純電動汽車駕駛平順性研究

高力，楊依楠

（1.華晨汽車工程研究院新能源工程處，遼寧 沈陽 110411；2.華晨汽車工程研究院電控工程處，遼寧 沈陽 110411）

前言

傳統車輛由于傳動系統扭振會引起車輛在前后方向上的振動，這種現象在電動車上更明顯。由于純電動車輛使用的是電機，較之發動機在低速下轉矩更大，所以振動會更加明顯，而且電機響應速度比發動機快，當駕駛員猛踩加速踏板時，由于扭振的作用給駕駛員駕駛性方面的體驗會更差[1]。針對上述問題，本文提供一種在不犧牲動力響應能力的基礎上，改善車輛駕駛平順性的控制方法。

1 車輛動態的分類

車輛駕駛平順性主要關注車輛在 X軸方向加速度的變化，所有純電動車輛在X方向的動作大致可以分為如下幾個方面：換擋、電爬行、起步、加速、減速、定車速，這些項中換擋的權重最大[2]，也是用戶對車抱怨最多的地方。這些項又可繼續拆分很多子項，例如可以將加速分為緩慢加速、緊急加速、倒檔加速等。把其中的一個子項繼續細化，可得到一些關系到駕駛感受的指標，如加速延遲、加速度線性度、沖擊、高頻震蕩等。

2 駕駛員動作的分類

駕駛員操作汽車，在直線行駛時掛在D擋，駕駛員如果不踩制動踏板，只踩加速踏板，駕駛員操作行為大致分為三種。

2.1 kickdown

在極短的時間將加速踏板踩下去，加速踏板開度 0%到100%耗時不到1 s的時間，加速踏板變化率超過100%/s，我們稱為tip-in，踩下去造成直接降檔，我們稱為kickdown。

2.2 rising pedal

在較短的時間將加速踏板踩下去，加速踏板從 0%踩到100%耗時1 s到2.5 s之間，加速踏板變化率介于40%/s～100%/s之間，稱為rising pedal。

在較長的時間將加速踏板踩下去，加速踏板從 0%踩到100%耗時3 s到6 s之間，加速踏板變化率小于33%/s，也稱為rising pedal[3]。

3 駕駛平順性評價方法

汽車駕駛平順性的評價方法，通常是根據人體對振動的生理反應及保持貨物完整性的影響來定制的，并用振動的物理量，如頻率、振幅、加速度、加速、變化率等作為行駛平順性的評價指標。目前常用汽車車身振動的固有頻率和振動加速度評價汽車的行駛平順性。為了保持汽車具有良好的行駛平順性，車身振動的固有頻率應為人體所習慣的步行時，身體上、下運動的頻率[4]。它約為1 Hz～1.6 Hz，振動加速度極限值為0.2 g～0.3 g。

4 駕駛平順性總體方案

首先獲取車輛電動機的當前扭矩和需求扭矩，根據這兩個扭矩判斷是否觸發預設的平滑過渡條件，當判斷結果為是時，根據預設傳動系統平滑過渡扭矩目標值，控制電動機的扭矩從當前扭矩以漸近線式變化規律變化。其中，所述預設傳動系統平滑過渡扭矩目標值為車輛抖動產生扭矩臨界值。

4.1 觸發條件

觸發平滑過渡條件包括：電動機當前扭矩小于所述結合點預設值，或電動機當前扭矩與需求扭矩方向相反。

4.2 信號采集

獲取車輛電動機的當前扭矩和需求扭矩的步驟包括：獲取車輛電動機的當前扭矩、當前駕駛模式、車速和加速踏板開度，然后根據當前駕駛模式、車速和加速踏板開度計算出需求扭矩，從而獲取車輛電動機的當前扭矩和需求扭矩。

4.3 駕駛平順性詳細控制策略

當傳動系統達到KissPoint（結合點）時，控制電動機扭矩從KissPoint過渡到需求扭矩，然后輸出需求扭矩。使傳動系統實現“傳動間隙-剛性鏈接”的平滑過渡。比如當電動機扭矩換相時，首先控制電動機輸出小扭矩實現傳動系統的平滑過渡，保證車輛的駕駛平順性，當傳動系統完成平滑過渡后，輸出駕駛員需求扭矩，保證車輛的動力響應能力，在不犧牲動力響應能力的前提下，大幅提升駕駛平順性[5]。

踏板開度大小表明了駕駛員對扭矩的請求多少，VCU（Vehicle Control Unit，整車控制單元）中有專門的軟件可以將當前駕駛模式、車速和加速踏板開度轉化成駕駛員需求扭矩，基本的規律是隨著踏板開度增加，請求扭矩增加，扭矩大小直接反映了駕駛員對動力的需求。

傳動系統平滑過渡扭矩目標值為車輛抖動產生扭矩臨界值，根據電動機當前扭矩T與駕駛員需求扭矩TTarget的變化識別駕駛員需求，判斷是否觸發平滑過渡條件，實現平滑過渡。當駕駛員需求滿足觸發平滑過渡條件時，將駕駛員TTarget拆分為傳動系統平滑過渡扭矩 TShift和驅動輸出扭矩TDrive兩部分。其中，TShift使傳動系統間隙以最快速度消除同時不產生剛性沖擊， TShift包含從電動機的當前扭矩以漸近線變化規律變化的扭矩目標值集合，它的最大值為車輛抖動產生扭矩臨界值，TDrive包含電動機的扭矩達到平滑過渡后從達到平滑過渡的扭矩變化到需求扭矩的目標值集合，TDrive目標值在數值上等于TTarget，這個拆分是為了拆分扭矩執行的階段控制。假如電動機當前扭矩 T為-80 N，TTarget為110 N，將TTarget拆分成傳統系統平滑過渡扭矩目標值2 N，即車輛抖動產生扭矩臨界值為2 N，驅動輸出扭矩目標值即需求扭矩110 N。

TShift的大小和變化規律對傳動系統的結合效果即傳動的平順性起關鍵作用， TShift的最大值為車輛抖動產生扭矩臨界值，然后以該值作為目標值通過變化率限制產生“先快后慢”的漸近線式變化規律，實現傳動系統的平滑過渡[6]。扭矩差值為車輛電動機的當前扭矩和預設傳動系統平滑過渡扭矩目標值的差值；通過一階低通濾波器對目標值的趨近特性實行漸近線式變化，如圖1所示，電動機當前扭矩與預設傳動系統平滑過渡扭矩目標值偏差越大，變化率越大，電動機當前扭矩與預設傳動系統平滑過渡扭矩目標值偏差越小，變化率越小。以2 N為目標值控制電動機扭矩從-80 N以漸近線式變化規律變化，實時更新電動機扭矩。

圖1 扭矩差值隨時間變化圖

平滑過渡過程耗時僅為毫秒級別，在不犧牲動力響應能力的前提下大幅提高駕駛平順性，有效地解決了車輛動力響應能力與駕駛平順性的矛盾。駕駛平順性不再是車輛動力響應標定的瓶頸，此外還能有效減少傳動系統磨損，延長使用壽命。

5 結論

采用平滑過渡控制策略在不改變純電動汽車傳動系統硬件的情況下，通過軟件控制，把駕駛員的需求扭矩與車輛的傳動特性完美地結合，使得即使駕駛員在極短的時間內將加速踏板踩下，傳動系統仍然能夠平滑過渡，保證了車輛的駕駛平順性，真正讓“人-車”成為一體，一個好的駕駛平順性的車輛不僅讓用戶抱怨減少，讓車輛變得更有價值。