纯电动汽车竞速模式功能设计

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2025年06月26日

0 前言

随着电池和电力电子控制技术的飞速发展，车辆的性能得到了大幅度的提升，特别是对于高性能车辆，追求驾驶感受和人车互动的用户，驾驶乐趣显得尤其重要。目前，在纯电动汽车领域，极氪007作为一款高性能电动轿车，推出了专门的竞速模式，旨在为驾驶员提供极致的速度体验。特斯拉的高性能电动汽车Model S，也配备了赛道模式，这种模式在目前的纯电动汽车领域应用广泛。

虽然用户可以去选择更为激进的竞速模式，但是若在长期频繁使用情况下，竞速起步加速时，电池在极短时间内释放大量的能量，可能导致电池温度升高，而频繁的大电流放电将加速电池老化，减少电池总循环次数，将对电池的寿命产生影响。

同时，竞速起步下动力系统若长期按照峰值转矩和峰值功率输出，那么，将会导致电机温度急剧升高，容易发生过温现象，因此会出现整车控制的转矩受到限制问题，并且，强大的瞬间转矩对驱动轴和差速器将施加额外的压力，可能造成关键部件的磨损或损坏，增加了车辆维护的成本。因此，我们设计开发一种既能满足高性能用户长期使用竞速模式的需求，同时实现对动力系统的保护是至关重要的，在竞争激烈的市场环境下，有助于增强市场竞争力，提升品牌形象。

本文设计一种竞速模式，实现竞速起步和车辆超级加速功能，通过对竞速起步的次数进行记忆存储，实现了在车辆的整个生命周期中均可以使用竞速模式，同时有效地保护了动力系统，通过仪表显示界面的设计，为用户提供智能化和个性化的驾驶体验。

1 竞速模式

竞速模式初期一般应用于赛车游戏中，是一种专注于速度和技巧的赛车方式，是赛车游戏的核心部分之一，玩家需要掌握驾驶技巧，如：适当的加速时机、精准的转弯技巧等，以便在规定的赛道上以最快的速度完成比赛。

在电动汽车领域，竞速模式是一种提升车辆动态性能和驾驶体验的功能，此模式在遵循当地法律法规和保证安全的前提下，包括车辆静止起步和超级加速情况下，可以获得更为激进的驾驶风格和更强的动力表现，给驾驶者提供动感和刺激的驾驶感受。

2 竞速模式功能实现

本文设计一种竞速模式，通过VCU、BCM、MCU和HUT之间交互，实现竞速起步和超级加速功能。图1，为VCU、BCM、MCU和HUT之间的信号相互交互关系。

图1 竞速模式下的信号交互

用户通过方向盘侧按键拨片进入竞速模式，BCM将竞速模式传递给VCU，VCU接收到指令后，激活竞速模式，控制车辆进行竞速起步和超级加速，结合制动踏板和加速踏板开度的检测信息，输出竞速起步状态，超级加速状态和超级加速等待时间发送给HUT，HUT将完成时间倒计时画面，能量条累积，扬声器模拟发动机声音渲染，G值和最高车速显示，加速成绩以及圈速显示，同时VCU也将输出转矩请求指令通过CAN总线传递给MCU，MCU接收到VCU转矩请求后将进行竞赛模式下电机实际转矩的控制来驱动车轮。

2.1 竞速起步功能

竞速起步功能控制流程如图2所示，车辆在静止起步下，处于驱动档，通过拨片进入竞速模式，待竞速模式成功激活后，驾驶员在同时深踩制动踏板和加速踏板后,并且检测到满足整车的动力性能达到最大，无系统故障，方向盘转角足够小等条件，则允许激活竞速起步功能，HUT控制画面点亮竞速起步激活旗帜，扬声器模拟发动机声效发出轰鸣声，VCU通过控制转矩请求的随机振荡变化的幅值和频率。

图2 竞速起步控制流程

随机转矩变化如图3所示，可实现竞速起步时车辆静止状态下微微的颤动感。待驾驶员松开制动踏板后，车辆将以最大加速度前进。在赛道比赛的情况下，仪表将会时时显示G值、最高车速、加速成绩以及圈速信息。

图3 随机转矩变化示意

对出厂后车辆竞速起步的次数进行计数和存储记忆，流程如图4所示，竞速起步激活一次，则竞速起步的总次数计算叠加一次，以此类推，在车辆的整个生命周期，对竞速起步的总次数进行计算和存储记忆。当驾驶员松开制动踏板加速前进过程中，设定车辆竞速起步的总次数阈值，例如500次限制，若竞速起步的次数小于所设定阈值次数，则在车辆加速阶段，电驱动系统将按照电机外特性特性曲线1执行输出，例如200kW/350N·m。否则，若竞速起步的次数大于所设定次数阈值，则在车辆加速阶段，电驱动系统将按照电机外特性曲线2执行，例如190kW/340N·m。

