李 偉，吳光耀，周升輝，王春生

一種新能源車輛坡道起步扭矩控制方法

李 偉，吳光耀，周升輝，王春生

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司 產(chǎn)品規(guī)劃及汽車新技術(shù)研究院，廣東 深圳 518118）

針對(duì)目前新能源車輛坡道起步的控制策略效果不佳或者需要增加成本的缺點(diǎn)，文章提到一種新能源車輛坡道起步扭矩控制方法，當(dāng)整車控制器識(shí)別到駕駛員以超過一定的速率釋放制動(dòng)踏板時(shí)，提前施加一定的預(yù)緊扭矩，此預(yù)緊扭矩為該車輛在此道路坡度和制動(dòng)深度下不產(chǎn)生溜坡現(xiàn)象的最小扭矩；當(dāng)制動(dòng)踏板逐步釋放時(shí)，整車控制器根據(jù)制動(dòng)深度進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算，當(dāng)計(jì)算目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩大于預(yù)緊扭矩時(shí)，驅(qū)動(dòng)扭矩按照計(jì)算目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩執(zhí)行，有效確保了車輛不產(chǎn)生溜坡現(xiàn)象的情況下平穩(wěn)坡道起步。

新能源汽車；坡道起步；扭矩控制；防溜坡；防沖擊

相比傳統(tǒng)燃油汽車動(dòng)力來自于發(fā)動(dòng)機(jī)，新能源汽車在怠速起步時(shí)動(dòng)力源主要來自于電機(jī)，電機(jī)的輸出扭矩具有相對(duì)速度快和控制精度高的特點(diǎn)[1]。滿足車輛坡度起步平穩(wěn)性能和安全性能要求，對(duì)新能源汽車技術(shù)的發(fā)展具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際工程意義[2]。

在電動(dòng)汽車怠速起步控制方面，目前已有許多研究。佘建強(qiáng)等電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)起步加速控制研究[3]，汪貴平等電動(dòng)汽車起步加速過程的動(dòng)力學(xué)建模和仿真，分別提出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率控制模型，車速與電流雙閉環(huán)控制的模型，但文獻(xiàn)未討論控制策略對(duì)車輛坡道起步性能所帶來的影響[4]。秦大同等純電動(dòng)汽車電機(jī)與制動(dòng)器協(xié)調(diào)起步控制[5]和陳淑江等純電動(dòng)汽車坡道自適應(yīng)起步控制策略，分別從電機(jī)與制動(dòng)器協(xié)調(diào)控制及電機(jī)堵轉(zhuǎn)特性的角度，提出了車輛對(duì)坡道自適應(yīng)起步控制方案，取得了良好的仿真效果，但未進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)的驗(yàn)證[6]。崔海峰等基于扭矩傳感器的汽車坡道起步輔助系統(tǒng)[7]，王洪亮等基于電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)（Electrical Park Brake, EPB）的汽車坡道起步自動(dòng)控制技術(shù)，他們的思路是增加不同的坡道起步輔助系統(tǒng)，這種方法有效避免了溜車現(xiàn)象的發(fā)生，但是輔助系統(tǒng)成本較高，同樣是有缺點(diǎn)的[8]。

1 坡道起步性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

車輛的坡道起步不僅要求安全可靠，而且要求舒適平穩(wěn)，既不產(chǎn)生明顯的溜坡問題也不產(chǎn)生可感知的沖擊現(xiàn)象。因此，為了保證車輛坡道起步的安全性和平穩(wěn)性，本控制方法的分析采用了起步?jīng)_擊度和溜坡距離作為坡道起步的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。

其中，沖擊度是指車輛行駛時(shí)的縱向加速度的變化指數(shù)。在車聯(lián)起步過程中，沖擊度可以影響車輛運(yùn)行的頓挫感和平穩(wěn)性。在實(shí)際起步階段，沖擊度越大，起步就會(huì)越快，車輛的平穩(wěn)性就會(huì)變差，而且會(huì)伴隨強(qiáng)烈的頓挫感；而沖擊度越小，起步就會(huì)相對(duì)緩慢，車輛的起步體驗(yàn)就會(huì)更加舒適，也會(huì)更加平穩(wěn)。

