电动车驾乘起来容易头晕? 这是一个老问题,但也是常问常新的好问题.
几年前,有车评人说电车开起来头晕,差点吐出来.我当时听了不以为然,这说法也太夸张了吧!油车电车都是四个轮子的车,怎么可能区别这么大呢?
后来,乘坐电动网约车的时候,遇到莽撞点的司机还真有些许眩晕的感觉.于是我开始思考一个问题:为什么搭纯电动车比燃油车更容易产生眩晕感?原以为很简单,没想到研究过程却像剥洋葱一样层层深入.
研究电车眩晕感的问题,就像剥洋葱一样层层深入这就是认知的第一层:电车的动力强,加速度大,所以容易头晕.
然而,当你真的去驾乘燃油性能车的时候会发现,同样的动力性能,晕是有点晕,但没电车那么晕!这又是为什么呢?
这是因为,电动车与燃油车的驱动特性完全不同.假设现在你在一辆燃油性能车上,深踩油门踏板后首先会听到发动机转速飙升的轰鸣,在零点几秒之后迎来汹涌澎湃的动力之前,你的身体已做好了充足的准备.
电动车与燃油车驱动特性对比电动车则不一样,推背感的袭来毫无征兆,在听到电机的电磁声之前,你已被死死地按在了副驾靠背上,只能闭眼体验那一阵轻微的眩晕感.
这就是答案的第二层:电车动力响应太快,每个动作都让人措手不及,所以容易晕.
这就是真相的全部了吗?也不尽然.我开过动力强但调校好的电车,并不太晕;也开过动力弱但调校一般的电车,运动模式开起来很晕;能量回收也是如此,明明回收强度不如特斯拉,但晕车感比特斯拉还强!
仔细琢磨之后,于是认知的第三层:电门与制动踏板的曲线标定与驾驶员的预期不符,人机工程设计做得不到位.
分析到这里,咱们稍微停一下.
回顾一下刚才这三个例子,头晕原因各不相同,但都可以被"加速度vs人的预期"二者之间的关系所涵盖:当符合人的预期时,加速度更大一些,动力响应更快一些,也不容易头晕;当不符合人的预期时,加速度不算大,动力响应不算快,也容易头晕.
这个"加速度vs人的预期"假说已经接近真理,即将揭晓谜底,大功告成了吧?
没想到,要达成加速度符合人的预期这一目标并不简单,而是涉及座椅设计,制动系统,驱动控制,两驱四驱,电子电气架构等方方面面的汽车技术,简直是博大精深!一,眩晕感的产生原理人体的平衡系统由"视觉","本体觉"与"前庭"三大感知系统协作完成.当任一系统的感受信息与其它两个系统发生矛盾时,就会产生眩晕感[1].
人体的平衡系统由"视觉","本体觉"与"前庭"三大感知系统协作完成什么是"视觉","本体觉"与"前庭"呢?
有一天你被绑架了,被蒙上双眼带到了树林中的隐匿小屋.警察解救你之后,让你努力回忆一下隐匿小屋的位置.
假设绑匪极其不专业,并没有把双眼蒙严实.路上你看到了潺潺的溪流,蜿蜒曲折的石板小路,隐匿小屋附近还有葡萄藤蔓和一座小山  -  -  描述这一切依赖的是"视觉".
假设双眼蒙得很严实,"视觉"不再可用.但你依稀记得向右转30°后走了几十步之后,紧接着上了29阶高约20厘米的石梯到达了隐匿小屋  -  -  这依赖的是"本体觉".
假设绑匪直接把你扔到车上,并没有让你自己运动,"本体觉"将不再可用.但你依然具备模糊的方向感,知道自己大概被运到了什么方向  -  -  这依赖的是"前庭".
"前庭"包括三个半规管,椭圆囊和球囊,其中半规管中壶腹脊的毛细胞感受旋转运动加减速度的刺激,而椭圆囊和球囊内囊斑的感受性毛细胞感受直线运动加减速度的刺激 [1].这让人联想到智驾系统常见的IMU(Inertial Measurement Unit)惯导传感器,工作原理相似.
左:人耳前庭系统 右:IMU惯导传感器原理图二,眩晕感与哪些电车技术有关?
于是就得到了本文的理论框架:当人的预期与前庭感受的加速度完全一致时,那便是"人车合一"的高级感;当二者严重不符时,就会产生眩晕感!
非预期因素有很多,比如油门/制动踏板与操作预期不符,预料之外的路面激励等,下面我们挑出主要因素进行深入分析.1.制动系统: CRBS的影响老司机买车在意刹车线性与刹车脚感,也就是"踏板深度-制动强度"曲线与"踏板深度-踏板反作用力"曲线的设计.
燃油车的制动设计简单一些,而电车需要把驱动电机的回馈制动力叠加到原有的机械制动系统上,"耦合式设计"就会复杂很多.我在清华读博的时候曾研究过这一问题,设计过程需要遵循各种约束条件,例如:前后制动力分配曲线β线,尽可能贴近I曲线,以使得特定附着系数的路面上达到更大的制动强度.前后制动力分配曲线β线,必须在I曲线之下,以使得后轮不会先于前轮抱死.前后制动力分配曲线β线,必须在βm线之上,以避免在湿滑路面上过早地达到附着极限.考虑到地面附着系数φ很少低于0.2,所以允许后驱电动车β线在z<0.2的范围内越过I曲线,以使得后驱电动车提升制动回馈效率(下图的红线).
