純電動(dòng)汽車單踏板控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

盧 雄， 歐陽智， 楊杰君， 汪 帆， 王 全

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

本文中的單踏板控制能夠利用加速踏板實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的驅(qū)動(dòng)、滑行、非緊急制動(dòng)、停車和駐車等工況的控制。即踩下加速踏板車輛起步加速；松開加速踏板到一定程度時(shí)車輛會(huì)從驅(qū)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入滑行狀態(tài)；繼續(xù)松加速踏板車輛會(huì)進(jìn)入制動(dòng)減速狀態(tài)；如一直保持松開的狀態(tài)，車輛會(huì)一直制動(dòng)直至停車和駐車。相較普通單踏板系統(tǒng)(無滑行、停車和駐車控制)而言，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全工況單踏板駕駛控制，在保證制動(dòng)舒適性的同時(shí)讓整車達(dá)到最大強(qiáng)度的制動(dòng)能量回收；在節(jié)能的同時(shí)降低了駕駛員在加速踏板和制動(dòng)踏板間來回切換的頻率，減輕駕駛員駕駛負(fù)擔(dān)[1-4]。該系統(tǒng)仍然保留原有的制動(dòng)踏板，用于駕駛員在緊急狀況下的緊急制動(dòng)需求。本文主要針對(duì)利用加速踏板進(jìn)行非緊急制動(dòng)的控制而展開論述。

1 系統(tǒng)控制原理

本文提出的純電動(dòng)汽車單踏板控制系統(tǒng)是利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)、滑行和電制動(dòng)再生扭矩的輸出。當(dāng)電制動(dòng)再生扭矩?zé)o法提供足夠的制動(dòng)力時(shí)，利用EBS氣制動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)償電制動(dòng)力的不足；當(dāng)整車停車后系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)Auto Hold功能，消除車輛溜車風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)控制分析

2.1 駕駛意圖識(shí)別原理

根據(jù)駕駛員踩驅(qū)動(dòng)踏板的深度(即踏板開度百分比)識(shí)別駕駛意圖。第一代產(chǎn)品是把驅(qū)動(dòng)踏板開度[0，100]分成2個(gè)區(qū)間，起步踩踏板時(shí)，踏板開度逐漸增大，在[0，23)區(qū)間輸出扭矩為0，[23，100]區(qū)間為驅(qū)動(dòng)階段；松踏板時(shí)，踏板開度逐漸減小，在[100，23]區(qū)間為驅(qū)動(dòng)階段，(23，0]區(qū)間為制動(dòng)階段，如圖1所示。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，每次驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)動(dòng)力輸出均出現(xiàn)延遲問題。這是因?yàn)轳{駛員必須踩驅(qū)動(dòng)踏板至開度大于23時(shí)才有動(dòng)力輸出。

圖1 駕駛意圖與驅(qū)動(dòng)踏板開度關(guān)系V1.0

對(duì)第一代產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，將踩踏板時(shí)的驅(qū)動(dòng)零點(diǎn)設(shè)置為4，松踏板時(shí)的制動(dòng)零點(diǎn)設(shè)置為17，如圖2所示。具體是：起步踩踏板時(shí)[0，4)輸出扭矩為0，[4，100]為驅(qū)動(dòng)階段；松踏板時(shí)[100，17]為驅(qū)動(dòng)階段，(17，0]為制動(dòng)階段，其中制動(dòng)階段的制動(dòng)強(qiáng)度是以圖中a開度值為分界點(diǎn)，a根據(jù)整車當(dāng)前車速以及驅(qū)動(dòng)踏板開度變化而變化，因此a是不定值，具體2.3節(jié)中會(huì)詳細(xì)介紹。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因路面顛簸等非駕駛員期望因素會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)踏板開度值在驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)分界點(diǎn)17附近頻繁波動(dòng)，影響駕駛舒適性。

圖2 駕駛意圖與驅(qū)動(dòng)踏板開度的關(guān)系V2.0

對(duì)第二代產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，在松踏板時(shí)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)區(qū)之間增加一段滑行緩沖區(qū)間，如圖3所示。具體是：起步踩踏板時(shí)[0，4)目標(biāo)扭矩輸出為0，[4，100]為驅(qū)動(dòng)階段；松踏板時(shí)[100，22]為驅(qū)動(dòng)階段，(22，17]為滑行階段，(17，0]為制動(dòng)階段。起步踩踏板和松踏板的制動(dòng)階段與第二代產(chǎn)品相同。

