純電動汽車坡道起步輔助控制探究
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摘要：提出一種無傳感器的坡道起步輔助控制方法，通過整車控制器采集相關(guān)信號，判斷是否進入坡道起步輔助模式；設(shè)計雙閉環(huán)PI控制器控制電機驅(qū)動扭矩，實現(xiàn)坡道起步輔助控制功能，并進行實車驗證。
坡道起步是車輛行駛過程中較常出現(xiàn)且事故率較高的復雜工況［1－2］，一旦操作不當就可能造成車輛溜坡［3］，對駕駛員操控技術(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汽車坡道起步輔助控制方法。該方法利用電機在低速工況和堵轉(zhuǎn)工況輸出的峰值扭矩［6－7］（具有精度高、響應快的特點）來實現(xiàn)輔助控制，不需要機械制動系統(tǒng)參與，也無需增加傳感器，僅通過控制電機輸出扭矩即可與坡道后溜力平衡，從而實現(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)包括決策機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，如圖1所示。決策機構(gòu)為整車控制器，采集鑰匙、擋位、駐車、加速踏板及制動踏板等信號，接收電機控制器反饋的電機狀態(tài)信號，識別駕駛意圖，判斷是否需要進入坡道輔助模式，計算坡道輔助扭矩（即重力下溜平衡扭矩）并下發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)為電機及其控制器，接收并響應決策機構(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)決策機構(gòu)判斷何時進入坡道起步輔助控制模式、何時退出坡道起步輔助控制模式，具體流程如下：1）整車控制器檢測鑰匙信號，判斷車輛是否上電，若車輛上電，則進入后續(xù)流程2），否則退出坡道起步輔助控制模式。2）整車控制器檢測擋位信號，判斷車輛是否處于行車擋，若車輛處于行車擋，則進入后續(xù)流程3），否則退出坡道起步輔助控制模式。3）整車控制器檢測駐車信號，判斷駐車制動是否有效，若駐車制動無效，則進入后續(xù)流程4），否則退出坡道起步輔助控制模式。4）整車控制器檢測制動踏板信號，判斷行車制動是否有效，若行車制動無效，則進入后續(xù)流程5），否則退出坡道起步輔助控制模式。5）整車控制器檢測電機轉(zhuǎn)速信號，當電機轉(zhuǎn)速小于－3r／min時說明車輛已出現(xiàn)后溜，則進入坡道起步輔助模式，否則退出坡道起步輔助控制模式。6）進入坡道起步輔助控制模式后，若駕駛員踩下加速踏板且請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)起步進入正常行駛狀態(tài)，否則進入下一步流程7）。7）由于驅(qū)動電機不能長時間堵轉(zhuǎn)，進入坡道起步輔助控制模式后開始計時，若時間超過5s，則退出坡道起步輔助控制模式而進入駕駛員自控模式。
13扭矩控制策略
進入坡道起步輔助模式后，需要快速、平穩(wěn)地將電機轉(zhuǎn)速控制為0r／min，使驅(qū)動電機維持堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而防止車輛后溜。文獻［8］借助加速度采集芯片獲得車輛前進方向加速度，并通過車輛縱向動力學方程計算道路坡道角度［9］，根據(jù)坡道角度估算初始電機扭矩。本文針對無傳感器情形，設(shè)計雙閉環(huán)PI控制器（比例積分控制器），自適應調(diào)節(jié)坡道起步輔助扭矩，實現(xiàn)既精準又快速的控制，扭矩控制框圖如圖2所示。將目標轉(zhuǎn)速設(shè)置為0r／min，把目標轉(zhuǎn)速與實際轉(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)速變化率補償。通過轉(zhuǎn)速PI控制器可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化率補償動態(tài)跟隨實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速的偏差而變化。在無駕駛員干預的情形下，坡度越大時，車輛后溜越快；車重越大時，車輛后溜越快［10］。因此，可以根據(jù)電機轉(zhuǎn)速變化率通過查表獲得對應轉(zhuǎn)速PI控制器的Kp（比例）、Ki（積分）參數(shù)，電機轉(zhuǎn)速變化率較大時使用較大的Kp、Ki參數(shù)，加快系統(tǒng)響應速度；電機轉(zhuǎn)速變化率較小時使用較小的Kp、Ki參數(shù)，提高系統(tǒng)響應穩(wěn)定性。對于雙閉環(huán)PI控制器整體而言，轉(zhuǎn)速PI控制器實現(xiàn)了目標轉(zhuǎn)速逼近實際轉(zhuǎn)速的快慢可調(diào)節(jié)。把轉(zhuǎn)速PI控制器輸出的轉(zhuǎn)速變化率補償與實際轉(zhuǎn)速變化率的差值作為轉(zhuǎn)速變化率PI控制器的輸入，而其輸出為目標扭矩。通過轉(zhuǎn)速變化率PI控制器可以將當前系統(tǒng)存在的轉(zhuǎn)速變化率偏差轉(zhuǎn)換為目標扭矩。由于上一級轉(zhuǎn)速PI控制器已經(jīng)考慮了坡度、車重對系統(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。本文通過反復測試，發(fā)現(xiàn)Kp取32、Ki取08有較好的控制效果。
2實車測試
為驗證該系統(tǒng)的效果，選取一輛10m純電動客車，在10％的坡道上進行測試驗證。踩下制動踏板使車輛停穩(wěn)，隨后迅速松開制動踏板，觀察是否觸發(fā)坡道起步輔助功能、車輛是否穩(wěn)定駐坡。實車測試結(jié)果如圖3和圖4所示。松開制動踏板后車輛開始后溜，大約在03s時電機轉(zhuǎn)速達到－3r／min，此時系統(tǒng)觸發(fā)坡道起步輔助控制模式，并控制驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)輸出目標扭矩（平衡扭矩），大約在21s時車輛穩(wěn)定地停在坡道上。通過測量得到此時的后溜距離約為16cm。
3結(jié)束語
本文在不增加傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的前提下，判斷坡道起步輔助介入的時機，通過雙閉環(huán)PI控制器控制電機輸出驅(qū)動扭矩，使車輛在坡道上迅速達到平衡狀態(tài)，在可接受的溜坡距離內(nèi)實現(xiàn)了坡道起步輔助功能。
作者:歐陽智 楊杰君 周艷輝 文健峰 王全 單位:中車時代電動汽車股份有限公司