基于電機狀態(tài)前饋控制的防溜坡系統(tǒng)方案研究

摘 要：隨著新能源汽車日益普及，人們對其安全技術(shù)問題和駕駛舒適度的要求越來越高，其中防溜坡功能是一個重點關(guān)注項目，中高端汽車往往依靠成本較高的ESP與EPB通過控制制動卡鉗來實現(xiàn)防溜坡功能，低端汽車則受制于硬件限制，不具備該功能。文章針對新能源汽車防溜坡功能，提出一種無需額外坡度傳感器、EPB等硬件配置的防溜坡系統(tǒng)方案，提高車輛坡道起步安全性。

關(guān)鍵詞：電動汽車 坡道起步 防溜坡功能 坡道防溜坡

在全球新能源汽車保有量急劇上升的時代，純電動汽車作為新能源汽車的主力軍，不再局限于單一的長短途代步需求，人們對其安全技術(shù)問題和駕駛舒適度的要求越來越高，其中坡道起步的防溜坡功能是一個重點關(guān)注項目。但目前對電動汽車防溜坡功能的研究還存在不少不足，一方面防溜坡技術(shù)方案還比較滯后，大多停留在傳統(tǒng)車輛的已有技術(shù)上，不能完全適配于電動汽車；另一方面，較為完善的防溜坡功能往往需要建立在坡度傳感器、陀螺儀、ESP等硬件配置和強大的軟件算法邏輯的基礎(chǔ)上，這樣一來整車的制造成本難以控制。防溜坡功能不完善的車輛嚴重影響了駕駛員的駕駛體驗，也加大了電動汽車坡道起步的難度，增加了車輛坡道起步的事故率[1]。鑒于上述問題，本文提出一種適配于純電動汽車，無需額外的硬件配置和算法邏輯的防溜坡系統(tǒng)方案，該防溜坡系統(tǒng)不會大量增加電動汽車的成本，也能夠防止電動汽車在一定坡道上溜坡，提升電動汽車駕駛安全性和易操作性。

1 防溜坡功能技術(shù)方案分析

車輛防溜坡功能是一種輔助駕駛功能，它最早被用于傳統(tǒng)的燃油汽車中。當駕駛員在坡道中駕駛汽車起步時，在腳由剎車踏板向加速踏板移動過程中，由于制動力會出現(xiàn)短暫的中斷情況，所以汽車會出現(xiàn)溜坡情況[2]。為了避免這種情況出現(xiàn)，很多汽車都設(shè)計了專用的防車輛溜坡的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠提前預(yù)測駕駛員松開制動踏板后車輛的溜坡并提供一定的制動力，或在車輛已經(jīng)發(fā)生溜坡的情況控制溜坡車速為零，確保車輛在坡道起步時不發(fā)生溜坡事故。

目前中高端汽車上通常配備的是基于HHC、AVH、ARB三種防溜坡功能的駕駛輔助系統(tǒng)[3]，他們的技術(shù)特性為：

HHC（Hill-start Assist Control），又名HAC，是基于ESP功能開發(fā)的坡道起步輔助系統(tǒng)，車輛在坡道上停穩(wěn)后，駕駛員松開制動踏板，ESP會提供一定時間的制動保壓能力，使車輛能夠在坡道上穩(wěn)定一段時間。介于ESP保壓能力有限，該功能不能在不踩制動踏板的前提下提供較長時間的制動力。

AVH（Automotive Vehicle Hold），自動駐車系統(tǒng)，是基于ESP和EPB開發(fā)的坡道輔助系統(tǒng)，短時間駐車時，采用ESP的保壓來實現(xiàn)駐車功能，當需要較長時間的駐車時，采用的是EPB鎖止制動主缸壓力來夾緊制動卡鉗。

ARB（Anti-Roll Back），是新能源汽車獨有坡道防溜坡系統(tǒng)，該功能需要建立在車輛已經(jīng)溜坡的前提下激活，利用的是驅(qū)動電機的堵轉(zhuǎn)功能來實現(xiàn)車輛的零轉(zhuǎn)速控制。由于驅(qū)動電機堵轉(zhuǎn)會使繞組產(chǎn)生過高的電流，有過熱起火和短路風(fēng)險，同時轉(zhuǎn)子會承受較大扭矩，電機軸承等機械部件易斷裂損壞，故ARB也不能提供較長時間的制動力。

從上述防溜坡的技術(shù)方案分析，目前主流的HHC、AVH方案需要ESP、EPB等硬件配置，ARB則要求驅(qū)動電機具備一定的機械素質(zhì)，能夠承受高電流和大扭矩的沖擊，這些對于低端車來說基本是無法實現(xiàn)的。近年隨著電動汽車的逐步普及，專門對低端車防溜坡功能的研究也有一定的進展，其中較為優(yōu)秀的方案是基于坡道傳感器或陀螺儀來采集車輛當前所處的坡道角度，再結(jié)合車輛溜坡轉(zhuǎn)速使用PI算法來實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速控制。這個方案的優(yōu)點在于不需要ESP、EPB的機械配置，車輛制造成本得以控制，但該方案是建立在坡道傳感器和陀螺儀等坡度采集設(shè)備的基礎(chǔ)上，這也是該方案的不足之處。

