純電動客車坡道起步輔助電機扭矩控制算法研究

徐小兵， 魯振輝， 竇本崗， 范鵬飛， 王立新

(1.中科衛藍新能源汽車科技(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)

駕駛純電動車輛時，通常坡道起步的方法是在車輛靜止且手剎拉起的情況下，松開制動踏板，踩加速踏板至預估車輛驅動力與當前坡道阻力大致相等時，快速釋放手剎。操作的關鍵是加速踏板踩的深度。如果踩下過深，則可能由于電機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，則電機輸出扭矩不足以與坡道下滑力達到平衡而導致溜坡。如果配置坡道起步輔助系統，則可簡化上述操作過程[1]，并提升車輛安全性[2]，但車輛成本會增加。由于純電動客車的驅動電機可實現在低轉速甚至堵轉條件下輸出電機峰值扭矩，且能夠實現高精度、快速響應[3]。如能通過控制電機輸出扭矩的方式實現車輛驅動力和坡道下滑力平衡，則能以更低的成本實現坡道起步輔助這一功能，而無需配置專業的坡道起步輔助系統[4]。本文即介紹這一功能實現的具體方案。

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汽車坡道起步操作過程中控制電機輸出驅動力抑制車輛后溜趨勢[5]，實現車輛在坡道上平穩起步的電機扭矩控制算法[6]。其基本原理：在判斷車輛出現后溜趨勢時，先根據反饋的車輛縱向加速度計算坡道角度，并估算使車輛能夠在該坡道實現受力平衡的電機輸出初始目標扭矩，控制電機輸出該初始目標扭矩以減緩車輛后溜趨勢，再利用PI閉環控制算法，快速調節電機輸出扭矩，使車輛迅速達到靜止狀態，實現平穩起步。具體控制原理如圖1所示。

圖1 控制原理示意圖

1.2 初始目標扭矩估算

當車輛直線行駛時，在靜止或勻速行駛條件下，其縱向動力學模型為

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(1)

式(1)中，Ft、Ff、Fw、Fj、Fi分別為驅動力、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下，車速很小，所以空氣阻力和加速阻力可以忽略不計[7]，故在坡道起步過程中實現車輛受力平衡的電機初始目標扭矩值為

Tq=(Mg·r/i)·(sinθ-cosθ·f)

(2)

式中：g為加速度；θ為坡道角度；i為傳動系減速比;M為車輛質量；r為輪胎靜力半徑；f為道路相對摩擦系數，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到式(1)所示的受力平衡狀態是控制的關鍵。因此，坡道起步輔助系統必須預先快速識別出相對準確的坡道阻力。根據式(2)可知，對坡道阻力的估算主要是取決于車輛質量和坡道角度。

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

本文所述控制算法將車輛空載質量用于電機目標扭矩的估算，使估算出的電機目標扭矩略小于實際數值，以避免由于扭矩估算誤差引起車輛的非預期前向移動。由此產生的對坡道阻力估算的誤差需要設置補償算法對電機輸出扭矩進行動態調節，詳細論述見1.3節。

1.3 電機扭矩輸出閉環控制調節

控制調節邏輯如圖2所示，將目標轉速(0 r/min)與電機實時轉速的差值作為PI調節器的輸入[8]，以消除轉速差為目標對電機輸出扭矩進行閉環控制，最終使得電機輸出扭矩=初始目標扭矩+調節扭矩。

圖2 電機輸出扭矩PI控制調節原理

此種控制調節方法需要考慮電機在堵轉工作狀態下的溫度情況。由于溫度和電流的限制，電機系統無法長時間工作于堵轉工況，所以需要根據具體的電機性能參數設置控制調節算法所能應用的最長時間。參考傳統汽車基于制動保壓的上坡輔助策略，一般上坡輔助過程持續不超過5 s，普通電機都可支持這樣短時間的堵轉工作。在閉環調節過程中，還需要根據電機的外特性能力對系統計算數值進行約束，防止出現積分溢出的現象，避免系統響應時間的延長。

本閉環控制的關鍵在于在最短時間內，穩定地達到車輛受力的平衡狀態，既要求轉速快速收斂，又要求系統超調小，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。在整個調節過程中，還應將由超調引起的車輛抖動盡量減小到車輛乘員可以接受的程度。

2 仿真驗證

使用MATLAB/Simulink軟件根據式(2)對坡道起步輔助電機扭矩控制算法進行建模。該模型可以模擬車輛控制系統解析駕駛操作，判斷溜坡狀態，并在車輛溜坡時按照本文所述的算法控制驅動電機輸出動力以輔助坡道起步操作的過程。模型的輸入信號包括：油門踏板開度、制動踏板開度、擋位、車速、電機轉速、電機溫度和坡道角度；模型的輸出信號為驅動電機目標扭矩。

同樣在MATLAB/Simulink軟件平臺下，根據式(1)搭建整車縱向動力學模型。該模型計算車輛所受合力和縱向加速度，并對加速度進行積分計算得到仿真過程中的實時車速和電機轉速。模型的輸入信號為坡道角度、驅動電機目標扭矩和制動踏板開度；模型的輸出信號為車速和電機轉速。在仿真測試前需在該模型中配置車重、道路摩擦系數、輪胎半徑、減速比和坡道角度等參數[9]。當電機正轉即轉速為正時，表示車輛向前運動；當電機反轉即轉速為負時，表示車輛后溜。通過對溜坡車速進行積分運算，可得到溜坡距離。

在Simulink仿真環境下，將上述兩個模型進行連接以進行仿真測試，仿真過程：①仿真初始時刻，設置制動踏板開度為最大，使車輛在制動力作用下所受合力為0，模擬車輛靜止于坡道上的狀態；②仿真開始后制動踏板開度開始減小，在1 s時刻使其減小至0，模擬駕駛員松開制動踏板的操作；③當車輛出現后溜趨勢(即電機轉速為負)時，電機驅動扭矩開始增大以抑制車輛后溜趨勢，并控制車輛達到靜止狀態。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行仿真分析。記錄電機扭矩、轉速和車速的變化曲線，并將速度曲線進行積分運算得到車輛溜坡距離。

在10%的坡道、車輛空載的條件下，仿真測試結果如圖4(a)所示。由圖可知，坡道起步過程中電機轉速的波動范圍為-18～10 r/min,對應的車速范圍為0～0.15 km/h，溜坡時間為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，仿真測試結果如圖4(b)所示。由圖可知,坡道起步過程中電機轉速的波動范圍為-40～15 r/min,對應的車速范圍為0～0.35 km/h，溜坡時間為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 結束語

利用電機可在低速或堵轉工況輸出較大驅動扭矩這一特性，無需裝配復雜的專業坡道起步輔助系統(HSA)，僅通過添加車輛動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溜坡現象，以很低的成本實現了這一功能，發揮了純電動汽車的獨特優勢。但本文介紹的算法在實際工程應用中對電機控制精度的要求較高，且試驗驗證和參數標定的工作量較大。就仿真結果而言，車輛在坡道起步階段還是存在輕微的抖動。只能說可實現接近專業坡道起步HSA系統的效果，還需根據駕駛體驗對軟件參數進一步優化。