純電動汽車坡道起步防溜系統(tǒng)及控制策略的研究 Research on the Anti-Slip System and Anti-Slip Control Strategy of Pure Elect

李磊 LI Lei 黃鑫 HUANG Xin 翟世歡ZHAI Shi-huan 杜森 DU Sen

摘要：本文提出一種由加速踏板、制動踏板、檔位、整車控制器、電機控制器及電機、陀螺儀組成的防溜系統(tǒng)。整車控制器通過踏板、擋位狀態(tài)、陀螺儀等外設判斷車輛是否需要進入防溜工作模式，車輛的防溜工作模式和正常驅(qū)動模式的切換需要經(jīng)過預防溜模式，初始防溜扭矩依據(jù)陀螺儀檢測到的坡度值給出，以使系統(tǒng)的響應速度提高，降低車輛后溜距離。如果整車處于防溜坡狀態(tài)，VCU根據(jù)車輛傾角及當前電機轉(zhuǎn)速和電機執(zhí)行扭矩情況實時調(diào)整防溜坡的扭矩值，并持續(xù)判斷車輛狀態(tài)是否可以退出防溜坡模式。

Abstract： The anti-slip system described in this article consists of an accelerator pedal， a brake pedal， gears， a vehicle control unit， a motor controller， a motor， and a gyroscope. The vehicle control unit judges whether the vehicle needs to enter the anti-slip working mode through the pedal， gear status， gyroscope and other peripherals. The switch between the anti-slip working mode and the normal driving mode of the vehicle needs to go through the previous anti-slip mode. The slope value detected by the instrument is given to improve the response speed of the system and reduce the slip distance of the vehicle. If the vehicle is in the anti-slip state， the VCU will adjust the anti-slip torque value in real time according to the vehicle inclination， the current motor speed and the motor torque， and continuously judge whether the vehicle state can exit the anti-sliding mode.

關(guān)鍵詞：純電動汽車;坡道起步;防溜系統(tǒng);防溜策略

Key words： pure electric vehicle;anti-slip start;anti-slip system;anti-slip strategy

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0001-03

近年來，世界主要汽車大國紛紛加強戰(zhàn)略謀劃、強化政策支持，新能源汽車已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要方向和促進世界經(jīng)濟持續(xù)增長的重要引擎。另一方面，在全球能源緊缺、環(huán)境污染日漸惡化的背景下，我國政府提出了“3060碳峰值碳中和”的目標愿景，從國情出發(fā)促使我們要加大對電動汽車的研發(fā)力度[1]。隨著電動汽車日益普及，人們對其安全技術(shù)問題和駕駛舒適度的要求越來越高，其中防溜坡功能是一個重點關(guān)注項目。但目前對電動汽車防溜坡功能的研究還比較滯后，大多停留在傳統(tǒng)車輛的已有技術(shù)上，功能不完善的車輛嚴重影響了駕駛員的駕駛體驗，也加大了電動汽車坡道起步的難度，增加了車輛起步的事故率[2]。鑒于上述問題，本文提供一種電動汽車防溜系統(tǒng)并在此系統(tǒng)上實現(xiàn)防溜控制策略。該防溜坡系統(tǒng)不會大量增加電動汽車的成本，其能夠防止電動汽車在一定坡道上向后溜坡，提升電動汽車駕駛舒適性和易操作性。

1? 車輛防溜技術(shù)方案分析

車輛防溜坡功能最早是應用在傳統(tǒng)燃油車系統(tǒng)中的一項輔助駕駛功能。當駕駛員駕駛車輛在坡道上起步時，腳從剎車踏板移動至油門踏板的時間內(nèi)，因為制動力中斷車輛會出現(xiàn)后溜[3]。如圖1所示車輛溜坡示意圖。為了防止駕駛員從踩制動踏板切換到踩加速踏板的過程中車輛后溜，汽車設計師們設計防車輛后溜的系統(tǒng)，在駕駛員松掉剎車踏板后還能提供一定的制動力，保證車輛在坡道上保持一定的時間而不溜坡[4]。

目前中、高檔汽車上通常配備的是基于HHC、AVH、ARB三種防溜坡功能的坡道輔助系統(tǒng)[5]。三種技術(shù)方案的特征如下：

①HHC（Hill-start Assist Control，Hac），一種最早出現(xiàn)的坡道輔助系統(tǒng)，基于ESP系統(tǒng)的坡道起步輔助系統(tǒng)。HHC技術(shù)利用ESP系統(tǒng)的建壓保壓能力，在駕駛員上坡起步過程中，松掉剎車踏板后提供一定的制動力，促使車輛能夠在坡道上穩(wěn)定一段時間[6]。但由于ESP內(nèi)部線圈的承受能力有限，HHC能保壓的時間很短，故該功能無法保持在不踩踏板的作用下長時間保持車輛穩(wěn)定。

