一種新能源車輛坡道起步扭矩控制方法

李 偉，吳光耀，周升輝，王春生

一種新能源車輛坡道起步扭矩控制方法

李 偉，吳光耀，周升輝，王春生

（比亞迪汽車工業有限公司 產品規劃及汽車新技術研究院，廣東 深圳 518118）

針對目前新能源車輛坡道起步的控制策略效果不佳或者需要增加成本的缺點，文章提到一種新能源車輛坡道起步扭矩控制方法，當整車控制器識別到駕駛員以超過一定的速率釋放制動踏板時，提前施加一定的預緊扭矩，此預緊扭矩為該車輛在此道路坡度和制動深度下不產生溜坡現象的最小扭矩；當制動踏板逐步釋放時，整車控制器根據制動深度進行目標驅動扭矩的計算，當計算目標驅動扭矩大于預緊扭矩時，驅動扭矩按照計算目標驅動扭矩執行，有效確保了車輛不產生溜坡現象的情況下平穩坡道起步。

新能源汽車；坡道起步；扭矩控制；防溜坡；防沖擊

相比傳統燃油汽車動力來自于發動機，新能源汽車在怠速起步時動力源主要來自于電機，電機的輸出扭矩具有相對速度快和控制精度高的特點[1]。滿足車輛坡度起步平穩性能和安全性能要求，對新能源汽車技術的發展具有一定的理論價值和實際工程意義[2]。

在電動汽車怠速起步控制方面，目前已有許多研究。佘建強等電動汽車電動機起步加速控制研究[3]，汪貴平等電動汽車起步加速過程的動力學建模和仿真，分別提出了電機轉矩和功率控制模型，車速與電流雙閉環控制的模型，但文獻未討論控制策略對車輛坡道起步性能所帶來的影響[4]。秦大同等純電動汽車電機與制動器協調起步控制[5]和陳淑江等純電動汽車坡道自適應起步控制策略，分別從電機與制動器協調控制及電機堵轉特性的角度，提出了車輛對坡道自適應起步控制方案，取得了良好的仿真效果，但未進行實車試驗的驗證[6]。崔海峰等基于扭矩傳感器的汽車坡道起步輔助系統[7]，王洪亮等基于電子駐車制動系統（Electrical Park Brake, EPB）的汽車坡道起步自動控制技術，他們的思路是增加不同的坡道起步輔助系統，這種方法有效避免了溜車現象的發生，但是輔助系統成本較高，同樣是有缺點的[8]。

1 坡道起步性能評價指標

車輛的坡道起步不僅要求安全可靠，而且要求舒適平穩，既不產生明顯的溜坡問題也不產生可感知的沖擊現象。因此，為了保證車輛坡道起步的安全性和平穩性，本控制方法的分析采用了起步沖擊度和溜坡距離作為坡道起步的評價指標[9]。

其中，沖擊度是指車輛行駛時的縱向加速度的變化指數。在車聯起步過程中，沖擊度可以影響車輛運行的頓挫感和平穩性。在實際起步階段，沖擊度越大，起步就會越快，車輛的平穩性就會變差，而且會伴隨強烈的頓挫感；而沖擊度越小，起步就會相對緩慢，車輛的起步體驗就會更加舒適，也會更加平穩。

加速度計算公式為

式中，為計算加速度，m/s2；0為當前時刻車速，km/h；?t為?時刻之前車速，km/h；?等于50 ms。

沖擊度計算公式為

式中，為沖擊度，m/s3；0為當前時刻計算加速度，m/s2；?t為?時刻之前的計算加速度，m/s2；?等于50 ms。

溜坡距離是指車輛在坡道上怠速無油門起步時向后溜的距離。在理想的情況下，為了保證駕駛車輛的安全性能和舒適性能，溜坡距離應該為零。

當車輛在坡道上怠速起步過程中，行駛阻力主要來自于坡度阻力和滾動阻力的和。當車輛坡道起步時，由于道路的坡度和道路摩擦系數已經確定，所以行駛阻力也是固定的。在此情況下，可以認為車輛的起步是否平穩是電機驅動扭矩與制動器制動扭矩共同作用的結果。若精確控制電機驅動扭矩與制動扭矩的差值在一定范圍內，就可以保證車輛的平穩起步，減少車輛起步溜車的風險，保證起步的平穩性和舒適性[10]。

