肖小城 王春麗 章友京 倪紹勇 沙文瀚

摘要：本文提出了一種通過控制速度閉環(huán)提升純電動(dòng)汽車坡道駕駛性的方法。該方法解決未配備液壓輔助功能的電動(dòng)車在坡道上溜坡的問題、通過對(duì)車輛狀態(tài)的檢測，利用電機(jī)低速大扭矩的特點(diǎn)，控制電機(jī)保持零轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的坡道輔助和自動(dòng)駐車功能，通過此方法可以改善電動(dòng)汽車坡道的駕駛性，經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，此方法效果明顯。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;坡道駕駛性

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）05-0060-05

肖小城

肖小城，畢業(yè)于鄭州大學(xué)，檢測技術(shù)與自動(dòng)化專業(yè)碩士研究生，現(xiàn)工作于奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，整車控制策略主管師，負(fù)責(zé)純電動(dòng)汽車整車控制策略開發(fā)和驗(yàn)證。目前已經(jīng)發(fā)表論文4篇，獲得專利10余篇。

1 前言

電動(dòng)汽車（Electric Vehicle，EV）由于其在環(huán)保方面具有突出的優(yōu)勢，越來越受到汽車行業(yè)的青睞。電動(dòng)汽車核心電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有低速大扭矩、無怠速的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)存在很大的差異，通過對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零轉(zhuǎn)速的精確控制，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車輛的坡道輔助和自動(dòng)駐車的功能。所謂零轉(zhuǎn)速是指，通過控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩維持電機(jī)轉(zhuǎn)速為零。傳統(tǒng)燃油車實(shí)現(xiàn)坡道輔助的功能基本是通過對(duì)液壓系統(tǒng)的保壓，制動(dòng)車輪的方式實(shí)現(xiàn)。孫延[1]基于EPB系統(tǒng)對(duì)坡道輔助的起步策略進(jìn)行研究，通過仿真驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)輸入?yún)?shù)方式的有效性;沈忱[2]等基于ESC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了汽車坡道起步輔助功能的策略，并進(jìn)行實(shí)車標(biāo)定驗(yàn)證有效性;王洪偉[3]，提出氣壓式電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)，通過控制制動(dòng)氣室內(nèi)的壓力，推動(dòng)推桿保持制動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)駐車目的;胡建軍[4]等對(duì)起步扭矩控制中對(duì)溜坡扭矩進(jìn)行了考慮，但未實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制。本文提出的方案完全不依賴于液壓系統(tǒng)的保壓，而是控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的零轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)起步輔助，提高坡道的駕駛性，同時(shí)降低成本。

2 純電動(dòng)車坡道動(dòng)力學(xué)分析及零轉(zhuǎn)速控制架構(gòu)

2.1 純電動(dòng)車的坡道受力分析

為了提升坡道的駕駛性，主要為了解決電動(dòng)車坡道后溜車，對(duì)電動(dòng)車在坡道上的受力分析情況如圖1所示：

圖1可知，電動(dòng)車在坡道上靜止將要起步時(shí)，受到的力有驅(qū)動(dòng)力Ft，坡度阻力Fr，車輛起步瞬間受到的滾阻，空氣阻力等Fao

Ft=T×i×η/r;（1）

Fr=G×sinθ;（2）

Fa=G×f×cosθ+Cd×A×V×V/21.15（3）

其中，T為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出扭矩，i為傳動(dòng)系統(tǒng)速比，η為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，r為驅(qū)動(dòng)輪半徑;G為車輛重力，θ為坡道值，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，V為車速;為了實(shí)現(xiàn)坡道起步輔助的目標(biāo)，需要控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出扭矩T滿足Ft=Fr+Fa的關(guān)系，由于車輛駐在坡道上，車速為零，所以可以忽略Fa，即Ft=Fr;由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)扭矩平衡坡道阻力[5]。

2.2 零轉(zhuǎn)速控制架構(gòu)

在2.1中已經(jīng)分析了電動(dòng)車在坡道上的受力情況，為了實(shí)現(xiàn)坡道輔助或者自動(dòng)駐車的目的，需要精確的控制車輛在坡道上駐車。本文提到的零轉(zhuǎn)速控制以車輛控制器（VCU）為控制核心，同時(shí)以電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（MCU）作為檢測和執(zhí)行單元，輔佐坡道傳感器作為坡道大小探測，為精確的零轉(zhuǎn)速控制提供預(yù)控制扭矩，同時(shí)VCU還需要采集檔位，油門，制動(dòng)等信號(hào)來判斷駕駛員意圖，實(shí)現(xiàn)坡道輔助或者自動(dòng)駐車功能的激活，通過儀表模塊（ICM）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。圖2為零轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)架構(gòu)。

