基于电机状态前馈控制的防溜坡系统方案研究

摘 要：随着新能源汽车日益普及，人们对其安全技术问题和驾驶舒适度的要求越来越高，其中防溜坡功能是一个重点关注项目，中高端汽车往往依靠成本较高的ESP与EPB通过控制制动卡钳来实现防溜坡功能，低端汽车则受制于硬件限制，不具备该功能。文章针对新能源汽车防溜坡功能，提出一种无需额外坡度传感器、EPB等硬件配置的防溜坡系统方案，提高车辆坡道起步安全性。

关键词：电动汽车 坡道起步 防溜坡功能 坡道防溜坡

在全球新能源汽车保有量急剧上升的时代，纯电动汽车作为新能源汽车的主力军，不再局限于单一的长短途代步需求，人们对其安全技术问题和驾驶舒适度的要求越来越高，其中坡道起步的防溜坡功能是一个重点关注项目。但目前对电动汽车防溜坡功能的研究还存在不少不足，一方面防溜坡技术方案还比较滞后，大多停留在传统车辆的已有技术上，不能完全适配于电动汽车；另一方面，较为完善的防溜坡功能往往需要建立在坡度传感器、陀螺仪、ESP等硬件配置和强大的软件算法逻辑的基础上，这样一来整车的制造成本难以控制。防溜坡功能不完善的车辆严重影响了驾驶员的驾驶体验，也加大了电动汽车坡道起步的难度，增加了车辆坡道起步的事故率[1]。鉴于上述问题，本文提出一种适配于纯电动汽车，无需额外的硬件配置和算法逻辑的防溜坡系统方案，该防溜坡系统不会大量增加电动汽车的成本，也能够防止电动汽车在一定坡道上溜坡，提升电动汽车驾驶安全性和易操作性。

1 防溜坡功能技术方案分析

车辆防溜坡功能是一种辅助驾驶功能，它最早被用于传统的燃油汽车中。当驾驶员在坡道中驾驶汽车起步时，在脚由刹车踏板向加速踏板移动过程中，由于制动力会出现短暂的中断情况，所以汽车会出现溜坡情况[2]。为了避免这种情况出现，很多汽车都设计了专用的防车辆溜坡的系统，这种系统能够提前预测驾驶员松开制动踏板后车辆的溜坡并提供一定的制动力，或在车辆已经发生溜坡的情况控制溜坡车速为零，确保车辆在坡道起步时不发生溜坡事故。

目前中高端汽车上通常配备的是基于HHC、AVH、ARB三种防溜坡功能的驾驶辅助系统[3]，他们的技术特性为：

HHC（Hill-start Assist Control），又名HAC，是基于ESP功能开发的坡道起步辅助系统，车辆在坡道上停稳后，驾驶员松开制动踏板，ESP会提供一定时间的制动保压能力，使车辆能够在坡道上稳定一段时间。介于ESP保压能力有限，该功能不能在不踩制动踏板的前提下提供较长时间的制动力。

AVH（Automotive Vehicle Hold），自动驻车系统，是基于ESP和EPB开发的坡道辅助系统，短时间驻车时，采用ESP的保压来实现驻车功能，当需要较长时间的驻车时，采用的是EPB锁止制动主缸压力来夹紧制动卡钳。

ARB（Anti-Roll Back），是新能源汽车独有坡道防溜坡系统，该功能需要建立在车辆已经溜坡的前提下激活，利用的是驱动电机的堵转功能来实现车辆的零转速控制。由于驱动电机堵转会使绕组产生过高的电流，有过热起火和短路风险，同时转子会承受较大扭矩，电机轴承等机械部件易断裂损坏，故ARB也不能提供较长时间的制动力。

从上述防溜坡的技术方案分析，目前主流的HHC、AVH方案需要ESP、EPB等硬件配置，ARB则要求驱动电机具备一定的机械素质，能够承受高电流和大扭矩的冲击，这些对于低端车来说基本是无法实现的。近年随着电动汽车的逐步普及，专门对低端车防溜坡功能的研究也有一定的进展，其中较为优秀的方案是基于坡道传感器或陀螺仪来采集车辆当前所处的坡道角度，再结合车辆溜坡转速使用PI算法来实现零转速控制。这个方案的优点在于不需要ESP、EPB的机械配置，车辆制造成本得以控制，但该方案是建立在坡道传感器和陀螺仪等坡度采集设备的基础上，这也是该方案的不足之处。