2 電動汽車防溜坡方案系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的電動汽車防溜功能不需要控制制動卡鉗，即不需要成本較高的ESP和EPB，也不依賴陀螺儀或者坡道傳感器來采集道路坡道數(shù)據(jù)。通過一套車輛控制系統(tǒng)聯(lián)合動作而實現(xiàn)，該防溜控制系統(tǒng)由加速踏板、制動踏板、手剎、檔位、整車控制器、電機控制器和驅(qū)動電機組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

本文設(shè)計的防溜坡功能分為防溜坡功能激活判斷、扭矩調(diào)控以及防溜坡功能退出判斷三個子系統(tǒng)，這三個子系統(tǒng)均由整車控制器來控制。

2.1 防溜坡功能激活判斷

本文設(shè)計的防溜坡功能系統(tǒng)中，整車控制器通過整車線束或者整車通訊協(xié)議（如CAN總線）采集或接收手剎狀態(tài)、檔位狀態(tài)、加速踏板和制動踏板位置，進而控制防溜坡功能的激活，具體的判斷流程如下所述：

①檢測手剎狀態(tài)，判斷駕駛員有無駐車需求；②檢測檔位狀態(tài)，判斷車輛是否屬于可行駛檔位；③檢測加速踏板和制動踏板位置，判斷駕駛員有無加速和制動請求。當手剎未被拉起、檔位處于可行駛檔位（如D檔）、加速踏板和制動踏板未踩下或者達到設(shè)定的開度閾值，這些條件同時滿足時，整車控制器才能激活防溜坡功能。

2.2 扭矩調(diào)控

2.2.1 功能邏輯

在防溜坡功能激活前提下，整車控制器需要不斷對整車行駛工況進行識別檢測，通過對整車關(guān)鍵信號的采集，判斷當前車輛是否處于溜坡狀態(tài)。當防溜坡功能激活，且檢測到車輛溜坡時，整車控制器需要通過調(diào)節(jié)電驅(qū)輸出扭矩來實現(xiàn)車輛的防溜。

扭矩的調(diào)控由兩部分算法實現(xiàn)：PID算法和預(yù)控，整車控制器負責(zé)檢測電驅(qū)系統(tǒng)狀態(tài)并給定扭矩值，電驅(qū)系統(tǒng)負責(zé)扭矩命令的執(zhí)行并反饋電驅(qū)系統(tǒng)狀態(tài)，整車控制器和電驅(qū)系統(tǒng)共同協(xié)作實現(xiàn)放扭矩扭矩的調(diào)控。

2.2.2 溜坡檢測

整車控制器實時檢測電機當前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的變化率，當檢測到電機轉(zhuǎn)速與車輛當前檔位方向相反且轉(zhuǎn)速變化率超過設(shè)定值時，判斷車輛正在溜坡，即：

①D檔下，電機轉(zhuǎn)速小于-20rpm（該值可設(shè)定），電機轉(zhuǎn)速變化率超過50rpm/s（該值可設(shè)定），則認為車輛處于D檔后溜。

②同理，R檔下，電機轉(zhuǎn)速大于20rpm（該值可設(shè)定），電機轉(zhuǎn)速變化率超過50rpm/s（該值可設(shè)定），則認為車輛處于R檔前溜。

2.2.3 PID算法扭矩

整車控制器通過PID控制算法控制扭矩輸出，該PID控制算法的輸入量為電機當前轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速的差值，輸出量為扭矩，轉(zhuǎn)速差值越大，輸出扭矩就越大，電機轉(zhuǎn)速差值作為PID控制算法的前饋。該扭矩的作用是控制溜坡的車速，能有效控制溜車車速回零，通過扭矩形式達到車輛的受力平衡，使得車輛駐停在坡道上。

由于PID控制本身具有遲滯性，屬于軟調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)溜坡車速歸零的過程往往需要一定的時間，為了防止車輛在這段PID的調(diào)節(jié)時間內(nèi)產(chǎn)生較長的溜坡距離（特別是在車輛處于較大坡道時），需要額外的扭矩來控制溜車距離，該扭矩需要具備響應(yīng)迅速的特點，故引入預(yù)控扭矩的概念。

2.2.4 預(yù)控扭矩

預(yù)控扭矩，預(yù)控扭矩僅僅需要整車控制器根據(jù)電機當前溜坡轉(zhuǎn)速與上一周期轉(zhuǎn)速差值在該周期內(nèi)的變化率來判斷，電機轉(zhuǎn)速變化率越大，預(yù)控扭矩越大，電機轉(zhuǎn)速變化率作為預(yù)控扭矩的前饋。預(yù)控扭矩的特點是調(diào)控迅速，可有效減少車輛在大坡度的溜坡距離。當防溜坡功能激活時，電驅(qū)系統(tǒng)需要執(zhí)行的扭矩為PID控制算法的扭矩和預(yù)控扭矩疊加之后的總扭矩。扭矩調(diào)控邏輯如圖2所示。

