混合動力汽車下坡輔助控制方法

韓云武，羅禹貢，李克強

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

據(jù)統(tǒng)計車輛在有坡路段的事故傷亡率及財產(chǎn)損失遠大于平均值［1］，保證車輛下坡過程中的制動效能，提升行駛安全，是國家交通法規(guī)［2］和車輛制動安全研究領(lǐng)域的重點。另外，混合動力汽車(HEV)的制動能量回饋可提高車輛的燃油經(jīng)濟性，其制動過程的研究也一直是HEV研究的重點。

車輛下坡安全領(lǐng)域的研究目前主要集中在與傳統(tǒng)車輛相關(guān)的3個方面:(1)利用發(fā)動機的摩擦、慣性和排氣控制實現(xiàn)發(fā)動機反拖制動［3］;(2)利用電渦流及液體內(nèi)摩擦消耗車輛動能的輔助制動器［4－6］;(3)下大坡過程中車輛控制器通過協(xié)調(diào)發(fā)動機、制動系和ABS系統(tǒng)，使車輛保持穩(wěn)定車速下坡的陡坡緩降功能［7］。前兩者僅限于為系統(tǒng)提供持續(xù)可靠的輔助制動力;后者雖具有輔助駕駛功能，但為防止制動系統(tǒng)的熱失效，其應(yīng)用僅限于車輛低速狀態(tài)。另外，混合動力汽車制動能量回饋的相關(guān)研究多集中在液壓與電機制動力矩的分配與協(xié)調(diào)［8］、下坡過程中能量回收效率［9］的研究。國內(nèi)外尚沒有與HEV下坡路段主動安全相關(guān)的研究。

為提高下坡路段HEV的安全性和經(jīng)濟性，本文中提出一種在下坡過程中，駕駛員完全松開制動踏板和加速踏板的情況下，車輛由控制器控制保持車速不再增加的HEV下坡輔助控制(HEV-DAC)的主動安全控制方法。首先根據(jù)駕駛員的駕駛習(xí)慣、駕駛意圖和行車安全要求制定HEV-DAC的目標，計算需求制動力矩;其次根據(jù)電機、發(fā)動機和液壓系統(tǒng)的制動能力，以保證制動安全和制動能量回收最大化為原則制定制動力矩分配策略;再次為提高車輛的舒適性，制定不同制動系統(tǒng)間力矩動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略;最后建立系統(tǒng)仿真平臺，并基于某山區(qū)公路的坡度數(shù)據(jù)對系統(tǒng)性能進行驗證。

1 HEV制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HEV-DAC系統(tǒng)是基于本課題組HEV系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，其制動系統(tǒng)包括電機制動子系統(tǒng)、發(fā)動機制動子系統(tǒng)和液壓制動子系統(tǒng)，如圖1所示。

其中電機制動系統(tǒng)包括PM電機、電池和控制器。發(fā)動機制動系統(tǒng)包括發(fā)動機和控制器(ECU)，離合器和控制器。液壓制動系統(tǒng)包括電子真空助力制動器(EVB)和液壓制動執(zhí)行機構(gòu)。各子系統(tǒng)獨立工作，子系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過總線傳到上層控制器，上層控制器根據(jù)車輛的運行狀態(tài)和制動子系統(tǒng)的信息，對制動子系統(tǒng)進行制動力分配和子系統(tǒng)間制動力的動態(tài)協(xié)調(diào)。

2 基于分層控制結(jié)構(gòu)的HEV-DAC方法

針對HEV整車控制系統(tǒng)及制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，提出如圖2所示的HEV-DAC分層控制結(jié)構(gòu)。在上層中通過調(diào)研車輛下坡路段的行駛特點，分析駕駛員的駕駛心理，制定出HEV-DAC的控制目標，完成維持車速不再增加所需總制動力矩的計算;中層在保證車輛安全性的前提下，以經(jīng)濟性為目標，根據(jù)車輛各制動子系統(tǒng)的制動能力，設(shè)計6種制動模式，并制定模式切換策略;下層利用非線性多目標協(xié)調(diào)控制的方法，制定總制動力的分配及各制動子系統(tǒng)間的動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。

圖2中Pa為加速踏板開度，Pb為制動踏板開度，Amodel為輔助制動模式，Aon為輔助制動狀態(tài)(1代表坡路輔助控制，0代表駕駛員控制)，vi為當前車速，v0為下坡輔助的目標車速，SBat為電池的狀態(tài)信息，SPM為電機狀態(tài)信息，Seng為發(fā)動機狀態(tài)信息，Thyd_act為實測液壓制動力矩。

