【摘要】針對車輛電機扭矩上升速率過快，導致整車拖拽感加劇、差速器燒蝕等問題，提出基于電機轉速閉環(huán)控制的電力牽引力控制系統(tǒng)（ETCS），利用電機轉速快速識別滑轉狀態(tài)。實車測試結果表明：該系統(tǒng)能夠在傳統(tǒng)驅動防滑功能激活之前，主動降低了驅動扭矩，抑制車輪滑轉率，從而有效消除整車拖拽感，保護差速器。

主題詞：電力牽引力控制系統(tǒng) 動力性 電機 差速器

中圖分類號：TB1" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20231169

Research on Electrical Traction Control System with Fast Increasing Speed of Motor Torque

Liu Yuanzhi， Zhou Zehui， Cui Jinlong， Chen Enyong

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】In order to solve the problems of aggravated drag feeling and differential ablation caused by the rapid rise rate of vehicle motor torque， this paper proposes an electric traction control system （ETCS） based on closed-loop control of motor speed， which uses motor speed to quickly identify the slip state. Vehicle test results show that the system can actively reduce the driving torque and suppress the wheel slip rate before the traditional drive anti-skid function is activated， so as to effectively eliminate the dragging feeling of the whole vehicle and protect the differential.

Key words： Electrical Traction Control System， Dynamic performance， Electric motor，Differential

1 前言

純電動汽車動力性研究對于促進汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，在保證電機外特性的前提下，可通過增加電機扭矩的上升速率，提升高附路面的動力性，但會增大低附路面車輛穩(wěn)定性的控制難度[1]。驅動防滑功能主要集成于車身電子穩(wěn)定程序（Electronic Stability Program，ESP）[2]，ESP通過輪速傳感器識別車輪滑轉狀態(tài)，網(wǎng)關、整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）通過其降扭請求后，電機控制器（Motor Control Unit，MCU）執(zhí)行降扭，進而抑制車輪滑轉。

當車輪滑轉時，電機降扭存在延遲，主要原因為：一是識別車輪滑轉需要輪速判別門限[3]；二是ESP發(fā)出降扭請求，需要經(jīng)過多個控制器傳遞[4]；三是電機執(zhí)行降扭需要一定時間[5]。以上延遲使降扭的幅度隨驅動扭矩增加而增大，此時整車拖拽感加劇，甚至引發(fā)扭轉共振[6]。在對開路面中，扭矩上升速率過快，會導致驅動防滑功能介入前，左、右車輪產(chǎn)生較大輪速差，進而燒蝕差速器[7-9]。

為解決上述問題，本文利用VCU開發(fā)電力牽引力控制系統(tǒng)（Electrical Traction Control System，ETCS），建立控制策略，降低對開坡道輪速差，防止差速器燒蝕。經(jīng)過低附路面和對開路面的全油門加速測試，驗證該策略的有效性及狀態(tài)估計準確性。

2 研究對象及軟件架構

前、后雙電機的四驅純電動汽車結構如圖1所示，其中，集中式驅動電機通過開放式差速器驅動同軸兩輪。為提升車輛高附路面動力性，將電機扭矩上升速率由650 N·m/s增加至1 500 N·m/s，參數(shù)如表1所示。

本文提出的ETCS策略主要包括坡度估算模塊、附著系數(shù)估算、滑轉狀態(tài)識別模塊、目標扭矩計算模塊和啟動仲裁模塊，軟件架構如圖2所示。

路面坡度信號是防滑控制的基礎，加速度傳感器信號為車輛縱向加速度與重力延坡道的分量之和，坡度估算模塊通過估算坡度信號，對縱向加速度信號進行修正；附著系數(shù)估算模塊計算車輪與路面間的附著系數(shù)，并將其作為扭矩計算模塊的輸入；滑轉狀態(tài)識別模塊計算車輪的目標滑轉率、實際滑轉率，完成電機轉速換算，同時判斷車輪的滑轉狀態(tài)；目標扭矩計算模塊根據(jù)滑轉率計算ETCS扭矩，利用附著系數(shù)估算調整不同路面的系數(shù)；啟動仲裁模塊對駕駛員需求扭矩、ETCS扭矩、牽引力控制系統(tǒng)（Traction Control System，TCS）扭矩進行仲裁。

3 控制策略

3.1 坡度估算

3.1.1 靜止坡度估算

當車輛靜止在坡道上，計算靜止坡度is：

[100%] （1）

式中：as為傳感器信號，g為重力加速度。

本文規(guī)定車輛處于靜止狀態(tài)（未使用加速踏板）時，實時計算靜止坡度，并將其作為試驗標準。一旦踩下加速踏板或車輪轉動，靜止坡度維持在上一周期，即計算值不變。