图4 竞速起步次数存储流程

如图5所示为电机外特性曲线1和曲线2，曲线1对于电驱动系统来说，在500次极限次数阈值内，不会对动力系统产生影响，但是超出500次，则动力系统关键部件将存在失效风险，因此，在超出极限阈值次数后，选择按照曲线2预留一部分的外特性执行，长期按照外特性曲线2执行，用户在竞速起步工况下，关键部件将处于安全有效的保护范围，有效地保护动力系统。

图5 电机外特性曲线

软件通过设定竞速起步次数阈值，对于习惯使用竞速起步进行加速的用户来说，将实现不限制使用竞速起步加速功能的次数，通过电驱动系统不同外特性曲线的划分，这样同时兼顾动力系统的性能和驾驶体验感，保证高性能的驾驶需求，提升驾驶乐趣。

2.2 超级加速功能

在超频工作状态下，超级加速功能状态分为关闭状态（Off）/等待状态（Waiting）/激活状态（Active）。如图6所示为超级加速功能状态状态机迁移图，初始化时功能状态处于Off状态，则功能等待时间将显示0。若驾驶员在倒计时设定时间内拨片后，功能状态从Off状态跳转到Waiting状态，等待时间显示从设定的倒计时间开始倒计时，如从倒计时10s开始到0。若驾驶员拨拨片的持续时间大于设定阈值时间，如0.8s，或超出倒计时时间，则功能状态从Waiting状态跳转到Off状态，功能等待时间将显示0。在功能状态处于Waiting状态，若在倒计时10s内，动力系统无故障，同时检测到驾驶员深踩加速踏板，例如加速踏板开度大于85%，则功能状态从Waiting状态跳转到Active状态，等待时间将不显示。若再次拨片并且持续设定的时间阈值，或者驾驶员松开了加速踏板，如检测到加速踏板开度小于80%，则功能状态从Active状态跳到Off状态。

图6 超级加速状态状态机迁移

在快速超越前车、车辆0~100km/h加速或者从匝道进入高速主路工况下，用户通过拨片进入竞速模式后，并且车辆处于驱动档，检测到动力系统无功率降级，则HUT将显示倒计时动画，例如10s倒计时，在倒计时10s的时间内，若驾驶员深踩加速踏板，加速踏板开度超过85%，将激活超级加速功能，车辆将进入超频工作状态，提供超出其他驾驶模式下的额外动力，例如10%的额外动力，实现以最大的动力性能输出。VCU通过CAN总线发送给HUT超级加速功能状态和功能等待时间，HUT上显示倒计时画面，能量条随时间进行积累，同时显示超级加速的动画效果，扬声器模拟车辆类似发动机声效的加速声，同时结合车内氛围灯进行循环闪烁，这将为驾驶员带来加速时的驾驶体验感。若驾驶员再次拨片或VCU检测到驾驶员松开加速踏板，加速踏板开度小于80%，或者动力系统发生功率降级现象，车辆将退出超级加速功能。如图7所示为超级加速功能控制流程。

图7 超级加速功能控制流程

2.3 实车测试验证

2.3.1 竞速起步过程

如图8为实车测试竞速起步控制过程，在车辆静止时，驾驶员判断需要开启竞速起步，先拨拨片进入竞速模式，检测到加速踏板和制动踏板同时踩下，则车辆将进入竞速起步状态，整车转矩指令按照一定的频率和幅值发生随机震荡变化，车辆在原地产生晃动感，在驾驶员松开制动踏板后，若竞速起步次数小于500次时，则按照外特性曲线1执行输出，车辆以最大动力前进。

图8 竞速起步控制过程

2.3.2 超级加速过程

如图9为实车测试超级加速控制过程，若驾驶员判断需要超越前方车辆的情况下，先拨拨片进入竞速模式，超级加速状态从Off状态跳转到Waiting状态，在设定计数时间内，深踩加速踏板，竞速加速的状态从Waiting状态跳转到Active状态，车辆以最大转矩输出，车速在短时间内迅速升高，即车辆在踩下加速踏板的一瞬间将立即获得强大的推力进行加速，待超越前方车辆后，检测到驾驶员松开加速踏板后，竞速加速状态从Active状态跳转到Off状态，车辆将进行滑行减速。

图9 超级加速控制过程

3 结语

本文通过设计一种竞速模式，实现纯电动汽车竞速起步和超级加速功能，在车辆的整个生命周期内，实现了竞速起步不限制使用次数，以及对动力系统的有效保护，同时仪表显示界面实现人机互动，氛围感的创造，声音的渲染，特别是赛道模式下的G值、最高车速、加速成绩以及圈速信息，为用户提供独特的驾驶体验和用车的乐趣。展望未来，随着技术的进步，未来的竞速模式发展趋势也可以与智能驾驶系统相结合，例如语音指令、手势唤醒等，将更加注重用户驾驶体验的提升和对未来出行方式的探索。

参考资料

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