速度閉環(huán)控制在提升電動車坡道駕駛性的應(yīng)用

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車在坡道上溜坡的問題、通過對車輛狀態(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，可以實現(xiàn)電動汽車的坡道輔助和自動駐車功能，通過此方法可以改善電動汽車坡道的駕駛性，經(jīng)過實車驗證，此方法效果明顯。

關(guān)鍵詞：電動汽車;坡道駕駛性

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)純電動汽車整車控制策略開發(fā)和驗證。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。電動汽車核心電驅(qū)動系統(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，通過對電驅(qū)動系統(tǒng)零轉(zhuǎn)速的精確控制，可以實現(xiàn)電動車輛的坡道輔助和自動駐車的功能。所謂零轉(zhuǎn)速是指，通過控制電驅(qū)動系統(tǒng)的扭矩維持電機(jī)轉(zhuǎn)速為零。傳統(tǒng)燃油車實現(xiàn)坡道輔助的功能基本是通過對液壓系統(tǒng)的保壓，制動車輪的方式實現(xiàn)。孫延[1]基于EPB系統(tǒng)對坡道輔助的起步策略進(jìn)行研究，通過仿真驗證了動態(tài)輸入?yún)?shù)方式的有效性;沈忱[2]等基于ESC系統(tǒng)設(shè)計了汽車坡道起步輔助功能的策略，并進(jìn)行實車標(biāo)定驗證有效性;王洪偉[3]，提出氣壓式電子駐車制動系統(tǒng)，通過控制制動氣室內(nèi)的壓力，推動推桿保持制動車輪，實現(xiàn)駐車目的;胡建軍[4]等對起步扭矩控制中對溜坡扭矩進(jìn)行了考慮，但未實現(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)動系統(tǒng)的零轉(zhuǎn)速實現(xiàn)起步輔助，提高坡道的駕駛性，同時降低成本。

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

2.1 純電動車的坡道受力分析

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

圖1可知，電動車在坡道上靜止將要起步時，受到的力有驅(qū)動力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)動系統(tǒng)輸出扭矩，i為傳動系統(tǒng)速比，η為傳動系統(tǒng)的效率，r為驅(qū)動輪半徑;G為車輛重力，θ為坡道值，f為滾動阻力系數(shù)，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，V為車速;為了實現(xiàn)坡道起步輔助的目標(biāo)，需要控制電驅(qū)動系統(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)動系統(tǒng)的驅(qū)動扭矩平衡坡道阻力[5]。

2.2 零轉(zhuǎn)速控制架構(gòu)

在2.1中已經(jīng)分析了電動車在坡道上的受力情況，為了實現(xiàn)坡道輔助或者自動駐車的目的，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，同時以電驅(qū)動系統(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VCU還需要采集檔位，油門，制動等信號來判斷駕駛員意圖，實現(xiàn)坡道輔助或者自動駐車功能的激活，通過儀表模塊（ICM）實現(xiàn)人機(jī)交互。圖2為零轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)架構(gòu)。

VCU以lOms為周期對油門，檔位，制動，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，保證控制的實時性;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，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，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現(xiàn)

3.1 坡道輔助功能實現(xiàn)

坡道輔助（Hill Assistance Control，HAC）功能在傳統(tǒng)燃油車上的實現(xiàn)是：車輛依靠液壓制動停穩(wěn)在坡道上后，通過液壓系統(tǒng)的保壓，維持3-5秒時間，給駕駛員足夠時間實現(xiàn)倒腳。3-5秒后，液壓釋放;或者駕駛員請求驅(qū)動力大于液壓制動力，液壓自動釋放，保證在坡道上駕駛性。本文以在研A000級電動車為控制對象，對速度閉環(huán)控制優(yōu)化坡道駕駛性進(jìn)行有效性驗證。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功能實現(xiàn)的條件：

a）.車輛停穩(wěn);

b）.檔位為驅(qū)動檔位（D/R）;

c）.驅(qū)動系統(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;

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

以8°坡為實例，對加載扭矩進(jìn)行控制，如圖6，坡道輔助測試實物圖。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)，制動踏板踏下后，控制扭矩被限制，當(dāng)制動踏板釋放后，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±50rpm，結(jié)合實際整車表現(xiàn)，松開制動后，整車可停駐在坡道上，不出現(xiàn)后溜，對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)動系統(tǒng)不可用;

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

k）.電驅(qū)動系統(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，通過對零轉(zhuǎn)速控制時的扭矩進(jìn)行接管，按照設(shè)定的梯度進(jìn)行扭矩的遞減直到為零，保證退出時的平順性。從實驗數(shù)據(jù)可知：扭矩經(jīng)過約600ms后變?yōu)榱悖谛遁d過程中，轉(zhuǎn)速的波動約為±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)動扭矩大于零轉(zhuǎn)速控制扭矩后，退出坡道輔助功能，此時，控制扭矩跟隨油門請求扭矩，保持加載的平順性，從實驗數(shù)據(jù)可看出，起步平順，轉(zhuǎn)速波動大約為±25rpm。

3.2 自動駐車功能實現(xiàn)

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

a）.檔位為D檔;

b）.自動駐車開關(guān)開啟;

c）.通過制動將車輛停穩(wěn)保持2秒;

d）.驅(qū)動系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒;

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

e）.檔位為非D檔：

f）.驅(qū)動系統(tǒng)不可用;

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

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

I）.自動駐車開關(guān)關(guān)閉;

通過對以下兩個典型工況：平路上開啟自動駐車;8°坡道開啟自動駐車，驗證自動駐車功能的有效性。圖9a為平路上自動駐車扭矩控制，圖9b為坡道上自動駐車扭矩控制。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)，可以實現(xiàn)自動駐車的功能，在平路上，滿足上述自動駐車條件后，車輛平穩(wěn)的實現(xiàn)了駐車，當(dāng)駕駛員踏下油門后，請求扭矩大于駐車扭矩，車輛平穩(wěn)起步;在坡道上時，條件滿足后，自動駐車功能激活，由于制動踏板踏下，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（±80rpm），隨后駕駛員請求扭矩，加載平順，大于駐車扭矩后，實現(xiàn)平穩(wěn)起步。

4 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)：

[1]孫延.EPB電控駐車制動系統(tǒng)坡道輔助起步控制策略研究[A].第14屆國際汽車交通安全論壇[C]，2017，長沙，230-239.

[2]沈忱，劉繼峰等.基于ESC系統(tǒng)的坡道起步輔助功能研究[A].中國汽車工程學(xué)會年會論文集[C]，2015，810-813.

[3]王洪偉，王俊偉，章健國.自動駐車制動控制系統(tǒng)在商用車的設(shè)計研究[J].汽車實用技術(shù)，2017（21）：76-81.

[4]胡建軍，杜瑞，吉毅等.純電動汽車起步控制策略[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2013，36（8）：19-25.

[5]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2009，15-18.

基金項目：安徽省科技重大專項（16030901035）奇瑞全鋁車身AO級純電動SUV研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化資助