加速度計(jì)算公式為

式中，為計(jì)算加速度，m/s2；0為當(dāng)前時(shí)刻車速，km/h；?t為?時(shí)刻之前車速，km/h；?等于50 ms。

沖擊度計(jì)算公式為

式中，為沖擊度，m/s3；0為當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算加速度，m/s2；?t為?時(shí)刻之前的計(jì)算加速度，m/s2；?等于50 ms。

溜坡距離是指車輛在坡道上怠速無油門起步時(shí)向后溜的距離。在理想的情況下，為了保證駕駛車輛的安全性能和舒適性能，溜坡距離應(yīng)該為零。

當(dāng)車輛在坡道上怠速起步過程中，行駛阻力主要來自于坡度阻力和滾動(dòng)阻力的和。當(dāng)車輛坡道起步時(shí)，由于道路的坡度和道路摩擦系數(shù)已經(jīng)確定，所以行駛阻力也是固定的。在此情況下，可以認(rèn)為車輛的起步是否平穩(wěn)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩與制動(dòng)器制動(dòng)扭矩共同作用的結(jié)果。若精確控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩與制動(dòng)扭矩的差值在一定范圍內(nèi)，就可以保證車輛的平穩(wěn)起步，減少車輛起步溜車的風(fēng)險(xiǎn)，保證起步的平穩(wěn)性和舒適性[10]。

2 坡道起步扭矩控制

本文分析的新能源車輛在結(jié)構(gòu)上取消了離合器，因此，在沒有坡道起步輔助設(shè)備的情況下其起步的操作一般過程如下：（1）踩下制動(dòng)踏板，并將變速箱擋位置于驅(qū)動(dòng)擋；（2）右腳迅速由制動(dòng)踏板轉(zhuǎn)換到加速踏板，用力踩下一定程度后車輛克服起步阻力完成起步[11-12]。

此文的目是車輛在坡道起步時(shí)，通過扭矩控制的方式防止車輛有溜坡的現(xiàn)象產(chǎn)生，并非是在發(fā)生溜坡的既定事實(shí)后再做的后處理。

如圖1和圖2所示，當(dāng)車速≤1 km/h，且有制動(dòng)深度時(shí)，認(rèn)為車輛已處于停止?fàn)顟B(tài)。整車擋位為D擋且車輛所在的道路坡度≥1%，或者整車擋位為R擋且車輛所在的道路坡度≤-1%時(shí)，汽車整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）識(shí)別整車有坡道爬坡起步的工況。

圖1 坡道起步扭矩控制示意圖

車輛起步時(shí)，駕駛員在踩制動(dòng)踏板完成掛擋動(dòng)作后，須會(huì)松開制動(dòng)踏板，而整車的驅(qū)動(dòng)扭矩加載有一定延時(shí)，如果松開速度過快，就會(huì)造成加載的扭矩不足以彌補(bǔ)失去的機(jī)械制動(dòng)力，從而導(dǎo)致車輛的溜坡現(xiàn)象發(fā)生。

