電動汽車單踏板動力控制策略優化

徐明毅

（武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

汽車工業現正處于從傳統燃油車演變到新能源汽車的過渡階段，單踏板制動技術作為應用在純電動汽車上的新技術逐漸受到較多關注。單踏板制動技術通過將制動回收功能集成到加速踏板上，僅通過單踏板操作就可實現車輛的加速、減速和停車等車輛的狀態控制。單踏板制動技術不僅滿足了純電動汽車制動能量回收功能，同時也降低了制動踏板使用頻率，簡化了駕駛操作，已被較多汽車企業采用，目前已有寶馬i3、日產Leaf、雪佛蘭Bolt以及特斯拉Model Y等車型采用單踏板制動技術[1-3]。

但是現階段，采用單踏板技術的電動汽車并不是只有1個踏板，而是同時配備了剎車踏板，即仍需要剎車制動功能。雖然在正常駕駛情況下，單踏板足以完成大多數加速、減速操作，但在遇到緊急情況需要急剎時，駕駛者仍然需要剎車踏板來完成。因此，采用單踏板模式的電動汽車仍然屬于雙踏板車型，或者說，處于從雙踏板汽車轉變到單踏板汽車的過渡狀態。同時，單踏板模式也引起不少爭議，很多初次接觸單踏板模式的駕駛者無法很好適應這套操作習慣，動能回收較難精準掌握導致了車輛產生強烈頓挫感，有人甚至質疑單踏板駕駛會造成一定的安全風險。

本文嘗試分析現有單踏板模式的利弊，對改進動力控制及剎車操縱性能提出了優化思路和合理建議，以促進智能電動汽車的進一步發展。

2 現有單踏板模式的特點

傳統自動擋汽車的駕駛常采用雙踏板控制（手動擋車型會多一個離合器踏板）。制動踏板操縱制動力的大小主要用于減速、停車。加速踏板又稱油門踏板，主要控制發動機的動力輸出，用于車輛加速。二者功能相對單一且獨立，操縱邏輯十分清晰。但新手司機易于將油門當作剎車誤踩，從而出現交通事故。為安全起見，將2個踏板誤操作同時踩下時，操作邏輯是制動優先，此時能夠及時剎車。而如果剎車時誤踩油門，此時油門踏板的加速度往往遠高于正常被踩時的加速度，若在油門踏板處設置1個加速度傳感器，當油門踏板加速度大于設定值時，制動執行裝置即被啟動，使誤踩油門時會自動剎車[4-5]，但此類防誤踩裝置由于會增加費用，故還未被廣泛采用。

電動汽車為簡化操作引入了單踏板模式，它將加速和制動集成在一個裝置上，也就是說僅憑一個踏板基本就能控制加速和減速，這與傳統汽車的駕駛模式不同。單踏板模式充分利用了電動汽車基本不需要變速箱，僅憑高轉速、高扭矩的電機就能驅動車輛的特性。當駕駛者踩下油門踏板時，電機接收到加速指令，從而開始增強功率完成加速過程；而駕駛者松開油門踏板，電機則開始回收車輛動能，從而降低車速。單踏板模式不僅能夠通過能量回收機制大幅提升車輛的續航能力，還有效減少了制動觸發的次數和力度，降低了液壓制動的負擔，在一定程度上延長了制動系統的使用壽命。

根據結構和控制原理不同，再生制動有串聯式和并聯式之分[2]。串聯式再生制動的主要特點為優先產生再生制動轉矩，當再生制動轉矩不滿足制動需求時，不足部分由機械制動補充。而并聯式再生制動是再生制動轉矩和機械制動轉矩相互獨立，并將再生制動分為滑行回收和制動回收2個階段。車輛處于滑行回收階段時，只有再生制動轉矩；當制動踏板開度增加，進入制動回收模式，此時再生制動轉矩和機械制動轉矩共同起作用。從理論上看，串聯式再生制動使能量回收率高，但剎車控制弱，而并聯式再生制動剎車控制強，但能量回收率降低。若要兼顧能量回收率和剎車控制強度，可在車速較高時優先使用再生制動以回收能量，且隨著踏板行程逐步提高再生制動強度，在車速降到一定程度再生制動難以利用時，機械制動適時介入直至完全剎停。這種模式并非單純的串聯或并聯，而是混合制動模式，即串聯-并聯-串聯的模式，既能滿足剎車強度逐漸增大的需要，又能盡量回收能量。由于這種理想情況系統控制較為復雜，還需要在實踐中確定再生制動和機械制動的混合比例和介入時機，逐步調整優化。