圖3 駕駛意圖與驅(qū)動(dòng)踏板開度的關(guān)系V3.0

2.2 非制動(dòng)階段控制

駕駛意圖識(shí)別完成后需要根據(jù)駕駛意圖控制驅(qū)動(dòng)、滑行、制動(dòng)扭矩的輸出。其中制動(dòng)階段控制過程在2.3節(jié)重點(diǎn)介紹。

1) 驅(qū)動(dòng)扭矩控制：當(dāng)整車處于驅(qū)動(dòng)階段時(shí)，VCU控制驅(qū)動(dòng)扭矩輸出。為保持整車驅(qū)動(dòng)特性，驅(qū)動(dòng)扭矩的大小與傳統(tǒng)雙踏板的驅(qū)動(dòng)扭矩保持同步，使驅(qū)動(dòng)時(shí)的駕駛感受和傳統(tǒng)雙踏板模式保持一致。

2) 滑行扭矩控制：當(dāng)整車處于滑行階段時(shí)，VCU控制滑行扭矩輸出為0即可。

2.3 制動(dòng)階段控制

當(dāng)整車處于制動(dòng)階段時(shí)，控制扭矩和氣制動(dòng)減速度輸出最為關(guān)鍵，因?yàn)閮烧叩拇笮≈苯佑绊懻囻{駛的安全性和乘坐的舒適性。

2.3.1 制動(dòng)需求減速度標(biāo)定

當(dāng)駕駛員松踏板進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，若前車速越大或踏板松得越多，可認(rèn)為駕駛員期望制動(dòng)時(shí)的需求減速度越大。因此將最大的制動(dòng)區(qū)間(17，0]映射成虛擬制動(dòng)踏板開度區(qū)間[0，100]來反映駕駛員松踏板的程度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況標(biāo)定一個(gè)虛擬制動(dòng)踏板開度Vbd與總需求減速度a0的系數(shù)β的MAP1(見表1)。由于車速V和需求減速度也是正相關(guān)關(guān)系，同理可標(biāo)定出不同車速對(duì)應(yīng)的需求減速度a(只與車速有關(guān))的MAP2(見表2)。將兩個(gè)MAP的輸出β與a進(jìn)行乘積就得到總的需求減速度a0(與驅(qū)動(dòng)踏板開度和車速都有關(guān))，它反映了駕駛員在制動(dòng)過程中對(duì)目標(biāo)減速度的需求。

表1 Vbd與a0的系數(shù)β的標(biāo)定對(duì)應(yīng)

表2 制動(dòng)請(qǐng)求時(shí)V與a的標(biāo)定對(duì)應(yīng)

2.3.2 制動(dòng)需求扭矩控制

對(duì)于純電動(dòng)客車而言，其制動(dòng)力來源有驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的回饋電制動(dòng)力及制動(dòng)系統(tǒng)輸出的氣制動(dòng)力[5]。

由車輛在道路上制動(dòng)時(shí)的力學(xué)平衡方程可知[6]，制動(dòng)總需求扭矩Ttq：

式中：m為整車載重；a0為需求減速度；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為坡道角度(上坡為正，下坡為負(fù))；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)(δ> 1)；r為半徑；i0為后橋速比；ηT為傳動(dòng)效率。

當(dāng)電制動(dòng)力無法提供足夠的制動(dòng)力來達(dá)到系統(tǒng)需求的減速度時(shí)，需要制動(dòng)系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)介入以補(bǔ)償電制動(dòng)力的不足。由于VCU發(fā)出氣制動(dòng)控制指令到氣制動(dòng)力反映到車輪端有大約600～800 ms的延遲，為了保證制動(dòng)力的連續(xù)性，讓氣制動(dòng)力提前一段時(shí)間(根據(jù)實(shí)際狀態(tài)標(biāo)定)介入以消除氣制動(dòng)力遲滯問題。

由于VCU與氣制動(dòng)系統(tǒng)是通過減速度值進(jìn)行交互而非扭矩值，因此當(dāng)系統(tǒng)有氣制動(dòng)請(qǐng)求，即Ttq大于當(dāng)前車輛最大允許電制動(dòng)扭矩TEmax時(shí)，需要將氣制動(dòng)扭矩TAir轉(zhuǎn)換成氣制動(dòng)減速度值aAir進(jìn)行輸出控制[7]。即計(jì)算出氣制動(dòng)所需要輸出的扭矩值TAir和對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的制動(dòng)減速度aAir的公式如下：

