郭 俊，王俊華，汪 偉，王文明

（1.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 510640；2.中國南車集團 株洲電力機車研究所，湖南 株洲 412001）

基于加速度的混合動力城市客車加速踏板解析算法

郭 俊1，王俊華1，汪 偉2，王文明2

（1.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 510640；2.中國南車集團 株洲電力機車研究所，湖南 株洲 412001）

以混合動力城市客車為研究對象，提出基于加速度的駕駛員加速踏板的踏板控制算法，從而解析出駕駛員意圖，更好地操控加速踏板。實際應用效果良好。

加速踏板；駕駛員意圖；混合動力城市客車

車輛行駛過程中駕駛員會根據(jù)車輛運行狀態(tài)和周圍環(huán)境，以及自己的駕駛習慣對加速踏板、制動踏板等進行控制，以此來實現(xiàn)駕駛意圖。在“人一車一路”這一個大的閉環(huán)系統(tǒng)中，駕駛員可以被看作是一個自適應智能傳感器，而駕駛員意圖就是將該傳感器的信號加以處理得到的信息。在自動變速系統(tǒng)中，駕駛員只通過加速踏板來表達自己的期望加速特性，必要時輔以制動踏板。這里只討論駕駛員不踩制動踏板的情況，制動狀態(tài)下的駕駛員踏板意圖解析及換檔規(guī)律將另文討論。在裝有電子踏板的混合動力城市客車中，加速踏板開度和油門開度并不一致，前者反映的是駕駛員意圖，后者則是調節(jié)發(fā)動機的基礎，而用作駕駛員意圖識別的是加速踏板開度[1]。

1 混合動力城市客車動力學分析

由汽車理論[2]可知，汽車驅動力

式中：r為車輪半徑；Ttq為驅動系統(tǒng)輸出的驅動轉矩；ig為變速器的速比；i0為主減速器傳動比；ηT表示傳動系的機械效率。

上式中的Ttq正是我們從駕駛員踏板動作解析中獲得的要給驅動系統(tǒng)的目標轉矩。對于混合動力城市客車，該轉矩由發(fā)動機或電機提供，或是它們兩者之和。在混合動力城市客車踏板解析模塊中，解析算法的核心目的就是從駕駛員的踏板動作、踏板開度中，分析出駕駛員意圖，算出駕駛員想要的加速度，從而由發(fā)動機或電機提供相應的驅動轉矩。

車輛行駛時，滾動阻力等于滾動阻力系數(shù)與車輪負荷之乘積。城市道路一般都是良好的瀝青或混凝土路面，在這種路面上以中、低速行駛時，滾動阻力系數(shù)大致在0.01～0.018之間。又因為混合動力城市客車車速比較低，所采用的又是子午線輪胎，所以其滾動阻力系數(shù)較小，驅動力參數(shù)變化對其影響也小，在為混合動力城市客車踏板解析算法建模中，滾動阻力系數(shù)根據(jù)經驗取了定值0.012[2]。

又根據(jù)文獻[2],在汽車行駛范圍內，只考慮無風條件下的汽車空氣阻力式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積，即汽車行駛方向上的投影面積；ua為汽車行駛速度。對于混合動力城市客車來說，其迎風面積一般都比較大，此處取經驗值7.5m2，而空氣阻力系數(shù)則取為0.6。

同樣，汽車加速行駛時的加速阻力Fj=δm×d u/d t。式中：m為汽車質量；d u/d t為行駛加速度；δ為汽車旋轉質量系數(shù)，它可用下式計算，這是一個經驗公式[3]，其中δ1取 0.04，δ2取 0.0025。

混合動力城市客車主要的爬坡、下坡時段就是上、下立交橋的時候，所以，此處建模計算不考慮坡度情況，爬坡阻力Fi默認為零。因此，可得混合動力城市客車加速時的基本動力學方程式：

根據(jù)上式，在滾動阻力系數(shù)f、空氣阻力系數(shù)CD都已確定的基礎上，只要依據(jù)駕駛員期望的加速特性，就可依據(jù)駕駛員踏板解析出所需要的駕駛員期望傳動力矩Ttq。

2 駕駛員期望的加速特性

如前所述，在清楚駕駛員的期望加速特性情況下，可解析出所需求的駕駛員期望傳動力矩Ttq，整車控制器依據(jù)整車控制算法對駕駛員期望傳動力矩Ttq進行計算之后，再計算出傳動系統(tǒng)期望力矩Tsys，并將其發(fā)給發(fā)動機控制器和電機控制器，就能獲得相應的實際傳動力矩Tpow。

