基于EHB 的坡道起步輔助策略開發(fā)?

檀 旋 黃 波 于 洋 舒 強(qiáng)

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201620）（2.上海同馭汽車科技有限公司 上海 201806）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展［1］，傳統(tǒng)燃油車對(duì)環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重［2］。因此電動(dòng)車成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)［3］。與傳統(tǒng)燃油車相同的是：電動(dòng)車也面臨坡道起步這一復(fù)雜工況。若駕駛員操作不當(dāng)，極易造成車輛后溜，引發(fā)安全事故；或沖擊度大，車輛前沖，駕駛舒適性差等問題。如何解決電動(dòng)汽車坡道起步所面臨的問題成為了研究人員的關(guān)注點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，劉海鷗等［4］針對(duì)AMT重型越野車輛大坡道起步過程中離合器摩擦片磨損嚴(yán)重的問題，提出了坡道起步改進(jìn)控制策略。龔志輝等［5］提出一種基于ABS 裝置的汽車輔助起步控制方法。D Delvecchio 等［6］基于裝有EPB 系統(tǒng)的手動(dòng)變速車輛做了一些坡道起步輔助技術(shù)研究。對(duì)于電動(dòng)車，莫旭輝等［7］通過對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，將控制重點(diǎn)放在車輛起步扭矩補(bǔ)償上，采用了增量PI算法達(dá)到車輛平穩(wěn)起步且對(duì)坡道情況有良好的魯棒性效果。胡建軍等［8］提出了純電動(dòng)車起步控制策略，將起步分為無油門和有油門兩種模式，制定了相關(guān)控制策略，實(shí)現(xiàn)了車輛起步時(shí)的平順性及安全性。王洪亮等［9］基于EPB 進(jìn)行坡道起步輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)，車輛起步時(shí)的沖擊度與離合器滑磨得到有效改善。

電子液壓制動(dòng)（Electronic Hydraulic Braking，EHB）系統(tǒng)［10～12］作為一種新型制動(dòng)系統(tǒng)，可進(jìn)行協(xié)調(diào)式的電液制動(dòng)力分配。在車輛坡道起步時(shí)更加合理的分配各車輪制動(dòng)力，響應(yīng)更加迅速，使車輛坡道起步時(shí)更加平穩(wěn)。

2 簡(jiǎn)述EHB系統(tǒng)

本文所討論的EHB系統(tǒng)［13］如圖1所示。

圖1 EHB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

此系統(tǒng)包括制動(dòng)踏板、踏板位移傳感器、踏板模擬器、電機(jī)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)主缸、液壓力傳感器、ECU 等。EHB 在正常線控制動(dòng)時(shí)，EHB 根據(jù)內(nèi)置位移傳感器獲得位移信號(hào)傳輸給ECU，ECU根據(jù)位移傳感器測(cè)得的位移計(jì)算出所需制動(dòng)液壓力，并發(fā)出建壓指令。此時(shí)電機(jī)響應(yīng)ECU 的建壓指令，通過減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)主缸活塞運(yùn)動(dòng)，完成液壓力建立。

目前，在電動(dòng)車領(lǐng)域內(nèi)，越來越多的車企將發(fā)展方向轉(zhuǎn)向自動(dòng)駕駛領(lǐng)域［14］。而EHB 作為新型線控制動(dòng)系統(tǒng)，完全符合各車企發(fā)展的要求，具有很大的應(yīng)用前景。

3 車輛坡道起步分析與控制策略

3.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型分析

車輛坡道起步動(dòng)力學(xué)模型［15］，如圖2所示。

圖2 車輛在坡道受力分析圖

由圖2 可知，車輛在坡道起步時(shí)受力有驅(qū)動(dòng)力Ft，滾動(dòng)阻力Ff，空氣阻力Fw，坡道阻力Fi，加速阻力Fj，制動(dòng)力Fb。

即：

式中Tm為電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，i0為主減速器傳動(dòng)比，η為傳動(dòng)系機(jī)械效率，r 為車輪半徑，G 為作用在汽車上的重力，f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)，CD為空氣助力系數(shù)，A 為迎風(fēng)面積，ν 為汽車行駛速度，γ 為坡道角度，δ 為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，為行駛加速度，m 為車重，Tumax為最大制動(dòng)力器力矩，β 為制動(dòng)踏板開度。

車輛剛起步時(shí)，我們可以認(rèn)為此時(shí)的加速阻力為零，同時(shí)可以忽略空氣阻力的影響。所以此時(shí)車輛受力有驅(qū)動(dòng)力Ft、滾動(dòng)阻力Ff、坡道阻力Fi以及制動(dòng)力Fb。

3.2 車輛坡道起步過程分析

車輛坡道起步過程如圖3所示。

圖3 坡道起步受力過程示意圖

0～P1段：車輛在坡道靜止且未啟動(dòng)時(shí)，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為零，EHB根據(jù)坡度傳感器檢測(cè)到的坡度提供制動(dòng)液壓力，防止車輛后溜，即：

P1～P2段：當(dāng)駕駛員開腳踩加速踏板，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩開始增大，制動(dòng)液壓力隨電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大開始減小，但此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不夠大，不能完全克服坡道阻力矩，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)液壓力總和仍然要大于坡道阻力矩，即

P2點(diǎn)：在此時(shí)刻，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等于坡道阻力矩；即：

但此時(shí)制動(dòng)液壓力沒有完全消失，若完全無制動(dòng)液壓力可能會(huì)導(dǎo)致在這一臨界條件下，車輛發(fā)生后溜。

P2～P3段：駕駛員繼續(xù)腳踩加速踏板，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩足夠大時(shí)，即：

