混合动力汽车下坡辅助控制方法

韩云武，罗禹贡，李克强

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

据统计车辆在有坡路段的事故伤亡率及财产损失远大于平均值［1］，保证车辆下坡过程中的制动效能，提升行驶安全，是国家交通法规［2］和车辆制动安全研究领域的重点。另外，混合动力汽车(HEV)的制动能量回馈可提高车辆的燃油经济性，其制动过程的研究也一直是HEV研究的重点。

车辆下坡安全领域的研究目前主要集中在与传统车辆相关的3个方面:(1)利用发动机的摩擦、惯性和排气控制实现发动机反拖制动［3］;(2)利用电涡流及液体内摩擦消耗车辆动能的辅助制动器［4－6］;(3)下大坡过程中车辆控制器通过协调发动机、制动系和ABS系统，使车辆保持稳定车速下坡的陡坡缓降功能［7］。前两者仅限于为系统提供持续可靠的辅助制动力;后者虽具有辅助驾驶功能，但为防止制动系统的热失效，其应用仅限于车辆低速状态。另外，混合动力汽车制动能量回馈的相关研究多集中在液压与电机制动力矩的分配与协调［8］、下坡过程中能量回收效率［9］的研究。国内外尚没有与HEV下坡路段主动安全相关的研究。

为提高下坡路段HEV的安全性和经济性，本文中提出一种在下坡过程中，驾驶员完全松开制动踏板和加速踏板的情况下，车辆由控制器控制保持车速不再增加的HEV下坡辅助控制(HEV-DAC)的主动安全控制方法。首先根据驾驶员的驾驶习惯、驾驶意图和行车安全要求制定HEV-DAC的目标，计算需求制动力矩;其次根据电机、发动机和液压系统的制动能力，以保证制动安全和制动能量回收最大化为原则制定制动力矩分配策略;再次为提高车辆的舒适性，制定不同制动系统间力矩动态协调控制策略;最后建立系统仿真平台，并基于某山区公路的坡度数据对系统性能进行验证。

1 HEV制动系统结构

HEV-DAC系统是基于本课题组HEV系统基础上开发的，其制动系统包括电机制动子系统、发动机制动子系统和液压制动子系统，如图1所示。

其中电机制动系统包括PM电机、电池和控制器。发动机制动系统包括发动机和控制器(ECU)，离合器和控制器。液压制动系统包括电子真空助力制动器(EVB)和液压制动执行机构。各子系统独立工作，子系统的状态信息通过总线传到上层控制器，上层控制器根据车辆的运行状态和制动子系统的信息，对制动子系统进行制动力分配和子系统间制动力的动态协调。

2 基于分层控制结构的HEV-DAC方法

针对HEV整车控制系统及制动系统结构特点，提出如图2所示的HEV-DAC分层控制结构。在上层中通过调研车辆下坡路段的行驶特点，分析驾驶员的驾驶心理，制定出HEV-DAC的控制目标，完成维持车速不再增加所需总制动力矩的计算;中层在保证车辆安全性的前提下，以经济性为目标，根据车辆各制动子系统的制动能力，设计6种制动模式，并制定模式切换策略;下层利用非线性多目标协调控制的方法，制定总制动力的分配及各制动子系统间的动态协调控制策略。

图2中Pa为加速踏板开度，Pb为制动踏板开度，Amodel为辅助制动模式，Aon为辅助制动状态(1代表坡路辅助控制，0代表驾驶员控制)，vi为当前车速，v0为下坡辅助的目标车速，SBat为电池的状态信息，SPM为电机状态信息，Seng为发动机状态信息，Thyd_act为实测液压制动力矩。

2.1 HEV-DAC分层控制系统结构设计

分层控制系统通过解读驾驶员意图，以驾驶员的驾驶习惯及行车安全为基础，确定总制动力矩Tsum。以制动系统安全和燃油经济性的提高为依据，将Tsum分配给电机制动能量回收力矩TPM、发动机反拖力矩Teng和液压制动力矩Thyd。为提高车辆的舒适性和保证控制精度，在发动机反拖制动的接入过程和液压制动力矩的变化过程中进行力矩的动态协调，并将计算结果发给PM电机、发动机和液压制动系统等执行部件。

2.2 基于调研分析的HEV-DAC上层控制算法

下坡辅助控制的目的在于:辅助驾驶员控制车辆在下坡路段保持车速不增加，使驾驶员可以专心控制车辆的方向保证车辆的行驶安全。故此HEVDAC要遵循:不干扰驾驶员的操作、符合驾驶员的驾驶习惯且保证行车安全的原则。

2.2.1 HEV-DAC中的驾驶员驾驶意图的识别

HEV-DAC的进入退出满足如下关系:

