純電動商用車坡道駐車抖動研究與優化

施佳能， 丘云燕， 劉志翔， 羅可揚

（1.東風柳州汽車有限公司， 廣西 柳州 545005；2.桂林電子科技大學機電工程學院， 廣西 桂林 541004）

引言

化石資源的有限供應、氣候變化和全球變暖促使未來的運輸系統使用更有效和可持續的方法。化石燃料的快速消耗和燃料價格的不斷上漲促使汽車制造商開始采用新型推進技術[1]，如混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）。相比于傳統車輛，純電動汽車在坡道上行駛或者駐車時，為了防止出現車輛的溜坡現象，在不踩下制動踏板和拉動手剎的情況下，電機需要輸出扭矩用于克服整車重力做功[2]。在駐車的同時不僅需要考慮到車輛駕駛的舒適度，而且要考慮到電機在低轉速控制時的退磁現象，減少永磁同步電機的磁損，所以需要對電機控制策略進行優化。

而電動商用車中的電機抖動與乘用車相比較而言更加明顯，對于汽車應用而言，電機的NVH 問題具有極其重要的意義[3]，并需要在設計階段被廣泛考慮。電機的NVH 問題正從控制和設計兩個角度來解決[4-5]。本文主要提出電機抖動和換擋沖擊的測試方法，以駕駛舒適度、電機總線電流、速度加速度波動為綜合評價指標來評價其NVH 性能，從而優化控制參數和策略來對其NVH 性能改善優化。

1 車輛防溜技術方案分析

車輛防溜坡功能最早是應用在傳統燃油車系統中的一項輔助駕駛功能。當駕駛員駕駛車輛在坡道上起步時，腳從剎車踏板移動至油門踏板的時間內，因為制動力中斷車輛會出現后溜[6-8]。為了防止駕駛員從踩制動踏板切換到踩加速踏板的過程中車后溜，汽車設計師們設計防車輛后溜的系統，在駕駛員松掉剎車踏板后還能提供一定的制動力，保證車輛在坡道上保持一定的時間而不溜坡[9]。

1.1 防溜坡功能動力學分析

在汽車行駛的過程中，會有平路和斜坡兩種情況，而斜坡分為上坡和下坡，在防溜坡功能的加持下實現整車能夠在沒有踩下制動的條件下靜止在坡道上。整車在上坡道的受力如圖1 所示。

分析整車在坡道上輪胎所受到的力分別為克服整車重量和路面摩擦力，圖1 中整車重力為G，摩擦力為Ff，駐車功能是在車身靜止的情況下實現的，忽略加速阻力，根據汽車行駛方程式，要實現防溜坡功能需滿足驅動力Ft：

式中：Ff為滾動阻力，Ff=mgfcosα；Fi為坡度阻力，Fi=mg sinα；按照整車道路汽車驅動力與行駛阻力平衡方程：

下坡或平路起步時，電機的轉矩指令的計算方法與上坡起步時相同，因此可按照以上公式計算處理。

1.2 防溜坡原理及設計

1.2.1 功能描述

為實現駐坡功能，當車速與當前給定擋位相反時，則命令電機控制器輸出力矩，該力矩使得電機轉速為零，從而實現車輛自動駐坡功能。

1.2.2 實現原理

防溜坡功能實現包括三個部分：

1）根據輸入輸出信號判斷整車是否滿足防溜坡進入和退出的條件，VCU 控制防溜坡使能則接收VCU指令、MCU 自執行防溜坡則自己判斷；

2）若車輛后溜時滿足進入防溜坡的條件，則切換至速度控制模式，設定目標轉速為零，且轉矩上限為防溜坡轉矩上限；

3）若防溜坡模式下滿足退出條件，則響應VCU的控制模式和轉速/轉矩指令。

防溜坡功能的輸入輸出變量如圖2 所示。

其中各信號說明如下：

1）目標轉矩為VCU 給定轉矩濾波后的絕對值（標幺值）；

2）剎車信號即整車剎車狀態；

3）擋位信號，即整車反饋當前擋位信息；

4）電機實際輸出轉矩；

5）防溜坡轉矩上限；

6）防溜坡靈敏度（單位為mm），為溜車的最大距離；

7）防溜坡保持時間（單位為ms），車輛可以保持靜止的最大時間；

8）目標頻率方向關聯VCU 擋位狀態；

9）當前運行轉速（單位為r/min），其符號正負代表電機運行方向。

2 防溜坡抖動測試

2.1 問題引出

試驗車輛在防溜坡功能實現的過程中出現車身抖動的現象，排除車架結構等機械抖動噪聲問題，從軟件上測試與改進電機策略產生的抖動問題。

2.2 測試設備

試驗采用CANTest 上位機、動力CAN 線采集電機數據和報文，利用電流表、三向振動加速度傳感器等附件完成。依據汽車行業相關標準，制定整車振動問題的常規測試方法，同時選擇合適路段進行相關試驗測試。

2.3 數據記錄與分析軟件

在測量的過程中，利用CAN 線讀取扭矩信號、車速、轉速等信號，利用CANoe 分析軟件進行處理，獲取電機振動圖、扭矩變化曲線、轉速變化曲線等。

2.4 測試方法與數據分析

通過駕駛人員對該車起步抖動和換擋沖擊的問題進行主觀評價，并結合工況得出問題所出現的條件，給定電機額定扭矩輸出，依據油門、剎車踏板開度來制定相關測試方案，結合振動產生機理及現有的試驗設備情況，制定如下測試方法：