2.1 HEV-DAC分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

分層控制系統(tǒng)通過解讀駕駛員意圖，以駕駛員的駕駛習(xí)慣及行車安全為基礎(chǔ)，確定總制動力矩Tsum。以制動系統(tǒng)安全和燃油經(jīng)濟性的提高為依據(jù)，將Tsum分配給電機制動能量回收力矩TPM、發(fā)動機反拖力矩Teng和液壓制動力矩Thyd。為提高車輛的舒適性和保證控制精度，在發(fā)動機反拖制動的接入過程和液壓制動力矩的變化過程中進行力矩的動態(tài)協(xié)調(diào)，并將計算結(jié)果發(fā)給PM電機、發(fā)動機和液壓制動系統(tǒng)等執(zhí)行部件。

2.2 基于調(diào)研分析的HEV-DAC上層控制算法

下坡輔助控制的目的在于:輔助駕駛員控制車輛在下坡路段保持車速不增加，使駕駛員可以專心控制車輛的方向保證車輛的行駛安全。故此HEVDAC要遵循:不干擾駕駛員的操作、符合駕駛員的駕駛習(xí)慣且保證行車安全的原則。

2.2.1 HEV-DAC中的駕駛員駕駛意圖的識別

HEV-DAC的進入退出滿足如下關(guān)系:

其中Δv=vi－v0

即駕駛員對車速不加控制時啟動下坡輔助系統(tǒng);當駕駛員對加速踏板進行控制時直接退出輔助制動;當制動踏板行程不為零后，只有當車速降低后才可退出輔助制動(為防止輔助制動的突然退出引發(fā)車速增加帶來的危險)。

2.2.2 HEV-DAC目標車速的確定

下坡輔助的目標車速在這里定義為下坡輔助系統(tǒng)在車輛下坡滑行過程中所要保持的目標車速。綜合駕駛員的主觀意愿、駕駛習(xí)慣和車輛運行的安全性要求，下坡輔助的目標車速應(yīng)符合如下關(guān)系:

即車輛滑行時，系統(tǒng)選擇車速增加前一時刻的車輛速度作為下坡輔助的控制目標車速。

2.2.3 HEV-DAC總制動力矩的計算

在確定完初速度后，系統(tǒng)將對Δv進行PI控制，求得系統(tǒng)總制動力矩為

式中:f(Δv)為總制動力矩PI控制器的P參數(shù)值;i為總制動力矩PI控制器I參數(shù)值。

2.3 基于安全及經(jīng)濟性的HEV-DAC中層控制算法

HEV-DAC的安全性通過以下兩點保證:(1)提供維持車速不再增加的制動力矩;(2)為避免出現(xiàn)熱衰退，使液壓制動力矩的使用最少。而HEV的經(jīng)濟性則通過制動能量回饋(電機制動)的最大化來實現(xiàn)。為滿足以上要求，在制動力矩分配中采用優(yōu)先電機制動能量回饋，其次發(fā)動機反拖制動，最后使用液壓制動的制動力矩分配原則。結(jié)合制動能量回饋，發(fā)動機反拖制動和液壓制動系統(tǒng)的特性，根據(jù)制動力矩的大小和電池荷電狀態(tài)(SOC)制定了以下6種制動模式:

Amodel1:傳統(tǒng)HEV制動能量回收模式

Amodel2:電機單獨輔助制動模式

Amodel3:電機與發(fā)動機聯(lián)合輔助制動模式

Amodel4:電機、發(fā)動機與液壓系統(tǒng)聯(lián)合輔助制動模式

Amodel5:發(fā)動機單獨輔助制動模式

Amodel6:發(fā)動機與液壓聯(lián)合輔助制動模式

模式之間的轉(zhuǎn)換邏輯如圖3所示。

圖中:S為電池SOC，Sh為電池SOC使用上限值，va為需要增加一種輔助制動方式的Δv閾值，vb為需要減少一種輔助制動方式的Δv閾值，TPM-max為當前電機所能提供的最大制動力矩，TPM-slide為當前S和車速下傳統(tǒng)HEV滑行時電機的制動力矩。

