韓云武，羅禹貢，李克強(qiáng)

(清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)車(chē)輛在有坡路段的事故傷亡率及財(cái)產(chǎn)損失遠(yuǎn)大于平均值［1］，保證車(chē)輛下坡過(guò)程中的制動(dòng)效能，提升行駛安全，是國(guó)家交通法規(guī)［2］和車(chē)輛制動(dòng)安全研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。另外，混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)的制動(dòng)能量回饋可提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，其制動(dòng)過(guò)程的研究也一直是HEV研究的重點(diǎn)。

車(chē)輛下坡安全領(lǐng)域的研究目前主要集中在與傳統(tǒng)車(chē)輛相關(guān)的3個(gè)方面:(1)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦、慣性和排氣控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)［3］;(2)利用電渦流及液體內(nèi)摩擦消耗車(chē)輛動(dòng)能的輔助制動(dòng)器［4－6］;(3)下大坡過(guò)程中車(chē)輛控制器通過(guò)協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系和ABS系統(tǒng)，使車(chē)輛保持穩(wěn)定車(chē)速下坡的陡坡緩降功能［7］。前兩者僅限于為系統(tǒng)提供持續(xù)可靠的輔助制動(dòng)力;后者雖具有輔助駕駛功能，但為防止制動(dòng)系統(tǒng)的熱失效，其應(yīng)用僅限于車(chē)輛低速狀態(tài)。另外，混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)能量回饋的相關(guān)研究多集中在液壓與電機(jī)制動(dòng)力矩的分配與協(xié)調(diào)［8］、下坡過(guò)程中能量回收效率［9］的研究。國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有與HEV下坡路段主動(dòng)安全相關(guān)的研究。

為提高下坡路段HEV的安全性和經(jīng)濟(jì)性，本文中提出一種在下坡過(guò)程中，駕駛員完全松開(kāi)制動(dòng)踏板和加速踏板的情況下，車(chē)輛由控制器控制保持車(chē)速不再增加的HEV下坡輔助控制(HEV-DAC)的主動(dòng)安全控制方法。首先根據(jù)駕駛員的駕駛習(xí)慣、駕駛意圖和行車(chē)安全要求制定HEV-DAC的目標(biāo)，計(jì)算需求制動(dòng)力矩;其次根據(jù)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的制動(dòng)能力，以保證制動(dòng)安全和制動(dòng)能量回收最大化為原則制定制動(dòng)力矩分配策略;再次為提高車(chē)輛的舒適性，制定不同制動(dòng)系統(tǒng)間力矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略;最后建立系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并基于某山區(qū)公路的坡度數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 HEV制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HEV-DAC系統(tǒng)是基于本課題組HEV系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，其制動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)制動(dòng)子系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)子系統(tǒng)和液壓制動(dòng)子系統(tǒng)，如圖1所示。

其中電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)包括PM電機(jī)、電池和控制器。發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)和控制器(ECU)，離合器和控制器。液壓制動(dòng)系統(tǒng)包括電子真空助力制動(dòng)器(EVB)和液壓制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各子系統(tǒng)獨(dú)立工作，子系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過(guò)總線傳到上層控制器，上層控制器根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)子系統(tǒng)的信息，對(duì)制動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)力分配和子系統(tǒng)間制動(dòng)力的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。

2 基于分層控制結(jié)構(gòu)的HEV-DAC方法

針對(duì)HEV整車(chē)控制系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出如圖2所示的HEV-DAC分層控制結(jié)構(gòu)。在上層中通過(guò)調(diào)研車(chē)輛下坡路段的行駛特點(diǎn)，分析駕駛員的駕駛心理，制定出HEV-DAC的控制目標(biāo)，完成維持車(chē)速不再增加所需總制動(dòng)力矩的計(jì)算;中層在保證車(chē)輛安全性的前提下，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，根據(jù)車(chē)輛各制動(dòng)子系統(tǒng)的制動(dòng)能力，設(shè)計(jì)6種制動(dòng)模式，并制定模式切換策略;下層利用非線性多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制的方法，制定總制動(dòng)力的分配及各制動(dòng)子系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。

圖2中Pa為加速踏板開(kāi)度，Pb為制動(dòng)踏板開(kāi)度，Amodel為輔助制動(dòng)模式，Aon為輔助制動(dòng)狀態(tài)(1代表坡路輔助控制，0代表駕駛員控制)，vi為當(dāng)前車(chē)速，v0為下坡輔助的目標(biāo)車(chē)速，SBat為電池的狀態(tài)信息，SPM為電機(jī)狀態(tài)信息，Seng為發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息，Thyd_act為實(shí)測(cè)液壓制動(dòng)力矩。