仅考虑法规约束与回馈效率还不够,还需要考虑刹车脚感.文献[2]就详细论述了耦合式RBS(Regenerative Brake System)系统如何在回馈效率与刹车脚感之间进行妥协与权衡.
RBS在踏板感觉与回馈效率之间进行妥协与权衡为了兼顾制动回馈效率,RBS系统通常会设计零踏板行程的回馈制动力(上图红色圆圈)  -  - 一旦松开油门踏板就会瞬时产生突变的回馈制动力,这种撞墙感是眩晕感的主要来源之一.
要降低这种眩晕感,就不可避免地降低回馈效率,从而使电车的续航变短.这真是一个两难的选择啊!除非......除非搭载协同式制动回馈系统CRBS (Co-operative Regenerative Braking System),就可以实现踏板深度,制动强度,踏板反作用力的解耦设计,既可以实现优秀的刹车脚感,也可以实现最优的回馈效率.像蔚来ES6,小鹏G9等高端车型就使用了博世iBooster来实现解耦式CRBS系统.
上汽大众ID.3,ID.4 X,ID.6 X也搭载了eBKV(Electromechanical Brake Servo)以实现解耦式CRBS系统.
上汽大众ID.系列搭载的第二代eBKV将压力蓄能器被集成到ESC中,不仅提高了系统集成度,也让压力响应速度更快,制动距离更短!
大众ID.3,ID.4 X,ID.6 X搭载的第二代eBKV刹车系统当电池SOC与温度处于合适状态,利用驱动电机发电回收制动能量,最高 可实现0.3g减速度的制动能量回收,最多可增加20%的续航里程.
上汽大众ID.系列的eBKV刹车系统:电驱系统的回馈制动当三电系统状态不支持驱动电机发电时,传统液压制动系统提供机械摩擦力.特别指出的是,这种状况下的驾驶员刹车脚感与回馈制动保持一致,避免了产生眩晕感的非预期因素.
上汽大众ID.系列的eBKV刹车系统:液压系统的摩擦制动每个人的身体构造不同,有人会产生眩晕感,有人非但不会产生眩晕感,反而很享受"撞墙感"带来的刺激体验.上汽大众ID.系列秉承以人为本的设计理念,将选择权交还给用户:从D档调节至B档,松开油门踏板就会产生较强的制动力.
D档与B档可自由切换作为一名深度电车用户,我在多次尝试上汽大众ID.系列车型之后,最终结论是大多数用户都推荐使用D档!2.驱动系统:驾驶模式的设计有人想当然地认为,电机的扭矩响应非常快,所以控制起来没什么技术含量.其实并非如此,早在2008年的时候我就开始做电机控制的工程开发,一踩油门就给一个直来直去的扭矩响应,结果带来了传动系统的剧烈抖动,这就是shaking vibration suppression问题[3]  -  -  这带来的不仅仅是眩晕感,甚至能让人头痛欲裂.
电机扭矩响应过快带来的shaking vibration需要前馈控制与反馈控制双管其下,才能使电驱动系统的扭矩输出变得平顺柔和:
上汽大众ID.系列将驱动电机与减速器高速集成,降低了重量与体积,还能从整体上优化三合一集成电驱系统,实现更平顺更可靠的扭矩响应.后电机采用大众自主研发的APP310-2.1的150kW永磁同步电机,最大扭矩310N.m,具备结构简单,运行可靠,调速性能好等优点.
上汽大众ID.系列的后驱永磁同步电机与减速器集成设计光有平顺的扭矩输出还不够,还需要设计符合用户预期的"加速踏板深度- 驱动加速度"曲线(Pedal Map).这事儿听起来简单,工程上实现起来可复杂了.比如特斯拉Model 3的Pedal Map长下图这个样子,是不是很复杂?
典型的Pedal Map用户体验往往就藏在细节之中,稍有不慎就会在特定场景下产生眩晕感.
设计"加速踏板深度- 驱动加速度"曲线,恰恰是大众的强项,"开起来有德味儿"这句话背后蕴含着太多的调校经验积淀.
上汽大众ID.3,ID.4 X,ID.6 X均设计了五种驱动模式:经济,舒适,运动,个性化与Traction模式(四驱独有),以满足不同驾驶员的使用偏好,灵活应对各种状况.
多次尝试上汽大众ID.系列的后驱车型之后,我认为舒适模式开起来最舒服,完全没有眩晕感!3.四驱 vs 两驱从"加速度vs人的预期"的角度来看,做好制动与驱动控制就已经可以避免比较明显的非预期加速度突变,基本消除眩晕感了.
如果我们想精益求精呢? 那电动四驱是一个思路.你可能会疑惑:四驱不是为了增强动力的吗?与眩晕感有什么关系?