Ttq=TEmax+TAir，即TAir=Ttq-TEmax
a0=aEmax+aAir+aw+ar+af，即aAir=a0-aEmax-aw-ar-af

式中：aEmax、aw、ar、af分別為電制動(dòng)力、風(fēng)阻力、坡道阻力以及滾動(dòng)阻力作用于整車的減速度值。

2.3.3 扭矩濾波

本文車輛為電機(jī)直驅(qū)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力輸出軸齒輪直接與后橋的主減速器輸入軸齒輪連接傳動(dòng)，當(dāng)整車在驅(qū)動(dòng)工況和制動(dòng)工況相互轉(zhuǎn)換時(shí)，扭矩方向改變的瞬間(簡(jiǎn)稱扭矩過零)對(duì)主減速器齒輪的沖擊較大。為了減小扭矩過零沖擊，提升駕乘的舒適性，需要對(duì)扭矩進(jìn)行濾波：即在扭矩非過零狀態(tài)，要求實(shí)際扭矩及時(shí)響應(yīng)駕駛員的請(qǐng)求扭矩，所以扭矩變化應(yīng)盡量快；在扭矩過零前120 N·m(根據(jù)實(shí)際情況標(biāo)定)扭矩變化率盡量小一些，且維持100 ms的過零時(shí)間，讓齒輪與齒輪間緩慢嚙合，減小過零沖擊。扭矩濾波前后的效果如圖4所示。

圖4 扭矩濾波效果示意圖

2.3.4 扭矩仲裁

當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)踏板請(qǐng)求扭矩，此時(shí)由于駕駛員松驅(qū)動(dòng)踏板到制動(dòng)階段也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單踏板制動(dòng)請(qǐng)求扭矩，因此需要VCU對(duì)兩個(gè)請(qǐng)求扭矩進(jìn)行仲裁，以判斷系統(tǒng)響應(yīng)哪個(gè)請(qǐng)求扭矩是合理的。

如果駕駛員踩制動(dòng)踏板，說明有強(qiáng)烈的制動(dòng)意圖，此時(shí)單踏板制動(dòng)請(qǐng)求扭矩不為0，但踏板制動(dòng)扭矩是隨著駕駛員踩制動(dòng)踏板從0開始增大的，因此為了防止由于踩制動(dòng)踏板導(dǎo)致制動(dòng)扭矩突然下降至0后又開始突然增大造成整車抖動(dòng)的情況出現(xiàn)，系統(tǒng)應(yīng)該響應(yīng)兩者中制動(dòng)扭矩的較大值。

2.4 Auto Hold 控制

利用EBS系統(tǒng)的臨停功能接口以及EPB系統(tǒng)的自動(dòng)駐車功能接口，駕駛員可以利用一個(gè)踏板完成臨停和駐車。在車輛行駛的過程中，臨時(shí)停車的場(chǎng)景甚是常見，駕駛員利用單踏板就可以控制車輛臨停，即使不踩制動(dòng)踏板車輛也不會(huì)出現(xiàn)溜車問題，同時(shí)儀表會(huì)提醒駕駛員此時(shí)車輛已進(jìn)入臨停狀態(tài)。如需繼續(xù)行駛，駕駛員只需輕踩驅(qū)動(dòng)踏板即可。如果車輛連續(xù)60 s(時(shí)間可調(diào))處于臨停狀態(tài)，為了防止異常掉電或其他故障導(dǎo)致臨停制動(dòng)力消失而發(fā)生安全事故，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)自動(dòng)駐車功能(EPB)消除安全隱患，此時(shí)儀表會(huì)提醒駕駛員車輛已進(jìn)入駐車狀態(tài)。

3 結(jié)束語

在單踏板駕駛模式下，駕駛員可以通過一個(gè)踏板完成對(duì)整車的驅(qū)動(dòng)、非緊急制動(dòng)、停車與駐車等工況控制，減輕了駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)。相較于傳統(tǒng)雙踏板駕駛模式，單踏板駕駛模式平均百公里能耗和制動(dòng)踏板使用頻率都有所降低，說明單踏板控制技術(shù)的研究對(duì)電動(dòng)汽車的性能及駕駛體驗(yàn)的提升具有重大意義[7-9]。