VCU以lOms為周期對(duì)油門，檔位，制動(dòng)，坡度，駐車開關(guān)的輸入狀態(tài)進(jìn)行采集，作為坡道起步輔助功能激活的判斷條件，同時(shí)以lms為周期的任務(wù)調(diào)度與MCU之間進(jìn)行扭矩的控制交互，保證控制的實(shí)時(shí)性;VCU與ICM之間以500ms進(jìn)行周期性信息顯示，主要人機(jī)交互內(nèi)容包括：輔助功能預(yù)激活提示，輔助功能激活，輔助功能故障等重要信息。零轉(zhuǎn)速控制以PID控制為核心，以坡度值計(jì)算預(yù)控制扭矩，以車輛半載作為標(biāo)定目標(biāo)車輛，通過標(biāo)定完成初始值設(shè)定。當(dāng)坡道輔助功能激活時(shí)，以一定梯度加載預(yù)控制扭矩保證車輛扭矩平順性，以目標(biāo)轉(zhuǎn)速為零，進(jìn)行PID控制;當(dāng)坡道輔助功能退出時(shí)，以當(dāng)前控制扭矩為初始值，以一定梯度進(jìn)行扭矩變化，保證扭矩加減載的平順性?？刂瓶驁D如圖3所示。

3 坡道起步輔助控制實(shí)現(xiàn)

3.1 坡道輔助功能實(shí)現(xiàn)

坡道輔助（Hill Assistance Control，HAC）功能在傳統(tǒng)燃油車上的實(shí)現(xiàn)是：車輛依靠液壓制動(dòng)停穩(wěn)在坡道上后，通過液壓系統(tǒng)的保壓，維持3-5秒時(shí)間，給駕駛員足夠時(shí)間實(shí)現(xiàn)倒腳。3-5秒后，液壓釋放;或者駕駛員請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)力大于液壓制動(dòng)力，液壓自動(dòng)釋放，保證在坡道上駕駛性。本文以在研A000級(jí)電動(dòng)車為控制對(duì)象，對(duì)速度閉環(huán)控制優(yōu)化坡道駕駛性進(jìn)行有效性驗(yàn)證。車輛基本信息：整備質(zhì)量1015kg，電機(jī)峰值扭矩125Nm，峰值功率33kw，電池容量32kwh，車輛配置ABS系統(tǒng)，但無液壓輔助功能。通過零轉(zhuǎn)速控制HAC功能實(shí)現(xiàn)的條件：

a）.車輛停穩(wěn);

b）.檔位為驅(qū)動(dòng)檔位（D/R）;

c）.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒;

d）.油門小于閾值2%;

e）.坡道輔助開關(guān)開啟;

f）.坡度值大于閾值;

上述條件同時(shí)滿足時(shí)，激活坡道輔助功能。根據(jù)制動(dòng)踏板行程，對(duì)控制扭矩進(jìn)行系數(shù)限制，防止制動(dòng)完全踏下情況下，加載過大扭矩出現(xiàn)竄車現(xiàn)象，控制系數(shù)與制動(dòng)踏板行程關(guān)系如圖4所示。針對(duì)文中A000級(jí)電動(dòng)車標(biāo)定的預(yù)控制扭矩如圖5所示。

以8°坡為實(shí)例，對(duì)加載扭矩進(jìn)行控制，如圖6，坡道輔助測試實(shí)物圖。圖7a為前進(jìn)檔坡道輔助扭矩控制，圖7b為后退檔坡道輔助扭矩控制。從圖中可以得知，在坡道上車輛停穩(wěn)后，坡道輔助功能觸發(fā)，制動(dòng)踏板踏下后，控制扭矩被限制，當(dāng)制動(dòng)踏板釋放后，結(jié)合目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制，預(yù)控制扭矩和PID控制可快速讓電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在目標(biāo)值，轉(zhuǎn)速波動(dòng)±50rpm，結(jié)合實(shí)際整車表現(xiàn)，松開制動(dòng)后，整車可停駐在坡道上，不出現(xiàn)后溜，對(duì)提升駕駛性有明顯的提升。

在坡道輔助功能激活后，下列條件：

f）.坡道輔助開關(guān)關(guān)閉;

g）.檔位切換到空檔;

h）.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不可用;

