一种商用车预见性节油巡航系统的开发及应用

彭宏伟，刘冬东

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

当前，我国的电商行业发展迅猛，带动了整体物流运输行业的爆发式增长，据中国物流与采购联合会测算，2020年国内A级资质的物流企业共6 898家，累计物流业总收入达到10.5万亿。但是随着油价的不断上涨和行业间激烈的竞争，物流企业的经营利润却不断被压缩，这就迫使客户对运输车辆的燃油经济性要求越来越高，如何节油也成为各大商用车主机厂开展技术研究的重点内容。

近年来，基于传统燃油车的节油技术研究，主要落脚点集中在车辆硬件优化和主观驾驶行为提醒两大方面。硬件优化设计常用的技术包括匹配燃油经济性更优的发动机、根据使用场景设计选取更优的传动比、车辆底盘轻量化设计等。这些技术的关注点都在车辆硬件本身，现阶段已经遇到了技术发展的瓶颈。另外一方面，在主观驾驶行为提醒上，可以通过对驾驶员的驾驶行为进行综合评价，以打分的形式提醒驾驶员培养良好的开车习惯，但是该技术仅限于行为评价，无法替代驾驶员的主观驾驶行为，并不能达成高效的节油效果。为了解决驾驶员驾驶经验不足导致的油耗浪费，近年来国外出现了一种主观预见性节油巡航技术（Predictive Cruise Control, PCC）。本文以预见性节油巡航技术基本逻辑原理为基础，采用多系统集成调用的设计理念，针对高速物流运输车辆开发了预见性巡航系统，并基于实际道路验证其节油效果。

1 预见性巡航系统开发

1.1 应用现状

欧洲早在2012年就开始进行相关技术的研发工作，斯堪尼亚在2012年就推出主动预见性（Active Prediction）巡航控制系统，并在2015年进行了升级优化。该系统使用全球定位系统（Global Positioning System, GPS）确定车辆位置和预测前方道路地形，在进入上坡或下坡路段前，可对巡航速度进行调节，在整个行驶过程中可节省高达3%的燃油。2015年，沃尔沃在新款FH车型上应用了一种新型的、更加智能化的I-See系统，在丘陵或者山坡道路行驶时，车上的I-See系统可以获得最新的道路地形信息，能够自动在山坡道路上换挡、加速和进行发动机制动，最大程度提高燃油经济性，据测算长途运输路段可以节约燃油约4%。2018年，奔驰发布了新一代Actros车型，其上搭载了全新的预见性动力总成控制系统（Predictive Powertrain Control, PPC），该系统优化了驾驶风格，主要目的是避免不必要的制动、加速或换挡，并尽可能提高燃油效率。经过运营测试，与上一代车型相比，新Actros在高速公路上的燃油消耗量减少了3%。

除了一些大型的整车生产企业之外，一级供应商威伯科也在2015年发布了一款面向卡车与客车的预见性电子巡航控制系统OptiPaceTM，该系统采用车载数字地图技术和专用算法，根据前方道路的地形特征预测并规划最经济的路线，还能够和威伯科的自适应巡航控制系统融合成为一体，既能显著地节约燃油，又能减少行车过程中的多余制动操作，减少摩擦片磨损，提升行车安全性。

综上所述，最早从2012年起，欧洲主流商用车公司均研发并应用了预见性节油巡航技术，虽然对外发布的控制系统名称各不相同，但是其技术本质是相同的，都是采用地图获取前方路况信息，综合决策后执行车速控制，达到节油的目的，且均已实现量产。

国内的商用车公司在预见性巡航技术研究方面起步相对较晚，普遍都是近两年才开展这方面技术的研发，见诸报道的企业主要集中在商用车的头部公司和地图厂商。

1.2 技术原理

预见性节油巡航技术是使用车载终端GPS定位和内置自动驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System, ADAS）地图抓取前方道路的坡度和曲率等基本信息，再结合车辆当前行驶速度来综合规划前方行驶路径，其技术原理如图1所示。在进入上坡时，系统会结合规划的行驶路径提前给车辆加速，避免在爬坡时踩油门或者换挡，造成燃油和时间的浪费。在车辆即将上到坡顶的时候，系统会适当降低设置车速，充分利用车辆加速的惯性实现冲顶。在快要下坡前，系统会提前松开油门，充分利用车辆的动力和重力势能，在下坡时“免费”获得较大的速度。如此往复，与定速巡航相比，预见性巡航可以实现更优的节油效果。

1.3 系统组成

本文开发的预见性巡航系统由主控模块、集成ADAS地图的车载终端、发动机、变速箱、制动系统、仪表和开关等单元组成，其系统构成如图2所示。

1.4 功能开发

本文提出的预见性巡航系统从软硬件选型设计和整车匹配开发测试方面考虑，在确保系统功能可靠的前提下，最大程度上提升系统的节油效果。系统的功能开发涉及如下内容：

1.模块开发

目前主流的开发方案有两种，其一是开发独立的控制单元，其二是利用发动机电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）进行功能集成。独立控制单元具有较高的扩展性，通过植入自主节油算法，可以调动整车动力链上的各项功能，包括变速箱和制动系统，具备较高的可移植性，但是需要与不同的发动机进行适配测试，后期测试工作量较大。发动机ECU功能集成的开发工作量相对较小，节油逻辑集成在发动机ECU中，无需大量的测试验证。本文介绍的预见性巡航系统采用独立的控制单元进行系统开发和测试。

