純電動教練車模擬燃油車的控制策略分析與實現

童維勇， 陳興釗

（深圳市英威騰電動汽車驅動技術有限公司， 廣東 深圳 518106）

目前，純電動汽車的能耗效率遠高于燃油車，燃油車的發動機效率在低速低扭矩的工況下很低，一般達不到20%，在全工況下最高也只能達到40%左右；而電動汽車的電機效率在90%工況下都能達到70%以上，最高能達到96%左右。對于教練車來說，絕大多數情況下是運轉在低速低扭矩的工況下，因此傳統燃油教練車因發動機效率較低導致油耗較大，且此時發動機的排放也較差，尾氣污染較大；而采用電動汽車作為教練車，則能節省大量的燃油費用，同時消除汽車尾氣污染。

對于自動擋教練車來說，電動汽車相較于自動擋燃油車基本可實現無縫切換，操控方式沒有特別大的改變，松開制動踏板蠕行起步、踩加速踏板加速、踩制動踏板減速停車；但電動汽車相較于手動擋燃油車的區別較大，主要區別在于手動擋燃油車在操控不當的情況下會引起抖動頓挫、熄火。

目前已有一些電動教練車，采用單獨設計的整車控制器［1-4］，雖實現了模擬手動擋燃油車的部分操控特性［5］，但是會增加硬件成本。這篇文章研究的純電動教練車是指使用符合純電動車國家標準的電機、電機控制器、整車控制器，通過分析燃油車操控特點，采用純軟件控制策略來實現純電動教練車對燃油車操控特性的模擬。

1 模擬燃油車操控要求

1.1 手動擋燃油車操控特點

手動擋燃油車怠速時，是以發動機轉速為目標，調整進氣量、噴油量來保持發動機轉速穩定。由于發動機的做功本來就是不連續的，轉速越低各氣缸的做功間隔時間越長，表現出來就是轉速越低動力平順性下降、抖動越明顯；由于一般發動機的動力響應速率有限，在負載突然加大時，轉速調整沒跟上，轉速下降較多，發動機控制單元為了不讓發動機熄火丟失動力，會間歇性增大噴油量和進氣量，這時又會加大轉速低的頓挫。

手動擋燃油車操控不當導致抖動、頓挫、熄火的情況一般有以下幾種情況。

1） 掛擋松離合起步時，過快松離合，發動機動力輸出滯后，轉速迅速被拉低，然后抖動，發動機要防熄火，頓挫；若負載太大，導致轉速無法及時上升，或者轉速直接被拉到太低，則熄火。

2） 升擋時車速過低，導致換擋松離合后發動機轉速被拉得太低，抖動頓挫，轉速被拉低得太多則熄火。

3） 怠速行駛，怠速動力輸出不足或阻力過大，轉速被拉低，頓挫行駛，之后熄火。

在作為教練車使用時，最需要的是起步時過快松離合會熄火、坡道上起步在半聯動時會抖動、起步松離合時未及時松手制動和制動會憋熄火、升擋時車速太低會頓挫抖動。

1.2 自動擋燃油車操控特點

當前的純電動車跟自動擋燃油車在操控上差別不大，只是電動車的噪聲更小、更平順，其中較重要的一點是科目二中一般要求不踩加速踏板自動上坡，對于沒有電子駐車、坡道輔助的車來說，自動擋燃油車主要是用到了液力變矩器的特性來完成小坡度不后溜自動上小坡，純電動車則可調整蠕行扭矩達到相同的效果。

這篇文章主要研究手動擋燃油車操控特性的模擬。

2 模擬燃油車操控特性控制策略

對于純電動車來說，電機能在全轉速范圍內轉速輸出扭矩，不存在怠速轉速和熄火這兩個特點，并且扭矩控制更精細，平順性更好，因此電動車要替代手動擋燃油車作為教練車，需要在控制上做一些特殊處理策略，來模擬手動擋燃油車的怠速、抖動、熄火特性，在合適的時機抖動、熄火。

