纯电动汽车电机与制动器协调起步控制_秦大同

中 国 机 械 工 程 第 ２３ 卷 第 １４ 期 ２０１２ 年 ７ 月 下 半 月
纯电动汽车电机与制动器协调起步控制
秦大同 陈淑江 胡明辉 隗寒冰 周孟喜
重 庆 大 学 机 械 传 动 国 家 重 点 实 验 室 ，重 庆 ，４０００４４
摘要：根据车辆正常起步的技术实质，结合纯电动汽车起步无 需 离 合 器 参 与 的 特 点，模 仿 普 通 自 动
收 稿 日 期 ：２０１１—０７—１４ 基金 项 目：重 庆 市 自 然 科 学 基 金 重 点 资 助 项 目 （ＣＳＴＣ， ２０１１ＢＡ３０１９）；重 庆 市 科 技 攻 关 计 划 资 助 项 目 （ＣＳＴＣ， ２０１０ＡＡ６０４６）
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对电动汽车的起 步 加 速 过 程，提 出 了 恒 转 矩 ＋ 恒 功率控制、恒转矩 控 制 和 恒 功 率 控 制 的 三 种 电 机 控制方案，并分析 了 采 用 不 同 的 电 机 控 制 方 案 对 电动车原地 起 步 加 速 时 间 的 影 响。 然 而，这 些 文 献都没 有 考 虑 不 同 坡 度 对 起 步 性 能 的 影 响。 文 献［９］针 对 装 备 电 控 制 动 器 的 车 辆 设 计 了 一 种 坡 度起步辅助系统，根 据 车 轮 处 的 转 矩 和 车 辆 运 动 状态对电 控 制 动 器 进 行 控 制 以 实 现 坡 度 平 稳 起 步。文献［１０－１１］提 出 了 一 种 基 于 扭 矩 传 感 器 的 坡度起步辅助系 统，该 系 统 能 够 很 好 地 辅 助 驾 驶 员实现坡度 起 步，有 效 避 免 溜 车 现 象 的 发 生。 但 是以上两种坡度起步方法都必须利用扭矩传感器 进 行 转 矩 检 测 ，适 用 范 围 受 到 限 制 。
目 前 ，关 于 车 辆 起 步 控 制 的 研 究 已 有 很 多 ，文 献［１－３］研究了 双 离 合 器 自 动 变 速 器 车 辆 起 步 与 换挡过 程 中 离 合 器 的 动 态 控 制，文 献［４－６］针 对 ＡＭＴ 车 辆 的 起 步 和 换 挡 过 程 进 行 了 研 究。 文 献［７］为了 提 高 电 动 汽 车 起 步 加 速 过 程 的 性 能， 建立了车速与电流双闭环调速系统的仿真模型， 并对车速阶 跃 响 应 进 行 了 仿 真 研 究。 文 献［８］针
未踩下加速踏板时车辆按照驱动力Ｆｄ＿ｔａｒ 行驶，当 驾驶 员 踩 下 加 速 踏 板 后，按 照 驾 驶 员 意 图 输 出
本文将车辆在自由状态下会发生倒溜或停止 不动的路面称为上坡（平路）路面。如图１所示，根 据制动器制动力Ｆｂ 和车辆驱动力Ｆｄ 的变化规律， 将上坡（平路）起步过程分为四个阶段：
图１ 上坡（平路）起步过程示意图
第一阶段：驾驶员解除制动之前。此阶段对车 辆起步品质没有任何影响。
第二阶段：坡度识别阶段。在ｔ０ 时刻，驾驶员 解除制动后进 入 此 阶 段，首 先 控 制 车 辆 驱 动 力 Ｆｄ 迅速增加到 最 大 起 步 阻 力 Ｆｒｍａｘ（电 机 特 性 决 定 了 此过程在０．３ｓ内完成），同时 制 动 器 制 动 力 Ｆｂ 在 ０．３ｓ内下降到２倍的最大起步阻力 Ｆｒｍａｘ。然后驱 动力Ｆｄ 保持不变，制动力Ｆｂ 按照冲击度限制的变 化率继续下降，到ｔ１ 时刻，电机转速ｎ 开始大于０， 此时驱动力、阻力和制动力的平衡方程为
ＣＤＡｖｉ２ ２１．１５
（５）
式中，ＣＤ 为风阻系 数；Ａ 为 车 辆 迎 风 面 积 ，ｍ２；ｖｉ 为 最 低
稳 定 车 速 ，ｋｍ／ｈ。
式（５）中，根据后面的仿 真 结 果 可 知，坡 度 识
别误差ｅ 在３％ 以内，所以取ｅ＝０．０３。
第四阶段：等 待 驾 驶 员 参 与 阶 段。 在 驾 驶 员
Ｆｒｍａｘ ＝ Ｆｂ０ ＋Ｆｆ ＋Ｆｉ ＝ Ｆｂ０ ＋ｍｇｆｃｏｓα＋ｍｇｓｉｎα
（１）
式中，Ｆｂ０ 为坡度识别阶段最后一刻时的制动器制动力；Ｆｆ 为车辆滚动阻力；Ｆｉ 为 车 辆 坡 度 的 阻 力；ｍ 为 整 车 质 量；ｇ 为重力加速度；ｆ 为 滚 动 阻 力 系 数；α 为 路 面 坡 角；Ｆｒｍａｘ 为 最 大 起 步 阻 力 ，即 最 大 坡 角 起 步 时 的 阻 力 。
变速器车辆的自动起步功能，提出了一种纯电动汽车电机与制动器协调控制的自动起步控制方法 ，并对
其起步过程进行了动力学分析。在此基础上，提出了一种具有坡度识别 和 坡 度 自 适 应 起 步 能 力 的 纯 电
动汽车电机与制动器协调控制起步策略。在 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件平台上，搭建了起步控制仿真模 型，从起步时间、起步冲击度、坡度识别精度和不同坡度起步时有无溜车 或 飞 车 现 象 四 个 方 面 对 起 步 策
本文根据车辆 正 常 起 步 的 技 术 实 质，提 出 了 一种纯电动汽车电机与制动器协调控制的自动起 步控制方法，对其 起 步 控 制 过 程 进 行 了 动 力 学 分 析，在此基础上提 出 了 一 种 具 有 坡 度 识 别 和 坡 度 自适应能力的纯电动汽车电机与制动器协调控制
纯 电 动 汽 车 电 机 与 制 动 器 协 调 起 步 控 制 ——— 秦 大 同 陈 淑 江 胡 明 辉 等
ｅ）α］（ｅ 为第二阶 段 的 坡 道 识 别 误 差 ），因 为 上 坡
（平路）时目标驱动力 Ｆｄ＿ｔａｒ 的 功 能 是 克 服 行 驶 阻
力防止倒溜，所以目标驱动力Ｆｄ＿ｔａｒ 需要克服最大
坡角（１＋ｅ）α 下的行驶阻力，即
Ｆｄ＿ｔａｒ ＝ ｍｇｆｃｏｓ（（１＋ｅ）α）＋
ｍｇｓｉｎ（（１＋ｅ）α）＋
０ 引 言
随着环保和能 源 问 题 的 日 益 突 出，电 动 汽 车 以 其 零 排 放 、低 噪 声 等 优 点 而 倍 受 关 注 ，世 界 各 国 都把电动汽车作为汽车工业的发展方向。纯电动 汽车（ＥＶ）起 步 控 制 技 术 作 为 纯 电 动 汽 车 的 关 键 技术之一，其研究 对 纯 电 动 汽 车 技 术 的 发 展 及 其 产业化具有重要意义。
关 键 词 ：电 动 汽 车 ；协 调 控 制 ；起 步 策 略 ；坡 度 识 别
