基于EHB 的坡道起步輔助策略開發?

檀 旋 黃 波 于 洋 舒 強

（1.上海工程技術大學 上海 201620）（2.上海同馭汽車科技有限公司 上海 201806）

1 引言

隨著汽車工業的發展［1］，傳統燃油車對環境的污染越來越嚴重［2］。因此電動車成為當前汽車產業研發的重點［3］。與傳統燃油車相同的是：電動車也面臨坡道起步這一復雜工況。若駕駛員操作不當，極易造成車輛后溜，引發安全事故；或沖擊度大，車輛前沖，駕駛舒適性差等問題。如何解決電動汽車坡道起步所面臨的問題成為了研究人員的關注點。對于傳統燃油車，劉海鷗等［4］針對AMT重型越野車輛大坡道起步過程中離合器摩擦片磨損嚴重的問題，提出了坡道起步改進控制策略。龔志輝等［5］提出一種基于ABS 裝置的汽車輔助起步控制方法。D Delvecchio 等［6］基于裝有EPB 系統的手動變速車輛做了一些坡道起步輔助技術研究。對于電動車，莫旭輝等［7］通過對電機的轉速控制，將控制重點放在車輛起步扭矩補償上，采用了增量PI算法達到車輛平穩起步且對坡道情況有良好的魯棒性效果。胡建軍等［8］提出了純電動車起步控制策略，將起步分為無油門和有油門兩種模式，制定了相關控制策略，實現了車輛起步時的平順性及安全性。王洪亮等［9］基于EPB 進行坡道起步輔助系統設計，車輛起步時的沖擊度與離合器滑磨得到有效改善。

電子液壓制動（Electronic Hydraulic Braking，EHB）系統［10～12］作為一種新型制動系統，可進行協調式的電液制動力分配。在車輛坡道起步時更加合理的分配各車輪制動力，響應更加迅速，使車輛坡道起步時更加平穩。

2 簡述EHB系統

本文所討論的EHB系統［13］如圖1所示。

圖1 EHB結構簡圖

此系統包括制動踏板、踏板位移傳感器、踏板模擬器、電機、減速傳動機構、制動主缸、液壓力傳感器、ECU 等。EHB 在正常線控制動時，EHB 根據內置位移傳感器獲得位移信號傳輸給ECU，ECU根據位移傳感器測得的位移計算出所需制動液壓力，并發出建壓指令。此時電機響應ECU 的建壓指令，通過減速傳動機構推動主缸活塞運動，完成液壓力建立。

目前，在電動車領域內，越來越多的車企將發展方向轉向自動駕駛領域［14］。而EHB 作為新型線控制動系統，完全符合各車企發展的要求，具有很大的應用前景。

3 車輛坡道起步分析與控制策略

3.1 車輛動力學模型分析

車輛坡道起步動力學模型［15］，如圖2所示。

圖2 車輛在坡道受力分析圖

由圖2 可知，車輛在坡道起步時受力有驅動力Ft，滾動阻力Ff，空氣阻力Fw，坡道阻力Fi，加速阻力Fj，制動力Fb。

即：

式中Tm為電機驅動轉矩，i0為主減速器傳動比，η為傳動系機械效率，r 為車輪半徑，G 為作用在汽車上的重力，f 為滾動阻力系數，CD為空氣助力系數，A 為迎風面積，ν 為汽車行駛速度，γ 為坡道角度，δ 為汽車旋轉質量換算系數，為行駛加速度，m 為車重，Tumax為最大制動力器力矩，β 為制動踏板開度。

車輛剛起步時，我們可以認為此時的加速阻力為零，同時可以忽略空氣阻力的影響。所以此時車輛受力有驅動力Ft、滾動阻力Ff、坡道阻力Fi以及制動力Fb。

3.2 車輛坡道起步過程分析

車輛坡道起步過程如圖3所示。

圖3 坡道起步受力過程示意圖

0～P1段：車輛在坡道靜止且未啟動時，此時電機輸出轉矩為零，EHB根據坡度傳感器檢測到的坡度提供制動液壓力，防止車輛后溜，即：

P1～P2段：當駕駛員開腳踩加速踏板，電機輸出轉矩開始增大，制動液壓力隨電機輸出轉矩增大開始減小，但此時電機輸出轉矩不夠大，不能完全克服坡道阻力矩，所以電機輸出轉矩和制動液壓力總和仍然要大于坡道阻力矩，即

