基于發動機轉速和扭矩信號的離合狀態識別研究

劉長運

(萬向錢潮股份有限公司技術中心，浙江杭州 311215)

0 引言

電子駐車制動系統(Electrical Park Brake，EPB)是將行車過程中的臨時性制動和停車后的長時性制動功能整合在一起，并且由電子控制方式實現停車制動的技術。與后制動卡鉗一體化的EPB是由天合公司最早研發成功且量產的，于2001年開始在菲亞特中、高檔轎車Lancia上使用，并很快配備到北美和歐洲許多車型。近年來，EPB已經得到大部分消費者的關注，許多A級車也能選裝EPB。EPB成為整車企業提升產品競爭力的主要配置[1-3]。

坡道起步輔助功能是EPB最重要的舒適性功能之一。當檢測到駕駛員起步意圖后，根據車輛所處路面坡度和整車輪邊驅動扭矩輸出，可以在合適的時機自動釋放駐車制動力，實現平穩起步且不溜車[4-6]。

目前國內手動擋(Manual Transmission，MT)配置車型仍占據較大的市場，特別是各車型的中低配置，其中也有配置EPB的車型。對應這部分車型EPB的自動駛離功能，需要判斷駕駛員離合踏板操作，目前的做法有：(1)采用單獨的離合行程傳感器；(2)采用高低位離合開關；(3)不依賴實際的離合踏板物理信號。其中：單獨的離合行程傳感器成本較高，目前的趨勢是逐步取消；采用高低位離合開關對部分車型也需要增加一定成本，且無法準確識別離合是否結合。本文作者針對無任何離合踏板物理信號的情況，采用發動機輸出參數對離合踏板狀態進行識別，從而在不增加車輛生產成本的前提下，實現MT車型EPB系統可靠的自動駛離功能。

1 離合識別策略

1.1 發動機扭矩輸出

EPB在執行自動駛離功能時，需要獲取發動機工作數據，目前發動機控制系統EMS(Engine Management System)都具備CAN總線功能。在發動機運行時，EMS會在總線上發出如表1所示信號。

對于自動擋車型，非空/P擋位下，踩下加速踏板后，TqEng減去TqEng_Loss的部分，近似等于驅動車輛的輪邊扭矩，直接用于坡道起步邏輯判斷即可。但對于MT車型，則需要額外考慮離合器是否充分結合。原因是在離合器未充分結合時釋放EPB駐車制動力就可能引起車輛溜車，從而發生危險。

表1 EMS發出的CAN總線數據表

1.2 識別方法

非空擋狀態下，當踩下油門后，發動機輸出扭矩是否傳遞到驅動輪上，取決于離合器是否處于結合狀態，而發動機輸出扭矩未傳遞到驅動輪上時，扭矩會引起發動機轉速快速上升到較高值。因此EPB控制軟件可以從表1列出的信號來間接計算離合踏板狀態的。

文中采用的識別策略是直接估算傳遞到輪邊的有效輸出扭矩，并且：

TqWheel>TqWheel_min離合踏板結合

否則離合踏板未結合

(1)

當輪邊輸出扭矩>最小輸出扭矩時，識別為離合踏板結合，其中最小輸出扭矩TqWheel_min根據EPB自動駛離功能平順性要求和輪邊輸出扭矩計算誤差在實車匹配階段定義，文中為5 N·m，而輪邊輸出扭矩TqWheel則是將發動機當前扭矩(燃燒扭矩)除掉各種損失扭矩，計算策略如下：

TqWheel=(TqEng-TqJ_Sys-Tqfriction-TqLoss)i

(2)

式中：i為變速箱和主減速器的減速比；TqJ_Sys為慣性環節損失的扭矩；Tqfriction為摩擦阻力損失的扭矩，其中：

TqJ_Sys=JSys·βEng

(3)

式中：JSys為系統的轉動慣量，包括發動機、飛輪、離合器等系統轉動部件的轉動慣量；βEng為發動機轉速加速度，該值由rEng差分計算而得到，即：

(4)

