电动汽车单踏板驾驶模式控制原理分析

发展纯电动汽车是解决能源问题的其中一个重要途径[1]，随着纯电动汽车的发展，汽车厂商在多种加速模式和多种能量回收强度组合的基础功能之上，为用户提供了可单独激活的单踏板（One Pedal）驾驶模式。单踏板模式只操作加速踏板便可在常规工况下满足加速、匀速行驶及减速停车等全部驾驶需求，减少踏板切换频率，减轻驾驶负担，并提供更好的驾驶体验。本文介绍单踏板驾驶功能的实现原理，分析单踏板模式的控制目标，以及单踏板驾驶模式典型工况的控制过程。

1 单踏板驾驶功能控制逻辑

根据整车纵向动力学[2]，影响车辆的外部纵向力包括空气阻力、重力、轮胎纵向力和滚动阻力。图1为整车在坡度为α的坡道上沿纵向方向的受力示意图。

沿车辆纵向方向上力的平衡方程式如下：

mx = Fxf + Fxr - Faero - Rxf - Rxr - mgsin（α）

式中：Fxf ——前轮轮胎纵向力;Fxr——后轮轮胎纵向力;Faero——縱向空气阻力;Rxf ——前轮滚动阻力;Rxr——后轮滚动阻力;m——车辆质量;g——重力加速度;α——车辆行驶坡度。

对于常见的前驱车型，其单踏板驾驶系统由加速踏板、制动踏板、整车集成控制器、电机控制器、驱动电机、单级减速箱、半轴和驱动轮及线束等零件组成，其系统框图如图2所示。

车辆提供旋钮开关或组合仪表选项为用户提供独立的单踏板模式激活选项，以便用户在单踏板模式和其它驾驶模式（非单踏板模式）之间进行选择。

实际驾驶过程中，驾驶员通过开关旋钮或组合仪表操作选择单踏板驾驶模式后，在加速阶段，整车集成控制器根据Pedal Map（踏板特性）解析加速踏板的开度百分比信号，结合车速信号确定整车需要的加速度值x，并对车辆质量m、坡度α等参数进行实时估算。根据纵向力平衡方程，计算轮胎对应的轮胎纵向力，并结合有效轮胎半径以及减速比，计算电机的需求扭矩值。扭矩请求通过总线发送给电机控制器，电机控制器根据扭矩指令控制电机输出需要的扭矩，驱动车轮转动，实现驾驶员的驾驶意图并对全过程进行动态控制。

当需要进行常规减速或停车时，减小加速踏板的开度，整车集成控制器根据Pedal Map解析加速踏板的开度百分比信号，结合当前车速确定整车需要的减速度值x，并对相关车辆参数进行实时估算。计算轮胎纵向力以及驱动轮端的扭矩和电机负扭矩值，电机控制器控制电机输出负扭矩，通过能量回收给电池充电的同时，达到减速的目的。

一般选择单踏板模式时，起步阶段，加速踏板开度为0%时，车辆保持静止状态，需要踩下加速踏板，车辆才会加速。车辆具备一定初速度后，减小加速踏板开度到0%时，车辆会快速减速停车并维持0车速状态。

2 单踏板驾驶模式的控制目标

2.1 单踏板驾驶模式的Pedal Map

单踏板驾驶模式下，某车型的车速、加速踏板开度和加减速度值组成的Pedal Map如图3所示。其中各车速与横轴的交点表征了维持匀速行驶需要的加速踏板开度值，各车速与纵轴的交点表征了0%加速踏板开度下车辆减速度值。

在單踏板驾驶模式下，当加速踏板开度为0%时，整车以0车速作为控制目标，可以实现平地以及一定坡度的停车功能。克服重力沿坡面的分量实现坡道停车的扭矩由电机提供，坡道停车到达一定时间后，液压制动系统介入防止车辆溜坡。也可以选择坡道停车后直接请求液压系统介入，通过制动卡钳实现坡道长时间停车功能。

单踏板驾驶功能为满足临时停车的控制目标，其滑行能量回收（Coast Regen）的强度设定强于普通驾驶模式。某些车型会设置驾驶员实时控制的能量回收强度调整功能，根据驾驶情况及时调整能量回收强度。

2.2 单踏板驾驶模式停车控制过程

如前文所述，除Pedal Map和Coast Regen强度与普通驾驶模式的差异外，0%加速踏板开度下的减速控制过程是单踏板模式与普通模式的主要差异点。

1）普通驾驶模式下，车辆在前进挡加速到一定车速后，维持0%加速踏板开度，整车集成控制器请求负扭矩通过电机回收车辆动能，接近Creep（蠕行模式）车速时，电机控制器的扭矩请求由负扭矩平缓过渡为正扭矩，控制车辆进入Creep模式。