其中Δv=vi－v0

即驾驶员对车速不加控制时启动下坡辅助系统;当驾驶员对加速踏板进行控制时直接退出辅助制动;当制动踏板行程不为零后，只有当车速降低后才可退出辅助制动(为防止辅助制动的突然退出引发车速增加带来的危险)。

2.2.2 HEV-DAC目标车速的确定

下坡辅助的目标车速在这里定义为下坡辅助系统在车辆下坡滑行过程中所要保持的目标车速。综合驾驶员的主观意愿、驾驶习惯和车辆运行的安全性要求，下坡辅助的目标车速应符合如下关系:

即车辆滑行时，系统选择车速增加前一时刻的车辆速度作为下坡辅助的控制目标车速。

2.2.3 HEV-DAC总制动力矩的计算

在确定完初速度后，系统将对Δv进行PI控制，求得系统总制动力矩为

式中:f(Δv)为总制动力矩PI控制器的P参数值;i为总制动力矩PI控制器I参数值。

2.3 基于安全及经济性的HEV-DAC中层控制算法

HEV-DAC的安全性通过以下两点保证:(1)提供维持车速不再增加的制动力矩;(2)为避免出现热衰退，使液压制动力矩的使用最少。而HEV的经济性则通过制动能量回馈(电机制动)的最大化来实现。为满足以上要求，在制动力矩分配中采用优先电机制动能量回馈，其次发动机反拖制动，最后使用液压制动的制动力矩分配原则。结合制动能量回馈，发动机反拖制动和液压制动系统的特性，根据制动力矩的大小和电池荷电状态(SOC)制定了以下6种制动模式:

Amodel1:传统HEV制动能量回收模式

Amodel2:电机单独辅助制动模式

Amodel3:电机与发动机联合辅助制动模式

Amodel4:电机、发动机与液压系统联合辅助制动模式

Amodel5:发动机单独辅助制动模式

Amodel6:发动机与液压联合辅助制动模式

模式之间的转换逻辑如图3所示。

图中:S为电池SOC，Sh为电池SOC使用上限值，va为需要增加一种辅助制动方式的Δv阈值，vb为需要减少一种辅助制动方式的Δv阈值，TPM-max为当前电机所能提供的最大制动力矩，TPM-slide为当前S和车速下传统HEV滑行时电机的制动力矩。

各制动模式中，传统HEV制动能量回收模式用于模拟车辆发动机反拖制动力矩，在车辆滑行且车速不增加或Δv＜va的状态时使用;发动机单独制动模式主要用于S≥Sh且Δv＞va的滑行制动，其次，为避免发动机参与下坡辅助制动后，因制动力需求的变化可能引起的发动机制动的频繁接入与退出，将其用于发动机接入辅助制动且Δv＜vb后，驾驶员人为干预车辆退出辅助制动前的下坡辅助保持模式，即一旦发动机参与辅助制动后，除因驾驶员操作退出下坡辅助模式外，发动机反拖制动不会退出。其余模式转换逻辑完全遵循制动力矩分配原则。

2.4 基于多目标协调的HEV-DAC下层控制算法

在得到上层的总制动力矩和中层的制动模式后，制动力矩将在下层分配到具体的制动系统中。

2.4.1 制动力矩的分配

电机制动力矩具有精确可调、制动能量可回收和制动力矩可短时2倍过载的优点，但也有制动力矩受电池的SOC和车速影响较大，最大制动力矩有限的不足。发动机反拖制动力矩只与车速有关，其大小无法控制。液压制动力矩虽可调且足够大，但却存在调节不精确，控制命令执行滞后的现象。基于各制动系统特点和制动力分配原则，对Tsum进行分配，如表1所示。

表1 制动力矩分配

2.4.2 制动力矩的动态协调

(1)电机制动/发动机反拖制动的协调控制

当系统工作模式在电机辅助制动与电机加发动机模式切换时，发动机运转的动能完全由车身提供，虽离合器可对此过程进行缓冲，但由于发动接合前后动量变化较大，直接切换所产生的冲击仍会影响驾驶舒适性和传动系的寿命，故提出模式切换过程中电机转矩的动态协调控制策略，其计算公式为

式中:pPM_eng为PI控制器的P参数;ωPM为电机转速;为滤波后的电机转速。

(2)电机制动/液压制动的协调控制

根据制动力矩分配策略，当下坡辅助需求的总制动力矩大于电机和发动机所能提供的总制动力矩时，液压制动系统将参与制动。但与电机制动相比，液压制动的动态响应速度慢，控制精度差。因此在电机与液压制动系统同时工作时，为提高下坡辅助系统的控制精度，利用电机可短时2倍过载的特性，提出了液压系统工作状态变化时的电机转矩与液压制动力矩的动态协调控制策略，其计算公式为

