徐小兵， 魯振輝， 竇本崗， 范鵬飛， 王立新

(1.中科衛(wèi)藍新能源汽車科技(江蘇)有限公司，南京 210006； 2.北京奕為汽車科技有限公司，北京 102208)

駕駛純電動車輛時，通常坡道起步的方法是在車輛靜止且手剎拉起的情況下，松開制動踏板，踩加速踏板至預(yù)估車輛驅(qū)動力與當前坡道阻力大致相等時，快速釋放手剎。操作的關(guān)鍵是加速踏板踩的深度。如果踩下過深，則可能由于電機輸出扭矩過大而在手剎釋放的瞬間車輛突然加速；如果踩下過淺，則電機輸出扭矩不足以與坡道下滑力達到平衡而導(dǎo)致溜坡。如果配置坡道起步輔助系統(tǒng)，則可簡化上述操作過程[1]，并提升車輛安全性[2]，但車輛成本會增加。由于純電動客車的驅(qū)動電機可實現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速甚至堵轉(zhuǎn)條件下輸出電機峰值扭矩，且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、快速響應(yīng)[3]。如能通過控制電機輸出扭矩的方式實現(xiàn)車輛驅(qū)動力和坡道下滑力平衡，則能以更低的成本實現(xiàn)坡道起步輔助這一功能，而無需配置專業(yè)的坡道起步輔助系統(tǒng)[4]。本文即介紹這一功能實現(xiàn)的具體方案。

1 坡道起步輔助扭矩控制算法

1.1 算法基本原理

坡道起步輔助扭矩控制算法是一種在純電動汽車坡道起步操作過程中控制電機輸出驅(qū)動力抑制車輛后溜趨勢[5]，實現(xiàn)車輛在坡道上平穩(wěn)起步的電機扭矩控制算法[6]。其基本原理：在判斷車輛出現(xiàn)后溜趨勢時，先根據(jù)反饋的車輛縱向加速度計算坡道角度，并估算使車輛能夠在該坡道實現(xiàn)受力平衡的電機輸出初始目標扭矩，控制電機輸出該初始目標扭矩以減緩車輛后溜趨勢，再利用PI閉環(huán)控制算法，快速調(diào)節(jié)電機輸出扭矩，使車輛迅速達到靜止狀態(tài)，實現(xiàn)平穩(wěn)起步。具體控制原理如圖1所示。

圖1 控制原理示意圖

1.2 初始目標扭矩估算

當車輛直線行駛時，在靜止或勻速行駛條件下，其縱向動力學(xué)模型為

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(1)

式(1)中，F(xiàn)t、Ff、Fw、Fj、Fi分別為驅(qū)動力、摩擦阻力、空氣阻力、加速阻力和路面坡道阻力。由于車輛在坡道起步狀態(tài)下，車速很小，所以空氣阻力和加速阻力可以忽略不計[7]，故在坡道起步過程中實現(xiàn)車輛受力平衡的電機初始目標扭矩值為

Tq=(Mg·r/i)·(sinθ-cosθ·f)

(2)

式中：g為加速度；θ為坡道角度；i為傳動系減速比;M為車輛質(zhì)量；r為輪胎靜力半徑；f為道路相對摩擦系數(shù)，按照一般路面情況選取固定值0.01。

在坡道起步控制中使車輛快速達到式(1)所示的受力平衡狀態(tài)是控制的關(guān)鍵。因此，坡道起步輔助系統(tǒng)必須預(yù)先快速識別出相對準確的坡道阻力。根據(jù)式(2)可知，對坡道阻力的估算主要是取決于車輛質(zhì)量和坡道角度。

為獲取車輛所處路面的坡角度，在車輛靜止條件下，采用AIS328DQ加速度采集芯片對車輛沿X、Y、Z三軸方向的加速度進行采集(其中X軸與底盤平行指向車頭)，并由此計算道路坡道角度θ。

本文所述控制算法將車輛空載質(zhì)量用于電機目標扭矩的估算，使估算出的電機目標扭矩略小于實際數(shù)值，以避免由于扭矩估算誤差引起車輛的非預(yù)期前向移動。由此產(chǎn)生的對坡道阻力估算的誤差需要設(shè)置補償算法對電機輸出扭矩進行動態(tài)調(diào)節(jié)，詳細論述見1.3節(jié)。

1.3 電機扭矩輸出閉環(huán)控制調(diào)節(jié)

控制調(diào)節(jié)邏輯如圖2所示，將目標轉(zhuǎn)速(0 r/min)與電機實時轉(zhuǎn)速的差值作為PI調(diào)節(jié)器的輸入[8]，以消除轉(zhuǎn)速差為目標對電機輸出扭矩進行閉環(huán)控制，最終使得電機輸出扭矩=初始目標扭矩+調(diào)節(jié)扭矩。