1）車輛處于半坡時，從靜止狀態下由司機自由加速到換擋后停車該車電機轉速在2 200～2 400 rpm 范圍內開始出現波動，隨及車輛開始抖動，同時該車的換擋點在2 500 rpm 左右，轉速波動如下圖3 所示。

2）車輛處于半坡時，給定恒定扭矩700 Nm，從靜止狀態下由VCU 給定扭矩加速到換擋后停車，如圖4 所示。

3）車輛處于半坡時，從靜止狀態下由司機自由加速到換擋后停車，電機轉速在1 800 r/min 的時候出現波動，該車的換擋點在2 300 r/min 左右，如下圖5所示。

3 電機抖動優化

3.1 電機抖動測試

電機運行在額定轉速的時候，零力矩開管，信號U2-31（M軸ACR 輸出信號）在0 附近波動即代表電角度準確。

3.2 功能測試與策略改進

3.2.1 防溜坡測試與原因分析

1）采集整車CAN 網絡數據對比，分析出抖動原因，車輛的響應扭矩與請求扭矩基本一致，轉速波動未能消除，通過測試發現電機轉速波動非MCU 控制引起，曲線如圖6 所示。

2）將蠕行功能關閉后測試，車輛防溜坡功能測試正常，數據如圖7 所示。

從駕駛主觀體驗為車輛前后抖動，由防溜坡測試數據分析可以得出由于坡度過小，未能夠進入防溜坡功能，但蠕行力矩無法維持車輛前進，導致防溜坡狀態常處于邏輯判斷和切換過程，如圖8 所示。

由此可得蠕行功能與防溜坡功能存在沖突，雙方必須有邏輯交互方可實現無沖突，VCU 收到防溜坡功能進入信號時則退出蠕行功能。

3.2.2 策略優化改進

在自動擋的車輛中，當車輛由N 擋掛到D 擋時，緩慢松開制動踏板，車輛會向前蠕行，若要求車輛停止在坡道上時，蠕行力矩不足以達到或者超過當前坡道阻力，導致車輛移動，該策略將車輛進入防溜坡功能的條件進行了如下的優化。

圖9 為防溜坡進入判斷示意圖。只有當這些條件同時滿足以后，才能進入防溜坡狀態。其中各個條件說明如下。

1）當前擋位非空擋：當電機轉速大于閾值5 r/min時擋位發生變化，則視為邏輯空擋；物理空擋關聯VCU 擋位。

2）如下三種情況下防溜坡后溜距離清零處理：防溜坡處于結束狀態；防溜坡處于判斷中，且當前電機轉速與擋位同方向；當前擋位為空擋（邏輯空擋或物理空擋）。若不滿足上述條件，則通過對車輪轉速積分來計算車輛后溜的距離，其中車輪轉速由電機轉速、車輪半徑及傳動比計算得到。

3）允許重復進入條件判斷（當前平臺防溜坡做了計數器+3 次邏輯）。踩油門允許重復進入：當前擋位狀態與轉速方向一致，且轉速絕對值大于閾值50 rpm，則將計數器+3 做清零處理。踩剎車允許再次進入：剎車狀態下（包含手剎），電機轉速小于閾值5 rpm，此處計數器+3 不做清零處理，會疊加之前防溜坡次數。防溜坡超時退出后則不允許重復進入，同步將計數器+3 做清零處理。

3.2.3 防溜坡退出條件判斷及過程處理

進入防溜坡后，會對是否退出駐坡進行判斷:

1）VCU 擋位狀態；

2）剎車信號，防溜坡持續時間超過閾值后才能通過響應踩剎車退出；

3）空擋標志；

4）當前轉矩給定大于防溜坡當前輸出轉矩，二者絕對值相比較；

5）當前怠速模塊處理后的轉矩大于防溜坡當前輸出轉矩；

當滿足防溜坡后，轉矩給定為防溜坡轉矩上限；轉速給定為0。當退出防溜坡后，轉矩恢復到防溜坡模塊的輸入轉矩給定，轉速給定也恢復到給定系統給定頻率，控制模式響應VCU 指令。

通過實車測試得到結果如圖10 所示。

可以看到將防溜坡與蠕行功能之間的策略沖突優化后對汽車駐坡抖動問題有明顯的改善。

4 結論

通過CANoe 軟件中運行程序后測試得到該款汽車坡道駐車的曲線數據圖，防溜坡程序能夠使實際電機的輸出扭矩變化隨著轉速的變化基本上趨于一致，達到與輸出轉矩T 的平衡，從而保證整車能夠平穩的自動停止在一定的坡度斜坡上，實現防溜坡功能，另外，防溜坡程序在處理轉矩疊加控制時，應當防止整車誤進入蠕行模式，這樣可以避免整車驅動電機出現較大轉速波動，進而引起整車持續抖動問題，程序優化后可以控制其輕微抖動現象。文章對解決純電動汽車坡道駐車和抖動問題有重要借鑒意義。