此時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩足夠克服坡道阻力矩，EHB逐漸徹底釋放，車輛平穩(wěn)起步，即：

3.3 車輛坡道起步控制策略

由上述分析可知，車輛能在坡道平穩(wěn)起步的關(guān)鍵在于電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出和電子液壓制動(dòng)（Electronic Hydraulic Braking，EHB）系統(tǒng)釋放制動(dòng)液壓力是否能夠精確配合。電子液壓制動(dòng)（Electronic Hydrau?lic Braking，EHB）系統(tǒng)在車輛坡道起步時(shí)能很好地補(bǔ)償電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，才能達(dá)到車輛在坡道平穩(wěn)起步的效果。

裝有EHB 系統(tǒng)的車輛來說，車輛坡道起步時(shí)EHB 將判斷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合坡道情況，無需駕駛員操作電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的情況下，完成車輛起步。車輛在坡道靜止時(shí)，總體受力為

控制策略及算法框圖如圖4所示。

圖4 EHB坡道起步控制策略算法圖

階段一：EHB 根據(jù)角度傳感器獲得信息，判斷當(dāng)前車輛是否處于坡道。若處于坡道，EHB將計(jì)算所需制動(dòng)液壓力p 大小，防止車輛后溜；否則判斷處于平地，車輛可正常起步。

階段二：駕駛員在坡道起步，踩下加速踏板，電機(jī)開始輸出轉(zhuǎn)矩Ft，EHB 跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出減小p，此時(shí)判斷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩是否大于坡道阻力矩；若大于，EHB 逐漸減小制動(dòng)液壓力至零，車輛平穩(wěn)起步。

階段三：若階段二的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不大于坡道阻力矩，說明此時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩還不足以使車輛起步，EHB 需要提供制動(dòng)液壓力防止溜坡。此時(shí)判斷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)液壓力之和是否大于坡道阻力矩，若不大于，說明EHB 釋放制動(dòng)液壓力過快，可能導(dǎo)致車輛溜坡。此情況需要改變制動(dòng)液壓力釋放速度，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)液壓力大于坡道阻力。若大于坡道阻力矩，駕駛員繼續(xù)腳踩加速踏板，EHB減小制動(dòng)液壓力，直到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大于坡道阻力矩時(shí)，EHB 將同時(shí)控制制動(dòng)液壓力減為零，車輛在坡道平穩(wěn)起步。

4 控制策略模型搭建

4.1 車輛坡道起步控制策略模型搭建

在Simulink/stateflow中將車輛坡道起步過程的控制策略用幾個(gè)狀態(tài)機(jī)之間的轉(zhuǎn)換表示出來；

Step1：處于初始狀態(tài)，EHB沒有工作。

Step2：當(dāng)條件next_1=true 時(shí)，狀態(tài)將從Step1向Step2遷移。此時(shí)判斷是否處于坡道。

Step3：當(dāng)條件next_2=true 時(shí)，狀態(tài)將從Step2向Step3 遷移。此時(shí)根據(jù)Step2 中測(cè)得的角度計(jì)算此時(shí)坡道阻力，根據(jù)坡道阻力獲得EHB 所需提供的制動(dòng)力。此時(shí)EHB進(jìn)入工作狀態(tài)。

Step4：當(dāng)條件next_3=true 時(shí)，狀態(tài)將從Step3向Step4 遷移。當(dāng)開始踩下加速踏板時(shí)，EHB 提供的制動(dòng)力Fb=Fang-Ftq。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于坡道阻力與車速大于零時(shí)，EHB提供制動(dòng)力為零。

圖5 車輛坡道起步時(shí)EHB各狀態(tài)模型搭建

4.2 坡道起步模型

整個(gè)模型包括車輛動(dòng)力學(xué)模型、坡道起步控制策略模型、以及液壓控制模型。模型如圖6所示。

5 仿真結(jié)果及分析

具體仿真車輛參數(shù)如表1所示。

表1 仿真車輛幾何參數(shù)表

通過擬合得到踏板開度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的曲線。如圖7所示。

圖7 踏板開度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

以坡度角5°和電機(jī)轉(zhuǎn)矩為輸出，得到制動(dòng)力、制動(dòng)液壓力、速度及沖擊度的仿真結(jié)果圖。如圖8所示。

由圖8（a）、（b）分析可知，在無電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，EHB 提供較大制動(dòng)液壓力來抵消坡道阻力，防止車輛后溜。隨著駕駛員踩下加速踏板，EHB根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出調(diào)節(jié)制動(dòng)液壓力，逐漸減小制動(dòng)液壓力。

由圖8（c）分析可知，車速?zèng)]有出現(xiàn)負(fù)值。說明在此控制策略下，車輛在坡道起步時(shí)沒有發(fā)生溜車。

由圖8（d）分析可知，在此控制策略下，車輛在坡道起步時(shí)的沖擊度控制在-0.1m/s3～0.1m/s3，此沖擊度較小，符合駕駛員在坡道起步情況下對(duì)平順性的要求。

圖8 坡道起步仿真結(jié)果

6 結(jié)語

通過對(duì)車輛坡道起步動(dòng)力學(xué)分析，提出了基于EHB的坡道起步輔助策略開發(fā)。利用Matlab/Simu?link 軟件，搭建了坡道起步輔助模型與EHB 模型。通過模型仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。通過分析仿真結(jié)果可知該控制策略有效可行，可防溜坡且沖擊度小，駕駛平順性良好。