3.1.2 運動坡度估算

車輛運動過程中，根據(jù)文獻[1]計算參考車速，得到車輛沿x軸方向加速度。忽略車身俯仰對加速度傳感器的影響，傳感器獲得縱向加速度與車輛沿x軸方向的加速度之差，即為重力沿坡道向下的分量。此時，運動坡度id為：

[id=as-vxg2-as-vx2] （2）

式中：vx為參考車速。

3.1.3 坡度仲裁

車輛加速初期，靜止坡度比運動坡度更貼近真實坡度。由于加速度傳感器as受車身俯仰影響，駕駛行為越劇烈，車身俯仰狀態(tài)對加速度傳感器的影響越大。

為排除車身俯仰的影響，加速初期使用靜止坡度作為路面坡度，隨后，根據(jù)車速對靜止坡度和運動坡度進行仲裁，得到路面坡度i的估算結果：

[i=f×is+1-f×id] （3）

式中：f為根據(jù)車速的加權系數(shù)。

實車標定結果如表2所示。

3.2 附著系數(shù)估算

當車輪抱死或滑轉時，利用附著系數(shù)等于路面最大附著系數(shù)，此時，利用附著系數(shù)μutl為：

[μutl=a2x+a2yg] （4）

式中：ax、ay分別為傳感器的縱向與側向加速度信號。

當防抱死制動系統(tǒng)（Anti-Lock Brake System，ABS）、TCS功能介入時，附著系數(shù)μ=μutl；當ABS、TCS功能退出后，μ的估算結果隨著μutl不斷增加。

利用附著系數(shù)可準確識別高、低附路面，因此，車輛在低附路面制動減速直至停車，在下次起步加速時，可提前獲得路面附著系數(shù)，并據(jù)此調整控制參數(shù)。

3.3 滑轉狀態(tài)識別

3.3.1 目標滑轉率

為了抑制起步初期車輪滑轉率，當車輛以一定速度行駛時，高扭矩上升速率對車輪滑轉率的影響可忽略不計。因此，低速區(qū)可將目標滑轉率設置為較低值，隨著車速增加，目標滑轉率增大，降低了ETCS功能激活的可能性。目標滑轉率與車速的實車標定結果如表3所示。

3.3.2 實際滑轉率

由于低轉速區(qū)間所獲的輪速信號精度較低，但電機旋轉變壓器精度較高，因而可通過電機轉速識別車輪的滑轉狀態(tài)。

將電機轉速按照傳動比、車輪半徑轉化為車輪端的線速度，得到實際滑移率λact為：

[λact=vMCU-vxvx] （5）

式中：vMCU為電機轉速轉化的車輪端線速度。

3.3.3 滑轉識別

判定車輪處于滑轉狀態(tài)，需同時滿足以下條件：

a.實際滑轉率大于目標滑轉率。

b.電機線速度與參考車速之差大于門限值。

其中，門限值根據(jù)附著系數(shù)不斷調整，在低附路面時，適當降低門限值，確保ETCS功能快速介入；在高附路面適當升高，防止ETCS功能意外導致降扭。

3.4 啟動仲裁

ETCS功能目標是在TCS功能介入前，提前識別車輪滑轉并完成降扭，在TCS功能介入后需要ETCS功能退出控制。由于ETCS只能控制電機扭矩，無法單獨控制左、右車輪的扭矩，需要制動系統(tǒng)與驅動系統(tǒng)聯(lián)合控制才能實現(xiàn)對單輪扭矩的控制。TCS可以實現(xiàn)上述功能，所以TCS功能的優(yōu)先級要高于ETCS功能。

3.5 扭矩計算

ETCS功能利用比例積分（Proportional-Integral，PI）控制器實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，PI控制器的輸入信號為實際滑移率與目標滑移率之差。則電機扭矩T為：

[T=-kpn-kindt] （6）

式中：T為電機扭矩，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，n為實際滑移率與目標滑移率之差。

通過調節(jié)路面附著系數(shù)，低附路面增加PI系數(shù)，實現(xiàn)更大的降扭量，保證車輛的穩(wěn)定性；高附路面降低PI系數(shù)，保證車輛在高附路面的動力性，降低ETCS功能對高附性能的影響。