在駕駛員逐步松開制動(dòng)踏板起步時(shí)，VCU計(jì)算制動(dòng)踏板的釋放速率，釋放速率等于單位時(shí)間內(nèi)的制動(dòng)踏板開度變化百分比，當(dāng)連續(xù)三個(gè)監(jiān)測(cè)周期識(shí)別到制動(dòng)踏板的釋放速率大于閾值，VCU則判定駕駛員的制動(dòng)踏板釋放速度較快，會(huì)在三個(gè)周期監(jiān)測(cè)完成后1時(shí)刻施加預(yù)緊扭矩1。該預(yù)緊扭矩1的大小由車重和道路坡度查表確定，為該車輛在該坡道下所不溜坡的最小扭矩。預(yù)緊扭矩1由標(biāo)定獲取，需要涵蓋該車輛在不同坡度下不溜坡的最小扭矩。同樣，由駕駛員松開制動(dòng)踏板的速率查表確定預(yù)緊扭矩1扭矩的加載斜率，該斜率嚴(yán)格通過標(biāo)定獲取，既能抵消松開制動(dòng)踏板失去的機(jī)械制動(dòng)力，又不至于加載扭矩太快對(duì)電機(jī)產(chǎn)生沖擊。

圖2 防溜坡坡道起步扭矩控制流程圖

如連續(xù)三個(gè)周期監(jiān)測(cè)制動(dòng)踏板釋放速率小于閾值且制動(dòng)踏板的深度大于%時(shí)，VCU判定制動(dòng)深度較大，產(chǎn)生的液壓制動(dòng)力足以克服車重不產(chǎn)生溜坡，所以此時(shí)VCU不再施加驅(qū)動(dòng)扭矩，以防止驅(qū)動(dòng)扭矩與液壓制動(dòng)力相互抵消。當(dāng)連續(xù)三個(gè)周期監(jiān)測(cè)制動(dòng)踏板釋放速率小于閾值且制動(dòng)踏板深度不大于%時(shí)，VCU判定駕駛員沒有繼續(xù)踩制動(dòng)踏板的意愿，則不再施加快松制動(dòng)踏板加載的預(yù)緊扭矩1，因?yàn)榘凑照Ｐ甭试黾拥尿?qū)動(dòng)扭矩足以彌補(bǔ)緩松制動(dòng)踏板失去的液壓制動(dòng)力。

如圖1所示，正常坡道加載目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算方法為當(dāng)制動(dòng)深度大于%時(shí)，正常坡道加載目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩為0；當(dāng)制動(dòng)深度不大于%時(shí)，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算為制動(dòng)深度為%時(shí)，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩為0；制動(dòng)深度為0%時(shí)，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩為怠速驅(qū)動(dòng)扭矩2，制動(dòng)深度介于0%和%之間時(shí)，等比例計(jì)算目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩，此扭矩即為正常加載目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩。

當(dāng)連續(xù)三個(gè)周期監(jiān)測(cè)到制動(dòng)踏板釋放速率小于閾值且制動(dòng)踏板深度大于%時(shí)，VCU判定為駕駛員并沒有釋放制動(dòng)踏板進(jìn)行起步的意圖，則預(yù)緊扭矩1會(huì)迅速進(jìn)行卸載釋放，以防止電機(jī)的堵轉(zhuǎn)損壞電機(jī)。

持續(xù)松開制動(dòng)踏板，當(dāng)正常目標(biāo)扭矩計(jì)算加載到1之前，整車的驅(qū)動(dòng)扭矩仍然是預(yù)緊扭矩1保持不變。當(dāng)達(dá)到1時(shí)，則驅(qū)動(dòng)扭矩按照正常目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩線進(jìn)行加載，車輛則可順利起步。

當(dāng)駕駛員完全釋放制動(dòng)踏板，則制動(dòng)深度為0，在無油門開度信號(hào)的情況下整車的驅(qū)動(dòng)扭矩則為怠速扭矩2；有油門信號(hào)時(shí)按照正常的邏輯計(jì)算油門扭矩，車輛順利坡道起步。

3 整車驗(yàn)證

為驗(yàn)證坡道起步扭矩控制方法的的效果，以某混動(dòng)乘用車為驗(yàn)證對(duì)象，其整車的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試車輛技術(shù)參數(shù)

為充分驗(yàn)證車輛的坡道起步性能，分別在坡度為10%～20%的坡道上測(cè)試；同時(shí)每個(gè)坡道上駕駛員又以較快和正常速率釋放制動(dòng)踏板，記錄整車的沖擊度和溜坡距離，詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3—圖6所示。