P2點：在此時刻，電機輸出轉矩等于坡道阻力矩；即：

但此時制動液壓力沒有完全消失，若完全無制動液壓力可能會導致在這一臨界條件下，車輛發生后溜。

P2～P3段：駕駛員繼續腳踩加速踏板，電機輸出轉矩繼續增大。當電機轉矩足夠大時，即：

此時，電機輸出轉矩足夠克服坡道阻力矩，EHB逐漸徹底釋放，車輛平穩起步，即：

3.3 車輛坡道起步控制策略

由上述分析可知，車輛能在坡道平穩起步的關鍵在于電機轉矩輸出和電子液壓制動（Electronic Hydraulic Braking，EHB）系統釋放制動液壓力是否能夠精確配合。電子液壓制動（Electronic Hydrau?lic Braking，EHB）系統在車輛坡道起步時能很好地補償電機輸出轉矩，才能達到車輛在坡道平穩起步的效果。

裝有EHB 系統的車輛來說，車輛坡道起步時EHB 將判斷電機輸出轉矩，并結合坡道情況，無需駕駛員操作電子液壓制動系統的情況下，完成車輛起步。車輛在坡道靜止時，總體受力為

控制策略及算法框圖如圖4所示。

圖4 EHB坡道起步控制策略算法圖

階段一：EHB 根據角度傳感器獲得信息，判斷當前車輛是否處于坡道。若處于坡道，EHB將計算所需制動液壓力p 大小，防止車輛后溜；否則判斷處于平地，車輛可正常起步。

階段二：駕駛員在坡道起步，踩下加速踏板，電機開始輸出轉矩Ft，EHB 跟隨電機轉矩輸出減小p，此時判斷電機輸出轉矩是否大于坡道阻力矩；若大于，EHB 逐漸減小制動液壓力至零，車輛平穩起步。

階段三：若階段二的電機輸出轉矩不大于坡道阻力矩，說明此時驅動力矩還不足以使車輛起步，EHB 需要提供制動液壓力防止溜坡。此時判斷電機輸出轉矩與制動液壓力之和是否大于坡道阻力矩，若不大于，說明EHB 釋放制動液壓力過快，可能導致車輛溜坡。此情況需要改變制動液壓力釋放速度，使電機轉矩和制動液壓力大于坡道阻力。若大于坡道阻力矩，駕駛員繼續腳踩加速踏板，EHB減小制動液壓力，直到電機輸出轉矩大于坡道阻力矩時，EHB 將同時控制制動液壓力減為零，車輛在坡道平穩起步。

4 控制策略模型搭建

4.1 車輛坡道起步控制策略模型搭建

在Simulink/stateflow中將車輛坡道起步過程的控制策略用幾個狀態機之間的轉換表示出來；

Step1：處于初始狀態，EHB沒有工作。

Step2：當條件next_1=true 時，狀態將從Step1向Step2遷移。此時判斷是否處于坡道。

Step3：當條件next_2=true 時，狀態將從Step2向Step3 遷移。此時根據Step2 中測得的角度計算此時坡道阻力，根據坡道阻力獲得EHB 所需提供的制動力。此時EHB進入工作狀態。

Step4：當條件next_3=true 時，狀態將從Step3向Step4 遷移。當開始踩下加速踏板時，EHB 提供的制動力Fb=Fang-Ftq。當驅動力大于坡道阻力與車速大于零時，EHB提供制動力為零。

圖5 車輛坡道起步時EHB各狀態模型搭建

4.2 坡道起步模型

整個模型包括車輛動力學模型、坡道起步控制策略模型、以及液壓控制模型。模型如圖6所示。

5 仿真結果及分析

具體仿真車輛參數如表1所示。

表1 仿真車輛幾何參數表

通過擬合得到踏板開度與電機轉矩的曲線。如圖7所示。

圖7 踏板開度與電機轉矩曲線

以坡度角5°和電機轉矩為輸出，得到制動力、制動液壓力、速度及沖擊度的仿真結果圖。如圖8所示。

由圖8（a）、（b）分析可知，在無電機轉矩輸出時，EHB 提供較大制動液壓力來抵消坡道阻力，防止車輛后溜。隨著駕駛員踩下加速踏板，EHB根據電機轉矩輸出調節制動液壓力，逐漸減小制動液壓力。

由圖8（c）分析可知，車速沒有出現負值。說明在此控制策略下，車輛在坡道起步時沒有發生溜車。

由圖8（d）分析可知，在此控制策略下，車輛在坡道起步時的沖擊度控制在-0.1m/s3～0.1m/s3，此沖擊度較小，符合駕駛員在坡道起步情況下對平順性的要求。

圖8 坡道起步仿真結果

6 結語

通過對車輛坡道起步動力學分析，提出了基于EHB的坡道起步輔助策略開發。利用Matlab/Simu?link 軟件，搭建了坡道起步輔助模型與EHB 模型。通過模型仿真，對仿真結果進行分析。通過分析仿真結果可知該控制策略有效可行，可防溜坡且沖擊度小，駕駛平順性良好。