在這一控制算法中，如何從駕駛員踏板動作中獲得駕駛員所期望的加速特性非常關鍵。實際上駕駛員任何對加速踏板的動作都是為了通過加速獲得不同速度。因此，加速特性實際上是車輛控制的一個關鍵點，在駕駛員踏板解析算法中也是一樣。本算法的一個最大亮點就是對于駕駛員踏板動作的解析是基于駕駛員期望的加速特性。

駕駛員期望的加速特性是與力強相關的，根據(jù)前面的動力學分析，可以確定汽車加速度需要掌握沿汽車行駛方向作用于汽車的各種外力，即驅動力和行駛阻力。而在車輛設計過程中，很重要的一項就是車輛的動力性計算。按照整車動力性指標需求，根據(jù)整車動力性計算結果，工程師再相應選擇適合的傳動系參數(shù)，根據(jù)傳動系參數(shù)對傳動系進行設計。在傳動系參數(shù)設定完之后，傳動系驅動轉矩外特性已知，依據(jù)傳動系統(tǒng)轉矩特性和傳動速比，就能得到整車的設計加速曲線。

根據(jù)整車設計加速曲線，就可以計算出駕駛員期望的加速特性。在每個檔位、每個車速下，其最大加速度是一定的，此時駕駛員踏板開度表征的是駕駛員期望力矩的大小，而駕駛員踏板開度變化率的大小則表征的是駕駛員期望的力矩變化的快慢。此兩個參數(shù)是并列的，但駕駛員踏板開度的重要性高于駕駛員踏板開度變化率。實際上，在駕駛過程中，當駕駛員加速踏板踩得較大而且踩得較快時，意味著此時駕駛員想快速起步或快速加速，所以駕駛員期望的力矩較大、較快；反之，則駕駛員期望的力矩較小、變化緩慢。處于這兩種條件之間的情況有無數(shù)種非線性的狀態(tài)[4]。

總的來說，駕駛員加速踏板開度β從某種意義上來講，是當前車速下最高加速度的一個表征量。如果說當前車速下，駕駛員踩滿踏板，得到是當前最大加速度amax的話，則踏板開度為β時所期望獲得的最大加速度。

而駕駛員踏板開度變化率并非如駕駛員踏板開度一樣具有類似線性的關系，它更多的是駕駛員操作經驗的體現(xiàn)。實際上，根據(jù)長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以得到這樣的結論：急踏加速踏板既不利于汽車速度的很快提高，也不利于節(jié)油，同時還存在安全隱患，對乘客的舒適度有一定影響[5]。與傳統(tǒng)汽車不同，混合動力城市客車的加速踏板并不與汽車發(fā)動機節(jié)氣門或油門直接關聯(lián)，它是先以電信號送到整車控制器，通過整車控制算法解析后再到傳動系，也就是說，實際上混合動力城市客車的加速踏板與傳動力矩是解耦的。這樣，就可以在整車控制中對不良的駕駛操作習慣進行部分修正，在踏板解析時，盡量減少駕駛員踏板開度的劇烈變化。因為在混合動力城市客車整車控制算法中，如果駕駛員踏板變化很快，盡管踏板并不與發(fā)動機油門直接關聯(lián)，但需求功率的強烈變化，還是對發(fā)動機有影響的。實際上，駕駛員對踏板操作的變化是一個經驗值，可以為駕駛員踏板變化建立一個經驗模型：將駕駛員踏板開度分段，在不同開度區(qū)間，當踏板開度變化為△β時，可以將駕駛員所期望踏板變化引起的轉矩變化曲線率設為λi（i=β∈[0，1]），λi依據(jù)經驗數(shù)據(jù)設定[6]。為了使混合動力城市客車與傳統(tǒng)客車操控感覺一致，它通過統(tǒng)計傳統(tǒng)客車油門踏板數(shù)據(jù)分析獲得，其曲線見圖1。這樣，駕駛員期望加速度

3 算法模型與應用實例

按照前面汽車動力學公式的推導，當駕駛員對加速踏板產生動作，在清楚駕駛員動作對應期望加速特性的情況下，依據(jù)駕駛員期望加速特性，就可以解析出所需求的駕駛員期望傳動力矩Ttq了。據(jù)此就可以建立起混合動力城市客車加速踏板解析算法的模型[7]。