手動擋純電動教練車的系統配置如下：在手動擋燃油車的基礎上，把發動機更換成電機，去掉發動機ECU，保留離合器和變速器，油門踏板、制動踏板、離合踏板無需改變，由整車控制器（VCU） 采集擋位狀態、油門踏板行程、制動踏板開關狀態、離合踏板狀態，并且整車控制器與電機控制器 （MCU）、制動防抱死系統 （ABS） 進行通信，MCU反饋電機轉速、電機扭矩信號，ABS反饋車速信號。MCU可以通過扭矩模式或轉速模式控制，由VCU發送的控制模式信號進行切換。當VCU發送的控制模式為扭矩模式時，MCU根據VCU發送的扭矩指令信號控制電機輸出扭矩，轉速則自由變化。當VCU發送的控制模式為轉速模式時，MCU進入速度環控制，根據VCU發送的轉速指令信號控制電機運轉到相應轉速，MCU自動調節輸出的扭矩。另外，使用轉速模式控制，可以讓讓怠速控制和熄火判斷分離處理，MCU通過速度環控制電機轉速，VCU通過MCU反饋的電機扭矩、電機轉速來判斷是否需要進行抖動或熄火處理。而離合踏板狀態，可以是帶行程傳感器的模擬量，也可以是像制動一樣的只有開關量。

2.1 怠速模擬

怠速模擬可以使用扭矩模式和轉速模式，如若使用扭矩模式，則VCU需設置PID控制程序，或設置一個較大的怠速查表，以使電機模擬發動機的怠速特性運轉到怠速轉速并穩定在怠速轉速附近，標定較繁瑣耗時；若使用轉速模式，則可直接使用MCU自身的速度環控制，不需要VCU額外控制電機的扭矩，調試標定較簡單。

純電動教練車車輛的鑰匙擰到Start擋后，在電機靜止狀態下，VCU將控制模式由待機切換成轉速模式，并發送轉速指令，讓MCU控制電機運轉到怠速轉速。起動時的轉速指令的值給定可以有多種模式，根據電機轉速模式的響應特性和需要的起動體驗，選取某一種轉速指令變化模式。如需要盡可能快起動到怠速轉速，可以選擇轉速指令由0直接跳變到怠速轉速，起動的沖擊一般；如需要盡快起動到怠速轉速且要有像傳統燃油車一樣的起動沖擊，選擇轉速指令由0直接跳變到怠速轉速以上的某一值后再跳變到怠速轉速值，就可以制造較強烈的起動沖擊和較大的電機加速聲；如需要較平穩地起動，則選擇轉速指令由0逐步增加到怠速轉速；如需要起動較平穩但又有一定的電機加速聲音，則選擇轉速指令由0逐步增加到怠速轉速以上的某一值后再下降到怠速轉速值。

當電機轉速低于怠速轉速時，VCU的轉速指令大于電機轉速，MCU則控制電機加速到對應轉速指令，轉速指令與電機轉速差值越大，MCU控制電機輸出的扭矩越大；另外，轉速指令的變化速率越大，電機輸出的扭矩也越大。可限制轉速指令與電機轉速的差值和轉速指令的變化步長，具體如下： （電機轉速-ΔSpdLowLimit） ≤轉速指令≤（電機轉速+ΔSpdUpLimit），此處的電機轉速是指MCU反饋的電機轉速實時值，ΔSpdLowLimit和ΔSpdUpLimit分別指電機轉速指令變化的上下限。升速時轉速指令按照步長ΔSpdUpStep增大，當轉速指令增加到（電機轉速+ΔSpdUpLimit） 時停止增大，等待電機轉速調整上來，防止電機輸出扭矩過大導致車輛加速太快，造成動力輸出突兀。ΔSpdUpLimit、ΔSpdUpStep的值越大，轉速變化得就越快。

當電機轉速大于怠速轉速時，需要切斷動力輸出讓電機轉速自由下降到怠速轉速，或者模擬發動機的阻力主動減速。切斷動力輸出的方法是，VCU將控制模式切換成待機或者扭矩模式，同時將扭矩指令置為0；主動減速的方法是，VCU保持轉速模式，轉速指令小于電機轉速，轉速指令按照步長ΔSpdDownStep減小，MCU即控制電機回饋發電消耗車輛動能來主動減速，當轉速指令減小到 （電機轉速-ΔSpdLowLimit） 時停止減小，等待電機轉速調整下來，防止電機主動減速太快導致車輛減速過快，造成突然制動。ΔSpdLowLimit、ΔSpdDownStep的值越大，轉速下降得越快。起動到怠速、穩定在怠速轉速、怠速起步示意圖如圖1所示。