2.3 防溜坡功能退出判斷

防溜坡功能依賴電驅(qū)系統(tǒng)的扭矩輸出，在車輛成功駐停在坡道上時，驅(qū)動電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時輸出固定扭矩但轉(zhuǎn)速為零，電驅(qū)系統(tǒng)溫升較快，特別是在一些電驅(qū)系統(tǒng)采用強制或自然風(fēng)冷的中低端配置車型上面，溫升更加明顯，因此，需要對防溜坡功能做一定的時間判斷，避免因長時間的堵轉(zhuǎn)使得電驅(qū)的高溫，對電機的永磁體產(chǎn)生不可逆的損害[4]。另外，還需要對駕駛員的接管車輛意圖做判斷，整車控制器檢測到駕駛員有接管車輛的意圖且該意圖與車輛防溜坡相違背時，應(yīng)主動退出防溜坡功能。綜合考慮，防溜坡功能的退出應(yīng)判斷如下條件，滿足任意條件時均退出防溜坡功能：

①檢測檔位狀態(tài)，當檔位切換至不可行駛檔位（N檔或P檔）時；

②檢測加速踏板位置，當加速踏板對應(yīng)需求扭矩超過當前防溜坡扭矩時；

③檢測制動踏板位置和手剎狀態(tài)，當制動踏板被踩下持續(xù)2s時；

④檢測手剎狀態(tài)，當手剎被拉起持續(xù)2s時；

⑤檢測電驅(qū)轉(zhuǎn)速，當電驅(qū)轉(zhuǎn)速超過200rpm時；

⑥檢測防溜坡時間，當防溜坡功能介入使車輛駐停時間持續(xù)5s時。

2.4 控制效果分析

本文設(shè)計的防溜坡系統(tǒng)方案，從功能的激活到扭矩的調(diào)控，都基于整車控制器對整車狀態(tài)的實時判斷，特別是在扭矩的調(diào)控上，驅(qū)動電機的當前轉(zhuǎn)速、扭矩等信號，作為PID控制算法和預(yù)控扭矩的核心前饋端，其信號發(fā)送的準確性與快速性直接影響車輛在坡道上的溜坡距離的控制。另外，車輛的自身質(zhì)量大小與坡道坡度也是影響溜坡距離的重要因素，對此專門針對該方案在同一款車型上做了測試驗證，驗證結(jié)果如下：

①坡道坡度10%，車重1515kg（乘客重量與車量重量總和），防溜坡功能激活下平均溜坡距離7cm，此條件下模擬無防溜坡功能，僅通過駕駛員控制制動踏板和油門踏板起步，車輛平均溜坡距離18cm。

②坡道坡度20%，車重1515kg（乘客重量與車車輛重量總和），防溜坡功能激活下平均溜坡距離18cm，此條件下模擬無防溜坡功能，僅通過駕駛員控制制動踏板和油門踏板起步，車輛平均溜坡距離35cm。

以上測試基于整車控制器與電驅(qū)系統(tǒng)通過CAN通訊協(xié)議交互的基礎(chǔ)上，由于CAN通訊協(xié)議存在10-200ms的交互延時，如果能采取一定的措施有效減少該延時，則該防溜坡方案的效果會有顯著提升。另外，車輛的自身質(zhì)量大小也會影響防溜坡效果，理論上車子越輕，防溜坡效果越好。

目前該防溜坡方案已在兩款車型上得到驗證并使用，由于該方案的控制基于電機狀態(tài)前饋，相較于后饋控制，扭矩的控制更為快速高效，車輛的坡道溜坡距離可以大幅降低，防溜坡效果顯著提升，其可以在一定的坡度上，有效代替駕駛員的坡道起步。

3 結(jié)語

現(xiàn)有的防溜坡功能基本都依賴專門的硬件配套設(shè)備來實現(xiàn)，本文在研究了純電動汽車扭矩控制的原理后，對比了現(xiàn)有防溜坡技術(shù)方案，在不增加車輛硬件前提下設(shè)計了一套防溜坡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由整車控制器來判斷功能的激活，并通過電驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化來調(diào)控扭矩，電驅(qū)系統(tǒng)執(zhí)行整車控制器的扭矩命令，整車控制器與電驅(qū)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)車輛的防溜坡功能。

本文提出該防溜坡系統(tǒng)及控制策略主要意在，為廣大電動汽車開發(fā)者提供一些電動汽車防溜坡功能設(shè)計的思路，特別是在一些不具備高成本的硬件設(shè)備的中低端車型上，也能通過一定的軟件控制算法來實現(xiàn)某種程度上的防溜坡功能。

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