2.1 HEV-DAC分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分層控制系統(tǒng)通過(guò)解讀駕駛員意圖，以駕駛員的駕駛習(xí)慣及行車(chē)安全為基礎(chǔ)，確定總制動(dòng)力矩Tsum。以制動(dòng)系統(tǒng)安全和燃油經(jīng)濟(jì)性的提高為依據(jù)，將Tsum分配給電機(jī)制動(dòng)能量回收力矩TPM、發(fā)動(dòng)機(jī)反拖力矩Teng和液壓制動(dòng)力矩Thyd。為提高車(chē)輛的舒適性和保證控制精度，在發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)的接入過(guò)程和液壓制動(dòng)力矩的變化過(guò)程中進(jìn)行力矩的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)給PM電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)等執(zhí)行部件。

2.2 基于調(diào)研分析的HEV-DAC上層控制算法

下坡輔助控制的目的在于:輔助駕駛員控制車(chē)輛在下坡路段保持車(chē)速不增加，使駕駛員可以專(zhuān)心控制車(chē)輛的方向保證車(chē)輛的行駛安全。故此HEVDAC要遵循:不干擾駕駛員的操作、符合駕駛員的駕駛習(xí)慣且保證行車(chē)安全的原則。

2.2.1 HEV-DAC中的駕駛員駕駛意圖的識(shí)別

HEV-DAC的進(jìn)入退出滿足如下關(guān)系:

其中Δv=vi－v0

即駕駛員對(duì)車(chē)速不加控制時(shí)啟動(dòng)下坡輔助系統(tǒng);當(dāng)駕駛員對(duì)加速踏板進(jìn)行控制時(shí)直接退出輔助制動(dòng);當(dāng)制動(dòng)踏板行程不為零后，只有當(dāng)車(chē)速降低后才可退出輔助制動(dòng)(為防止輔助制動(dòng)的突然退出引發(fā)車(chē)速增加帶來(lái)的危險(xiǎn))。

2.2.2 HEV-DAC目標(biāo)車(chē)速的確定

下坡輔助的目標(biāo)車(chē)速在這里定義為下坡輔助系統(tǒng)在車(chē)輛下坡滑行過(guò)程中所要保持的目標(biāo)車(chē)速。綜合駕駛員的主觀意愿、駕駛習(xí)慣和車(chē)輛運(yùn)行的安全性要求，下坡輔助的目標(biāo)車(chē)速應(yīng)符合如下關(guān)系:

即車(chē)輛滑行時(shí)，系統(tǒng)選擇車(chē)速增加前一時(shí)刻的車(chē)輛速度作為下坡輔助的控制目標(biāo)車(chē)速。

2.2.3 HEV-DAC總制動(dòng)力矩的計(jì)算

在確定完初速度后，系統(tǒng)將對(duì)Δv進(jìn)行PI控制，求得系統(tǒng)總制動(dòng)力矩為

式中:f(Δv)為總制動(dòng)力矩PI控制器的P參數(shù)值;i為總制動(dòng)力矩PI控制器I參數(shù)值。

2.3 基于安全及經(jīng)濟(jì)性的HEV-DAC中層控制算法

HEV-DAC的安全性通過(guò)以下兩點(diǎn)保證:(1)提供維持車(chē)速不再增加的制動(dòng)力矩;(2)為避免出現(xiàn)熱衰退，使液壓制動(dòng)力矩的使用最少。而HEV的經(jīng)濟(jì)性則通過(guò)制動(dòng)能量回饋(電機(jī)制動(dòng))的最大化來(lái)實(shí)現(xiàn)。為滿足以上要求，在制動(dòng)力矩分配中采用優(yōu)先電機(jī)制動(dòng)能量回饋，其次發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)，最后使用液壓制動(dòng)的制動(dòng)力矩分配原則。結(jié)合制動(dòng)能量回饋，發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)的特性，根據(jù)制動(dòng)力矩的大小和電池荷電狀態(tài)(SOC)制定了以下6種制動(dòng)模式:

Amodel1:傳統(tǒng)HEV制動(dòng)能量回收模式

Amodel2:電機(jī)單獨(dú)輔助制動(dòng)模式

Amodel3:電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合輔助制動(dòng)模式

Amodel4:電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)聯(lián)合輔助制動(dòng)模式

Amodel5:發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)輔助制動(dòng)模式

Amodel6:發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓聯(lián)合輔助制動(dòng)模式

模式之間的轉(zhuǎn)換邏輯如圖3所示。

圖中:S為電池SOC，Sh為電池SOC使用上限值，va為需要增加一種輔助制動(dòng)方式的Δv閾值，vb為需要減少一種輔助制動(dòng)方式的Δv閾值，TPM-max為當(dāng)前電機(jī)所能提供的最大制動(dòng)力矩，TPM-slide為當(dāng)前S和車(chē)速下傳統(tǒng)HEV滑行時(shí)電機(jī)的制動(dòng)力矩。