要回答这个问题,我们要花点时间科普一下四驱技术的原理.两驱车型转向时,前驱车倾向于转向不足(understeer),俗称"推头";后驱车倾向于转向过度(oversteer) ,俗称"甩尾".例如,遇到弯道本想行驶在雪地道路中心,结果前驱车转不过去,后驱车直接失稳了.
转向不足与转向过度复习一下,人耳前庭中不仅有椭圆囊和球囊内囊斑的感受性毛细胞感受"直线运动的加减速度",还有半规管中壶腹脊的毛细胞感受"放转运动的角速度".
两驱车的"推头"的"甩尾"[4],其实就是横摆角速度的非预期突变,就会作用到前庭半规管中壶腹脊的毛细胞,从而产生另一种不同的眩晕感.
上汽大众ID.4 X与ID.6 X都提供了四驱车型供用户选择,前后双电机四驱可以更好地利用地面附着力,获得更好的操控稳定性与安全性!
上汽大众ID.4 X前电机采用的是华域麦格纳的80kW异步感应电机,这是比永磁电机更为合理的选择,因为它在空转的时候并不会产生额外的铁损,从而将四驱对续航的影响降到最低.
此外,日常使用中可以优先让后电机单独驱动,此时四驱车型就是一个适时四驱系统;同时也设计了一个动态牵引模式(Traction模式),可以在前后轴之间分配相等的驱动力,此时四驱车型就是全时四驱系统.这种模式使得起步更加柔和,日常过弯更稳定,极限路面更安全.
四驱车型独有的动态牵引模式个人建议:若条件允许优先选购ID.4 X或ID.6 X的四驱车型;日常使用优先使用动态牵引模式,牺牲少量续航来获得阶跃提升的驾驶体验.4.技术展望如果你还不满意,还想精益求精,更进一步地降低眩晕感呢?那我们就要继续抠细节了啊!
比如,减速带,坑洼,沙石等路面,咱们开起车来会觉得不舒适,这其实也算是一种"眩晕感".原因是路面附着系数忽高忽低,附着力低的驱动轮会因为扭矩过剩而滑转率过高,轮速飙到很高后再恢复正常转速,反过来就会冲击车身姿态,带来一瞬间的前冲感,这也会给人带来一种类似失控的眩晕感.
解决这一问题的方法就是抑制滑转率变化,那不就是TCS(Traction Control System)牵引力控制问题或ASR(Acceleration Slip Regulation)驱动防滑控制问题吗? 的确如此,只不过以前的技术控制周期比较长,应付不了这种特别精细的路面突变.
解决思路是基于电驱动系统扭矩响应特别快的特点,利用电机控制器的高频边缘控制缩短电机扭矩响应的控制周期,从而增强TCS/ASR的工作效果(例如华为DATS技术),进一步降低眩晕感.
例如,分析加速度的时候有一个假设:人体运动看作一个整体,并与车辆运动保持一致.实际上,人体是通过座椅获得的运动作用力,若座椅包裹,束缚不够就可能造成"身子不动头乱晃"的情况,也很容易造成眩晕感.
上汽大众这种老牌企业,肯定不会在座椅设计上掉链子.它在ID.系列上采用了采用奔驰,宝马等豪华品牌行政座驾上常用的气动腰托,适应各类人群不同身材曲线,提供最贴合人体腰背,臀部的支撑,座椅包裹性强.不仅坐起来比较舒适,对降低眩晕感也有帮助.
上汽大众ID.6X的座舱与座椅再如,前文提到眩晕感来自于"视觉","本体觉"与"前庭"的认知失调.有研究表明,驾乘过程中少看仪表,少看手机,多让视线看车外的远方,通过"视觉"获得更多运动信息,就相对来说不容易晕车[5].
上汽大众ID.系列的AR-HUD与IQ.Light通常被认为是一项新潮的科技功能.大家可能并未意识到,这俩功能也可以让驾驶员将视线一直维持在较远的地方,从而降低眩晕感.
上汽大众ID.系列的AR-HUD电车究竟晕不晕?听起来像是一个千人千面的主观体验问题,咱们剥洋葱地分析下来发现涉及到博大精深的汽车技术问题:往微观说:涉及到制动系统的CRBS技术,驱动系统的Pedal Map设计,电动四驱技术及TCS/ASR技术的深化.往宏观说:背后体现了电驱控制技术,底盘控制技术,四驱控制技术,电子电气架构的融合发展趋势.往全面说:就连座椅设计,抬头显示这种看起来无关的技术,其实与眩晕感的关系也很大.
所以说,汽车工业博大精深,我们还是要有敬畏之意.上汽大众在汽车行业积淀数十年,在驾驶性这种造车基础问题上还是有保证的.我也认识一些ID.系列车型车主,他们对驾驶体验都比较满意.
上汽大众ID.6 X电车开起来经常有眩晕感,这问题说大不大,说小也不小.要想判断一辆电车开起来晕不晕,除了参考本文提到的汽车技术之外,最终的判断标准就是去实践,先坐主驾,再坐副驾,以亲身体验来判断晕不晕.