現有的單踏板制動技術的控制原理如圖1所示。在某一車速下，加速踏板在滑行區間時，電機不輸出轉矩或輸出較小轉矩，此時車輛為滑行狀態。當加速踏板在滑行區間深踩踏板時，車輛進入驅動狀態，電機產生驅動轉矩使車輛加速。當松開加速踏板時，車輛進入制動回收區間，電機產生制動回收轉矩，車輛除受到滾動阻力和空氣阻力外，還受到電機制動阻力。

圖1 現有單踏板動力控制策略

駕駛者一旦熟悉了“單踏板”模式，在擁擠的城市路況下駕駛疲勞感將大大減小。此外，“松踏板即剎車”的特性可讓剎車介入時間早于傳統車輛，減少反應時間，提升行車安全性。在“單踏板”駕駛模式的普及過程中，盡管短期內會有一些不適應，但其最終目的是更加簡化的操作邏輯，讓駕控愈加輕松智能。這與“雙踏板”自動擋車型代替“三踏板”手動擋車型的經歷有些相似，因為智能化、簡約化的趨勢是不可逆轉的科技發展潮流。

但是現有電動汽車的單踏板模式仍然不夠完善。從表面上來看，單踏板模式確實是大幅減少了駕駛者在加速踏板和制動踏板之間來回切換的次數，但是對于沒有接觸過單踏板模式的駕駛者而言，踏板開度控制并不好把控。因此單踏板模式雖然在正常情況下足以完成大多數加速和減速的操作，但是在緊急情況下駕駛者依然需要踩下剎車踏板來完成緊急制動。從這個意義上說，現有的單踏板模式并不完整，還需要增加剎車踏板來實現完整功能，這也是現有電動汽車的真實選擇。

傳統燃油車沒有“松踏板即剎車”的能量回收概念，在駕駛傳統汽車遇到緊急情況時，駕駛者會潛意識地踩下剎車踏板，由此導致的一條安全原則，即駕駛者在不需要踩油門時將右腳放在剎車踏板上。這一原則不僅能夠讓駕駛者在緊急情況下能夠第一時間踩下剎車踏板，并且還能避免出現“油門當剎車”的誤操作。電動汽車的單踏板模式違背了這一條安全原則，容易引發安全問題。雖然單踏板模式也有剎車踏板，但在緊急情況下必須首先將腳從油門踏板切換到剎車踏板上，使動作復雜化了，從而失去了寶貴的制動時間。一個長期將腳放在一個踏板上的駕駛者，平時很少有“事故演習”的機會，在緊急情況下很容易直接踩下踏板，釀成“油門當剎車”的事故。從這個意義上來說，單踏板模式存在著安全隱患，在平時可將單踏板當作剎車使用，但在緊急情況下又不能當作完全的剎車使用，這增加了出現事故的可能性。

3 現有單踏板模式的改進

從以上分析可以看出，現有電動汽車的單踏板模式使駕駛操作更加便利，在將油門踏板改造為單踏板后，踩下踏板可以加速，松開踏板可進行再生制動減速，但緊急情況下駕駛員可能潛意識猛踩踏板意圖剎車，而此時反而為加速狀態，從而導致事故。綜合來看，現有的單踏板模式沒有實現完整功能，踩下是加速，放開是輕剎，急剎卻沒有，急剎還是要把腳切換到剎車踏板上，這不是完整的單踏板模式，會帶來突發切換失誤導致的事故隱患。

因此，現有的單踏板模式處于較為矛盾的狀態，要么重安全、輕舒適，這樣將不停在加速、剎車踏板之間切換，即為雙踏板的控制邏輯，發揮不出單踏板的便捷優勢，要么重舒適、輕安全，在遇到突發情況時，要完成抬腳、挪腳、踩下的連貫動作，增加了出錯概率。要化解安全性和舒適性之間的矛盾，需要轉變一下思路，即將現有的單踏板模式改造為在剎車踏板上實現。