2 坡道起步扭矩控制

本文分析的新能源車輛在結構上取消了離合器，因此，在沒有坡道起步輔助設備的情況下其起步的操作一般過程如下：（1）踩下制動踏板，并將變速箱擋位置于驅動擋；（2）右腳迅速由制動踏板轉換到加速踏板，用力踩下一定程度后車輛克服起步阻力完成起步[11-12]。

此文的目是車輛在坡道起步時，通過扭矩控制的方式防止車輛有溜坡的現象產生，并非是在發生溜坡的既定事實后再做的后處理。

如圖1和圖2所示，當車速≤1 km/h，且有制動深度時，認為車輛已處于停止狀態。整車擋位為D擋且車輛所在的道路坡度≥1%，或者整車擋位為R擋且車輛所在的道路坡度≤-1%時，汽車整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）識別整車有坡道爬坡起步的工況。

圖1 坡道起步扭矩控制示意圖

車輛起步時，駕駛員在踩制動踏板完成掛擋動作后，須會松開制動踏板，而整車的驅動扭矩加載有一定延時，如果松開速度過快，就會造成加載的扭矩不足以彌補失去的機械制動力，從而導致車輛的溜坡現象發生。

在駕駛員逐步松開制動踏板起步時，VCU計算制動踏板的釋放速率，釋放速率等于單位時間內的制動踏板開度變化百分比，當連續三個監測周期識別到制動踏板的釋放速率大于閾值，VCU則判定駕駛員的制動踏板釋放速度較快，會在三個周期監測完成后1時刻施加預緊扭矩1。該預緊扭矩1的大小由車重和道路坡度查表確定，為該車輛在該坡道下所不溜坡的最小扭矩。預緊扭矩1由標定獲取，需要涵蓋該車輛在不同坡度下不溜坡的最小扭矩。同樣，由駕駛員松開制動踏板的速率查表確定預緊扭矩1扭矩的加載斜率，該斜率嚴格通過標定獲取，既能抵消松開制動踏板失去的機械制動力，又不至于加載扭矩太快對電機產生沖擊。

圖2 防溜坡坡道起步扭矩控制流程圖

如連續三個周期監測制動踏板釋放速率小于閾值且制動踏板的深度大于%時，VCU判定制動深度較大，產生的液壓制動力足以克服車重不產生溜坡，所以此時VCU不再施加驅動扭矩，以防止驅動扭矩與液壓制動力相互抵消。當連續三個周期監測制動踏板釋放速率小于閾值且制動踏板深度不大于%時，VCU判定駕駛員沒有繼續踩制動踏板的意愿，則不再施加快松制動踏板加載的預緊扭矩1，因為按照正常斜率增加的驅動扭矩足以彌補緩松制動踏板失去的液壓制動力。

如圖1所示，正常坡道加載目標驅動扭矩的計算方法為當制動深度大于%時，正常坡道加載目標驅動扭矩為0；當制動深度不大于%時，目標驅動扭矩的計算為制動深度為%時，目標驅動扭矩為0；制動深度為0%時，目標驅動扭矩為怠速驅動扭矩2，制動深度介于0%和%之間時，等比例計算目標驅動扭矩，此扭矩即為正常加載目標驅動扭矩。

當連續三個周期監測到制動踏板釋放速率小于閾值且制動踏板深度大于%時，VCU判定為駕駛員并沒有釋放制動踏板進行起步的意圖，則預緊扭矩1會迅速進行卸載釋放，以防止電機的堵轉損壞電機。

