純電動(dòng)汽車坡道起步輔助控制探究

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摘要：提出一種無(wú)傳感器的坡道起步輔助控制方法，通過(guò)整車控制器采集相關(guān)信號(hào)，判斷是否進(jìn)入坡道起步輔助模式；設(shè)計(jì)雙閉環(huán)PI控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩，實(shí)現(xiàn)坡道起步輔助控制功能，并進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；坡道起步；輔助控制

坡道起步是車輛行駛過(guò)程中較常出現(xiàn)且事故率較高的復(fù)雜工況［1－2］，一旦操作不當(dāng)就可能造成車輛溜坡［3］，對(duì)駕駛員操控技術(shù)的要求較高。配備坡道起步輔助系統(tǒng)可以降低駕駛員操作要求［4］，并提升行車安全性［5］。本文提出一種純電動(dòng)汽車坡道起步輔助控制方法。該方法利用電機(jī)在低速工況和堵轉(zhuǎn)工況輸出的峰值扭矩［6－7］（具有精度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)）來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助控制，不需要機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)參與，也無(wú)需增加傳感器，僅通過(guò)控制電機(jī)輸出扭矩即可與坡道后溜力平衡，從而實(shí)現(xiàn)車輛坡道平穩(wěn)起步。

1坡道起步輔助控制策略

11系統(tǒng)架構(gòu)

坡道起步輔助控制系統(tǒng)包括決策機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1所示。決策機(jī)構(gòu)為整車控制器，采集鑰匙、擋位、駐車、加速踏板及制動(dòng)踏板等信號(hào)，接收電機(jī)控制器反饋的電機(jī)狀態(tài)信號(hào)，識(shí)別駕駛意圖，判斷是否需要進(jìn)入坡道輔助模式，計(jì)算坡道輔助扭矩（即重力下溜平衡扭矩）并下發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電機(jī)及其控制器，接收并響應(yīng)決策機(jī)構(gòu)下發(fā)的坡道輔助扭矩，使車輛在坡道上平穩(wěn)駐停。

12決策流程

系統(tǒng)決策機(jī)構(gòu)判斷何時(shí)進(jìn)入坡道起步輔助控制模式、何時(shí)退出坡道起步輔助控制模式，具體流程如下：1）整車控制器檢測(cè)鑰匙信號(hào)，判斷車輛是否上電，若車輛上電，則進(jìn)入后續(xù)流程2），否則退出坡道起步輔助控制模式。2）整車控制器檢測(cè)擋位信號(hào)，判斷車輛是否處于行車擋，若車輛處于行車擋，則進(jìn)入后續(xù)流程3），否則退出坡道起步輔助控制模式。3）整車控制器檢測(cè)駐車信號(hào)，判斷駐車制動(dòng)是否有效，若駐車制動(dòng)無(wú)效，則進(jìn)入后續(xù)流程4），否則退出坡道起步輔助控制模式。4）整車控制器檢測(cè)制動(dòng)踏板信號(hào)，判斷行車制動(dòng)是否有效，若行車制動(dòng)無(wú)效，則進(jìn)入后續(xù)流程5），否則退出坡道起步輔助控制模式。5）整車控制器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于－3r／min時(shí)說(shuō)明車輛已出現(xiàn)后溜，則進(jìn)入坡道起步輔助模式，否則退出坡道起步輔助控制模式。6）進(jìn)入坡道起步輔助控制模式后，若駕駛員踩下加速踏板且請(qǐng)求扭矩大于坡道平衡扭矩，則車輛退出坡道起步輔助控制模式而平穩(wěn)起步進(jìn)入正常行駛狀態(tài)，否則進(jìn)入下一步流程7）。7）由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)，進(jìn)入坡道起步輔助控制模式后開(kāi)始計(jì)時(shí)，若時(shí)間超過(guò)5s，則退出坡道起步輔助控制模式而進(jìn)入駕駛員自控模式。

13扭矩控制策略

進(jìn)入坡道起步輔助模式后，需要快速、平穩(wěn)地將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為0r／min，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)維持堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而防止車輛后溜。文獻(xiàn)［8］借助加速度采集芯片獲得車輛前進(jìn)方向加速度，并通過(guò)車輛縱向動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算道路坡道角度［9］，根據(jù)坡道角度估算初始電機(jī)扭矩。本文針對(duì)無(wú)傳感器情形，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)PI控制器（比例積分控制器），自適應(yīng)調(diào)節(jié)坡道起步輔助扭矩，實(shí)現(xiàn)既精準(zhǔn)又快速的控制，扭矩控制框圖如圖2所示。將目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為0r／min，把目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值作為轉(zhuǎn)速PI控制器的輸入，閉環(huán)控制輸出轉(zhuǎn)速變化率補(bǔ)償。通過(guò)轉(zhuǎn)速PI控制器可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化率補(bǔ)償動(dòng)態(tài)跟隨實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差而變化。在無(wú)駕駛員干預(yù)的情形下，坡度越大時(shí)，車輛后溜越快；車重越大時(shí)，車輛后溜越快［10］。因此，可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率通過(guò)查表獲得對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速PI控制器的Kp（比例）、Ki（積分）參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率較大時(shí)使用較大的Kp、Ki參數(shù)，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度；電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率較小時(shí)使用較小的Kp、Ki參數(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定性。對(duì)于雙閉環(huán)PI控制器整體而言，轉(zhuǎn)速PI控制器實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)轉(zhuǎn)速逼近實(shí)際轉(zhuǎn)速的快慢可調(diào)節(jié)。把轉(zhuǎn)速PI控制器輸出的轉(zhuǎn)速變化率補(bǔ)償與實(shí)際轉(zhuǎn)速變化率的差值作為轉(zhuǎn)速變化率PI控制器的輸入，而其輸出為目標(biāo)扭矩。通過(guò)轉(zhuǎn)速變化率PI控制器可以將當(dāng)前系統(tǒng)存在的轉(zhuǎn)速變化率偏差轉(zhuǎn)換為目標(biāo)扭矩。由于上一級(jí)轉(zhuǎn)速PI控制器已經(jīng)考慮了坡度、車重對(duì)系統(tǒng)的影響，所以轉(zhuǎn)速變化率PI控制器的Kp、Ki參數(shù)使用常數(shù)即可。本文通過(guò)反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Kp取32、Ki取08有較好的控制效果。

2實(shí)車測(cè)試

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的效果，選取一輛10m純電動(dòng)客車，在10％的坡道上進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。踩下制動(dòng)踏板使車輛停穩(wěn)，隨后迅速松開(kāi)制動(dòng)踏板，觀察是否觸發(fā)坡道起步輔助功能、車輛是否穩(wěn)定駐坡。實(shí)車測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。松開(kāi)制動(dòng)踏板后車輛開(kāi)始后溜，大約在03s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到－3r／min，此時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)坡道起步輔助控制模式，并控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)輸出目標(biāo)扭矩（平衡扭矩），大約在21s時(shí)車輛穩(wěn)定地停在坡道上。通過(guò)測(cè)量得到此時(shí)的后溜距離約為16cm。

3結(jié)束語(yǔ)

本文在不增加傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的前提下，判斷坡道起步輔助介入的時(shí)機(jī)，通過(guò)雙閉環(huán)PI控制器控制電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩，使車輛在坡道上迅速達(dá)到平衡狀態(tài)，在可接受的溜坡距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了坡道起步輔助功能。

作者:歐陽(yáng)智 楊杰君 周艷輝 文健峰 王全 單位:中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司