式中：k為換算系數；ΔT為計算周期；rEng_0為ΔT前的發動機轉速。

摩擦損失的扭矩為Tqfriction，文中考慮滑動摩擦阻力和黏性摩擦阻力，并用下式擬合計算：

Tqfriction=Tq0+kq·rEng

(5)

式中：Tq0、kq為扭矩損失擬合系數。有些車型的發動機EMS，會將Tqfriction也作為扭矩損失的一部分發送到整車CAN總線上，則不需要進行該項扭矩的計算。

式(2)中的TqLoss主要包括泵氣損失扭矩、附件扭矩，而其中附件扭矩又包括空調壓縮機負載、發電機負載、液壓助力負載；TqLoss需要根據不同車型情況進行計算，有的車型發送在CAN總線上的數據TqEng_Loss已經是計算好的扭矩損失，即TqLoss=TqEng_Loss，此時可以直接使用總線上的扭矩損失數據。

2 結果驗證

2.1 實車數據

某車型的實車相應參數數據如表2所示。

表2 某車型實車參數表

2.2 計算和分析結果

圖1為某車型實車所測試離合器踩到底時的發動機輸出數據曲線，圖中自上而下分別對應：psnAccPdl、rEng、TqEng、TqEng_Loss。

圖1 離合器踩到底時的實車發動機輸出曲線

可以看出，加速踏板踩下且扭矩輸出后，rEng信號上升需要等待一定時間，同時考慮通過差分計算βEng引起的延時，需要將加速踏板位置變化后的TqWheel計算延遲一定時間以防止加速踏板位置變化后開始這段時間內計算值偏大。文中延遲時間設置為0.25 s，踩下加速踏板時間內，不更新離合踏板狀態。

在離合未結合時，需要保證EPB不會因為踩加速踏板自動釋放，這種工況下的實車測試數據和計算結果如圖2所示。

圖2 離合器未結合油門持續踩下時的曲線

圖2中，Clutch_Cal為計算得到的離合信號，信號為1時表示離合踩到底，即未結合狀態，Clutch_Real為實際的離合低位開關信號(離合松開但未結合或剛開始結合時觸發該開關)。可以看出，在離合未結合的情況下，油門持續踩下時，計算的Clutch_Cal一直為1，EPB 可以識別出當前駕駛員離合踏板未結合，從而不執行自動釋放功能。說明該方法具備很好的可靠性，能夠保證在離合結合后才執行自動釋放，有效避免了EPB自動釋放功能的誤觸發。

松開離合起步時的操作，考慮緩慢踩油門同時松離合、踩油門后緩慢松開離合、快速踩油門同時松離合幾種常見情況，這些工況下的實車測試數據和計算結果分別如圖3—圖5所示。

測試場景包括：緩慢踩油門同時松離合起步(圖3)、踩油門后緩慢松開離合起步(圖4)、快速踩油門同時松離合起步(圖5)。可以看出，在松開離合到結合點正常踩油釋放時，計算的離合信號可以反映出實際的駕駛員操作情況，EPB 可以識別出當前駕駛員離合踏板已經結合，從而正常執行自動釋放功能。實際車輛起步過程中，為了保證起步過程的平順性，需要控制離合識別的最大時間。從實測數據來看，各種情況下離合識別的時間可以控制在0.3 s內，可以滿足EPB起步自動釋放的性能要求。

圖3 緩慢踩油門同時松離合起步時的曲線

圖4 踩油門后緩慢松開離合起步時的曲線

圖5 快速踩油門同時松離合起步時的曲線

3 結論

采用發動機輸出參數對離合踏板狀態進行識別，可以在不依賴實際的離合踏板物理信號前提下，通過對發動機扭矩輸出的流向分析，獲得用于驅動車輛行駛的部分，進而識別出駕駛員是否松開離合踏板。該實現方法已在多個車型中實施，識別時間及其準確性可以滿足EPB產品的設計需求，在離合未松開時不存在誤釋放現象，在正常起步時可以及時識別并觸發自動釋放。