遵循“安全第一，剎車優先”的原則，將單踏板模式合并到剎車踏板上，這樣輕踩踏板為輕剎，重踩踏板為急剎，松開踏板為加速，操作方向與現有的單踏板模式正好相反，優點是用單踏板實現了加減速的完整邏輯，可從操作原理上杜絕誤踩踏板導致加速的可能性，達到既操作簡便又安全可靠的目的。這樣定義的單踏板首先是剎車踏板，安全性得到滿足，由于無需挪腳，舒適性也得到了保證。

改進的單踏板動力控制策略如圖2（a）所示，踏板行程定義如圖2（b）所示。在某一車速下，單踏板在踏板行程中部的滑行區間時，電機不輸出轉矩或輸出較小轉矩，此時車輛為滑行狀態。通過滑行區間輕踩踏板時，車輛進入制動回收區間，電機產生制動回收轉矩，在進一步深踩踏板時，在能量再生制動的同時，機械制動介入，剎車強度繼續增大，直至車輛剎停。從剎停位置逐漸松開踏板時，由于車速為零，沒有再生制動，而機械制動逐漸減弱至零，踏板又回到中部位置，但由于踏板行程方向相反，此處設定為蠕行區間，電機輸出較小動力，使車輛進入蠕行狀態，此時若要剎停車輛，只需略微踩下踏板即可，這便于車輛在慢速狀態下的即時控制。從踏板中部位置繼續抬起，車輛進入驅動狀態，電機產生驅動轉矩使車輛加速。踏板松開越多，則動力輸出越大，但完全松開時，電機動力輸出停止，車輛保持滑行狀態。在踏板的加速區間，判斷踏板的行程方向，若從松開狀態轉變為踩下狀態，則動力輸出立即停止，即進入滑行狀態，此時車輛在滾動阻力和空氣阻力等作用下自然減速，該控制策略如圖2（a）所示。可以看到，結合踏板的行程區間和行程方向，可定義單踏板的動力控制邏輯，使加減速的操作幅度較小，減輕駕駛者的操作強度。

圖2 改進單踏板動力控制設計

以上單踏板動力控制改進方案雖然優點明顯，即控制邏輯完整，操作十分簡便，但也有不足：對操作的精細度要求提高，使用初期可能不太習慣。為了保持使用習慣以便自然過渡，可將原有的剎車踏板保留，而將油門踏板改造為剎車優先的改進單踏板模式，踩下為剎車，抬起為加速，并結合踏板行程方向進行智能判斷。在加速區間內抬起踏板為驅動，而反向操作不會發生作用，只使車輛保持滑行。為進一步增強安全性，還可將加速區間設置為遲滯區，即在該區間內短暫停留后才進行加速，而直接放開踏板，則快速通過該區，使車輛在踏板不受力時保持滑行。這樣提高驅動作用的難度，可滿足潛意識猛踩踏板即為剎車的安全優先準則。當然，要設計出符合人機工程學的單踏板操縱機構，達到智能判斷準確可靠，遲滯時間合理可行，反饋力度清晰可控[6]，還需要在實際應用中不斷優化。

從長遠來看，電動汽車的單踏板控制仍然是一個過渡方案，從三踏板（油門、剎車、離合）到雙踏板（油門、剎車），再到單踏板（油門剎車合二為一），直到全自動駕駛的無踏板、無方向盤，將隨著科技進步不斷演進。如2021-07-17，百度無人駕駛網約車在廣州黃埔區正式面向公眾全面開放，使廣州成為百度無人駕駛網約車在中國的第4個試運營城市，并計劃在未來3年內陸續擴展到30個城市，為共享出行提供應用典范?？梢灶A見，在智能技術加持下，汽車進化之路將不斷加速。

4 結論

電動汽車的單踏板模式將加速和制動合成在1個踏板上，提高了操作便利性，是汽車動力控制的發展方向，但現有的單踏板動力控制方案存在不足，即控制邏輯不完整，還必須保留剎車踏板，同時在緊急情況下由于切換失誤，容易導致“油門當剎車”的安全問題。

對現有的電動汽車單踏板模式稍加改進，將剎車踏板改造為單踏板，踩下為剎車，抬起為加速，可在單踏板上實現加速和剎車的完整邏輯，另外還可杜絕誤踩踏板導致加速的可能性，達到既操作簡便又安全可靠的目的。

實用的單踏板操作模式是從人工到自動的汽車駕駛方式轉變的合理過渡，必將加速推進汽車交通的進化之路，使人們出行更加清潔低碳、安全便捷。