2 电动汽车防溜坡方案系统设计

本文设计的电动汽车防溜功能不需要控制制动卡钳，即不需要成本较高的ESP和EPB，也不依赖陀螺仪或者坡道传感器来采集道路坡道数据。通过一套车辆控制系统联合动作而实现，该防溜控制系统由加速踏板、制动踏板、手刹、档位、整车控制器、电机控制器和驱动电机组成，其系统架构如图1所示。

本文设计的防溜坡功能分为防溜坡功能激活判断、扭矩调控以及防溜坡功能退出判断三个子系统，这三个子系统均由整车控制器来控制。

2.1 防溜坡功能激活判断

本文设计的防溜坡功能系统中，整车控制器通过整车线束或者整车通讯协议（如CAN总线）采集或接收手刹状态、档位状态、加速踏板和制动踏板位置，进而控制防溜坡功能的激活，具体的判断流程如下所述：

①检测手刹状态，判断驾驶员有无驻车需求；②检测档位状态，判断车辆是否属于可行驶档位；③检测加速踏板和制动踏板位置，判断驾驶员有无加速和制动请求。当手刹未被拉起、档位处于可行驶档位（如D档）、加速踏板和制动踏板未踩下或者达到设定的开度阈值，这些条件同时满足时，整车控制器才能激活防溜坡功能。

2.2 扭矩调控

2.2.1 功能逻辑

在防溜坡功能激活前提下，整车控制器需要不断对整车行驶工况进行识别检测，通过对整车关键信号的采集，判断当前车辆是否处于溜坡状态。当防溜坡功能激活，且检测到车辆溜坡时，整车控制器需要通过调节电驱输出扭矩来实现车辆的防溜。

扭矩的调控由两部分算法实现：PID算法和预控，整车控制器负责检测电驱系统状态并给定扭矩值，电驱系统负责扭矩命令的执行并反馈电驱系统状态，整车控制器和电驱系统共同协作实现放扭矩扭矩的调控。

2.2.2 溜坡检测

整车控制器实时检测电机当前转速和转速的变化率，当检测到电机转速与车辆当前档位方向相反且转速变化率超过设定值时，判断车辆正在溜坡，即：

①D档下，电机转速小于-20rpm（该值可设定），电机转速变化率超过50rpm/s（该值可设定），则认为车辆处于D档后溜。

②同理，R档下，电机转速大于20rpm（该值可设定），电机转速变化率超过50rpm/s（该值可设定），则认为车辆处于R档前溜。

2.2.3 PID算法扭矩

整车控制器通过PID控制算法控制扭矩输出，该PID控制算法的输入量为电机当前转速与目标转速的差值，输出量为扭矩，转速差值越大，输出扭矩就越大，电机转速差值作为PID控制算法的前馈。该扭矩的作用是控制溜坡的车速，能有效控制溜车车速回零，通过扭矩形式达到车辆的受力平衡，使得车辆驻停在坡道上。

由于PID控制本身具有迟滞性，属于软调节，在调节溜坡车速归零的过程往往需要一定的时间，为了防止车辆在这段PID的调节时间内产生较长的溜坡距离（特别是在车辆处于较大坡道时），需要额外的扭矩来控制溜车距离，该扭矩需要具备响应迅速的特点，故引入预控扭矩的概念。

2.2.4 预控扭矩

预控扭矩，预控扭矩仅仅需要整车控制器根据电机当前溜坡转速与上一周期转速差值在该周期内的变化率来判断，电机转速变化率越大，预控扭矩越大，电机转速变化率作为预控扭矩的前馈。预控扭矩的特点是调控迅速，可有效减少车辆在大坡度的溜坡距离。当防溜坡功能激活时，电驱系统需要执行的扭矩为PID控制算法的扭矩和预控扭矩叠加之后的总扭矩。扭矩调控逻辑如图2所示。