各制動模式中，傳統(tǒng)HEV制動能量回收模式用于模擬車輛發(fā)動機反拖制動力矩，在車輛滑行且車速不增加或Δv＜va的狀態(tài)時使用;發(fā)動機單獨制動模式主要用于S≥Sh且Δv＞va的滑行制動，其次，為避免發(fā)動機參與下坡輔助制動后，因制動力需求的變化可能引起的發(fā)動機制動的頻繁接入與退出，將其用于發(fā)動機接入輔助制動且Δv＜vb后，駕駛員人為干預(yù)車輛退出輔助制動前的下坡輔助保持模式，即一旦發(fā)動機參與輔助制動后，除因駕駛員操作退出下坡輔助模式外，發(fā)動機反拖制動不會退出。其余模式轉(zhuǎn)換邏輯完全遵循制動力矩分配原則。

2.4 基于多目標協(xié)調(diào)的HEV-DAC下層控制算法

在得到上層的總制動力矩和中層的制動模式后，制動力矩將在下層分配到具體的制動系統(tǒng)中。

2.4.1 制動力矩的分配

電機制動力矩具有精確可調(diào)、制動能量可回收和制動力矩可短時2倍過載的優(yōu)點，但也有制動力矩受電池的SOC和車速影響較大，最大制動力矩有限的不足。發(fā)動機反拖制動力矩只與車速有關(guān)，其大小無法控制。液壓制動力矩雖可調(diào)且足夠大，但卻存在調(diào)節(jié)不精確，控制命令執(zhí)行滯后的現(xiàn)象。基于各制動系統(tǒng)特點和制動力分配原則，對Tsum進行分配，如表1所示。

表1 制動力矩分配

2.4.2 制動力矩的動態(tài)協(xié)調(diào)

(1)電機制動/發(fā)動機反拖制動的協(xié)調(diào)控制

當系統(tǒng)工作模式在電機輔助制動與電機加發(fā)動機模式切換時，發(fā)動機運轉(zhuǎn)的動能完全由車身提供，雖離合器可對此過程進行緩沖，但由于發(fā)動接合前后動量變化較大，直接切換所產(chǎn)生的沖擊仍會影響駕駛舒適性和傳動系的壽命，故提出模式切換過程中電機轉(zhuǎn)矩的動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，其計算公式為

式中:pPM_eng為PI控制器的P參數(shù);ωPM為電機轉(zhuǎn)速;為濾波后的電機轉(zhuǎn)速。

(2)電機制動/液壓制動的協(xié)調(diào)控制

根據(jù)制動力矩分配策略，當下坡輔助需求的總制動力矩大于電機和發(fā)動機所能提供的總制動力矩時，液壓制動系統(tǒng)將參與制動。但與電機制動相比，液壓制動的動態(tài)響應(yīng)速度慢，控制精度差。因此在電機與液壓制動系統(tǒng)同時工作時，為提高下坡輔助系統(tǒng)的控制精度，利用電機可短時2倍過載的特性，提出了液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)變化時的電機轉(zhuǎn)矩與液壓制動力矩的動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，其計算公式為

式中:TPM1為直接分配給電機的制動力矩;TPM2為補償液壓制動滯后及精度不足所需的電機制動力矩;f(ΔV')∈(0，1)，為 TPM2預(yù)留制動力矩的系數(shù)。

3 HEV-DAC的仿真驗證

為驗證HEV-DAC的邏輯和性能，采用MATLAB/Simulink仿真方法，搭建車輛模型、發(fā)動機模型、電機模型、制動器模型和控制系統(tǒng)等，并利用某山區(qū)公路的坡度數(shù)據(jù)(見圖4中的點劃線)對車輛使用下坡輔助和常規(guī)行駛(下坡時滑行)進行仿真。

仿真工況的設(shè)定:前70s利用PI控制器使車輛以60km/h為目標從零開始加速;70s后當坡度大于－1%同樣通過PI控制器以60km/h為目標對車輛進行控制，坡度小于－1%時使車輛處于滑行狀態(tài)，在115～120s間由駕駛員踩下制動踏板強行制動一次，145～150s間由駕駛員踩下加速踏板加速一次。