將上節(jié)推導的駕駛員期望加速度公式代入到第一節(jié)中的公式（1），可得到駕駛員期望的轉矩解析模型。

實際上，當駕駛員加速踏板開度為零，即駕駛員不踩加速踏板時，其期望加速度應該是小于或等于零的。這時，駕駛員或是利用地面阻力溜車減速或是踩制動踏板加制動力減速，那么，當踏板開度為零時，上式中對應克服風阻和滾阻的驅動力力矩也應該為0。這樣通過一個標識加速踏板位置為零的限制開關來限制加速踏板位置為零時的助力矩，根據(jù)上式很容易建立起解析算法的MATLAB模型，見圖2。整車控制器對MATLAB編程就可以得到相應的整車控制程序。

本算法實際應用在湖南南車時代開發(fā)的6119串聯(lián)式混合動力城市客車上。該車采用上柴SC8DK215Q3發(fā)動機，可靠性高，動力性較強，使用維修方便，國III排放，日本DENSO電控高壓共軌技術。該車所用的加速踏板是與發(fā)動機配套的油門踏板，該加速踏板信號傳感器與加速踏板（油門）為一體式結構，傳感器具有兩路信號：油門信號1和油門信號2，其中油門信號2是用于校正油門信號1的，它們都可以使電控中心獲得油門控制信號。兩路油門信號的輸入電壓都為+5V，油門電阻約為1 kΩ。與BOSCH油門標準不同的是該兩路油門信號不是2:1，而是1:1的關系，它們的電壓范圍都是0～5 V。參考地線、油門信號1、油門信號2分別與整車控制器油門參考地線、油門信號線相連，整車控制器對加速踏板信號采樣，計算出加速踏板開度，然后再按照本文介紹的解析算法對油門解析，進行整車控制能量分配[8]。

實際應用證明，該解析算法很好地解析了駕駛員意圖，它有效地輸出了駕駛員期望的加速特性，很好地將駕駛員經驗與混合動力城市客車的特性相結合，既符合駕駛員操作習慣，又對駕駛員不良操作進行了有效的糾正。采用該解析算法的混合動力城市客車具有非常好的節(jié)油效果，同時踏板操作又符合人體工學原理，駕駛操作具有非常好的平穩(wěn)性。對于客戶來說，無論是乘客還是駕駛員，對該車都比較滿意。實際應用見圖3。從圖中可以看到，對比傳統(tǒng)油門踏板操作，該控制算法能更好地給出駕駛員期望加速力矩，獲得相應加速度；在該控制算法下加速度變化更加平穩(wěn)，駕駛員操作平順性更佳[9-10]。

4 結束語

與傳統(tǒng)汽車的操作不同，混合動力城市客車的加速踏板并不與發(fā)動機電控系統(tǒng)直接相連，駕駛員在踩加速踏板加速時并不是增大發(fā)動機油門，它只是將駕駛員的加速意圖通過電信號傳給整車控制器，由整車控制器通過踏板解析算法去調控、分配傳動系統(tǒng)轉矩。因此，如何正確反映駕駛員的加速意圖，在對整車按能量分配策略進行控制的基礎上，又讓踏板操作符合駕駛員操作習慣，與傳統(tǒng)車一致就成了混合動力車加速踏板控制的一個關鍵問題。本文所介紹的基于加速度的加速踏板解析算法，從駕駛員踩加速踏板其動作本質就是為了獲得加速度這一根本意圖出發(fā)，很好解析了駕駛員期望的加速特性，有效輸出了傳動轉矩，使得整車踏板操作與傳統(tǒng)車一致，同時又具有非常良好的節(jié)油效果。

[1]王玉海,宋健,李興坤.駕駛員意圖與行駛環(huán)境的統(tǒng)一識別及實時算法[J].機械工程學報，2006，（4）

[2]余志生.汽車理論（第5版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]ThomasD.Gillespie.車輛動力學基礎[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]呂世威.模糊理論在離合器上的應用[J].科技情報開發(fā)與經濟，2006，（15）

[5]侯立智，盧永興.應養(yǎng)成平穩(wěn)操作油門踏板的良好習慣[J].汽車運用，1995，（2）

[6]歐陽明高，李建秋，楊福源，等.汽車新型動力系統(tǒng)：構型、建模與控制[M].北京：清華大學出版社，2009.

[7]（波）索左曼羅夫斯基.混合電動車輛基礎[M].陳清泉，孫逢春，譯.北京：北京理工大學出版社，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 ?。?980-），男，工程師；新能源系統(tǒng)主管；從事新能源汽車系統(tǒng)及整車控制技術研究工作。