2）在单踏板模式下，当加速踏板开度为0%时，如果路面水平，电机维持负扭矩直到车速为0km/h。若车辆驶入坡道，整车集成控制器以0车速为控制目标，调整扭矩指令值，控制车辆平稳减速并保持坡道停车。停车后，电机控制器控制电机维持坡道停车扭矩输出或请求液压制动系统介入以维持坡道停车状态。单踏板开启和关闭时的减速控制过程如图4所示，其中虚线代表单踏板模式下在不同坡度的坡道上实现停车时轴端扭矩变化过程。

在单踏板模式下，通过制动踏板使车辆减速的过程和普通模式下减速过程相同。制动控制系统根据电机控制器反馈的电机可用回收制动扭矩，对驾驶员意向制动扭矩进行分配，优先请求电机通过能量回收提供制动扭矩，在电机回收制动扭矩无法完全满足驾驶员意向制动扭矩时，液压制动系统介入，与电机制动能量回收扭矩共同作用使车辆减速并停车。

3 单踏板起步和停车典型工况控制过程分析

在非单踏板模式下，车辆在水平路面由停车状态开始加速到一定车速并松开加速踏板，车辆会在电机的Coast Regen作用下减速并进入Creep模式，电机输出扭矩维持Creep车速。非单踏板模式加速和Creep过程如图5所示。

车辆进入Ready（可行驶）状态后，在水平路面由停车状态开启OPD模式，此时松开制动踩下加速踏板后，整车集成控制器根据加速踏板开度解析驾驶员意向，输出意向扭矩。意向扭矩经过仲裁和抑制处理后，通过总线发送给电机控制器，电机控制器控制电机输出扭矩，驱动车辆按照驾驶员意图进行平稳加速。

停车状态Auto Hold（自动驻车）或者EPB（电子驻车制动）等液压制动系统也可能介入以维持长时间制动状态。此时，踩下加速踏板进行加速，电机输出扭矩根据加速踏板开度计算的用户加速意图结合纵向力平衡方程进行控制，同时需要与液压制动系统在轮端施加制动力减小过程进行协同，避免出现扭矩输出波动过大，引起起步顿挫。

1）单踏板模式平地停车。在一定车速下，驾驶员松开加速踏板，保持加速踏板0%开度情况下，电机控制器会控制电机进入能量回收状态，车辆在电机负扭矩作用下，平稳减速并停车，此时可激活Auto Hold或者EPB，维持长时间停车。单踏板模式停车过程如图6所示。

2）单踏板模式坡道起步。当车辆处于坡道停车状态时，例如车头朝上停车，此时电机处于正扭矩输出状态，当驾驶员踩下加速踏板时，电机扭矩加大，驱动车辆在坡道平稳向前行驶。如果Auto Hold或者EPB已激活，此时电机扭矩为0，液压制动扭矩作用使车辆维持坡道停车。在加速踏板踩下的同时，液压制动系统开始泄压，制动扭矩逐步减少，同时电机扭矩从0开始增加，制动扭矩和电机扭矩需要相互协同，在保持车辆不会溜坡的情况下，快速实现车辆平稳起步。单踏板模式坡道起步过程如图7所示。

3）单踏板模式坡道停车。在单踏板模式下，当车辆以一定的初速度向前行驶到坡道并完全释放加速踏板后，整车集成控制器需要根据当前车速、坡道估算值和整车质量估算值的综合计算结果，减少电机的正扭矩输出，实现车辆减速并平稳实现车辆在坡道上停车。待Auto Hold或者EPB激活并建立驻车制动力矩后，驱动电机停止扭矩输出。液压驻车制动扭矩的建立和电机扭矩的减小过程需要相互协同，避免车辆在停车过程中出现顿挫或溜坡的情况。坡道停车过程中，单踏板坡道停车过程如图8所示。

4 结束语

本文介绍了单踏板驾驶模式的控制方法和典型工况的控制过程。单踏板驾驶模式可以通过加速踏板的操作实现加速和减速停车的全程操作。在一般驾驶工况下，驾驶员不需要来回切换加速踏板和制动踏板，提高了驾驶的便利性。

目前单踏板驾驶模式及其子功能有很多衍生概念和方案，例如通过方向盘装置调整单踏板模式的能量回收强度，回收强度等级由施加于该装置的动作来确定[3]。例如将制动踏板和加速踏板合并成一个踏板[4]，踩下踏板为加速，松开踏板为减速，从安全角度出发杜绝紧急制动时误踩加速踏板导致非预期加速的可能性。

随着电动汽车的智能化以及自动驾驶的发展，单踏板驾驶模式及其子功能会越来越丰富，具体的操作方式会越来越人性化，在保证安全的同时，为用户提供更加优质的驾乘体验。