從仿真結(jié)果(見圖4中的實線和虛線)可以看出，有下坡輔助控制與無下坡輔助控制的車輛行駛過程中，在同樣坡度下，車輛在上坡和下坡時坡度較小(滑行車速不增加)的路面上行駛時車速完全相同;但在坡度較大時(滑行時車速增加)，無輔助制動的車輛在滑行時車速會隨坡度的變化而變化，而有下坡輔助控制的車輛可以使車速基本保持穩(wěn)定，從而減輕駕駛員的操作負擔，提高車輛行駛的安全性。下面將從工作模式切換、電機轉(zhuǎn)矩、電池SOC、發(fā)動機和液壓制動5方面進行具體分析。

圖5為車輛的工作模式圖，其中－1為加速踏板下的驅(qū)動模式，0為制動踏板的制動模式，1～6與輔助制動模式1～6相對應(yīng)。結(jié)合圖4可以看出，隨著坡度的變化，輔助制動模式間的切換準確，輔助制動與驅(qū)動間響應(yīng)踏板信號準確，輔助制動與傳統(tǒng)加速/制動間的切換和坡路緩釋(115～117s)均可準確完成，實現(xiàn)了下坡輔助控制策略中模式切換邏輯。

圖6為HEV的電機轉(zhuǎn)矩，圖7為HEV的電池SOC。結(jié)合圖4可以看出，車輛滑行時，普通HEV會利用電機的制動力矩模擬傳統(tǒng)車輛的發(fā)動機反拖制動，雖可以提高車輛的燃油經(jīng)濟性，但因在滑行過程中的發(fā)動機制動力矩不可調(diào)，模擬發(fā)動機反拖力矩的普通HEV滑行時未對車速進行主動控制。而下坡輔助除具有上述功能外，還根據(jù)滑行時駕駛員的主觀駕駛意愿(車速不再增加)和電機轉(zhuǎn)矩精確可調(diào)的特性，對滑行車輛的車速進行控制，不僅保證了車輛在大下坡段車速不大幅升高，提高了車輛運行的安全性，而且從圖7中可以看出，因電機制動功率的增加，制動能量回收率也會得到相應(yīng)增長，從而提高了車輛的燃油經(jīng)濟性。

圖8為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出情況。由于在長大下坡段使用液壓制動系統(tǒng)，不僅會加速液壓制動系統(tǒng)的磨損，而且可能會因液壓系統(tǒng)的長時間大功率使用導(dǎo)致液壓制動系統(tǒng)產(chǎn)生熱衰退，因而在電機制動力矩不能滿足控制車速的制動需求時，啟用發(fā)動機反拖制動力矩，且由于電機轉(zhuǎn)矩的可精確快速調(diào)節(jié)的特性，通過對發(fā)動機反拖制動的進入與退出過程進行電機和發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩動態(tài)協(xié)調(diào)控制。結(jié)合圖4和圖6可以看出，HEV發(fā)動機制動力矩引入及退出對車速的沖擊可以得到有效控制，即動態(tài)協(xié)調(diào)控制使HEV在下長大坡過程中除安全性得到提高外，舒適性也會得到改善。

圖9為液壓制動系統(tǒng)壓力。結(jié)合圖4和圖6可以看出，由于采用了車速不增加為前提的坡路輔助緩釋技術(shù)，強行制動與坡路輔助制動的切換過程中，沒有出現(xiàn)因切換而造成制動力的突然變化，車速保持相對穩(wěn)定。

4 結(jié)論

為提高HEV下坡路段行駛的安全性和經(jīng)濟性，通過對下坡路段駕駛員駕駛習(xí)慣和駕駛意圖的分析，提出下坡路段駕駛員操作的識別方法和反映駕駛意圖的制動力矩計算方法，并制定非線性多目標系統(tǒng)的力矩分配與協(xié)調(diào)控制策略，通過仿真系統(tǒng)驗證，得到如下結(jié)論。

(1)HEV-DAC有效解決了HEV下坡滑行時車速增加的問題，減輕駕駛員的操縱負擔，提高了車輛的行駛安全性。

(2)HEV-DAC使具有能量回收功能的電機制動得到優(yōu)先和最大化的使用，提高了車輛的經(jīng)濟性。

(3)制動力矩的動態(tài)協(xié)調(diào)控制策略有效減緩了發(fā)動機反拖制動力矩引入時對車速的沖擊，提高了乘員的乘坐舒適性。

(4)坡路緩釋策略實現(xiàn)了坡路輔助狀態(tài)到正常行車狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，保證了下坡輔助制動力矩較大的狀態(tài)和驅(qū)動或制動狀態(tài)下的行車安全。

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