基于最優燃油經濟性換擋提醒裝置的研究

莫舒玥

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基于最優燃油經濟性換擋提醒裝置的研究

莫舒玥

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530021）

針對目前新手駕駛員和擋位較多的商用車，研究設計一套基于最優經濟性的升降擋提醒裝置，能夠實現在常規的駕駛過程中對駕駛員作出節能駕駛提醒，培養其良好的駕駛習慣，并節省油耗。

最優經濟性；升降擋提醒；單片機；擋位傳感器

1 研究背景

歐盟EC-65法規要求至2012年11月1日起整備質量2610kg以下的手動變速器車型，必須裝配換擋提醒。巴西相關法規也規定車型若采用換擋提醒裝置可在檢測機構百公里油耗測試結果上相應減去0.1L[1]。

本項目研究主要針對裝備了手動擋變速器的車型,特別針對的是新手駕駛員和擋位數較多的商用車(一般8個以上直接擋)。

對于新手駕駛，很難識別換擋時機，導致車輛油耗高，發動機積碳，損害發動機。

對于商用車，擋位數多，駕駛員容易出現低速高擋或高速低擋駕駛的情況，這極易造成動力性差且油耗高的不良現象。

因此設計一個能夠提醒駕駛員換擋時機的裝置。該裝置能夠識別車輛當前的擋位，并結合車況進行對比，找到燃油經濟性最佳的擋位，并提示駕駛員升擋或降擋操作，從而提高車輛的燃油經濟性。

2 基于經濟性的最優換擋規律原理

2.1 基于燃油經濟性換擋規律

設計的初衷是基于滿足燃油經濟性的基礎上在必要的時候確保足夠動力輸出。即在常規使用過程中應保證以經濟性考慮為換擋依據，但是當處于提速、超速、爬坡情況時，則保證足夠的動力輸出。

駕駛員的駕駛意圖通過踩油門踏板的程度進行區分,油門踏板踩下75%，判斷車輛為加速或爬坡等狀態，此時主要換擋邏輯為保證動力性輸出；油門踏板踩下小于75%，判斷車輛為正常行駛狀態或減速狀態，此時主要換擋邏輯為保證經濟性。

因此，為了確保其燃油經濟性，結合發動機轉速、車速、油門踏板開度等關鍵因素考慮確定換擋點的程序設計。基于燃油經濟性的換擋點的設定應遵循在滿足車輛輸出扭矩和換擋條件下盡量早升擋的原則，發動機轉速限值設定為1500 rpm ~2200 rpm；當油門踏板大于75%時，則是基于動力性為原則的換擋規律，換擋點的發動機的轉速限值設定為為2200 rpm到2800 rpm。

2.2 換擋控制系統邏輯

單片機控制模塊收集從車載診斷系統OBD接收的曲軸位置傳感器信號、節氣門位置傳感器信號、車速傳感器信號，同時接收擋位傳感器信號，電源模塊為單片機控制系統提供電源，單片機控制模塊將發動機轉速、油門開度、車速模擬信號處理對比換擋規律設定的理想擋位信息對比，作出升、降擋提示。具體控制邏輯如圖1所示。

圖1 升降擋提醒系統邏輯圖

在確保車輛動力的基礎上，為了獲得最佳的燃油經濟性，計算最佳的換擋點，并對比發動機轉速、車速和油門開度，進行升降擋提醒，輔助駕駛員進行升、降擋操作。

3 最優換擋提醒系統設計

最優換擋提醒系統包括擋位位置傳感器、STM32單片機、U8 CAN收發器，本系統程序通過車載診斷接頭0BD采集汽車擋位信號、發動機轉速信號、節氣門信號、車速信號進行綜合數據處理，從而判斷汽車當前運行狀況。

圖2為系統判斷和升降檔提醒控制邏輯圖，邏輯圖中：

V——車速，由車速傳感器獲得；

f——發動機轉速，由曲軸位置傳感器獲得；

k——車輛行駛時實際傳動比；K1、K2……為理論測到的車型每個擋位的傳動比，由查詢車輛發動機性能參數技術文件獲得；

n——實際傳動比所對應的擋位，n可以為n1、n2……；

D——通過位置角度傳感器判斷讀取的擋位信息。

車速大于5km/h，認為此時為離合器接合狀態，即車輛為正常帶擋行駛狀態，再進行K=f/v，即發動機轉速與車速的比等于傳動比。如果離合器為分離狀態，發動機與變速器的連接中斷，此時發動機轉速與車速無固定傳動比，因此系統不進行擋位識別及提醒。

升降擋提醒系統實時判斷車速是否大于5km/h，如果判斷為“Y”，根據實時讀取的曲軸位置傳感器信號和車速傳感器信號，得到發動機轉速和車速，通過K=f/v進行計算，判斷K值，與理論K1、K2……對比，如與K1相等，則判斷擋位n=n1。如果計算的n與讀取到的擋位相符，即n=D，則繼續判斷D處于哪個擋位，如果計算的n與讀取到的擋位不符，則返回K=f/v重新進行計算，判斷K值，與理論K1、K2……對比。