2.3 防溜坡功能退出判断

防溜坡功能依赖电驱系统的扭矩输出，在车辆成功驻停在坡道上时，驱动电机处于堵转状态，此时输出固定扭矩但转速为零，电驱系统温升较快，特别是在一些电驱系统采用强制或自然风冷的中低端配置车型上面，温升更加明显，因此，需要对防溜坡功能做一定的时间判断，避免因长时间的堵转使得电驱的高温，对电机的永磁体产生不可逆的损害[4]。另外，还需要对驾驶员的接管车辆意图做判断，整车控制器检测到驾驶员有接管车辆的意图且该意图与车辆防溜坡相违背时，应主动退出防溜坡功能。综合考虑，防溜坡功能的退出应判断如下条件，满足任意条件时均退出防溜坡功能：

①检测档位状态，当档位切换至不可行驶档位（N档或P档）时；

②检测加速踏板位置，当加速踏板对应需求扭矩超过当前防溜坡扭矩时；

③检测制动踏板位置和手刹状态，当制动踏板被踩下持续2s时；

④检测手刹状态，当手刹被拉起持续2s时；

⑤检测电驱转速，当电驱转速超过200rpm时；

⑥检测防溜坡时间，当防溜坡功能介入使车辆驻停时间持续5s时。

2.4 控制效果分析

本文设计的防溜坡系统方案，从功能的激活到扭矩的调控，都基于整车控制器对整车状态的实时判断，特别是在扭矩的调控上，驱动电机的当前转速、扭矩等信号，作为PID控制算法和预控扭矩的核心前馈端，其信号发送的准确性与快速性直接影响车辆在坡道上的溜坡距离的控制。另外，车辆的自身质量大小与坡道坡度也是影响溜坡距离的重要因素，对此专门针对该方案在同一款车型上做了测试验证，验证结果如下：

①坡道坡度10%，车重1515kg（乘客重量与车量重量总和），防溜坡功能激活下平均溜坡距离7cm，此条件下模拟无防溜坡功能，仅通过驾驶员控制制动踏板和油门踏板起步，车辆平均溜坡距离18cm。

②坡道坡度20%，车重1515kg（乘客重量与车车辆重量总和），防溜坡功能激活下平均溜坡距离18cm，此条件下模拟无防溜坡功能，仅通过驾驶员控制制动踏板和油门踏板起步，车辆平均溜坡距离35cm。

以上测试基于整车控制器与电驱系统通过CAN通讯协议交互的基础上，由于CAN通讯协议存在10-200ms的交互延时，如果能采取一定的措施有效减少该延时，则该防溜坡方案的效果会有显著提升。另外，车辆的自身质量大小也会影响防溜坡效果，理论上车子越轻，防溜坡效果越好。

目前该防溜坡方案已在两款车型上得到验证并使用，由于该方案的控制基于电机状态前馈，相较于后馈控制，扭矩的控制更为快速高效，车辆的坡道溜坡距离可以大幅降低，防溜坡效果显著提升，其可以在一定的坡度上，有效代替驾驶员的坡道起步。

3 结语

现有的防溜坡功能基本都依赖专门的硬件配套设备来实现，本文在研究了纯电动汽车扭矩控制的原理后，对比了现有防溜坡技术方案，在不增加车辆硬件前提下设计了一套防溜坡控制系统，该系统由整车控制器来判断功能的激活，并通过电驱系统转速的变化来调控扭矩，电驱系统执行整车控制器的扭矩命令，整车控制器与电驱系统的协调配合实现车辆的防溜坡功能。

本文提出该防溜坡系统及控制策略主要意在，为广大电动汽车开发者提供一些电动汽车防溜坡功能设计的思路，特别是在一些不具备高成本的硬件设备的中低端车型上，也能通过一定的软件控制算法来实现某种程度上的防溜坡功能。

参考文献：

[1]李磊，黄鑫，翟世欢，等.纯电动汽车坡道起步防溜系统及控制策略的研究[J].内燃机与配件，2021（22）：1-3.

[2]陈广林.纯电动汽车坡道起步防溜系统及控制策略研究[J].汽车画刊，2023（7）：31-33.

[3]檀旋，黄波，于洋，等.基于EHB的坡道起步辅助策略开发[J].计算机与数字工程，2021，49（002）：290-294.

[4]潘忠亮，赵慧超，李帅，等.基于GB18488纯电动车堵转控制改进方案研究[J].微电机，2023，56（03）：48-52.