持續松開制動踏板，當正常目標扭矩計算加載到1之前，整車的驅動扭矩仍然是預緊扭矩1保持不變。當達到1時，則驅動扭矩按照正常目標驅動扭矩線進行加載，車輛則可順利起步。

當駕駛員完全釋放制動踏板，則制動深度為0，在無油門開度信號的情況下整車的驅動扭矩則為怠速扭矩2；有油門信號時按照正常的邏輯計算油門扭矩，車輛順利坡道起步。

3 整車驗證

為驗證坡道起步扭矩控制方法的的效果，以某混動乘用車為驗證對象，其整車的部分技術參數如表1所示。

表1 測試車輛技術參數

為充分驗證車輛的坡道起步性能，分別在坡度為10%～20%的坡道上測試；同時每個坡道上駕駛員又以較快和正常速率釋放制動踏板，記錄整車的沖擊度和溜坡距離，詳細測試數據如圖3—圖6所示。

圖3 10%坡道正常釋放制動踏板

圖4 20%坡道正常釋放制動踏板

圖5 10%坡道較快釋放制動踏板

由結果可以看出，10%坡度路況下測試，正常速率釋放制動踏板下產生的最大沖擊度為6.5 m/s3，行車距離不會產生負的情況，也就是不會產生溜坡的現象；較快速率釋放制動踏板下產生的最大沖擊度為6.7 m/s3，也不會產生溜坡的現象；20%坡度路況下測試，正常速率釋放制動踏板下產生的最大沖擊度為7.6 m/s3，不會產生溜坡的現象；較快速率釋放制動踏板下產生的沖擊度最大為7.9 m/s3，同樣不會產生溜坡的現象。

圖6 20%坡道較快釋放制動踏板

在制定的坡道起步扭矩控制方法下，可以完全解決坡道起步不溜車的問題。而且起步的沖擊度均在8 m/s3之內，小于德國推薦值10 m/s3，遠小于我國的推薦值17.64 m/s3，達到了車輛坡度起步平穩性能和安全性能要求[13]。

4 結論

本文提出了一種新能源車輛坡道起步扭矩控制方法，當駕駛員以超過一定的速率釋放制動踏板時，整車控制器會提前施加一定的預緊扭矩，此預緊扭矩為該車輛在此道路坡度和制動深度下不產生溜坡現象的最小扭矩；當制動踏板將近完全釋放時，整車控制器根據制動深度進行目標驅動扭矩的計算，當計算目標驅動扭矩大于預緊扭矩時，驅動扭矩按照計算目標驅動扭矩執行。通過實車驗證，在不同的坡道上以不同的速率釋放制動踏板均取得了很好的效果，保證了車輛在不溜坡的情況下平順起步。

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A Torque Control Method for Ramp Starting of New Energy Vehicles

LI Wei, WU Guangyao, ZHOU Shenghui, WANG Chunsheng

( Product Planning and New Technology Research Institute, BYD Auto Industry Company Limited, Shenzhen 518118, China )

In view of the shortcomings of the current control strategy of new energy vehicles on ramp starting that has poor effect or needs to increase costs, this paper refers to a torque control method for new energy vehicles on ramp starting. When the vehicle controller recognizes that the driver releases the brake pedal at a rate exceeding a certain rate, it applies a certain pre tightening torque in advance. This pre tightening torque is the minimum torque that the vehicle will not slide on this road slope and braking depth. When the brake pedal is released gradually, the vehicle controller calculates the target driving torque according to the braking depth. When the calculated target driving torque is greater than the pre tightening torque, the driving torque is executed according to the calculated target driving torque, effectively ensuring that the vehicle can start smoothly on the ramp without slope slipping.

New energy vehicles; Ramp start; Torque control; Anti slide slope; Anti impact

U467

A

1671-7988(2022)23-09-05

U467

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1671-7988(2022)23-09-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.002

李偉（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為VCU、ECU等新能源系統研發品質管控，E-mail:2503 43990@qq.com。