2.车载终端开发（集成ADAS地图）

以软件开发工具包（Software Development Kit,SDK）的形式将ADAS地图包集成到车载终端T-BOX控制器中，并在T-BOX控制器硬件上增加IMU惯导模块，提升定位精度，满足系统对节油路径规划的各项性能需求。车载终端开发过程中，各功能模块之间的信号交互关系如图3所示。

3.动力系统优化匹配

预见性节油巡航系统除了需要动态调整发动机的运行状态外，还需对变速箱和制动系统进行动态控制。为实现更好的节油效果，需要对变速箱进行总线控制，包括挡位切换和空挡滑行控制，需要对制动系统进行控制，确保车辆处于合理的车速调节范围内。

4.车身系统优化开发

优化整车控制器局域网（Controller Area Network, CAN）报文信号路由方案，将预见性节油巡航系统输入输出的信号重新分配，同时开发总线开关，新增预见性巡航退出开关，用于紧急情况下的功能退出，确保系统安全运行。

5.人机交互（Human Machine Interface, HMI）设计

基于整车数字化仪表设计全新的交互界面，增加预见性巡航设置界面，包括功能激活、关闭和速度限值调节等功能设置。同时，系统功能生效时，可以给用户指示工作状态和前方行驶路径规划信息，使驾驶员可以更加便捷地使用该系统。整车数字化仪表需包含的交互模块及对应的界面统计如表1所示。

2 实车测试验证与结果

为验证按照上述方案开发的预见性节油巡航系统的功能实现，在某型重卡牵引车上进行系统加装和道路验证。系统设置对前方2 km道路进行动态规划，并通过多轮次的实际道路测试，充分验证该系统的节油效果。

2.1 测试概述

按照面向高速物流运输行业的既定目标，本次预见性巡航系统的实车道路测试主要选定的测试路段为高速公路，具体按照行驶速度、坡度要求及装载情况等因素，路况要求如下：

（1）全程路段坡度变化大，推荐平均坡度3%～7%；

（2）弯道半径大；

（3）路程中存在多个出入口匝道；

（4）路程中存在不小于500 m的隧道；

（5）单程距离不小于70 km，来回记为一次测试。

标定车辆载重要求为一台挂车满载标定，车辆试验前完成2 500 km磨合试验。尽可能保证试验过程车辆不因故障原因而影响标定进度。标定过程资源需求，挂车选用9.6 m短挂，更适用于山路多弯路况，行驶过程更安全。整个试验周期约7天。按照试验安排和当地道路情况，每天试验1到2次。

2.2 测试路线

试验过程路线设定为G3京台高速屯溪—青阳路段，单程约113 km，多为环山公路，弯道多，坡道长，坡度在±6%以内，满足测试路况的要求。路线起点为黄山屯溪国际机场高速入口，终点为沙济高速出口。

2.3 测试车辆

参与道路测试车辆需具备如下技术状态：

（1）发动机：按照系统方案要求，开通ECU的预见性巡航控制功能；

（2）变速箱及缓速器：变速箱及缓速器程序匹配车型及发动机技术状态，系统无故障；

（3）制动系统：制动系统匹配整车技术状态，系统无故障；

（4）车载终端：按照系统方案要求，T-BOX集成eHP和ADAS地图，可按协议要求与ECU握手，并基于实车定位完成前方行驶路径的动态规划；

（5）车辆结构、线束无动态干涉，车辆运行良好。

具体车辆相关参数要求如表2所示。

2.4 性能验证

在上述选定的测试路段，采用符合选型要求的车辆，进行多轮次的道路测试，基于发动机的燃油经济性的工作转速分布如图4和图5所示，从图中可以看出，与普通的定速巡航相比，预见

性巡航的发动机转速/扭矩分布点更加集中，经济性负荷占比较高，燃油经济性也更好。

通过记录车辆发动机ECU发出的累计喷油量，可以统计出完整测试过程中定速巡航和预见性巡航的百公里油耗数值，具体油耗数据对比如图6所示，平均车速对比如图7所示。通过记录的数据可以清晰地看出，在选定的高速测试路段上进行巡航行驶，定速巡航平均油耗为31.98 L/100 km，预见性巡航平均油耗为30.75 L/100 km，比定速巡航平均节油1.23 L。测试路段最低节油率2.93%，最高节油率4.26%，平均节油率在3.85%。

但是由于预见性巡航对车速的主动控制调节，对测试全程的平均车速略有影响，与定速巡航相比，全程平均车速低2%～4%。

3 结论

以重卡6×4牵引车做为试验车辆，匹配预见性巡航控制系统，通过车载终端集成eHP和ADAS地图，实现对车辆前方2 km道路的动态规划，并主动调节车辆的高速巡航车速，与普通定速巡航相比，可以显著提升节油效果。经过实际道路测试验证，形成主要结论如下：

在地势起伏较为明显的路段，相比于定速巡航，预见性巡航可以降低油耗3%～4%。对于高速物流车辆，使用巡航频率和里程均较高。单台车以年行驶里程30万公里、平均油耗32 L/100 km，节油效果按4%，巡航使用率80%计算，单车一年预计可以节油3 072 L，节约成本2.15万左右，车辆在5年生命周期内累计可以节约成本大于10万。由此可见，预见性巡航技术是高速物流运输的商用车实现节油的有效手段。

由于预见性巡航控制系统对车辆巡航车速的主动调节，与定速巡航相比，平均车速会有3%～4%的降低，但是平均车速也达到80 km/h左右，对物流的时效性影响微弱。