纯电动商用车坡道驻车抖动研究与优化

施佳能， 丘云燕， 刘志翔， 罗可扬

（1.东风柳州汽车有限公司， 广西 柳州 545005；2.桂林电子科技大学机电工程学院， 广西 桂林 541004）

引言

化石资源的有限供应、气候变化和全球变暖促使未来的运输系统使用更有效和可持续的方法。化石燃料的快速消耗和燃料价格的不断上涨促使汽车制造商开始采用新型推进技术[1]，如混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）。相比于传统车辆，纯电动汽车在坡道上行驶或者驻车时，为了防止出现车辆的溜坡现象，在不踩下制动踏板和拉动手刹的情况下，电机需要输出扭矩用于克服整车重力做功[2]。在驻车的同时不仅需要考虑到车辆驾驶的舒适度，而且要考虑到电机在低转速控制时的退磁现象，减少永磁同步电机的磁损，所以需要对电机控制策略进行优化。

而电动商用车中的电机抖动与乘用车相比较而言更加明显，对于汽车应用而言，电机的NVH 问题具有极其重要的意义[3]，并需要在设计阶段被广泛考虑。电机的NVH 问题正从控制和设计两个角度来解决[4-5]。本文主要提出电机抖动和换挡冲击的测试方法，以驾驶舒适度、电机总线电流、速度加速度波动为综合评价指标来评价其NVH 性能，从而优化控制参数和策略来对其NVH 性能改善优化。

1 车辆防溜技术方案分析

车辆防溜坡功能最早是应用在传统燃油车系统中的一项辅助驾驶功能。当驾驶员驾驶车辆在坡道上起步时，脚从刹车踏板移动至油门踏板的时间内，因为制动力中断车辆会出现后溜[6-8]。为了防止驾驶员从踩制动踏板切换到踩加速踏板的过程中车后溜，汽车设计师们设计防车辆后溜的系统，在驾驶员松掉刹车踏板后还能提供一定的制动力，保证车辆在坡道上保持一定的时间而不溜坡[9]。

1.1 防溜坡功能动力学分析

在汽车行驶的过程中，会有平路和斜坡两种情况，而斜坡分为上坡和下坡，在防溜坡功能的加持下实现整车能够在没有踩下制动的条件下静止在坡道上。整车在上坡道的受力如图1 所示。

分析整车在坡道上轮胎所受到的力分别为克服整车重量和路面摩擦力，图1 中整车重力为G，摩擦力为Ff，驻车功能是在车身静止的情况下实现的，忽略加速阻力，根据汽车行驶方程式，要实现防溜坡功能需满足驱动力Ft：

式中：Ff为滚动阻力，Ff=mgfcosα；Fi为坡度阻力，Fi=mg sinα；按照整车道路汽车驱动力与行驶阻力平衡方程：

下坡或平路起步时，电机的转矩指令的计算方法与上坡起步时相同，因此可按照以上公式计算处理。

1.2 防溜坡原理及设计

1.2.1 功能描述

为实现驻坡功能，当车速与当前给定挡位相反时，则命令电机控制器输出力矩，该力矩使得电机转速为零，从而实现车辆自动驻坡功能。

1.2.2 实现原理

防溜坡功能实现包括三个部分：

1）根据输入输出信号判断整车是否满足防溜坡进入和退出的条件，VCU 控制防溜坡使能则接收VCU指令、MCU 自执行防溜坡则自己判断；

2）若车辆后溜时满足进入防溜坡的条件，则切换至速度控制模式，设定目标转速为零，且转矩上限为防溜坡转矩上限；

3）若防溜坡模式下满足退出条件，则响应VCU的控制模式和转速/转矩指令。

防溜坡功能的输入输出变量如图2 所示。

其中各信号说明如下：

1）目标转矩为VCU 给定转矩滤波后的绝对值（标幺值）；

2）刹车信号即整车刹车状态；

3）挡位信号，即整车反馈当前挡位信息；

4）电机实际输出转矩；

5）防溜坡转矩上限；

6）防溜坡灵敏度（单位为mm），为溜车的最大距离；

7）防溜坡保持时间（单位为ms），车辆可以保持静止的最大时间；

8）目标频率方向关联VCU 挡位状态；

9）当前运行转速（单位为r/min），其符号正负代表电机运行方向。

2 防溜坡抖动测试

2.1 问题引出

试验车辆在防溜坡功能实现的过程中出现车身抖动的现象，排除车架结构等机械抖动噪声问题，从软件上测试与改进电机策略产生的抖动问题。

2.2 测试设备

试验采用CANTest 上位机、动力CAN 线采集电机数据和报文，利用电流表、三向振动加速度传感器等附件完成。依据汽车行业相关标准，制定整车振动问题的常规测试方法，同时选择合适路段进行相关试验测试。