圖1 起動、 穩定怠速、 怠速起步示意圖

由于轉速模式下的電機輸出扭矩不是VCU自主控制，為了防止車輛電量較高時因為主動減速導致電池包過充電，需限定在當前電機轉速下，電池包允許充電功率所對應的回饋扭矩小于一定值時，VCU的轉速指令不能小于電機轉速。當需要減速到怠速轉速時，VCU控制MCU切換到待機模式或者扭矩模式，同時將扭矩指令置為0。而車輛電量較低時，防止電機消耗的功率超過電池包允許的放電功率造成過放電，需限定在當前電機轉速下，電池包允許放電功率所對應的驅動扭矩小于一定值時，VCU的轉速指令不能大于電機轉速，當需要加速到怠速轉速時，切換到待機模式或者扭矩模式，同時將扭矩指令置為0。

如果能夠較完整獲取所需模擬的燃油車的發動機的控制邏輯，并且電機性能滿足，則可讓MCU、VCU完全按照發動機的怠速特性來做控制。

2.2 怠速抖動模擬

離合踏板踩到底，將擋位掛入非空擋，緩慢松開離合踏板，當離合器接觸上時，負載才能通過離合器傳遞到電機，電機轉速下降，MCU根據轉速指令調整輸出扭矩，離合踏板松得越多，離合片之間可傳遞的扭矩越大，電機負載越大，電機轉速下降越多，輸出扭矩越大。若負載較大，則電機轉速會下降得越多，MCU控制電機輸出的扭矩越大。當電機轉速下降到一定閾值且電機扭矩上升到一定閾值時，若車速小于某一值，認為此時相當于發動機處于不穩定運行狀態，開始模擬抖動。在坡道起步時，駕駛員通過這個抖動感受，來確認離合的結合程度已經足夠傳遞動力了，再松開制動和手制動起步上坡。

轉速模式模擬抖動的控制方法如下。

1） 計算抖動做功的時間和不做功的時間。根據燃油車發動機的工作特性，轉速n （r／min） 時，可認為1s內發動機做功次數是（n×i1×i2）／240［6］，對于二沖程發動機，i1=2，四沖程發動機i1=1；i2表示氣缸數。目前較常用的汽車發動機四沖程4缸發動機，則i1=2，i2=4 。對于四沖程4缸發動機，近似認為在一個做功周期內，做功時間和不做功時間相等，則每次做功持續時間30／n （s）。模擬抖動做功時，VCU發送一個較大的轉速指令值，持續30／n （s），再發一個較小的轉速指令值，持續30／n （s）。這樣就可以模擬到發動機的抖動了。由于MCU、電機響應速度有限，可根據實車表現，適當調整系數30成其他值，假設做功階段持續時間是k1／n （s），不做功的持續時間是k2／n （s）。

2） 確定所發送的轉速指令值。根據實車情況和MCU響應情況，確定一個基礎的較大的轉速指令值n1和一個較小的轉速指令值n2，分別作為做功和非做功階段的基礎轉速指令。傳統燃油車在怠速負載較大時，如半坡起步，離合松得越多，車子會越抖，可對此進行模擬，方法如下：對一定時間內內MCU反饋的電機扭矩值求其驅動時的平均值Ta，Ta越大表明離合踏板松開得越多；用這個Ta通過一定的運算關系得到一個系數b （可根據測試情況限定此系數的最大值和最小值，可限定此系數不小于1），再把n3=n1×b作為新的較大轉速指令，n4=n1／b作為新的較小轉速指令。

3） 抖動往復模擬。滿足抖動條件后，轉速指令=n3持續k1／n （s），然后轉速指令=n4持續k2／n （s），如此往復。由電機間歇性的動力輸出，即可達到抖動效果。

4） 停止模擬抖動。當完成起步或者重新踩下離合踏板使離合器分離，則應停止抖動；通過判斷車速大于一定值（表明已經起步完成） 或者轉速大于一定值 （表明離合已分離或狀態已穩定），則停止模擬抖動。在此基礎上，可以根據實際駕駛需要，適當增加其他退出抖動條件，如松完離合踏板后一定時間、起步后抖動一定時間、抖動一定時間、掛入空擋等。1擋坡道起步抖動的模擬效果如圖2所示。

圖2 1擋坡道起步抖動模擬

除坡道起步抖動之外，使用相同的方法，在燃油車會抖動頓挫的其他工況下，也可以做抖動模擬，如怠速行駛時轉速過低抖動、熄火抖動等。

還可以使用扭矩模式來進行模擬抖動，VCU發送的扭矩指令信號可按照鋸齒形或方波形來回變化，來模擬抖動。由于MCU一般做有防抖策略，有可能抖動強度較小，只能聽到電機的來回加減速的聲音，但是也足夠分辨出來了。如果MCU取消防抖，能迅速響應VCU的扭矩指令，則也能做到較明顯抖動，但正常行駛時將有可能出現異常抖動不平順的問題；如果MCU廠家配合，則可進一步地，VCU發送一個抖動標志，MCU接收到此信號有效時取消防抖動功能，正常行駛則正常消抖，達到更好的駕駛體驗。

