一種純電動汽車坡道輔助起步系統研究

朱德祥，孟 釗，韓記新

（海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450016）

環境惡化及資源短缺的壓力推動了中國純電動轎車市場的發展速度，經過近幾年的市場發展，價格低、舒適度高、智能化程度高的純電動轎車成為消費者購買的主力軍。目前，純電動汽車都是在全國各地區同步銷售，某些地區的道路陡峭，遇到堵車及紅綠燈等情況時，車輛會因為重力而溜坡，嚴重影響行駛安全及用戶體驗。中、高配置的車輛都配置了HHC （即坡道駐車系統，Hill Hold Control），來實現坡道輔助起步功能。出于成本考慮，低配置的車輛基本沒有此系統，而是通過純電動轎車的驅動電機具有靜止狀態下輸出扭矩的特性來實現此功能。驅動電機長時間處于大電流的話會影響電機壽命，防溜坡扭矩值的難以確定會導致車輛后溜控制不穩定，如何合理地設定防溜坡扭矩值及人性化地建立其控制邏輯是目前需要解決的問題［1］。

1 坡道輔助起步系統

1.1 坡道輔助起步系統技術方案

純電動汽車領域關于坡道輔助起步系統的技術方案主要有以下幾種。

1）方案1：在電動汽車運行的過程中，獲取電動汽車的擋位信息和電機轉速信息；基于該擋位信息和電機轉速信息，判斷電動汽車是否處于溜坡狀態。當該電機處于溜坡狀態時，增大電動汽車的電機扭矩，以進行坡道輔助控制，直至電動汽車退出溜坡狀態為止。

2）方案2：該控制方法采集電機的轉速信號、整車的擋位信號以及駐車使能信號。當滿足進入駐車模式的條件時，設置牽引電機為0轉速工況，使電機工作在堵轉狀態；當不滿足駐車模式的條件時，設置牽引電機退出0轉速工況，響應整車給出的力矩指令。

3）方案3：通過駕駛員請求坡道輔助功能，同時采集整車傾角、當前車速、目標車速、擋位、駐車、油門、制動、電機等信息判斷上坡起步狀態或上坡行駛狀態。確定當前狀態后調整起步蠕行扭矩和上坡扭矩，在坡道起步無駐車的情況下，松開制動踏板到加油門的時間內，至少維持車輛平衡，防止車輛在坡道溜車。

4）方案4：驅動電機控制器采集驅動電機轉速數據、制動踏板狀態、擋位狀態及變速器擋位狀態。若制動踏板抬起，擋位處于非空擋，變速器處于非空擋且驅動電機的轉速范圍不在預設的轉速區間內時，驅動電機控制器進入坡道輔助停車功能模式，并施加駐車扭矩。當滿足退出坡道輔助停車功能的條件時，驅動電機控制器退出此模式并正常響應整車指令。

1.2 現有技術方案分析

通過上述方案分析采用驅動電機系統實現坡道輔助起步功能的技術方案實際上分為兩種，方案1是配置坡道傳感器的方案，為了節約成本，目前國內驅動電機控制器很少會自身配置或主機廠配置，所以基本上采用的是方案2。方案2是驅動電機控制器判斷滿足進入坡道輔助起步功能時，維持轉速為0，動態輸出扭矩，使車輛維持平衡。但因為防溜坡扭矩值的不確定，驅動電機系統的初次輸出扭矩值會比較大，隨后慢慢調節，若大電流持續時間較長，電機系統溫升過快，會影響電機壽命；若調節速度過快，會導致車輛后溜距離加大或產生明顯抖動，影響駕駛舒適性。

本文針對純電動車輛，為提高駕駛舒適性及保護驅動電機系統，建立人性化的坡道輔助起步控制策略。基于運行過程中車輛的受力分析，建立防溜坡扭矩值預測機制，可快速判斷防溜坡扭矩值，減少車輛后溜距離及抖動，節約能耗。

2 方案設計

2.1 坡道輔助起步系統流程

基于整車運動方程建立了防溜坡扭矩值預測系統，可計算出驅動電機系統進入坡道輔助起步功能后第一時間的輸出扭矩值，然后根據零轉速模式下的扭矩控制系統調節，可進一步確定能夠使車輛在坡道上靜止所需的防溜坡扭矩值，提高控制效果及精度，減少大電流的工作時間，保護電機及節約能耗，其流程如圖1所示。

圖1 坡道輔助起步系統流程圖

2.2 防溜坡扭矩值預測系統的建立

車輛在爬坡過程中的運動方程如公式（1）所示：

式中：ig、i0、ηT、r、m、g、f、ρ、CD、A、u、δ、t等都為已知參數，故運動方程可轉化為下述方程式（2）：

式中：Tm——驅動電機當前輸出扭矩值，Nm；A、B——根據參數計算出的值；F——車輛坡道力。

當坡度角比較小的時候，cos（a）值比較大，此時車輛坡道力比較小，而坡道阻力值最大不超過mgf，出于余量考慮，可將兩值之和表示為使車輛維持在當前坡道需要提供的力矩，并反推出防溜坡扭矩預測值，如公式（3）、公式（4）所示。

防溜坡扭矩預測系統不僅涉及MCU的CAN通信模塊、數據計算單元，還應具備數據存儲功能，使其重新上下電后，防溜坡扭矩預測系統同樣有效。

2.3 驅動電機控制器與整車的信號交互

驅動電機控制器與VCU進行信號交互，若滿足進入坡道輔助起步條件，則進入坡道輔助起步功能。

2.4 坡道輔助起步功能實現

進入坡道輔助起步功能后，驅動電機系統可第一時間響應防溜坡扭矩預測值，然后根據轉速變化趨勢來對扭矩值進行調節，可建立一個PI控制系統對其速度偏差進行調節。現在驅動電機控制器具備數據處理速度快、數據計算量大等特點，若參數標定得好，可在人體感受不到的情況下調節出防溜坡扭矩值，維持車輛在坡道上的靜止。具備坡道輔助起步功能的驅動電機系統功能實現框架如圖2所示。

圖2 功能實現框圖

若驅動電機系統長期運行在大電流的工況下，繞組溫度會持續上升，上升到一定溫度值時，按照相應的過溫處理策略進行降功率及通知整車水路按照水路策略工作；若滿足圖1中任何一條退出條件，則驅動電機系統退出坡道輔助起步功能。響應VCU發送的目標扭矩時，應線性調節輸出扭矩，避免車輛出現不平順情況。

3 結束語

本文從現有坡道輔助起步系統技術方案出發，提出一種驅動電機系統防溜坡扭矩預測值建立方法，根據整車信息實時計算防溜坡扭矩預測值，并對其進行數據存儲。進入坡道輔助起步功能后，可第一時間響應誤差較小的防溜坡扭矩預測值，進而減少電機大電流的工作時間，提高PI控制器調節速度，使系統更穩定，從而提升車輛穩定性和平順性。