圖3 10%坡道正常釋放制動(dòng)踏板

圖4 20%坡道正常釋放制動(dòng)踏板

圖5 10%坡道較快釋放制動(dòng)踏板

由結(jié)果可以看出，10%坡度路況下測(cè)試，正常速率釋放制動(dòng)踏板下產(chǎn)生的最大沖擊度為6.5 m/s3，行車距離不會(huì)產(chǎn)生負(fù)的情況，也就是不會(huì)產(chǎn)生溜坡的現(xiàn)象；較快速率釋放制動(dòng)踏板下產(chǎn)生的最大沖擊度為6.7 m/s3，也不會(huì)產(chǎn)生溜坡的現(xiàn)象；20%坡度路況下測(cè)試，正常速率釋放制動(dòng)踏板下產(chǎn)生的最大沖擊度為7.6 m/s3，不會(huì)產(chǎn)生溜坡的現(xiàn)象；較快速率釋放制動(dòng)踏板下產(chǎn)生的沖擊度最大為7.9 m/s3，同樣不會(huì)產(chǎn)生溜坡的現(xiàn)象。

圖6 20%坡道較快釋放制動(dòng)踏板

在制定的坡道起步扭矩控制方法下，可以完全解決坡道起步不溜車的問題。而且起步的沖擊度均在8 m/s3之內(nèi)，小于德國(guó)推薦值10 m/s3，遠(yuǎn)小于我國(guó)的推薦值17.64 m/s3，達(dá)到了車輛坡度起步平穩(wěn)性能和安全性能要求[13]。

4 結(jié)論

本文提出了一種新能源車輛坡道起步扭矩控制方法，當(dāng)駕駛員以超過一定的速率釋放制動(dòng)踏板時(shí)，整車控制器會(huì)提前施加一定的預(yù)緊扭矩，此預(yù)緊扭矩為該車輛在此道路坡度和制動(dòng)深度下不產(chǎn)生溜坡現(xiàn)象的最小扭矩；當(dāng)制動(dòng)踏板將近完全釋放時(shí)，整車控制器根據(jù)制動(dòng)深度進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算，當(dāng)計(jì)算目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩大于預(yù)緊扭矩時(shí)，驅(qū)動(dòng)扭矩按照計(jì)算目標(biāo)驅(qū)動(dòng)扭矩執(zhí)行。通過實(shí)車驗(yàn)證，在不同的坡道上以不同的速率釋放制動(dòng)踏板均取得了很好的效果，保證了車輛在不溜坡的情況下平順起步。

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A Torque Control Method for Ramp Starting of New Energy Vehicles

LI Wei, WU Guangyao, ZHOU Shenghui, WANG Chunsheng

( Product Planning and New Technology Research Institute, BYD Auto Industry Company Limited, Shenzhen 518118, China )

In view of the shortcomings of the current control strategy of new energy vehicles on ramp starting that has poor effect or needs to increase costs, this paper refers to a torque control method for new energy vehicles on ramp starting. When the vehicle controller recognizes that the driver releases the brake pedal at a rate exceeding a certain rate, it applies a certain pre tightening torque in advance. This pre tightening torque is the minimum torque that the vehicle will not slide on this road slope and braking depth. When the brake pedal is released gradually, the vehicle controller calculates the target driving torque according to the braking depth. When the calculated target driving torque is greater than the pre tightening torque, the driving torque is executed according to the calculated target driving torque, effectively ensuring that the vehicle can start smoothly on the ramp without slope slipping.

New energy vehicles; Ramp start; Torque control; Anti slide slope; Anti impact

U467

A

1671-7988(2022)23-09-05

U467

A

1671-7988(2022)23-09-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.002

李偉（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)閂CU、ECU等新能源系統(tǒng)研發(fā)品質(zhì)管控，E-mail:2503 43990@qq.com。