一种实现换档提醒功能的控制策略

王业庆 黄柳升 任强

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

2021年中国汽车保有量达3.02 亿辆，其中传统燃油车占比达97.4%。年消耗燃料4500 万吨以上，CO 排放量超8000 万吨，氮氧化合物排放量超900 万吨，国家要求在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，对传统传统燃油车的油耗，排放要求越来越高，迫使各主机厂对各种节油措施进行研究。该换档提醒功能让驾驶员容易接受，对降低油耗效果明显。

该控制策略无需在换档手柄上增加档位传感器，档位信息根据传动系统速比通过计算得到。根据驾驶员驾驶动作和当前车辆信息，结合发动机特性，进行换档提示，从而让车辆工作在经济区间，降低油耗，培养驾驶员的驾驶习惯。该功能只起到辅助提示功能，并不会干扰发动机及车辆的运行状态。

2 换档提醒功能系统原理图

换档提醒功能的实现，需要在仪表上显示当前档位、升档提醒标志、降档提醒标志，发动机控制模块（ECM）根据当前发动机转速、车辆速度、驾驶员是否踩油门踏板，是否挂空档，是否踩离合踏板等输入，通过计算来确定当前工况最佳的档位，并将目标档位通过CAN 网络输出给仪表，控制仪表显示当前档位，显示升档提醒加当前档位，或者显示降档提醒加当前档位。具体原理见换档提醒功能系统原理图（如图1）。

图1 换档提醒功能系统原理图

当前档位通过当前车速和发动机转速结合传动链速比计算得到。升档提醒根据当前档位，油门开度、车辆速度、发动机和转速，整车参数，变速箱速比和主减速比（如表1），发动机油耗万有特性（如图2），结合当前坡度、海拔等因素，确定当前工况最经济的档位，并点亮升档提醒标志。降档提醒根据当前档位，油门开度、车辆速度、发动机和转速，发动机油耗万有特性，发动机油耗万有特性，整车参数，结合当前坡度、海拔等因素，确定当前工况最经济的档位，并点亮降档提醒标志。降档提醒主要考虑高档位，低车辆速度导致车辆熄火进而影响驾驶安全情况。

图2 发动机油耗万有特性

表1 某车型各档位速比和主减速比

3 换档提醒功能控制策略

3.1 换档提醒功能逻辑

换档提醒功能实现的核心是换档提醒功能系统控制逻辑（如图3）。该逻辑主要涉及4 个模块：当前实际档位计算，目标档位计算，坡道修正计算，海拔修正计算，该控制逻辑直接决定了软件架构。

图3 换档提醒功能系统逻辑

3.2 实际档位功能的控制逻辑

实际档位计算根据发动机转速和车辆速度的比值与各档位下的实际速比进行比对得到。档位信号可以用车速和发动机转速的比值来表征，该值反映了不同档位下的车辆变速系统速比、驱动系统以及轮胎直径等的关系。在档位一定时，不同的车速下该比值会在一个很小的区域内波动。

离合器断开时，传动链断开，空档位置开关发出模拟信号，软件控制逻辑判断此时为空档，不再进行档位计算和档位信息发出。软件采用滤波等控制手段，通过精细标定可以防止在颠簸路面、坏路等工况出现档位跳变。

3.3 目标档位的控制逻辑

目标档位的控制逻辑是功能实现的核心，用于计算目标档位和换档状态：未踩下离合踏板时，目标档位等于当前实际档位；踩下离合踏板，并且踩刹车时的减速度大于一个阀值时，说明是在一个深踩离合大力刹车的过程，此时传动链完全脱开，实际档位应该为空档，目标档位接受比之前实际档位小的档位信号；当松开离合空档位置传感器状态为“true”，说明目前处于空档，此时将屏蔽换档指示功能。

根据车辆特性并接合发动机万有特性可知，为了“节油”各档位均需要及时升档、降档，通过理论计算得到各档位的初步的升档线和降档线，实际升降档线的确定具有很大的灵活性，需要ECM 标定工程师在实际驾驶过程中结合车况、实际工况进行驾驶性调整，且换档提示功能为辅助性功能，经济性换档最终决定于驾驶员。基本原则是：各油门下的换档车速建议比正常驾驶的换档车速略低，即为了经济性需要稍提前升档，但不至过分影响动力性。各个档位下，带档滑行至开始抖动，以抖动时刻的车速为基准，加上一定的安全冗余车速，作为降挡车速。因此，各档位换档线设置的合理性需要根据转毂试验和实际道路试验进行标定检查后确定各个档位的升档线和降档线（如表2）。

表2 某车型各档位的升档线和降档线

为了保证车辆正常行使过程中不存在频繁指示和指示过程中异常消除的可能性，引入升档迟滞车速、降档迟滞车速、目标档位滤波来进行控制。

当车辆速度达到或者大于升档目标车速时，升档提示标志位置“ture”，升档提醒指示灯亮；当实际车辆速度在升档线附件波动时，升档提醒指示灯继续点亮；当实际车速小于升档车速-迟滞车速时，升档指示灯熄灭。详见升档提示车速迟滞控制示意图（如图4）。