中 图 分 类 号 ：Ｕ４６２．２ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－１３２Ｘ．２０１２．１４．０２６
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｒｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｏｒ ａｎｄ Ｂｒａｋｅ Ｑｉｎ Ｄａｔｏｎｇ Ｃｈｅｎ Ｓｈｕｊｉａｎｇ Ｈｕ Ｍｉｎｇｈｕｉ Ｗｅｉ Ｈａｎｂｉｎｇ Ｚｈｏｕ Ｍｅｎｇｘｉ Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，４０００４４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｓｓｅｎｃｅ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｎｏｒｍａｌ ｓｔａｒｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｅ－ ｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｈａｔ ｎｏ ｃｌｕｔｃｈ ｗａｓ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｒｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｈｅｒｅｉｎ，ａ ｓｔａｒｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｂｒａｋｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｍｉｔａｔｅｄ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｔａｒｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｒｔ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａ ｒａｍｐ ｉｄｅｎｔｉｆｉａｂｌｅ ａｎｄ ｒａｍｐ ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｎｇ ｓｔａｒｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｉｔｈ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｂｒａｋｅ ｗａｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｕｐ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔａｒｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ａｎｄ ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｖｉａ ｆｏｕｒ ａｓｐｅｃｔｓ：ｔｈｅ ｓｔａｒｔ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｔａｒｔ ｉｍｐａｃｔ，ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｒａｍｐ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｒ ｃｏａｓｔｅｒｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｍｐ ｓｔａｒｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｔａｒｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｉｔｈ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｂｒａｋｅ ｉｓ ｅｎｄｏｗｅｄ ｗｉｔｈ ｓｈｏｒｔ ｓｔａｒｔ ｔｉｍｅ，ｓｍａｌｌ ｓｔａｒｔ ｉｍｐａｃｔ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｒｕｍｐ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏ ｓｌｉｄｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｍｐ ｓｔａｒｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｔａｒｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｒａｍｐ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ
起步 策 略。 在 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿 真 平 台 上 搭建了仿真模型，对 所 提 出 的 控 制 策 略 进 行 了 仿 真 研 究 ，结 果 表 明 ，电 机 与 制 动 器 协 调 控 制 起 步 策 略具有较好的坡度自适应能力。
１ 起步过程动力学分析
车辆正常起步的关键操作在于离合器、制动踏 板和油门踏板之间的协调控制，其技术实质就是驱 动 力 与 制 动 力 之 间 的 协 调 控 制 。 在 起 步 过 程 中 ，驱 动力与制动力之间协调控制的好坏直接决定了车 辆 的 起 步 性 能 ，若 驱 动 力 与 制 动 力 协 调 控 制 效 果 不 好 ，则 可 能 会 造 成 发 动 机 熄 火 、起 步 冲 击 度 过 大 、坡 度 溜 车 或 飞 车 等 现 象 ，严 重 影 响 驾 驶 员 的 舒 适 性 和 安全性。