圖2 升降擋提醒邏輯判斷圖

當n=D，接著判斷油門開度是否大于75%，如果判斷為“Y”，則判斷是否f＞2500，如判斷為“Y”，則提示升擋。如判斷f＞2500為“N”，則判斷是否f＜2200，如判斷為“Y”，則提示降擋，如判斷既不是f＞2500，又不是 f＜2200，則判斷發動機轉速處于2500＞f＞2200，則無需提示換擋，保留原擋位；如果判斷油門開度小于75%，則繼續判斷發動機轉速，如果f≥2200，則提示升擋。如判斷f＜1500，則提示降擋，如判斷處于2200＞f＞1500，則無需提示換擋，保留原擋位。

如果V＞5km/h邏輯判斷為“N”，則車速小于5km/h，系統判斷車輛為起步狀態，此時應該處于1擋起步，由此判斷擋位是否小于2擋，如果小于2擋，則判斷為1擋，無需進行提醒，返回繼續實時進行判斷；如果大于2擋，則提醒降擋（判斷是否大于1擋起步，如果大于則提醒降擋至1擋起步），此時可能存在駕駛員用2擋以上擋位起步的情況，認為駕駛員誤操作，因此作出降擋的提示，并返回判斷直至擋位降為1擋起步。

系統進行升降檔判斷的車輛油門開度信號、發動機轉速信號、車速信號通過OBD- II接口進行數據采集，駕駛員操作的檔位信息通過檔位傳感器收集將數據傳輸到主控電路進行處理，通過圖2顯示的邏輯關系進行是否處于最優經濟性擋位，然后提示是否需要升降擋。

圖3為系統的主控制電路，核心為STM32單片機，負責檔桿x，y軸信號的采集，通過U8 CAN收發器，判斷實時擋位信息，并接收讀取到的汽車網絡中的發動機轉速，車速，油門開度信息，綜合后判定是否處于最優經濟擋位，并把理想擋位數據通過串口發送到擋位顯示器。

圖3 系統主控電路

但是如果識別到車輛在以下狀態，則系統將不再進行升降擋提示，例如：

（1）車速傳感器故障，無法識別車速；

（2）節氣門位置傳感器故障，無法識別節氣門開度；

（3）曲軸位置傳感器故障；

（4）開啟定速巡航功能，由ECU自動控制車速時；

（5）擋位處于倒擋時；

（6）擋位處于空擋滑行時；

（7）離合器處于分離狀態。

4 最優換擋提醒系統實驗驗證

裝機測試選擇了三臺家用轎車，駕駛員駕齡均為1年以內。主要通過對比新手駕駛以及安裝了最優經濟性換擋提醒裝置后對比油耗得出，兩種情況分別行駛1000公里，對比綜合油耗，下表為具體數據。

表1 加裝最優換擋提醒節油率

5 結束語

通過裝車實驗得知，最優經濟性換擋提醒裝置對于新手駕駛員確實能夠達到培養其良好駕駛習慣的作用，三個車型通過未安裝最優經濟性換擋提醒裝置前后的油耗對比均有一定的油耗下降，達到原定設計開發本裝置的目的，且本系統成本相當低廉，安裝也非常簡單，對于新手是不錯的選擇。

但是，實驗目前沒有商用車參與，因此沒有商用車的節油數據，之后會進一步在商用車上安裝實驗，獲得更多的實車試驗數據，進一步優化最優經濟性換擋提醒裝置的功能，并進行市場的推廣。

[1] 吳瓊,李衛兵,韓俊.換擋提示功能的匹配與標定技術研究[J].汽車工程.2016,38(11).1362-1367.

[2] 鮑宇.基于駕駛行為的綠色駕駛算法模型的研究[D].河北工業大學碩士學位論文[D].2015.04.

[3] 趙洪雪,王三峽.汽車智能換擋語音提示裝置[P].實用新型專利. 2011.10.

[4] 權香妮.手動擋汽車換擋提示控制邏輯的設計[J].汽車電器.2016. 07.37-41.

Research on shift warning device based on optimal fuel economy

Mo Shuyue

( Guangxi Vocational and Technical College of Communications, Guangxi Nanning 530023 )

aiming at the unskilled driver and the commercial vehicle with more transmission gear, a set of gear shifting prompt device based on the optimal economy is designed, which can realize the energy saving driving warning to the driver in the normal driving process. Cultivate good driving habits and save fuel consumption.

optimal economy;Shift prompt;singlechip;position sensor

U461.8

B

1671-7988(2018)21-155-03

U461.8

B

1671-7988(2018)21-155-03

莫舒玥，（1980.12-），廣西賀州，女，副教授，碩士，汽車運用技術。2017年度廣西高校中青年基礎能力提升項目：手動擋最佳換擋提示系統的研究與開發，項目編號：2017KY1101。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.053