純電動(dòng)客車坡道起步輔助電機(jī)扭矩控制算法研究

徐小兵， 魯振輝， 竇本崗， 范鵬飛， 王立新

(1.中科衛(wèi)藍(lán)新能源汽車科技(江蘇)有限公司，南京 210006； 2.北京奕為汽車科技有限公司，北京 102208)

駕駛純電動(dòng)車輛時(shí)，通常坡道起步的方法是在車輛靜止且手剎拉起的情況下，松開制動(dòng)踏板，踩加速踏板至預(yù)估車輛驅(qū)動(dòng)力與當(dāng)前坡道阻力大致相等時(shí)，快速釋放手剎。操作的關(guān)鍵是加速踏板踩的深度。如果踩下過深，則可能由于電機(jī)輸出扭矩過大而在手剎釋放的瞬間車輛突然加速；如果踩下過淺，則電機(jī)輸出扭矩不足以與坡道下滑力達(dá)到平衡而導(dǎo)致溜坡。如果配置坡道起步輔助系統(tǒng)，則可簡(jiǎn)化上述操作過程[1]，并提升車輛安全性[2]，但車輛成本會(huì)增加。由于純電動(dòng)客車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速甚至堵轉(zhuǎn)條件下輸出電機(jī)峰值扭矩，且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、快速響應(yīng)[3]。如能通過控制電機(jī)輸出扭矩的方式實(shí)現(xiàn)車輛驅(qū)動(dòng)力和坡道下滑力平衡，則能以更低的成本實(shí)現(xiàn)坡道起步輔助這一功能，而無需配置專業(yè)的坡道起步輔助系統(tǒng)[4]。本文即介紹這一功能實(shí)現(xiàn)的具體方案。

1 坡道起步輔助扭矩控制算法

1.1 算法基本原理

坡道起步輔助扭矩控制算法是一種在純電動(dòng)汽車坡道起步操作過程中控制電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力抑制車輛后溜趨勢(shì)[5]，實(shí)現(xiàn)車輛在坡道上平穩(wěn)起步的電機(jī)扭矩控制算法[6]。其基本原理：在判斷車輛出現(xiàn)后溜趨勢(shì)時(shí)，先根據(jù)反饋的車輛縱向加速度計(jì)算坡道角度，并估算使車輛能夠在該坡道實(shí)現(xiàn)受力平衡的電機(jī)輸出初始目標(biāo)扭矩，控制電機(jī)輸出該初始目標(biāo)扭矩以減緩車輛后溜趨勢(shì)，再利用PI閉環(huán)控制算法，快速調(diào)節(jié)電機(jī)輸出扭矩，使車輛迅速達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起步。具體控制原理如圖1所示。

圖1 控制原理示意圖

1.2 初始目標(biāo)扭矩估算

當(dāng)車輛直線行駛時(shí)，在靜止或勻速行駛條件下，其縱向動(dòng)力學(xué)模型為

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(1)

式(1)中，F(xiàn)t、Ff、Fw、Fj、Fi分別為驅(qū)動(dòng)力、摩擦阻力、空氣阻力、加速阻力和路面坡道阻力。由于車輛在坡道起步狀態(tài)下，車速很小，所以空氣阻力和加速阻力可以忽略不計(jì)[7]，故在坡道起步過程中實(shí)現(xiàn)車輛受力平衡的電機(jī)初始目標(biāo)扭矩值為

Tq=(Mg·r/i)·(sinθ-cosθ·f)

(2)

式中：g為加速度；θ為坡道角度；i為傳動(dòng)系減速比;M為車輛質(zhì)量；r為輪胎靜力半徑；f為道路相對(duì)摩擦系數(shù)，按照一般路面情況選取固定值0.01。

在坡道起步控制中使車輛快速達(dá)到式(1)所示的受力平衡狀態(tài)是控制的關(guān)鍵。因此，坡道起步輔助系統(tǒng)必須預(yù)先快速識(shí)別出相對(duì)準(zhǔn)確的坡道阻力。根據(jù)式(2)可知，對(duì)坡道阻力的估算主要是取決于車輛質(zhì)量和坡道角度。

為獲取車輛所處路面的坡角度，在車輛靜止條件下，采用AIS328DQ加速度采集芯片對(duì)車輛沿X、Y、Z三軸方向的加速度進(jìn)行采集(其中X軸與底盤平行指向車頭)，并由此計(jì)算道路坡道角度θ。

本文所述控制算法將車輛空載質(zhì)量用于電機(jī)目標(biāo)扭矩的估算，使估算出的電機(jī)目標(biāo)扭矩略小于實(shí)際數(shù)值，以避免由于扭矩估算誤差引起車輛的非預(yù)期前向移動(dòng)。由此產(chǎn)生的對(duì)坡道阻力估算的誤差需要設(shè)置補(bǔ)償算法對(duì)電機(jī)輸出扭矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，詳細(xì)論述見1.3節(jié)。

1.3 電機(jī)扭矩輸出閉環(huán)控制調(diào)節(jié)

控制調(diào)節(jié)邏輯如圖2所示，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速(0 r/min)與電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的差值作為PI調(diào)節(jié)器的輸入[8]，以消除轉(zhuǎn)速差為目標(biāo)對(duì)電機(jī)輸出扭矩進(jìn)行閉環(huán)控制，最終使得電機(jī)輸出扭矩=初始目標(biāo)扭矩+調(diào)節(jié)扭矩。