图4 升档提示车速迟滞控制示意图

当车辆速度降到或者小于降档目标车速时，降档提示标志位置“ture”，降档提醒指示灯亮；当实际车辆速度在降档线附件波动时，降档提醒指示灯继续点亮；当实际车速大于升档车速＋迟滞车速时，升档指示灯熄灭。详见降档提示车速迟滞示控制示意图（如图5）。

图5 降档提示车速迟滞控制示意图

目标档位滤波用于换档状态判别的目标档位合理性、有效性。在驾驶员急踩下油门加速，或者已经松开油门及踩下离合器等情况下，目标档位不进行更新操作，仍保持上一有效的档位值，防止由于驾驶工况的突变引发的频繁指示或者非正常指示。以下条件满足时才进行目标档位更新：目标档位变化且保持时间大于某个固定时间；目标档位更新时间大于某个固定时间；不处于换档过程或猛踩油门工况且换档指示使能；换档过程恢复的下降沿且换档指示使能；时间需要标定检查后确定。

3.4 换档状态控制逻辑

升档指示部分的置位与退出条件：仅会在踩油门、松开离合、在档且不是倒档的情况下才会置位。此外在加速度过低的情况下不会提示升档，原因为一旦升档会导致动力性变弱，会使加速度更低。以下条件只要满足一个，升档指示就会退出：升档操作结束，踩下了离合超过一定时间，目标档位低于当前档位，目标档位不再高于当前档位。

降档指示部分的置位与退出条件：只有当不踩离合、不在换档过程中、加速度小于一定的阀值、在档且不是空档的情况下才可能会进行降挡提示。当以下条件有一个满足时，可以退出降挡提示：降挡操作已经完成，踩下离合超过一定的时间，目标档位高于当前档位，目标档位不再低于当前档位。

3.5 坡道修正计算及控制策略

汽车行驶的动力学方程如下：

式中：F为车辆驱动力，F为车辆行驶的滚动阻力，F为坡道阻力，F为车辆行驶的风阻，F车辆加速阻力。

式中：T为离合器端扭矩，为驱动轮半径，ig 为当前档位的速比，为主减速比，η为当前档位下的传动效率，为车辆的重力，为滚动阻力系数，为坡度，C为风阻系数，为汽车迎风投影面积，为车速，为旋转质量转换系数，为车辆质量。据汽车行驶的动力学方程得到车辆行驶的坡道阻力计算方程如下：

根据以上表达式可计算出车辆的坡道阻力，并对其进行滤波处理，得到滤波后的坡道阻力用于后续档位线修正。

坡道修正主要通过计算坡道阻力的档位线修正系数。在坡道阻力增加或者减少时，分别选择不同的滤波系数，滤波后得到坡道阻力再根据不同档位下坡道阻力特性进行差值与限幅计算，得到各个档位下的坡道档位线修正系数。

坡道修正判断的的条件有：车速与允许换档提醒的最小阀值比较，当前档位状态，制动踏板是否踩下，离合踏板是否踩下，以上状态持续时间，是否存在故障等。

3.6 海拔修正计算及控制策略

当车辆在高原行驶时，由于气压偏低进气量较少，动力性下降，引入海拔修正可以根据当前加速踏板开度大小及海拔修正系数，适当增加各档位的升档、降档档位线车速阀值，以保证车辆在高原行驶的动力性要求。

通过海拔查询对应MAP 得到档位线海拔修正系数，通过踏板开度查询对应MAP 得到基本海拔修正车速。档位线海拔修正系数与对应加速踏板开度MAP 下的基本海拔修正车速相乘获得各个档位下最终的档位线修正量。

选择不同的海拔点对应不同修正量，海拔越高该值越大，实际标定检查过程中可以先预设，再根据实际动力性表现进行调整。

4 换档提醒功能实施的效果

4.1 在WLTC 循环中的节油效果

通过计算发现，需要对WLTC 中换档时机进行优化，并将优化前、后的换档点进行验证（如表3），对比验证要求车辆为同一台车，试验操作人员相同，试验标定转毂相同，然后优化控制软件中的换档线。

表3 WLTC循环中换档提醒功能优化前后对比

4.2 道路试验有较好的动力和节油表现

经过夏季、高原等道路试验，驾驶员能够很快熟悉该换档提醒功能，能让新手司机快速养成良好的驾驶习惯，按换档提醒进行操作，动力表现得到提升，节油效果显著。

5 结语

该换档提醒功能通过在转毂和道路上的标定检查及验证，可以让新手司机快速养成良好的驾驶习惯，司机按换档提醒进行及时升、降档操作，油耗可降2%。