各制動(dòng)模式中，傳統(tǒng)HEV制動(dòng)能量回收模式用于模擬車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)力矩，在車(chē)輛滑行且車(chē)速不增加或Δv＜va的狀態(tài)時(shí)使用;發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)制動(dòng)模式主要用于S≥Sh且Δv＞va的滑行制動(dòng)，其次，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)參與下坡輔助制動(dòng)后，因制動(dòng)力需求的變化可能引起的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的頻繁接入與退出，將其用于發(fā)動(dòng)機(jī)接入輔助制動(dòng)且Δv＜vb后，駕駛員人為干預(yù)車(chē)輛退出輔助制動(dòng)前的下坡輔助保持模式，即一旦發(fā)動(dòng)機(jī)參與輔助制動(dòng)后，除因駕駛員操作退出下坡輔助模式外，發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)不會(huì)退出。其余模式轉(zhuǎn)換邏輯完全遵循制動(dòng)力矩分配原則。

2.4 基于多目標(biāo)協(xié)調(diào)的HEV-DAC下層控制算法

在得到上層的總制動(dòng)力矩和中層的制動(dòng)模式后，制動(dòng)力矩將在下層分配到具體的制動(dòng)系統(tǒng)中。

2.4.1 制動(dòng)力矩的分配

電機(jī)制動(dòng)力矩具有精確可調(diào)、制動(dòng)能量可回收和制動(dòng)力矩可短時(shí)2倍過(guò)載的優(yōu)點(diǎn)，但也有制動(dòng)力矩受電池的SOC和車(chē)速影響較大，最大制動(dòng)力矩有限的不足。發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)力矩只與車(chē)速有關(guān)，其大小無(wú)法控制。液壓制動(dòng)力矩雖可調(diào)且足夠大，但卻存在調(diào)節(jié)不精確，控制命令執(zhí)行滯后的現(xiàn)象?；诟髦苿?dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)和制動(dòng)力分配原則，對(duì)Tsum進(jìn)行分配，如表1所示。

表1 制動(dòng)力矩分配

2.4.2 制動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

(1)電機(jī)制動(dòng)/發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制

當(dāng)系統(tǒng)工作模式在電機(jī)輔助制動(dòng)與電機(jī)加發(fā)動(dòng)機(jī)模式切換時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)能完全由車(chē)身提供，雖離合器可對(duì)此過(guò)程進(jìn)行緩沖，但由于發(fā)動(dòng)接合前后動(dòng)量變化較大，直接切換所產(chǎn)生的沖擊仍會(huì)影響駕駛舒適性和傳動(dòng)系的壽命，故提出模式切換過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，其計(jì)算公式為

式中:pPM_eng為PI控制器的P參數(shù);ωPM為電機(jī)轉(zhuǎn)速;為濾波后的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)電機(jī)制動(dòng)/液壓制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制

根據(jù)制動(dòng)力矩分配策略，當(dāng)下坡輔助需求的總制動(dòng)力矩大于電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的總制動(dòng)力矩時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)將參與制動(dòng)。但與電機(jī)制動(dòng)相比，液壓制動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，控制精度差。因此在電機(jī)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，為提高下坡輔助系統(tǒng)的控制精度，利用電機(jī)可短時(shí)2倍過(guò)載的特性，提出了液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)變化時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩與液壓制動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，其計(jì)算公式為

式中:TPM1為直接分配給電機(jī)的制動(dòng)力矩;TPM2為補(bǔ)償液壓制動(dòng)滯后及精度不足所需的電機(jī)制動(dòng)力矩;f(ΔV')∈(0，1)，為 TPM2預(yù)留制動(dòng)力矩的系數(shù)。

3 HEV-DAC的仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證HEV-DAC的邏輯和性能，采用MATLAB/Simulink仿真方法，搭建車(chē)輛模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)模型、制動(dòng)器模型和控制系統(tǒng)等，并利用某山區(qū)公路的坡度數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4中的點(diǎn)劃線)對(duì)車(chē)輛使用下坡輔助和常規(guī)行駛(下坡時(shí)滑行)進(jìn)行仿真。

仿真工況的設(shè)定:前70s利用PI控制器使車(chē)輛以60km/h為目標(biāo)從零開(kāi)始加速;70s后當(dāng)坡度大于－1%同樣通過(guò)PI控制器以60km/h為目標(biāo)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制，坡度小于－1%時(shí)使車(chē)輛處于滑行狀態(tài)，在115～120s間由駕駛員踩下制動(dòng)踏板強(qiáng)行制動(dòng)一次，145～150s間由駕駛員踩下加速踏板加速一次。