②AVH（Auto Vehicle Hold），是一種加強版的HHC，基于EPB和ESP兩套系統(tǒng)設計的自動駐車系統(tǒng)[7]。當駐車時間較短時，原理和HHC相似靠ESP保壓;當駐車時間較長時，系統(tǒng)會請求EPB鎖住輪缸壓力。由于EPB通過電機及減速機構(gòu)控制夾緊力，可以根據(jù)坡度靈活控制制動力大小，EPB電機的耐受能力也更強，所以AVH功能可保持車輛在坡道較長的時間。

③ARB（Anti-Roll Back），是一種適用于新能源車輛的新型防溜坡系統(tǒng)。其原理是：當車速較小時，如果處于驅(qū)動檔位，整車將激活防溜坡功能，控制電機進入零轉(zhuǎn)速控制，將車穩(wěn)定在路面[8]。當駕駛員踩下油門踏板后，驅(qū)動扭矩足以克服坡道阻力時，ARB功能將退出車輛進入驅(qū)動模式。

通過上述技術(shù)方案分析可知，傳統(tǒng)燃油車的防溜坡功能通常需要使用機械制動系統(tǒng)參與實現(xiàn)，但對于電動汽車來說，可以一定程度上不需要機械制動系統(tǒng)，也無須增加太多零部件，僅靠電機本身就能實現(xiàn)防溜坡功能。因為，電動汽車的驅(qū)動執(zhí)行器為電動機，電動機可以承受一定的堵轉(zhuǎn)運行，因此在電動汽車在坡道起步階段，只需要使用電動機持續(xù)輸出抵消扭矩就可實現(xiàn)防止車輛后溜的目的。

2? 電動汽車防溜系統(tǒng)設計

由于電動汽車的動力輸出機理和傳統(tǒng)燃油汽車完全不同。內(nèi)燃機在停機時沒有轉(zhuǎn)矩輸出，而電機可以在轉(zhuǎn)子靜止的狀態(tài)下輸出全額扭矩[9]。因此，只需控制動力傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，即可實現(xiàn)電動汽車在坡道上靜止。

本文設計的電動汽車防溜功能通過一套車輛控制系統(tǒng)聯(lián)合動作而實現(xiàn)，該防溜控制系統(tǒng)由加速踏板、制動踏板、擋位、整車控制器（VCU，Vehicle Control Unit）、電機控制器（MCU，Motor Control Unit）及電機、動力電池包、陀螺儀組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在防溜控制系統(tǒng)中，整車控制器VCU監(jiān)測鑰匙信號、擋位信號、踏板狀態(tài)信號，按照約定好的通信協(xié)議（如CAN總線協(xié)議）將防溜控制命令發(fā)送給電機控制器MCU。本電動汽車防溜控制系統(tǒng)各組成部分的功能和工作原理如下所述：

①整車控制器VCU檢測鑰匙信號，用于判斷車輛是否處于可啟動狀態(tài)。②整車控制器VCU檢測擋位信號，用于發(fā)送車輛的驅(qū)動命令是前進或者后退模式，判斷車輛是否處于前進擋狀態(tài)，以便防溜坡策略判斷車輛是否允許進入防溜坡工作模式。③整車控制器VCU檢測加速踏板開度信號和制動踏板開度信號，用于判斷駕駛員是否有加速或者制動請求，以及計算請求百分比，以便防溜坡策略判斷車輛是否允許進入防溜坡工作模式[10]。④整車控制器VCU在車輛行駛過程中需要檢測車輛的傾角狀態(tài)。如果整車處于預防溜坡狀態(tài)時，整車防溜控制系統(tǒng)中的陀螺儀用來完成車輛傾角檢測功能，并將傾角值發(fā)送給VCU。VCU實時接收陀螺儀的傾角值，計算出當前需要的轉(zhuǎn)矩，并把該初始防溜扭矩信號發(fā)給電機控制器MCU。如果整車處于防溜坡狀態(tài)時，VCU接收傾角值，利用制定好的驅(qū)動電機扭矩控制算法，用于防溜扭矩值的實時微調(diào)。⑤在防溜系統(tǒng)中，電池系統(tǒng)為電動汽車的動力源，用于車輛行駛和車輛防溜坡時為電機控制器和驅(qū)動電機供電。⑥在防溜系統(tǒng)中，電機控制器MCU根據(jù)VCU發(fā)送的方向命令和扭矩命令驅(qū)動電機運行。⑦在防溜系統(tǒng)中，電機軸與車輛變速箱相連，為車輛提供動力，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。

