)，以抖動(dòng)時(shí)刻的車速為基準(zhǔn)，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(shè)置的合理性需要根據(jù)轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)和實(shí)際道路試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定檢查后確定各個(gè)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(guò)程中不存在頻繁指示和指示過(guò)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(biāo)檔位濾波來(lái)進(jìn)行控制。

當(dāng)車輛速度達(dá)到或者大于升檔目標(biāo)車速時(shí)，升檔提示標(biāo)志位置“ture”，升檔提醒指示燈亮；當(dāng)實(shí)際車輛速度在升檔線附件波動(dòng)時(shí)，升檔提醒指示燈繼續(xù)點(diǎn)亮；當(dāng)實(shí)際車速小于升檔車速-遲滯車速時(shí)，升檔指示燈熄滅。詳見(jiàn)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(dāng)車輛速度降到或者小于降檔目標(biāo)車速時(shí)，降檔提示標(biāo)志位置“ture”，降檔提醒指示燈亮；當(dāng)實(shí)際車輛速度在降檔線附件波動(dòng)時(shí)，降檔提醒指示燈繼續(xù)點(diǎn)亮；當(dāng)實(shí)際車速大于升檔車速＋遲滯車速時(shí)，升檔指示燈熄滅。詳見(jiàn)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(biāo)檔位濾波用于換檔狀態(tài)判別的目標(biāo)檔位合理性、有效性。在駕駛員急踩下油門(mén)加速，或者已經(jīng)松開(kāi)油門(mén)及踩下離合器等情況下，目標(biāo)檔位不進(jìn)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(fā)的頻繁指示或者非正常指示。以下條件滿足時(shí)才進(jìn)行目標(biāo)檔位更新：目標(biāo)檔位變化且保持時(shí)間大于某個(gè)固定時(shí)間；目標(biāo)檔位更新時(shí)間大于某個(gè)固定時(shí)間；不處于換檔過(guò)程或猛踩油門(mén)工況且換檔指示使能；換檔過(guò)程恢復(fù)的下降沿且換檔指示使能；時(shí)間需要標(biāo)定檢查后確定。

3.4 換檔狀態(tài)控制邏輯

升檔指示部分的置位與退出條件：僅會(huì)在踩油門(mén)、松開(kāi)離合、在檔且不是倒檔的情況下才會(huì)置位。此外在加速度過(guò)低的情況下不會(huì)提示升檔，原因?yàn)橐坏┥龣n會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力性變?nèi)?，?huì)使加速度更低。以下條件只要滿足一個(gè)，升檔指示就會(huì)退出：升檔操作結(jié)束，踩下了離合超過(guò)一定時(shí)間，目標(biāo)檔位低于當(dāng)前檔位，目標(biāo)檔位不再高于當(dāng)前檔位。

降檔指示部分的置位與退出條件：只有當(dāng)不踩離合、不在換檔過(guò)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(huì)進(jìn)行降擋提示。當(dāng)以下條件有一個(gè)滿足時(shí)，可以退出降擋提示：降擋操作已經(jīng)完成，踩下離合超過(guò)一定的時(shí)間，目標(biāo)檔位高于當(dāng)前檔位，目標(biāo)檔位不再低于當(dāng)前檔位。

3.5 坡道修正計(jì)算及控制策略

汽車行駛的動(dòng)力學(xué)方程如下：

式中：F為車輛驅(qū)動(dòng)力，F為車輛行駛的滾動(dòng)阻力，F為坡道阻力，F為車輛行駛的風(fēng)阻，F車輛加速阻力。

式中：T為離合器端扭矩，為驅(qū)動(dòng)輪半徑，ig 為當(dāng)前檔位的速比，為主減速比，η為當(dāng)前檔位下的傳動(dòng)效率，為車輛的重力，為滾動(dòng)阻力系數(shù)，為坡度，C為風(fēng)阻系數(shù)，為汽車迎風(fēng)投影面積，為車速，為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，為車輛質(zhì)量。據(jù)汽車行駛的動(dòng)力學(xué)方程得到車輛行駛的坡道阻力計(jì)算方程如下：

根據(jù)以上表達(dá)式可計(jì)算出車輛的坡道阻力，并對(duì)其進(jìn)行濾波處理，得到濾波后的坡道阻力用于后續(xù)檔位線修正。

坡道修正主要通過(guò)計(jì)算坡道阻力的檔位線修正系數(shù)。在坡道阻力增加或者減少時(shí)，分別選擇不同的濾波系數(shù)，濾波后得到坡道阻力再根據(jù)不同檔位下坡道阻力特性進(jìn)行差值與限幅計(jì)算，得到各個(gè)檔位下的坡道檔位線修正系數(shù)。

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(dāng)前檔位狀態(tài)，制動(dòng)踏板是否踩下，離合踏板是否踩下，以上狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，是否存在故障等。

3.6 海拔修正計(jì)算及控制策略

當(dāng)車輛在高原行駛時(shí)，由于氣壓偏低進(jìn)氣量較少，動(dòng)力性下降，引入海拔修正可以根據(jù)當(dāng)前加速踏板開(kāi)度大小及海拔修正系數(shù)，適當(dāng)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(dòng)力性要求。

通過(guò)海拔查詢對(duì)應(yīng)MAP 得到檔位線海拔修正系數(shù)，通過(guò)踏板開(kāi)度查詢對(duì)應(yīng)MAP 得到基本海拔修正車速。檔位線海拔修正系數(shù)與對(duì)應(yīng)加速踏板開(kāi)度MAP 下的基本海拔修正車速相乘獲得各個(gè)檔位下最終的檔位線修正量。

選擇不同的海拔點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同修正量，海拔越高該值越大，實(shí)際標(biāo)定檢查過(guò)程中可以先預(yù)設(shè)，再根據(jù)實(shí)際動(dòng)力性表現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整。

4 換檔提醒功能實(shí)施的效果

4.1 在WLTC 循環(huán)中的節(jié)油效果

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，需要對(duì)WLTC 中換檔時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化前、后的換檔點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證（如表3），對(duì)比驗(yàn)證要求車輛為同一臺(tái)車，試驗(yàn)操作人員相同，試驗(yàn)標(biāo)定轉(zhuǎn)轂相同，然后優(yōu)化控制軟件中的換檔線。

表3 WLTC循環(huán)中換檔提醒功能優(yōu)化前后對(duì)比

4.2 道路試驗(yàn)有較好的動(dòng)力和節(jié)油表現(xiàn)

經(jīng)過(guò)夏季、高原等道路試驗(yàn)，駕駛員能夠很快熟悉該換檔提醒功能，能讓新手司機(jī)快速養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣，按換檔提醒進(jìn)行操作，動(dòng)力表現(xiàn)得到提升，節(jié)油效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

該換檔提醒功能通過(guò)在轉(zhuǎn)轂和道路上的標(biāo)定檢查及驗(yàn)證，可以讓新手司機(jī)快速養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣，司機(jī)按換檔提醒進(jìn)行及時(shí)升、降檔操作，油耗可降2%。