純電動商用車坡道駐車抖動研究與優(yōu)化

施佳能， 丘云燕， 劉志翔， 羅可揚(yáng)

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司， 廣西 柳州 545005；2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004）

引言

化石資源的有限供應(yīng)、氣候變化和全球變暖促使未來的運(yùn)輸系統(tǒng)使用更有效和可持續(xù)的方法?；剂系目焖傧暮腿剂蟽r格的不斷上漲促使汽車制造商開始采用新型推進(jìn)技術(shù)[1]，如混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）。相比于傳統(tǒng)車輛，純電動汽車在坡道上行駛或者駐車時，為了防止出現(xiàn)車輛的溜坡現(xiàn)象，在不踩下制動踏板和拉動手剎的情況下，電機(jī)需要輸出扭矩用于克服整車重力做功[2]。在駐車的同時不僅需要考慮到車輛駕駛的舒適度，而且要考慮到電機(jī)在低轉(zhuǎn)速控制時的退磁現(xiàn)象，減少永磁同步電機(jī)的磁損，所以需要對電機(jī)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

而電動商用車中的電機(jī)抖動與乘用車相比較而言更加明顯，對于汽車應(yīng)用而言，電機(jī)的NVH 問題具有極其重要的意義[3]，并需要在設(shè)計階段被廣泛考慮。電機(jī)的NVH 問題正從控制和設(shè)計兩個角度來解決[4-5]。本文主要提出電機(jī)抖動和換擋沖擊的測試方法，以駕駛舒適度、電機(jī)總線電流、速度加速度波動為綜合評價指標(biāo)來評價其NVH 性能，從而優(yōu)化控制參數(shù)和策略來對其NVH 性能改善優(yōu)化。

1 車輛防溜技術(shù)方案分析

車輛防溜坡功能最早是應(yīng)用在傳統(tǒng)燃油車系統(tǒng)中的一項輔助駕駛功能。當(dāng)駕駛員駕駛車輛在坡道上起步時，腳從剎車踏板移動至油門踏板的時間內(nèi)，因為制動力中斷車輛會出現(xiàn)后溜[6-8]。為了防止駕駛員從踩制動踏板切換到踩加速踏板的過程中車后溜，汽車設(shè)計師們設(shè)計防車輛后溜的系統(tǒng)，在駕駛員松掉剎車踏板后還能提供一定的制動力，保證車輛在坡道上保持一定的時間而不溜坡[9]。

1.1 防溜坡功能動力學(xué)分析

在汽車行駛的過程中，會有平路和斜坡兩種情況，而斜坡分為上坡和下坡，在防溜坡功能的加持下實現(xiàn)整車能夠在沒有踩下制動的條件下靜止在坡道上。整車在上坡道的受力如圖1 所示。

分析整車在坡道上輪胎所受到的力分別為克服整車重量和路面摩擦力，圖1 中整車重力為G，摩擦力為Ff，駐車功能是在車身靜止的情況下實現(xiàn)的，忽略加速阻力，根據(jù)汽車行駛方程式，要實現(xiàn)防溜坡功能需滿足驅(qū)動力Ft：

式中：Ff為滾動阻力，F(xiàn)f=mgfcosα；Fi為坡度阻力，F(xiàn)i=mg sinα；按照整車道路汽車驅(qū)動力與行駛阻力平衡方程：

下坡或平路起步時，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令的計算方法與上坡起步時相同，因此可按照以上公式計算處理。

1.2 防溜坡原理及設(shè)計

1.2.1 功能描述

為實現(xiàn)駐坡功能，當(dāng)車速與當(dāng)前給定擋位相反時，則命令電機(jī)控制器輸出力矩，該力矩使得電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，從而實現(xiàn)車輛自動駐坡功能。

1.2.2 實現(xiàn)原理

防溜坡功能實現(xiàn)包括三個部分：

1）根據(jù)輸入輸出信號判斷整車是否滿足防溜坡進(jìn)入和退出的條件，VCU 控制防溜坡使能則接收VCU指令、MCU 自執(zhí)行防溜坡則自己判斷；

2）若車輛后溜時滿足進(jìn)入防溜坡的條件，則切換至速度控制模式，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為零，且轉(zhuǎn)矩上限為防溜坡轉(zhuǎn)矩上限；

3）若防溜坡模式下滿足退出條件，則響應(yīng)VCU的控制模式和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩指令。