式中:TPM1为直接分配给电机的制动力矩;TPM2为补偿液压制动滞后及精度不足所需的电机制动力矩;f(ΔV')∈(0，1)，为 TPM2预留制动力矩的系数。

3 HEV-DAC的仿真验证

为验证HEV-DAC的逻辑和性能，采用MATLAB/Simulink仿真方法，搭建车辆模型、发动机模型、电机模型、制动器模型和控制系统等，并利用某山区公路的坡度数据(见图4中的点划线)对车辆使用下坡辅助和常规行驶(下坡时滑行)进行仿真。

仿真工况的设定:前70s利用PI控制器使车辆以60km/h为目标从零开始加速;70s后当坡度大于－1%同样通过PI控制器以60km/h为目标对车辆进行控制，坡度小于－1%时使车辆处于滑行状态，在115～120s间由驾驶员踩下制动踏板强行制动一次，145～150s间由驾驶员踩下加速踏板加速一次。

从仿真结果(见图4中的实线和虚线)可以看出，有下坡辅助控制与无下坡辅助控制的车辆行驶过程中，在同样坡度下，车辆在上坡和下坡时坡度较小(滑行车速不增加)的路面上行驶时车速完全相同;但在坡度较大时(滑行时车速增加)，无辅助制动的车辆在滑行时车速会随坡度的变化而变化，而有下坡辅助控制的车辆可以使车速基本保持稳定，从而减轻驾驶员的操作负担，提高车辆行驶的安全性。下面将从工作模式切换、电机转矩、电池SOC、发动机和液压制动5方面进行具体分析。

图5为车辆的工作模式图，其中－1为加速踏板下的驱动模式，0为制动踏板的制动模式，1～6与辅助制动模式1～6相对应。结合图4可以看出，随着坡度的变化，辅助制动模式间的切换准确，辅助制动与驱动间响应踏板信号准确，辅助制动与传统加速/制动间的切换和坡路缓释(115～117s)均可准确完成，实现了下坡辅助控制策略中模式切换逻辑。

图6为HEV的电机转矩，图7为HEV的电池SOC。结合图4可以看出，车辆滑行时，普通HEV会利用电机的制动力矩模拟传统车辆的发动机反拖制动，虽可以提高车辆的燃油经济性，但因在滑行过程中的发动机制动力矩不可调，模拟发动机反拖力矩的普通HEV滑行时未对车速进行主动控制。而下坡辅助除具有上述功能外，还根据滑行时驾驶员的主观驾驶意愿(车速不再增加)和电机转矩精确可调的特性，对滑行车辆的车速进行控制，不仅保证了车辆在大下坡段车速不大幅升高，提高了车辆运行的安全性，而且从图7中可以看出，因电机制动功率的增加，制动能量回收率也会得到相应增长，从而提高了车辆的燃油经济性。

图8为发动机转矩输出情况。由于在长大下坡段使用液压制动系统，不仅会加速液压制动系统的磨损，而且可能会因液压系统的长时间大功率使用导致液压制动系统产生热衰退，因而在电机制动力矩不能满足控制车速的制动需求时，启用发动机反拖制动力矩，且由于电机转矩的可精确快速调节的特性，通过对发动机反拖制动的进入与退出过程进行电机和发动机的转矩动态协调控制。结合图4和图6可以看出，HEV发动机制动力矩引入及退出对车速的冲击可以得到有效控制，即动态协调控制使HEV在下长大坡过程中除安全性得到提高外，舒适性也会得到改善。

图9为液压制动系统压力。结合图4和图6可以看出，由于采用了车速不增加为前提的坡路辅助缓释技术，强行制动与坡路辅助制动的切换过程中，没有出现因切换而造成制动力的突然变化，车速保持相对稳定。

4 结论

为提高HEV下坡路段行驶的安全性和经济性，通过对下坡路段驾驶员驾驶习惯和驾驶意图的分析，提出下坡路段驾驶员操作的识别方法和反映驾驶意图的制动力矩计算方法，并制定非线性多目标系统的力矩分配与协调控制策略，通过仿真系统验证，得到如下结论。

(1)HEV-DAC有效解决了HEV下坡滑行时车速增加的问题，减轻驾驶员的操纵负担，提高了车辆的行驶安全性。

(2)HEV-DAC使具有能量回收功能的电机制动得到优先和最大化的使用，提高了车辆的经济性。

(3)制动力矩的动态协调控制策略有效减缓了发动机反拖制动力矩引入时对车速的冲击，提高了乘员的乘坐舒适性。

(4)坡路缓释策略实现了坡路辅助状态到正常行车状态的平稳过渡，保证了下坡辅助制动力矩较大的状态和驱动或制动状态下的行车安全。

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