從仿真結(jié)果(見(jiàn)圖4中的實(shí)線和虛線)可以看出，有下坡輔助控制與無(wú)下坡輔助控制的車(chē)輛行駛過(guò)程中，在同樣坡度下，車(chē)輛在上坡和下坡時(shí)坡度較小(滑行車(chē)速不增加)的路面上行駛時(shí)車(chē)速完全相同;但在坡度較大時(shí)(滑行時(shí)車(chē)速增加)，無(wú)輔助制動(dòng)的車(chē)輛在滑行時(shí)車(chē)速會(huì)隨坡度的變化而變化，而有下坡輔助控制的車(chē)輛可以使車(chē)速基本保持穩(wěn)定，從而減輕駕駛員的操作負(fù)擔(dān)，提高車(chē)輛行駛的安全性。下面將從工作模式切換、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電池SOC、發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓制動(dòng)5方面進(jìn)行具體分析。

圖5為車(chē)輛的工作模式圖，其中－1為加速踏板下的驅(qū)動(dòng)模式，0為制動(dòng)踏板的制動(dòng)模式，1～6與輔助制動(dòng)模式1～6相對(duì)應(yīng)。結(jié)合圖4可以看出，隨著坡度的變化，輔助制動(dòng)模式間的切換準(zhǔn)確，輔助制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)間響應(yīng)踏板信號(hào)準(zhǔn)確，輔助制動(dòng)與傳統(tǒng)加速/制動(dòng)間的切換和坡路緩釋(115～117s)均可準(zhǔn)確完成，實(shí)現(xiàn)了下坡輔助控制策略中模式切換邏輯。

圖6為HEV的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，圖7為HEV的電池SOC。結(jié)合圖4可以看出，車(chē)輛滑行時(shí)，普通HEV會(huì)利用電機(jī)的制動(dòng)力矩模擬傳統(tǒng)車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)，雖可以提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，但因在滑行過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力矩不可調(diào)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)反拖力矩的普通HEV滑行時(shí)未對(duì)車(chē)速進(jìn)行主動(dòng)控制。而下坡輔助除具有上述功能外，還根據(jù)滑行時(shí)駕駛員的主觀駕駛意愿(車(chē)速不再增加)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩精確可調(diào)的特性，對(duì)滑行車(chē)輛的車(chē)速進(jìn)行控制，不僅保證了車(chē)輛在大下坡段車(chē)速不大幅升高，提高了車(chē)輛運(yùn)行的安全性，而且從圖7中可以看出，因電機(jī)制動(dòng)功率的增加，制動(dòng)能量回收率也會(huì)得到相應(yīng)增長(zhǎng)，從而提高了車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出情況。由于在長(zhǎng)大下坡段使用液壓制動(dòng)系統(tǒng)，不僅會(huì)加速液壓制動(dòng)系統(tǒng)的磨損，而且可能會(huì)因液壓系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間大功率使用導(dǎo)致液壓制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生熱衰退，因而在電機(jī)制動(dòng)力矩不能滿足控制車(chē)速的制動(dòng)需求時(shí)，啟用發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)力矩，且由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的可精確快速調(diào)節(jié)的特性，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)的進(jìn)入與退出過(guò)程進(jìn)行電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制。結(jié)合圖4和圖6可以看出，HEV發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力矩引入及退出對(duì)車(chē)速的沖擊可以得到有效控制，即動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制使HEV在下長(zhǎng)大坡過(guò)程中除安全性得到提高外，舒適性也會(huì)得到改善。

圖9為液壓制動(dòng)系統(tǒng)壓力。結(jié)合圖4和圖6可以看出，由于采用了車(chē)速不增加為前提的坡路輔助緩釋技術(shù)，強(qiáng)行制動(dòng)與坡路輔助制動(dòng)的切換過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)因切換而造成制動(dòng)力的突然變化，車(chē)速保持相對(duì)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

為提高HEV下坡路段行駛的安全性和經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)對(duì)下坡路段駕駛員駕駛習(xí)慣和駕駛意圖的分析，提出下坡路段駕駛員操作的識(shí)別方法和反映駕駛意圖的制動(dòng)力矩計(jì)算方法，并制定非線性多目標(biāo)系統(tǒng)的力矩分配與協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

(1)HEV-DAC有效解決了HEV下坡滑行時(shí)車(chē)速增加的問(wèn)題，減輕駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，提高了車(chē)輛的行駛安全性。

(2)HEV-DAC使具有能量回收功能的電機(jī)制動(dòng)得到優(yōu)先和最大化的使用，提高了車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性。

(3)制動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略有效減緩了發(fā)動(dòng)機(jī)反拖制動(dòng)力矩引入時(shí)對(duì)車(chē)速的沖擊，提高了乘員的乘坐舒適性。

(4)坡路緩釋策略實(shí)現(xiàn)了坡路輔助狀態(tài)到正常行車(chē)狀態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡，保證了下坡輔助制動(dòng)力矩較大的狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)下的行車(chē)安全。

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