纯电动汽车坡道起步辅助控制探究

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摘要：提出一种无传感器的坡道起步辅助控制方法，通过整车控制器采集相关信号，判断是否进入坡道起步辅助模式；设计双闭环PI控制器控制电机驱动扭矩，实现坡道起步辅助控制功能，并进行实车验证。

关键词：纯电动汽车；坡道起步；辅助控制

坡道起步是车辆行驶过程中较常出现且事故率较高的复杂工况［1－2］，一旦操作不当就可能造成车辆溜坡［3］，对驾驶员操控技术的要求较高。配备坡道起步辅助系统可以降低驾驶员操作要求［4］，并提升行车安全性［5］。本文提出一种纯电动汽车坡道起步辅助控制方法。该方法利用电机在低速工况和堵转工况输出的峰值扭矩［6－7］（具有精度高、响应快的特点）来实现辅助控制，不需要机械制动系统参与，也无需增加传感器，仅通过控制电机输出扭矩即可与坡道后溜力平衡，从而实现车辆坡道平稳起步。

1坡道起步辅助控制策略

11系统架构

坡道起步辅助控制系统包括决策机构和执行机构，如图1所示。决策机构为整车控制器，采集钥匙、挡位、驻车、加速踏板及制动踏板等信号，接收电机控制器反馈的电机状态信号，识别驾驶意图，判断是否需要进入坡道辅助模式，计算坡道辅助扭矩（即重力下溜平衡扭矩）并下发给执行机构。执行机构为电机及其控制器，接收并响应决策机构下发的坡道辅助扭矩，使车辆在坡道上平稳驻停。

12决策流程

系统决策机构判断何时进入坡道起步辅助控制模式、何时退出坡道起步辅助控制模式，具体流程如下：1）整车控制器检测钥匙信号，判断车辆是否上电，若车辆上电，则进入后续流程2），否则退出坡道起步辅助控制模式。2）整车控制器检测挡位信号，判断车辆是否处于行车挡，若车辆处于行车挡，则进入后续流程3），否则退出坡道起步辅助控制模式。3）整车控制器检测驻车信号，判断驻车制动是否有效，若驻车制动无效，则进入后续流程4），否则退出坡道起步辅助控制模式。4）整车控制器检测制动踏板信号，判断行车制动是否有效，若行车制动无效，则进入后续流程5），否则退出坡道起步辅助控制模式。5）整车控制器检测电机转速信号，当电机转速小于－3r／min时说明车辆已出现后溜，则进入坡道起步辅助模式，否则退出坡道起步辅助控制模式。6）进入坡道起步辅助控制模式后，若驾驶员踩下加速踏板且请求扭矩大于坡道平衡扭矩，则车辆退出坡道起步辅助控制模式而平稳起步进入正常行驶状态，否则进入下一步流程7）。7）由于驱动电机不能长时间堵转，进入坡道起步辅助控制模式后开始计时，若时间超过5s，则退出坡道起步辅助控制模式而进入驾驶员自控模式。

13扭矩控制策略

进入坡道起步辅助模式后，需要快速、平稳地将电机转速控制为0r／min，使驱动电机维持堵转状态，从而防止车辆后溜。文献［8］借助加速度采集芯片获得车辆前进方向加速度，并通过车辆纵向动力学方程计算道路坡道角度［9］，根据坡道角度估算初始电机扭矩。本文针对无传感器情形，设计双闭环PI控制器（比例积分控制器），自适应调节坡道起步辅助扭矩，实现既精准又快速的控制，扭矩控制框图如图2所示。将目标转速设置为0r／min，把目标转速与实际转速的差值作为转速PI控制器的输入，闭环控制输出转速变化率补偿。通过转速PI控制器可以实现转速变化率补偿动态跟随实际转速与目标转速的偏差而变化。在无驾驶员干预的情形下，坡度越大时，车辆后溜越快；车重越大时，车辆后溜越快［10］。因此，可以根据电机转速变化率通过查表获得对应转速PI控制器的Kp（比例）、Ki（积分）参数，电机转速变化率较大时使用较大的Kp、Ki参数，加快系统响应速度；电机转速变化率较小时使用较小的Kp、Ki参数，提高系统响应稳定性。对于双闭环PI控制器整体而言，转速PI控制器实现了目标转速逼近实际转速的快慢可调节。把转速PI控制器输出的转速变化率补偿与实际转速变化率的差值作为转速变化率PI控制器的输入，而其输出为目标扭矩。通过转速变化率PI控制器可以将当前系统存在的转速变化率偏差转换为目标扭矩。由于上一级转速PI控制器已经考虑了坡度、车重对系统的影响，所以转速变化率PI控制器的Kp、Ki参数使用常数即可。本文通过反复测试，发现Kp取32、Ki取08有较好的控制效果。

2实车测试

为验证该系统的效果，选取一辆10m纯电动客车，在10％的坡道上进行测试验证。踩下制动踏板使车辆停稳，随后迅速松开制动踏板，观察是否触发坡道起步辅助功能、车辆是否稳定驻坡。实车测试结果如图3和图4所示。松开制动踏板后车辆开始后溜，大约在03s时电机转速达到－3r／min，此时系统触发坡道起步辅助控制模式，并控制驱动电机正转输出目标扭矩（平衡扭矩），大约在21s时车辆稳定地停在坡道上。通过测量得到此时的后溜距离约为16cm。

3结束语

本文在不增加传感器和执行机构的前提下，判断坡道起步辅助介入的时机，通过双闭环PI控制器控制电机输出驱动扭矩，使车辆在坡道上迅速达到平衡状态，在可接受的溜坡距离内实现了坡道起步辅助功能。

作者:欧阳智 杨杰君 周艳辉 文健峰 王全 单位:中车时代电动汽车股份有限公司