高速牽引車輔助駕駛節油算法研究

符興勝， 紀嘉偉， 趙曉嵩

（上海新動力汽車科技股份有限公司，上海 200438）

0 前言

公開數據顯示，2020 年我國車用燃油消耗2.27億t，占汽柴油消耗總量的85%［1］，隨著我國汽車保有量的不斷增長，預計汽車燃料消耗量在我國石油消耗量中所占比例還會繼續提高，由此帶來的能源緊張問題將更加突出。重型商用車保有量雖然僅占汽車總量的15%左右，但作為生產資料，其具有單車能耗高、使用強度大、行駛里程長等特點，是目前我國道路交通中柴油消耗的主力軍，貢獻了超過50%的能耗和碳排放量［2］。隨著能源問題的日益尖銳，重型商用車的燃油耗問題成為社會和企業重點專注的對象。

目前，市場上大部分重型商用車配備有定速巡航系統，該系統可使車輛按照駕駛員設定的車速運行，減輕駕駛員疲勞，避免不必要的車速變化，在一定程度上提升了車輛的經濟性。但是，實際道路的坡度起伏變化，在上坡時定速巡航控制策略會增加發動機負荷率，使燃油耗大幅上升，而下坡時無法利用車輛慣性，將帶來不必要的能量損失。我國地形以山地、丘陵居多，全國地理國情普查數據顯示，山地、丘陵和臺地占據我國國土面積的73.38%［3］，由于道路的坡度變化較大，標配的定速巡航系統必然會導致整車經濟性下降。

目前，斯堪尼亞、奔馳、沃爾沃、曼等重型卡車制造商均積極開展了預見性巡航控制（PCC）系統方面的研究工作［3］。

斯堪尼亞的主動預測巡航控制系統可通過使用道路網的地形圖數據來彌補普通定速巡航系統的不足，該系統已完全覆蓋歐洲西部和中部地區。配備該系統的車輛在公路和高速上行駛時可節省3%的燃油。

奔馳的PCC系統將當前關于卡車精確定位的全球定位系統（GPS）信息與存儲的數字3D路線地圖進行鏈接，通過計算得出電子視野模型，進而使卡車自動適應此模型。PCC系統實時計算出道路的方向和地形，以便提前規劃換檔時機，并通過巡航控制預見性地調整車輛速度。同時，該系統不斷使用來自動態控制輔助系統的信息，將前方車輛的駕駛行為納入到動力鏈總成的燃油優化控制中。配備該系統的車輛在公路和高速上的燃油耗最多可降低3%，在鄉村越野道路上，燃油耗可減少5%［4］。

沃爾沃基于所提出的山路駕駛“6步法”推出ISee自動巡航系統。如圖1所示。I-See自動巡航系統通過變速箱內的角度傳感器獲得周圍的地勢信息，系統內儲存有4 000個斜坡信息，相當于5 000 km的路面信息。除了路面的坡度信息，I-See自動巡航系統還可獲得空氣阻力、車輛載重等多方面信息。經各種實際道路的模擬測試可得出，采用該系統平均可以減少5%的燃油耗。

圖1 I-See自動巡航系統的山路駕駛“6步法”

本文以某款長途高效牽引車為研究對象，采集并分析優秀駕駛員的駕駛習慣，設計基于實時道路坡度信息的PCC策略，使用AVL-Cruise軟件和Matlab/Simulink軟件進行聯合仿真，給出仿真和實車的測試結果，分析預見性巡航和定速巡航的整車燃油耗變化量和發動機運行工況。

1 駕駛行為分析

選取該長途高效牽引車車隊燃油耗表現優秀的車輛，使用整車數據采集工具采集該車輛的運行數據。對該車駕駛員的駕駛行為進行分析，提取其對車速和加速度的控制數據，如圖2 和圖3 所示。由圖2 和圖3 可以看出：該車輛運行車速集中在60～90 km/h，加速度集中在-0.2～0.2 m/s2。

圖2 長途高效牽引車的車速分布

圖3 長途高效牽引車的加速度分布

駕駛員對車速和加速度的控制反映在發動機扭矩脈譜圖中，如圖4所示。由圖4可以看出：轉速集中在1 000～1 200 r/min，負荷率中等偏低，發動機整體功率需求較低。

圖4 發動機扭矩脈譜圖

2 PCC策略設計

根據對車輛實際運行數據的分析結果，將PCC策略分為平路、下坡、上坡3部分，如圖5所示。策略模型會預設一段探測距離：當前方探測距離內無坡道時，按平路策略進行控制；當前方出現坡道時，判斷坡度并進行下坡或上坡的策略控制。

