一种纯电动汽车坡道辅助起步系统研究

朱德祥，孟 钊，韩记新

（海马汽车有限公司，河南 郑州 450016）

环境恶化及资源短缺的压力推动了中国纯电动轿车市场的发展速度，经过近几年的市场发展，价格低、舒适度高、智能化程度高的纯电动轿车成为消费者购买的主力军。目前，纯电动汽车都是在全国各地区同步销售，某些地区的道路陡峭，遇到堵车及红绿灯等情况时，车辆会因为重力而溜坡，严重影响行驶安全及用户体验。中、高配置的车辆都配置了HHC （即坡道驻车系统，Hill Hold Control），来实现坡道辅助起步功能。出于成本考虑，低配置的车辆基本没有此系统，而是通过纯电动轿车的驱动电机具有静止状态下输出扭矩的特性来实现此功能。驱动电机长时间处于大电流的话会影响电机寿命，防溜坡扭矩值的难以确定会导致车辆后溜控制不稳定，如何合理地设定防溜坡扭矩值及人性化地建立其控制逻辑是目前需要解决的问题［1］。

1 坡道辅助起步系统

1.1 坡道辅助起步系统技术方案

纯电动汽车领域关于坡道辅助起步系统的技术方案主要有以下几种。

1）方案1：在电动汽车运行的过程中，获取电动汽车的挡位信息和电机转速信息；基于该挡位信息和电机转速信息，判断电动汽车是否处于溜坡状态。当该电机处于溜坡状态时，增大电动汽车的电机扭矩，以进行坡道辅助控制，直至电动汽车退出溜坡状态为止。

2）方案2：该控制方法采集电机的转速信号、整车的挡位信号以及驻车使能信号。当满足进入驻车模式的条件时，设置牵引电机为0转速工况，使电机工作在堵转状态；当不满足驻车模式的条件时，设置牵引电机退出0转速工况，响应整车给出的力矩指令。

3）方案3：通过驾驶员请求坡道辅助功能，同时采集整车倾角、当前车速、目标车速、挡位、驻车、油门、制动、电机等信息判断上坡起步状态或上坡行驶状态。确定当前状态后调整起步蠕行扭矩和上坡扭矩，在坡道起步无驻车的情况下，松开制动踏板到加油门的时间内，至少维持车辆平衡，防止车辆在坡道溜车。

4）方案4：驱动电机控制器采集驱动电机转速数据、制动踏板状态、挡位状态及变速器挡位状态。若制动踏板抬起，挡位处于非空挡，变速器处于非空挡且驱动电机的转速范围不在预设的转速区间内时，驱动电机控制器进入坡道辅助停车功能模式，并施加驻车扭矩。当满足退出坡道辅助停车功能的条件时，驱动电机控制器退出此模式并正常响应整车指令。

1.2 现有技术方案分析

通过上述方案分析采用驱动电机系统实现坡道辅助起步功能的技术方案实际上分为两种，方案1是配置坡道传感器的方案，为了节约成本，目前国内驱动电机控制器很少会自身配置或主机厂配置，所以基本上采用的是方案2。方案2是驱动电机控制器判断满足进入坡道辅助起步功能时，维持转速为0，动态输出扭矩，使车辆维持平衡。但因为防溜坡扭矩值的不确定，驱动电机系统的初次输出扭矩值会比较大，随后慢慢调节，若大电流持续时间较长，电机系统温升过快，会影响电机寿命；若调节速度过快，会导致车辆后溜距离加大或产生明显抖动，影响驾驶舒适性。

本文针对纯电动车辆，为提高驾驶舒适性及保护驱动电机系统，建立人性化的坡道辅助起步控制策略。基于运行过程中车辆的受力分析，建立防溜坡扭矩值预测机制，可快速判断防溜坡扭矩值，减少车辆后溜距离及抖动，节约能耗。

2 方案设计

2.1 坡道辅助起步系统流程

基于整车运动方程建立了防溜坡扭矩值预测系统，可计算出驱动电机系统进入坡道辅助起步功能后第一时间的输出扭矩值，然后根据零转速模式下的扭矩控制系统调节，可进一步确定能够使车辆在坡道上静止所需的防溜坡扭矩值，提高控制效果及精度，减少大电流的工作时间，保护电机及节约能耗，其流程如图1所示。

图1 坡道辅助起步系统流程图

2.2 防溜坡扭矩值预测系统的建立

车辆在爬坡过程中的运动方程如公式（1）所示：

式中：ig、i0、ηT、r、m、g、f、ρ、CD、A、u、δ、t等都为已知参数，故运动方程可转化为下述方程式（2）：

式中：Tm——驱动电机当前输出扭矩值，Nm；A、B——根据参数计算出的值；F——车辆坡道力。

当坡度角比较小的时候，cos（a）值比较大，此时车辆坡道力比较小，而坡道阻力值最大不超过mgf，出于余量考虑，可将两值之和表示为使车辆维持在当前坡道需要提供的力矩，并反推出防溜坡扭矩预测值，如公式（3）、公式（4）所示。

防溜坡扭矩预测系统不仅涉及MCU的CAN通信模块、数据计算单元，还应具备数据存储功能，使其重新上下电后，防溜坡扭矩预测系统同样有效。

2.3 驱动电机控制器与整车的信号交互

驱动电机控制器与VCU进行信号交互，若满足进入坡道辅助起步条件，则进入坡道辅助起步功能。

2.4 坡道辅助起步功能实现

进入坡道辅助起步功能后，驱动电机系统可第一时间响应防溜坡扭矩预测值，然后根据转速变化趋势来对扭矩值进行调节，可建立一个PI控制系统对其速度偏差进行调节。现在驱动电机控制器具备数据处理速度快、数据计算量大等特点，若参数标定得好，可在人体感受不到的情况下调节出防溜坡扭矩值，维持车辆在坡道上的静止。具备坡道辅助起步功能的驱动电机系统功能实现框架如图2所示。

图2 功能实现框图

若驱动电机系统长期运行在大电流的工况下，绕组温度会持续上升，上升到一定温度值时，按照相应的过温处理策略进行降功率及通知整车水路按照水路策略工作；若满足图1中任何一条退出条件，则驱动电机系统退出坡道辅助起步功能。响应VCU发送的目标扭矩时，应线性调节输出扭矩，避免车辆出现不平顺情况。

3 结束语

本文从现有坡道辅助起步系统技术方案出发，提出一种驱动电机系统防溜坡扭矩预测值建立方法，根据整车信息实时计算防溜坡扭矩预测值，并对其进行数据存储。进入坡道辅助起步功能后，可第一时间响应误差较小的防溜坡扭矩预测值，进而减少电机大电流的工作时间，提高PI控制器调节速度，使系统更稳定，从而提升车辆稳定性和平顺性。