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信號，判斷是否進入坡道起步輔助模式；設計雙閉環PI控制器控制電機驅動扭矩，實現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］，對駕駛員操控技術的要求較高。配備坡道起步輔助系統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）來實現輔助控制，不需要機械制動系統參與，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，從而實現車輛坡道平穩起步。
1坡道起步輔助控制策略
11系統架構
坡道起步輔助控制系統包括決策機構和執行機構，如圖1所示。決策機構為整車控制器，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）并下發給執行機構。執行機構為電機及其控制器，接收并響應決策機構下發的坡道輔助扭矩，使車輛在坡道上平穩駐停。
12決策流程
系統決策機構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速信號，當電機轉速小于－3r／min時說明車輛已出現后溜，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起步進入正常行駛狀態，否則進入下一步流程7）。7）由于驅動電機不能長時間堵轉，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、平穩地將電機轉速控制為0r／min，使驅動電機維持堵轉狀態，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］，根據坡道角度估算初始電機扭矩。本文針對無傳感器情形，設計雙閉環PI控制器（比例積分控制器），自適應調節坡道起步輔助扭矩，實現既精準又快速的控制，扭矩控制框圖如圖2所示。將目標轉速設置為0r／min，把目標轉速與實際轉速的差值作為轉速PI控制器的輸入，閉環控制輸出轉速變化率補償。通過轉速PI控制器可以實現轉速變化率補償動態跟隨實際轉速與目標轉速的偏差而變化。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，可以根據電機轉速變化率通過查表獲得對應轉速PI控制器的Kp（比例）、Ki（積分）參數，電機轉速變化率較大時使用較大的Kp、Ki參數，加快系統響應速度；電機轉速變化率較小時使用較小的Kp、Ki參數，提高系統響應穩定性。對于雙閉環PI控制器整體而言，轉速PI控制器實現了目標轉速逼近實際轉速的快慢可調節。把轉速PI控制器輸出的轉速變化率補償與實際轉速變化率的差值作為轉速變化率PI控制器的輸入，而其輸出為目標扭矩。通過轉速變化率PI控制器可以將當前系統存在的轉速變化率偏差轉換為目標扭矩。由于上一級轉速PI控制器已經考慮了坡度、車重對系統的影響，所以轉速變化率PI控制器的Kp、Ki參數使用常數即可。本文通過反復測試，發現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，隨后迅速松開制動踏板，觀察是否觸發坡道起步輔助功能、車輛是否穩定駐坡。實車測試結果如圖3和圖4所示。松開制動踏板后車輛開始后溜，大約在03s時電機轉速達到－3r／min，此時系統觸發坡道起步輔助控制模式，并控制驅動電機正轉輸出目標扭矩（平衡扭矩），大約在21s時車輛穩定地停在坡道上。通過測量得到此時的后溜距離約為16cm。
3結束語
本文在不增加傳感器和執行機構的前提下，判斷坡道起步輔助介入的時機，通過雙閉環PI控制器控制電機輸出驅動扭矩，使車輛在坡道上迅速達到平衡狀態，在可接受的溜坡距離內實現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