根據(jù)坡度修正PI控制器參數(shù)，水平工況下，增加PI參數(shù)，保證車輛的穩(wěn)定性；隨著坡度增加，降低PI參數(shù)，減少降扭量，保證驅動扭矩維持在較高水平，滿足爬坡需求。實車標定PI控制器參數(shù)如表4、表5所示。

4 試驗驗證及分析

通過均一低附、對開爬坡等典型工況驗證本文策略的有效性。

4.1 坡度識別

當路面坡度i=0時，坡度估算結果如圖3所示，在第7 s時，車輛速度降低至0。由于車輛存在俯仰運動，加速度信號恢復至穩(wěn)定需要一段時間，導致停車后的估算結果發(fā)生波動，但該波動在0.4 s內(nèi)快速收斂，達到穩(wěn)態(tài)值的±5%。坡度估算穩(wěn)態(tài)值為0，與真實坡度一致。ETCS作用的區(qū)間為起步加速至TCS功能介入，在此時間段內(nèi)，坡度估算結果真實有效。

當路面坡度i=20%時，估算結果如圖4所示。車輛在坡道靜止后，坡度估算的穩(wěn)態(tài)值為22%，此偏差是由于車輛載荷后移令車身存在一定的仰角。經(jīng)過多次測試，此偏差對ETCS的標定結果不會造成影響。因此，本文的估算策略能夠滿足ETCS功能需求。

4.2 附著系數(shù)識別

如圖5所示，前4 s中，車輛處于輕微制動，車輪未發(fā)生滑移，附著系數(shù)估算結果隨利用附著系數(shù)增加，結果為上一個周期值。在第4 s時，增加制動強度，激活ABS功能，此時，附著系數(shù)估算為利用附著系數(shù)；在第6～8.5 s期間，車輛靜止，附著系數(shù)估算結果維持不變；第8.5 s時，車輛起步加速，整車控制器已識別出當前路面的附著系數(shù)，對ETCS的相應參數(shù)進行調整。

4.3 滑轉識別

本文使用電機轉速與參考車速的差值判斷車輪滑轉狀態(tài)。

踩下加速踏板后，在高附路面和低附路面，電機轉速均會超前于輪速，但超前量不同，此時，需要根據(jù)多次試驗標定滑轉判別門限，并要求該門限在高附路面不會誤判斷滑轉狀態(tài)，而在低附路面能夠快速識別滑轉狀態(tài)。當電機轉速與輪速的差值大于此門限值，即為滑轉狀態(tài)。對比起步加速階段電機的轉速與輪速，結果如圖6所示。

4.4 對開爬坡

在20%對開路面工況下，分析ETCS功能對低附控制的影響。無ETCS功能輔助，僅依靠傳統(tǒng)TCS功能，測試結果如圖7所示。ETCS配合傳統(tǒng)TCS功能，測試結果如圖8所示。

無ETCS功能輔助時，車輛扭矩上升至4 200 N·m，TCS開始降扭控制；有ETCS功能輔助時，車輛扭矩上升至2 900 N·m，ETCS功能提前30 ms識別滑轉，并開始降扭控制，有效抑制車輪滑轉。在ETCS輔助下，滑轉初期的最大輪速從57 km/h降低至31 km/h，能夠避免輪速差過大而燒蝕差速器。

4.5 均一低附加速

在光滑水平的冰面工況下，分析ETCS功能對低附控制的影響。以后軸輪速及扭矩為待測量，傳統(tǒng)TCS功能、ETCS輔助TCS的測試結果分別如圖9和圖10所示。

ETCS功能可有效降低車輪的滑轉狀態(tài)，將滑轉初期的最大輪速從32 km/h降至21 km/h。且ETCS功能提前30 ms激活TCS功能，并在原有基礎上繼續(xù)降扭，抑制滑轉效果顯著。

5 結束語

本文結合電機轉速與輪速的特點，設計了一種電力牽引力控制系統(tǒng)ETCS，試驗證明相較于傳統(tǒng)TCS，ETCS能夠提前30 ms識別出車輪滑轉狀態(tài)。同時，ETCS在傳統(tǒng)TCS功能介入前降扭，在低附路面中，避免了車輛發(fā)生較大的滑轉及扭矩變化；對開路面中，防止左、右輪速差過大，燒蝕差速器。車輛的平順性及穩(wěn)定性均得到提升，有效抑制加速初期的車輪滑轉率。

未來，考慮使用MCU單獨實現(xiàn)滑轉判別及降扭控制，徹底消除信號傳遞時間。

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（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年2月6日。