防溜坡功能的輸入輸出變量如圖2 所示。

其中各信號說明如下：

1）目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為VCU 給定轉(zhuǎn)矩濾波后的絕對值（標(biāo)幺值）；

2）剎車信號即整車剎車狀態(tài)；

3）擋位信號，即整車反饋當(dāng)前擋位信息；

4）電機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)矩；

5）防溜坡轉(zhuǎn)矩上限；

6）防溜坡靈敏度（單位為mm），為溜車的最大距離；

7）防溜坡保持時間（單位為ms），車輛可以保持靜止的最大時間；

8）目標(biāo)頻率方向關(guān)聯(lián)VCU 擋位狀態(tài)；

9）當(dāng)前運(yùn)行轉(zhuǎn)速（單位為r/min），其符號正負(fù)代表電機(jī)運(yùn)行方向。

2 防溜坡抖動測試

2.1 問題引出

試驗車輛在防溜坡功能實現(xiàn)的過程中出現(xiàn)車身抖動的現(xiàn)象，排除車架結(jié)構(gòu)等機(jī)械抖動噪聲問題，從軟件上測試與改進(jìn)電機(jī)策略產(chǎn)生的抖動問題。

2.2 測試設(shè)備

試驗采用CANTest 上位機(jī)、動力CAN 線采集電機(jī)數(shù)據(jù)和報文，利用電流表、三向振動加速度傳感器等附件完成。依據(jù)汽車行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定整車振動問題的常規(guī)測試方法，同時選擇合適路段進(jìn)行相關(guān)試驗測試。

2.3 數(shù)據(jù)記錄與分析軟件

在測量的過程中，利用CAN 線讀取扭矩信號、車速、轉(zhuǎn)速等信號，利用CANoe 分析軟件進(jìn)行處理，獲取電機(jī)振動圖、扭矩變化曲線、轉(zhuǎn)速變化曲線等。

2.4 測試方法與數(shù)據(jù)分析

通過駕駛?cè)藛T對該車起步抖動和換擋沖擊的問題進(jìn)行主觀評價，并結(jié)合工況得出問題所出現(xiàn)的條件，給定電機(jī)額定扭矩輸出，依據(jù)油門、剎車踏板開度來制定相關(guān)測試方案，結(jié)合振動產(chǎn)生機(jī)理及現(xiàn)有的試驗設(shè)備情況，制定如下測試方法：

1）車輛處于半坡時，從靜止?fàn)顟B(tài)下由司機(jī)自由加速到換擋后停車該車電機(jī)轉(zhuǎn)速在2 200～2 400 rpm 范圍內(nèi)開始出現(xiàn)波動，隨及車輛開始抖動，同時該車的換擋點(diǎn)在2 500 rpm 左右，轉(zhuǎn)速波動如下圖3 所示。

2）車輛處于半坡時，給定恒定扭矩700 Nm，從靜止?fàn)顟B(tài)下由VCU 給定扭矩加速到換擋后停車，如圖4 所示。

3）車輛處于半坡時，從靜止?fàn)顟B(tài)下由司機(jī)自由加速到換擋后停車，電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 800 r/min 的時候出現(xiàn)波動，該車的換擋點(diǎn)在2 300 r/min 左右，如下圖5所示。

3 電機(jī)抖動優(yōu)化

3.1 電機(jī)抖動測試

電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速的時候，零力矩開管，信號U2-31（M軸ACR 輸出信號）在0 附近波動即代表電角度準(zhǔn)確。

3.2 功能測試與策略改進(jìn)

3.2.1 防溜坡測試與原因分析

1）采集整車CAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對比，分析出抖動原因，車輛的響應(yīng)扭矩與請求扭矩基本一致，轉(zhuǎn)速波動未能消除，通過測試發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動非MCU 控制引起，曲線如圖6 所示。

2）將蠕行功能關(guān)閉后測試，車輛防溜坡功能測試正常，數(shù)據(jù)如圖7 所示。

從駕駛主觀體驗為車輛前后抖動，由防溜坡測試數(shù)據(jù)分析可以得出由于坡度過小，未能夠進(jìn)入防溜坡功能，但蠕行力矩?zé)o法維持車輛前進(jìn)，導(dǎo)致防溜坡狀態(tài)常處于邏輯判斷和切換過程，如圖8 所示。