圖5 PCC策略

根據汽車動力學，在汽車行駛過程中發動機需求扭矩需滿足下式：

式中：Tn為發動機需求扭矩；ig為主減速比；i0為變速器的速比；ηT為動力系統傳動效率；r為車輪滾動半徑；m為汽車總質量；g為重力加速度；a為道路坡度；f為滾動阻力；CD為風阻系數；A為汽車迎風面積；V為當前車速；δ為汽車旋轉質量換算系數；t為時間。

策略模型可根據路譜反饋的坡度信息和整車加速度的變化實時計算發動機扭矩需求，并將其反饋給發動機模型。

2.1 平路控制策略

車輛在平路上自由行駛，考慮行駛舒適性和燃油經濟性，勻速行駛是一個合理策略［5］，但實際道路會存在微小坡度，因此將坡度為-0.5%～0.5%的道路均定義為平路。車輛在平路上行駛時采用定速巡航策略，如圖6所示。策略模型根據坡度、加速度變化引起的功率需求變化實時修正。

圖6 平路控制策略模型

2.2 下坡控制策略

為最大化地利用整車重力勢能和動能，在下坡初始階段整車進行空檔滑行，當車速達到設定閾值時，將整車切換至帶檔滑行，利用發動機制動或使用機械制動以避免超速，下坡控制策略模型如圖7所示。

圖7 下坡控制策略模型

2.3 上坡控制策略

上坡控制策略與定速巡航類似，其在定速巡航的基礎上增加了道路坡度判斷，在不需要降檔的前提下，根據不同的道路坡度設定分段的巡航車速。

3 整車仿真模型

3.1 整車模型

利用AVL-Cruise軟件對該款長途高效牽引車進行建模，如圖8 所示。由圖8 可看出通過Matlab dll模塊引入Simulink搭建的PCC策略。

圖8 牽引車整車模型

3.2 運行工況

為準確地在PCC策略模型中輸入坡度信息，對汽車行駛工況進行采集統計，形成的里程與坡度的二維分布如圖9所示。

圖9 里程與坡度的二維分布

4 仿真與實測結果分析

4.1 仿真分析

仿真行駛里程為712.3 km，PCC策略與定速巡航策略的仿真結果對比見表1。由表1可知，相較于定速巡航，在PCC策略下燃油耗下降11.57%，所耗時間僅增加27 min。

表1 PCC策略與定速巡航的仿真結果對比

采用PCC策略后，發動機負荷率明顯降低，發動機整體功耗減小。爬坡車速降低避免了降檔增速，充分利用了大排量柴油機低轉扭矩大的特性，而定速巡航在上坡時為保持預設的車速，需要降檔來提升轉速，在PCC策略和定速巡航策略下發動機運行工況分別如圖10和圖11所示，其中發動機工況點內數值代表在該工況點運行的占比。

圖10 PCC策略下發動機的運行工況

圖11 定速巡航策略下發動機的運行工況

采用PCC 策略后，整車車速隨坡度發生變化，下坡時車速增加，這為平路行駛或沖坡積累了動能，上坡時車速降低，以節省能量，其中某一段里程的車速和道路海拔高度變化如圖12所示。

圖12 仿真車速與海拔高度的關系

4.2 實車測試

在同配置牽引車上配置PCC系統，選取上海周邊一段長為44 km的高速作為測試路段，如圖13所示。該路段的坡道信息可通過車輛信息采集工具獲得，并載入測試車輛的巡航系統中。

圖13 實車測試線路

實車在PCC策略與定速巡航策略下的百公里燃油耗對比見表2。采用PCC 策略后，燃油耗降低6.8%，所耗時間僅增加1.4 min。

表2 在PCC策略與定速巡航策略下的百公里燃油耗對比

測試車輛的車速隨海拔高度的變化如圖14 所示。由圖14可以看出：海拔高度上升即上坡時車速下降，海拔高度降低即下坡時車速升高，海拔高度平緩即平路時整車維持相對穩定的車速，其中車速急劇減小是由于前方有低速車輛，人為干預制動避讓。

5 結論

通過對優秀駕駛員駕駛行為的研究分析，設計出高速牽引車PCC策略，并進行模型仿真和實車測試，得出如下結論：

（1）根據優秀駕駛員駕駛行為設計的預見性巡航策略在Cruise軟件中對車速的控制與預期相符。

（2）使用帶坡度信息的實際路譜來對比PCC策略和定速巡航策略的燃油耗，在時效性相近的情況下，PCC策略可節油11.57%。

（3）在上海周邊高速上進行實車測試，與定速巡航相比，長途高速牽引車在PCC 策略下可節油6.8%。