圖2 電機輸出扭矩PI控制調(diào)節(jié)原理

此種控制調(diào)節(jié)方法需要考慮電機在堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下的溫度情況。由于溫度和電流的限制，電機系統(tǒng)無法長時間工作于堵轉(zhuǎn)工況，所以需要根據(jù)具體的電機性能參數(shù)設(shè)置控制調(diào)節(jié)算法所能應(yīng)用的最長時間。參考傳統(tǒng)汽車基于制動保壓的上坡輔助策略，一般上坡輔助過程持續(xù)不超過5 s，普通電機都可支持這樣短時間的堵轉(zhuǎn)工作。在閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中，還需要根據(jù)電機的外特性能力對系統(tǒng)計算數(shù)值進行約束，防止出現(xiàn)積分溢出的現(xiàn)象，避免系統(tǒng)響應(yīng)時間的延長。

本閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于在最短時間內(nèi)，穩(wěn)定地達到車輛受力的平衡狀態(tài)，既要求轉(zhuǎn)速快速收斂，又要求系統(tǒng)超調(diào)小，使車輛的溜坡距離縮減至可接受的安全距離(一般在10 cm左右)內(nèi)。在整個調(diào)節(jié)過程中，還應(yīng)將由超調(diào)引起的車輛抖動盡量減小到車輛乘員可以接受的程度。

2 仿真驗證

使用MATLAB/Simulink軟件根據(jù)式(2)對坡道起步輔助電機扭矩控制算法進行建模。該模型可以模擬車輛控制系統(tǒng)解析駕駛操作，判斷溜坡狀態(tài)，并在車輛溜坡時按照本文所述的算法控制驅(qū)動電機輸出動力以輔助坡道起步操作的過程。模型的輸入信號包括：油門踏板開度、制動踏板開度、擋位、車速、電機轉(zhuǎn)速、電機溫度和坡道角度；模型的輸出信號為驅(qū)動電機目標扭矩。

同樣在MATLAB/Simulink軟件平臺下，根據(jù)式(1)搭建整車縱向動力學(xué)模型。該模型計算車輛所受合力和縱向加速度，并對加速度進行積分計算得到仿真過程中的實時車速和電機轉(zhuǎn)速。模型的輸入信號為坡道角度、驅(qū)動電機目標扭矩和制動踏板開度；模型的輸出信號為車速和電機轉(zhuǎn)速。在仿真測試前需在該模型中配置車重、道路摩擦系數(shù)、輪胎半徑、減速比和坡道角度等參數(shù)[9]。當電機正轉(zhuǎn)即轉(zhuǎn)速為正時，表示車輛向前運動；當電機反轉(zhuǎn)即轉(zhuǎn)速為負時，表示車輛后溜。通過對溜坡車速進行積分運算，可得到溜坡距離。

在Simulink仿真環(huán)境下，將上述兩個模型進行連接以進行仿真測試，仿真過程：①仿真初始時刻，設(shè)置制動踏板開度為最大，使車輛在制動力作用下所受合力為0，模擬車輛靜止于坡道上的狀態(tài)；②仿真開始后制動踏板開度開始減小，在1 s時刻使其減小至0，模擬駕駛員松開制動踏板的操作；③當車輛出現(xiàn)后溜趨勢(即電機轉(zhuǎn)速為負)時，電機驅(qū)動扭矩開始增大以抑制車輛后溜趨勢，并控制車輛達到靜止狀態(tài)。具體原理如圖3所示。

圖3 仿真原理圖

選取固定減速比14.16，輪胎靜力半徑0.353 m 的車輛，在車重2 960 kg、坡度10%的空載小坡道工況和車重3 820 kg、坡度20%的半載大坡道工況下分別進行仿真分析。記錄電機扭矩、轉(zhuǎn)速和車速的變化曲線，并將速度曲線進行積分運算得到車輛溜坡距離。

在10%的坡道、車輛空載的條件下，仿真測試結(jié)果如圖4(a)所示。由圖可知，坡道起步過程中電機轉(zhuǎn)速的波動范圍為-18～10 r/min,對應(yīng)的車速范圍為0～0.15 km/h，溜坡時間為0.9 s，溜坡距離約2 cm,滿足溜坡距離要小于10 cm安全距離的要求。

在20%的坡道、車輛半載的條件下，仿真測試結(jié)果如圖4(b)所示。由圖可知,坡道起步過程中電機轉(zhuǎn)速的波動范圍為-40～15 r/min,對應(yīng)的車速范圍為0～0.35 km/h，溜坡時間為1.2 s，溜坡距離約5 cm, 滿足溜坡距離小于10 cm安全距離的要求。

(a) 空載、10%坡道

3 結(jié)束語

利用電機可在低速或堵轉(zhuǎn)工況輸出較大驅(qū)動扭矩這一特性，無需裝配復(fù)雜的專業(yè)坡道起步輔助系統(tǒng)(HSA)，僅通過添加車輛動力控制軟件坡道起步輔助模塊就可防止在坡道起步過程中出現(xiàn)溜坡現(xiàn)象，以很低的成本實現(xiàn)了這一功能，發(fā)揮了純電動汽車的獨特優(yōu)勢。但本文介紹的算法在實際工程應(yīng)用中對電機控制精度的要求較高，且試驗驗證和參數(shù)標定的工作量較大。就仿真結(jié)果而言，車輛在坡道起步階段還是存在輕微的抖動。只能說可實現(xiàn)接近專業(yè)坡道起步HSA系統(tǒng)的效果，還需根據(jù)駕駛體驗對軟件參數(shù)進一步優(yōu)化。