2.3 数据记录与分析软件

在测量的过程中，利用CAN 线读取扭矩信号、车速、转速等信号，利用CANoe 分析软件进行处理，获取电机振动图、扭矩变化曲线、转速变化曲线等。

2.4 测试方法与数据分析

通过驾驶人员对该车起步抖动和换挡冲击的问题进行主观评价，并结合工况得出问题所出现的条件，给定电机额定扭矩输出，依据油门、刹车踏板开度来制定相关测试方案，结合振动产生机理及现有的试验设备情况，制定如下测试方法：

1）车辆处于半坡时，从静止状态下由司机自由加速到换挡后停车该车电机转速在2 200～2 400 rpm 范围内开始出现波动，随及车辆开始抖动，同时该车的换挡点在2 500 rpm 左右，转速波动如下图3 所示。

2）车辆处于半坡时，给定恒定扭矩700 Nm，从静止状态下由VCU 给定扭矩加速到换挡后停车，如图4 所示。

3）车辆处于半坡时，从静止状态下由司机自由加速到换挡后停车，电机转速在1 800 r/min 的时候出现波动，该车的换挡点在2 300 r/min 左右，如下图5所示。

3 电机抖动优化

3.1 电机抖动测试

电机运行在额定转速的时候，零力矩开管，信号U2-31（M轴ACR 输出信号）在0 附近波动即代表电角度准确。

3.2 功能测试与策略改进

3.2.1 防溜坡测试与原因分析

1）采集整车CAN 网络数据对比，分析出抖动原因，车辆的响应扭矩与请求扭矩基本一致，转速波动未能消除，通过测试发现电机转速波动非MCU 控制引起，曲线如图6 所示。

2）将蠕行功能关闭后测试，车辆防溜坡功能测试正常，数据如图7 所示。

从驾驶主观体验为车辆前后抖动，由防溜坡测试数据分析可以得出由于坡度过小，未能够进入防溜坡功能，但蠕行力矩无法维持车辆前进，导致防溜坡状态常处于逻辑判断和切换过程，如图8 所示。

由此可得蠕行功能与防溜坡功能存在冲突，双方必须有逻辑交互方可实现无冲突，VCU 收到防溜坡功能进入信号时则退出蠕行功能。

3.2.2 策略优化改进

在自动挡的车辆中，当车辆由N 挡挂到D 挡时，缓慢松开制动踏板，车辆会向前蠕行，若要求车辆停止在坡道上时，蠕行力矩不足以达到或者超过当前坡道阻力，导致车辆移动，该策略将车辆进入防溜坡功能的条件进行了如下的优化。

图9 为防溜坡进入判断示意图。只有当这些条件同时满足以后，才能进入防溜坡状态。其中各个条件说明如下。

1）当前挡位非空挡：当电机转速大于阈值5 r/min时挡位发生变化，则视为逻辑空挡；物理空挡关联VCU 挡位。

2）如下三种情况下防溜坡后溜距离清零处理：防溜坡处于结束状态；防溜坡处于判断中，且当前电机转速与挡位同方向；当前挡位为空挡（逻辑空挡或物理空挡）。若不满足上述条件，则通过对车轮转速积分来计算车辆后溜的距离，其中车轮转速由电机转速、车轮半径及传动比计算得到。

3）允许重复进入条件判断（当前平台防溜坡做了计数器+3 次逻辑）。踩油门允许重复进入：当前挡位状态与转速方向一致，且转速绝对值大于阈值50 rpm，则将计数器+3 做清零处理。踩刹车允许再次进入：刹车状态下（包含手刹），电机转速小于阈值5 rpm，此处计数器+3 不做清零处理，会叠加之前防溜坡次数。防溜坡超时退出后则不允许重复进入，同步将计数器+3 做清零处理。

3.2.3 防溜坡退出条件判断及过程处理

进入防溜坡后，会对是否退出驻坡进行判断:

1）VCU 挡位状态；

2）刹车信号，防溜坡持续时间超过阈值后才能通过响应踩刹车退出；

3）空挡标志；

4）当前转矩给定大于防溜坡当前输出转矩，二者绝对值相比较；

5）当前怠速模块处理后的转矩大于防溜坡当前输出转矩；

当满足防溜坡后，转矩给定为防溜坡转矩上限；转速给定为0。当退出防溜坡后，转矩恢复到防溜坡模块的输入转矩给定，转速给定也恢复到给定系统给定频率，控制模式响应VCU 指令。

通过实车测试得到结果如图10 所示。

可以看到将防溜坡与蠕行功能之间的策略冲突优化后对汽车驻坡抖动问题有明显的改善。

4 结论

通过CANoe 软件中运行程序后测试得到该款汽车坡道驻车的曲线数据图，防溜坡程序能够使实际电机的输出扭矩变化随着转速的变化基本上趋于一致，达到与输出转矩T 的平衡，从而保证整车能够平稳的自动停止在一定的坡度斜坡上，实现防溜坡功能，另外，防溜坡程序在处理转矩叠加控制时，应当防止整车误进入蠕行模式，这样可以避免整车驱动电机出现较大转速波动，进而引起整车持续抖动问题，程序优化后可以控制其轻微抖动现象。文章对解决纯电动汽车坡道驻车和抖动问题有重要借鉴意义。