I）.駕駛員通過油門請(qǐng)求扭矩大于輔助扭矩同時(shí)油門開度大于設(shè)定閾值4%;

k）.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或者電池系統(tǒng)故障或者坡度傳感器故障;

滿足上述條件之一，退出坡道輔助功能。設(shè)定兩種退出坡道輔助功能工況。第一，通過檔位退出坡道輔助功能;第二，驅(qū)動(dòng)扭矩大于輔助扭矩，測試兩種工況下扭矩控制與轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況。如圖8a，掛人空檔退出坡道輔助功能，檔位掛人空檔后，立刻退出坡道輔助功能，為了防止扭矩突然卸載導(dǎo)致車輛出現(xiàn)強(qiáng)烈沖擊，通過對(duì)零轉(zhuǎn)速控制時(shí)的扭矩進(jìn)行接管，按照設(shè)定的梯度進(jìn)行扭矩的遞減直到為零，保證退出時(shí)的平順性。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：扭矩經(jīng)過約600ms后變?yōu)榱?，在卸載過程中，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)約為±30rpm，從整車表現(xiàn)來看，平順性良好;如圖8b，加大油門開度，當(dāng)驅(qū)動(dòng)扭矩大于零轉(zhuǎn)速控制扭矩后，退出坡道輔助功能，此時(shí)，控制扭矩跟隨油門請(qǐng)求扭矩，保持加載的平順性，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，起步平順，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大約為±25rpm。

3.2 自動(dòng)駐車功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)駐車（AUTOHOLD）在傳統(tǒng)車上實(shí)現(xiàn)是通過EPB/ESP系統(tǒng)的保壓，直到駕駛員請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)力大于駐車制動(dòng)力，自動(dòng)釋放，車輛平穩(wěn)起步。在本文中通過速度閉環(huán)的控制也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駐車的功能。自動(dòng)駐車功能觸發(fā)條件為：

a）.檔位為D檔;

b）.自動(dòng)駐車開關(guān)開啟;

c）.通過制動(dòng)將車輛停穩(wěn)保持2秒;

d）.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒;

上述條件全部滿足時(shí)觸發(fā)自動(dòng)駐車功能，此時(shí)通過圖3的控制框圖以電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零轉(zhuǎn)速作為控制目標(biāo)，通過扭矩控制，實(shí)現(xiàn)車輛駐車的目的。當(dāng)以下任一條件滿足時(shí)，退出自動(dòng)駐車功能：

e）.檔位為非D檔：

f）.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不可用;

g）.駕駛員通過油門請(qǐng)求扭矩大于輔助扭矩同時(shí)油門開度大于設(shè)定閾值4%;

h）.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或者電池系統(tǒng)故障或者坡度傳感器故障;

I）.自動(dòng)駐車開關(guān)關(guān)閉;

通過對(duì)以下兩個(gè)典型工況：平路上開啟自動(dòng)駐車;8°坡道開啟自動(dòng)駐車，驗(yàn)證自動(dòng)駐車功能的有效性。圖9a為平路上自動(dòng)駐車扭矩控制，圖9b為坡道上自動(dòng)駐車扭矩控制。通過數(shù)據(jù)分析可看出：以電機(jī)的零轉(zhuǎn)速作為控制目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駐車的功能，在平路上，滿足上述自動(dòng)駐車條件后，車輛平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)了駐車，當(dāng)駕駛員踏下油門后，請(qǐng)求扭矩大于駐車扭矩，車輛平穩(wěn)起步;在坡道上時(shí)，條件滿足后，自動(dòng)駐車功能激活，由于制動(dòng)踏板踏下，限制駐車扭矩，當(dāng)完全松開后，駐車扭矩增加，扭矩快速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)很小波動(dòng)（±80rpm），隨后駕駛員請(qǐng)求扭矩，加載平順，大于駐車扭矩后，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起步。

4 結(jié)論

本論文重點(diǎn)驗(yàn)證了通過速度閉環(huán)的思想控制電機(jī)速度實(shí)現(xiàn)坡道輔助和自動(dòng)駐車的功能，通過實(shí)車驗(yàn)證，該方案可以用于解決未配置液壓輔助功能的純電動(dòng)車坡道溜坡的問題，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：方法有效，且無需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行特殊的改造，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，具有一定的工程實(shí)踐價(jià)值。在該方法實(shí)施過程中，需要考慮電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在零轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)下的散熱問題，在實(shí)車開發(fā)過程中可與車輛的熱管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常工作。

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