由此可得蠕行功能與防溜坡功能存在沖突，雙方必須有邏輯交互方可實現(xiàn)無沖突，VCU 收到防溜坡功能進(jìn)入信號時則退出蠕行功能。

3.2.2 策略優(yōu)化改進(jìn)

在自動擋的車輛中，當(dāng)車輛由N 擋掛到D 擋時，緩慢松開制動踏板，車輛會向前蠕行，若要求車輛停止在坡道上時，蠕行力矩不足以達(dá)到或者超過當(dāng)前坡道阻力，導(dǎo)致車輛移動，該策略將車輛進(jìn)入防溜坡功能的條件進(jìn)行了如下的優(yōu)化。

圖9 為防溜坡進(jìn)入判斷示意圖。只有當(dāng)這些條件同時滿足以后，才能進(jìn)入防溜坡狀態(tài)。其中各個條件說明如下。

1）當(dāng)前擋位非空擋：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于閾值5 r/min時擋位發(fā)生變化，則視為邏輯空擋；物理空擋關(guān)聯(lián)VCU 擋位。

2）如下三種情況下防溜坡后溜距離清零處理：防溜坡處于結(jié)束狀態(tài)；防溜坡處于判斷中，且當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速與擋位同方向；當(dāng)前擋位為空擋（邏輯空擋或物理空擋）。若不滿足上述條件，則通過對車輪轉(zhuǎn)速積分來計算車輛后溜的距離，其中車輪轉(zhuǎn)速由電機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪半徑及傳動比計算得到。

3）允許重復(fù)進(jìn)入條件判斷（當(dāng)前平臺防溜坡做了計數(shù)器+3 次邏輯）。踩油門允許重復(fù)進(jìn)入：當(dāng)前擋位狀態(tài)與轉(zhuǎn)速方向一致，且轉(zhuǎn)速絕對值大于閾值50 rpm，則將計數(shù)器+3 做清零處理。踩剎車允許再次進(jìn)入：剎車狀態(tài)下（包含手剎），電機(jī)轉(zhuǎn)速小于閾值5 rpm，此處計數(shù)器+3 不做清零處理，會疊加之前防溜坡次數(shù)。防溜坡超時退出后則不允許重復(fù)進(jìn)入，同步將計數(shù)器+3 做清零處理。

3.2.3 防溜坡退出條件判斷及過程處理

進(jìn)入防溜坡后，會對是否退出駐坡進(jìn)行判斷:

1）VCU 擋位狀態(tài)；

2）剎車信號，防溜坡持續(xù)時間超過閾值后才能通過響應(yīng)踩剎車退出；

3）空擋標(biāo)志；

4）當(dāng)前轉(zhuǎn)矩給定大于防溜坡當(dāng)前輸出轉(zhuǎn)矩，二者絕對值相比較；

5）當(dāng)前怠速模塊處理后的轉(zhuǎn)矩大于防溜坡當(dāng)前輸出轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)滿足防溜坡后，轉(zhuǎn)矩給定為防溜坡轉(zhuǎn)矩上限；轉(zhuǎn)速給定為0。當(dāng)退出防溜坡后，轉(zhuǎn)矩恢復(fù)到防溜坡模塊的輸入轉(zhuǎn)矩給定，轉(zhuǎn)速給定也恢復(fù)到給定系統(tǒng)給定頻率，控制模式響應(yīng)VCU 指令。

通過實車測試得到結(jié)果如圖10 所示。

可以看到將防溜坡與蠕行功能之間的策略沖突優(yōu)化后對汽車駐坡抖動問題有明顯的改善。

4 結(jié)論

通過CANoe 軟件中運(yùn)行程序后測試得到該款汽車坡道駐車的曲線數(shù)據(jù)圖，防溜坡程序能夠使實際電機(jī)的輸出扭矩變化隨著轉(zhuǎn)速的變化基本上趨于一致，達(dá)到與輸出轉(zhuǎn)矩T 的平衡，從而保證整車能夠平穩(wěn)的自動停止在一定的坡度斜坡上，實現(xiàn)防溜坡功能，另外，防溜坡程序在處理轉(zhuǎn)矩疊加控制時，應(yīng)當(dāng)防止整車誤進(jìn)入蠕行模式，這樣可以避免整車驅(qū)動電機(jī)出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)速波動，進(jìn)而引起整車持續(xù)抖動問題，程序優(yōu)化后可以控制其輕微抖動現(xiàn)象。文章對解決純電動汽車坡道駐車和抖動問題有重要借鑒意義。