2.3 熄火特性模擬

燃油車發動機怠速運行時，當有較大的負載突然加載到發動機上，由于發動機怠速調節速度有限，會導致發動機轉速下降，當轉速下降到怠速以下一定閾值，發動機停止噴油點火，熄火。不同的發動機的熄火情況不同，一般低轉速動力越強的發動機，越不容易熄火。按照手動擋燃油車的駕駛習慣，熄火的情況總結如下。

1） 怠速時，掛進非空擋松離合起步，松離合過快，發動機動力輸出未及時跟上，導致轉速快速下降到某一值而熄火。

2） 怠速時，掛進非空擋松離合起步，緩慢松開離合，但負載太大，發動機動力輸出達到怠速的最大值了車輛仍然不能起步，車輛端將轉速拉低到某一值熄火。

3） 帶擋起動（未踩離合且擋位在非空擋起動），起動機拖動發動機起動失敗熄火。

4） 行駛中操作不當導致轉速過低（如車速較低就升擋、怠速行駛時帶擋踩制動），導致發動機憋熄火。

手動擋純電動教練車模擬熄火，即要識別出相同的工況下的相同操作，滿足其中一種情況時，停止動力輸出，并模擬一個抖動，盡量拉低轉速。如果儀表支持，則發一個熄火信號給儀表顯示以提示駕駛員。熄火后，重新擰鑰匙到Start擋才有動力輸出。

對于離合踏板有行程傳感器的純電動教練車，可以結合車速情況，判斷是否需要熄火。若松開離合踏板在離合半聯動之后且離合開度變化率較大，則認為屬于第1點的起步過快松離合熄火；若離合開度小于某一值后，車速仍然小于某一值，且電機轉速小于某一值，則認為此時是負載過大，屬于第2點熄火；若起動擰鑰匙時，離合開度小于一定值且擋位在非空擋，則認為需要起動失敗，為第3點帶擋起動；若離合完全結合行駛時，轉速小于某一值且持續一定時間，則認為屬于第4點操作不當導致發動機憋熄火。起步時松離合過快熄火如圖3所示。

圖3 起步松離合過快——離合帶行程

若離合踏板沒有行程傳感器，僅為開關量，則無法直接獲取離合是否松開過快、何時離合半聯動，需要通過其他方法來判斷。在離合分開和掛空擋時，電機的負載很小，在轉速模式下轉速和扭矩都是較穩定的；離合結合上之后，電機的負載加大，轉速下降，扭矩上升；若較慢松離合，則電機負載加載緩慢，則轉速下降較少，扭矩上升較慢；若較快松離合，電機負載加載更快，轉速下降更多，扭矩也上升到更大，并且轉速變化率、扭矩變化率也更大。由此，可通過電機的轉速變化率、電機扭矩變化率來確定是否松離合過快，通過電機扭矩“或／和”電機轉速來判斷半聯動的程度。電機轉速變化率、電機扭矩變化率的求取方法，需要根據MCU的轉速模式響應特性、離合開關特性來確定，較簡單的是求一段時間內電機轉速的變化量、電機扭矩的變化量，再結合其他的狀態，如車速是否小于一定值、制動或手制動是否有效、電機扭矩值的范圍、電機轉速值的范圍等來判斷是否需要熄火。離合踏板沒有行程傳感器，整車能節省一點成本，但是在軟件標定和驗證方面較耗時，需要各種工況反復測試所設置的參數和條件是否合適并逐漸調整。離合踏板無行程傳感器的起步過快松離合熄火如圖4所示。

圖4 起步松離合過快——離合不帶行程

3 結束語

手動擋純電動車模擬燃油車除了模擬常規的怠速抖動、操作不當熄火外，還可以利用電機實際不會熄火、動力輸出范圍廣的特性，通過一定的方法來降低起步時的轉速、扭矩，來減少離合磨損，對于教練車來說，這點也是很有意義的。在做好模擬怠速抖動、熄火后，手動擋純電動車完全可以替代傳統的燃油教練車，能幫助駕校、考場節省燃油和汽車保養費用，改善學車場所的空氣環境，具有較好的社會和經濟效益。