3? 電動汽車防溜策略實現(xiàn)

根據(jù)防溜坡策略的需求，將整車防溜坡工作模式分為預防溜坡模式、防溜坡模式和防溜坡退出模式。圖3為預防溜坡模式、防溜坡模式控制策略的流程圖，圖4為防溜坡退出模式流程圖。

①在整車防溜坡系統(tǒng)中，VCU與MCU共同協(xié)作完成車輛防溜坡功能，VCU進行模式切換的判斷和防溜扭矩給定，MCU進行電機運行狀態(tài)檢測和扭矩命令執(zhí)行。VCU采集車輛的檔位狀態(tài)和踏板狀態(tài)，MCU檢測電機旋轉(zhuǎn)方向、電機轉(zhuǎn)速以及當前電機執(zhí)行扭矩大小并反饋給VCU，VCU根據(jù)當前電機轉(zhuǎn)速、電機執(zhí)行扭矩值、電機轉(zhuǎn)速變化率及整車傾角值判斷是否進入防溜工作模式。②當車輛處于前進擋時，并且加速踏板和制動踏板都沒有被踩下時，或者VCU檢測到加速踏板踩下深度較淺時，VCU被觸發(fā)執(zhí)行防溜判斷。當電機轉(zhuǎn)速低于預防溜最小轉(zhuǎn)速值，且MCU執(zhí)行扭矩較小時，VCU將會判定整車進入預防溜坡狀態(tài)。并且此時，VCU根據(jù)當前電機轉(zhuǎn)速和整車傾角值等信息開始計算整車需求的防溜扭矩，電機控制器第一時間響應該參考初始防溜扭矩。當后續(xù)電機轉(zhuǎn)速小于最小觸發(fā)極限轉(zhuǎn)速時刻，VCU判定進入防溜工作狀態(tài)。③這里可以制定PI控制算法，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化和實時傾斜角對防溜扭矩進行調(diào)節(jié)。將實時轉(zhuǎn)速與防溜最小轉(zhuǎn)速的差值作為防溜坡控制的輸入量，基于陀螺儀實時采集到的車輛傾角值，計算出溜坡控制參數(shù)Kp、Ki，實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)節(jié)輸出防溜坡扭矩值。驅(qū)動電機系統(tǒng)在響應VCU發(fā)送的目標扭矩時實現(xiàn)了線性控制，從而避免了長時間大電流而損壞電機系統(tǒng)，以及車輛駐坡時的抖動。④當駕駛員踩下加速踏板后，VCU將會根據(jù)加速踏板踩下開度以及當前車輛的整車狀況計算驅(qū)動扭矩值，并判斷驅(qū)動扭矩值是否大于當前防溜坡的輸出扭矩時，若大于則整車將再次進入預防溜坡模式，VCU發(fā)送驅(qū)動扭矩命令，（當電機轉(zhuǎn)速提高到足夠轉(zhuǎn)速以上時，VCU才會真正停止防溜坡運算工作，退出預防溜模式）否則VCU一直處于防溜工作狀態(tài)，VCU計算防溜扭矩。當駕駛員踩下制動踏板時，VCU首先進入預退出防溜坡狀態(tài)，并在一個較短的時間內(nèi)退出預防溜坡模式，進入制動模式，響應制動踏板的指令。⑤該種控制方法只能防住一定角度的坡道，如果坡道過大，車輛將出現(xiàn)后溜現(xiàn)象，建議坡度過大時通過手剎輔助駐車。處于防溜坡狀態(tài)的電機控制器并不能持續(xù)進行防溜坡運行，需要隔一段時間退出一次防溜坡，以防止電機及電機控制器出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)而過熱。

4? 結(jié)束語

本文在研究了現(xiàn)有電動汽車的電機轉(zhuǎn)速扭矩控制和整車控制器的基本原理基礎上，在不過多增加車輛硬件設備的前提下設計了一套電動汽車防溜坡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的整車控制器為防溜坡控制的核心，完成防溜坡進入和退出的判斷，整車控制器與電機控制器配合完成車輛扭矩的輸出，達到車輛防溜坡的效果。本文設計的防溜坡系統(tǒng)不僅可以用于前向防溜坡，也可以用于后向防溜坡，實現(xiàn)策略相同，只是防溜進入條件有所不同。本文提出該防溜坡系統(tǒng)及控制策略主要意在，為廣大電動汽車開發(fā)者提供一些電動汽車防溜坡功能設計的思路。

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