圖2 電機(jī)輸出扭矩PI控制調(diào)節(jié)原理

此種控制調(diào)節(jié)方法需要考慮電機(jī)在堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下的溫度情況。由于溫度和電流的限制，電機(jī)系統(tǒng)無法長(zhǎng)時(shí)間工作于堵轉(zhuǎn)工況，所以需要根據(jù)具體的電機(jī)性能參數(shù)設(shè)置控制調(diào)節(jié)算法所能應(yīng)用的最長(zhǎng)時(shí)間。參考傳統(tǒng)汽車基于制動(dòng)保壓的上坡輔助策略，一般上坡輔助過程持續(xù)不超過5 s，普通電機(jī)都可支持這樣短時(shí)間的堵轉(zhuǎn)工作。在閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中，還需要根據(jù)電機(jī)的外特性能力對(duì)系統(tǒng)計(jì)算數(shù)值進(jìn)行約束，防止出現(xiàn)積分溢出的現(xiàn)象，避免系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)。

本閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于在最短時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定地達(dá)到車輛受力的平衡狀態(tài)，既要求轉(zhuǎn)速快速收斂，又要求系統(tǒng)超調(diào)小，使車輛的溜坡距離縮減至可接受的安全距離(一般在10 cm左右)內(nèi)。在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，還應(yīng)將由超調(diào)引起的車輛抖動(dòng)盡量減小到車輛乘員可以接受的程度。

2 仿真驗(yàn)證

使用MATLAB/Simulink軟件根據(jù)式(2)對(duì)坡道起步輔助電機(jī)扭矩控制算法進(jìn)行建模。該模型可以模擬車輛控制系統(tǒng)解析駕駛操作，判斷溜坡狀態(tài)，并在車輛溜坡時(shí)按照本文所述的算法控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)力以輔助坡道起步操作的過程。模型的輸入信號(hào)包括：油門踏板開度、制動(dòng)踏板開度、擋位、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度和坡道角度；模型的輸出信號(hào)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)扭矩。

同樣在MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)下，根據(jù)式(1)搭建整車縱向動(dòng)力學(xué)模型。該模型計(jì)算車輛所受合力和縱向加速度，并對(duì)加速度進(jìn)行積分計(jì)算得到仿真過程中的實(shí)時(shí)車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速。模型的輸入信號(hào)為坡道角度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)扭矩和制動(dòng)踏板開度；模型的輸出信號(hào)為車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速。在仿真測(cè)試前需在該模型中配置車重、道路摩擦系數(shù)、輪胎半徑、減速比和坡道角度等參數(shù)[9]。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)即轉(zhuǎn)速為正時(shí)，表示車輛向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)即轉(zhuǎn)速為負(fù)時(shí)，表示車輛后溜。通過對(duì)溜坡車速進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到溜坡距離。

在Simulink仿真環(huán)境下，將上述兩個(gè)模型進(jìn)行連接以進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真過程：①仿真初始時(shí)刻，設(shè)置制動(dòng)踏板開度為最大，使車輛在制動(dòng)力作用下所受合力為0，模擬車輛靜止于坡道上的狀態(tài)；②仿真開始后制動(dòng)踏板開度開始減小，在1 s時(shí)刻使其減小至0，模擬駕駛員松開制動(dòng)踏板的操作；③當(dāng)車輛出現(xiàn)后溜趨勢(shì)(即電機(jī)轉(zhuǎn)速為負(fù))時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩開始增大以抑制車輛后溜趨勢(shì)，并控制車輛達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。具體原理如圖3所示。

圖3 仿真原理圖

選取固定減速比14.16，輪胎靜力半徑0.353 m 的車輛，在車重2 960 kg、坡度10%的空載小坡道工況和車重3 820 kg、坡度20%的半載大坡道工況下分別進(jìn)行仿真分析。記錄電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速和車速的變化曲線，并將速度曲線進(jìn)行積分運(yùn)算得到車輛溜坡距離。

在10%的坡道、車輛空載的條件下，仿真測(cè)試結(jié)果如圖4(a)所示。由圖可知，坡道起步過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍為-18～10 r/min,對(duì)應(yīng)的車速范圍為0～0.15 km/h，溜坡時(shí)間為0.9 s，溜坡距離約2 cm,滿足溜坡距離要小于10 cm安全距離的要求。

在20%的坡道、車輛半載的條件下，仿真測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示。由圖可知,坡道起步過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍為-40～15 r/min,對(duì)應(yīng)的車速范圍為0～0.35 km/h，溜坡時(shí)間為1.2 s，溜坡距離約5 cm, 滿足溜坡距離小于10 cm安全距離的要求。

(a) 空載、10%坡道

3 結(jié)束語(yǔ)

利用電機(jī)可在低速或堵轉(zhuǎn)工況輸出較大驅(qū)動(dòng)扭矩這一特性，無需裝配復(fù)雜的專業(yè)坡道起步輔助系統(tǒng)(HSA)，僅通過添加車輛動(dòng)力控制軟件坡道起步輔助模塊就可防止在坡道起步過程中出現(xiàn)溜坡現(xiàn)象，以很低的成本實(shí)現(xiàn)了這一功能，發(fā)揮了純電動(dòng)汽車的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但本文介紹的算法在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)電機(jī)控制精度的要求較高，且試驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)標(biāo)定的工作量較大。就仿真結(jié)果而言，車輛在坡道起步階段還是存在輕微的抖動(dòng)。只能說可實(shí)現(xiàn)接近專業(yè)坡道起步HSA系統(tǒng)的效果，還需根據(jù)駕駛體驗(yàn)對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。