李磊 LI Lei 黄鑫 HUANG Xin 翟世欢ZHAI Shi-huan 杜森 DU Sen

摘要：本文提出一种由加速踏板、制动踏板、档位、整车控制器、电机控制器及电机、陀螺仪组成的防溜系统。整车控制器通过踏板、挡位状态、陀螺仪等外设判断车辆是否需要进入防溜工作模式，车辆的防溜工作模式和正常驱动模式的切换需要经过预防溜模式，初始防溜扭矩依据陀螺仪检测到的坡度值给出，以使系统的响应速度提高，降低车辆后溜距离。如果整车处于防溜坡状态，VCU根据车辆倾角及当前电机转速和电机执行扭矩情况实时调整防溜坡的扭矩值，并持续判断车辆状态是否可以退出防溜坡模式。

Abstract： The anti-slip system described in this article consists of an accelerator pedal， a brake pedal， gears， a vehicle control unit， a motor controller， a motor， and a gyroscope. The vehicle control unit judges whether the vehicle needs to enter the anti-slip working mode through the pedal， gear status， gyroscope and other peripherals. The switch between the anti-slip working mode and the normal driving mode of the vehicle needs to go through the previous anti-slip mode. The slope value detected by the instrument is given to improve the response speed of the system and reduce the slip distance of the vehicle. If the vehicle is in the anti-slip state， the VCU will adjust the anti-slip torque value in real time according to the vehicle inclination， the current motor speed and the motor torque， and continuously judge whether the vehicle state can exit the anti-sliding mode.

關键词：纯电动汽车;坡道起步;防溜系统;防溜策略

Key words： pure electric vehicle;anti-slip start;anti-slip system;anti-slip strategy

中图分类号：U463.1           文献标识码：A                      文章编号：1674-957X（2021）22-0001-03

近年来，世界主要汽车大国纷纷加强战略谋划、强化政策支持，新能源汽车已成为全球汽车产业转型发展的主要方向和促进世界经济持续增长的重要引擎。另一方面，在全球能源紧缺、环境污染日渐恶化的背景下，我国政府提出了“3060碳峰值碳中和”的目标愿景，从国情出发促使我们要加大对电动汽车的研发力度[1]。随着电动汽车日益普及，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。但目前对电动汽车防溜坡功能的研究还比较滞后，大多停留在传统车辆的已有技术上，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，增加了车辆起步的事故率[2]。鉴于上述问题，本文提供一种电动汽车防溜系统并在此系统上实现防溜控制策略。该防溜坡系统不会大量增加电动汽车的成本，其能够防止电动汽车在一定坡道上向后溜坡，提升电动汽车驾驶舒适性和易操作性。

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[3]。如图1所示车辆溜坡示意图。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辆后溜，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[4]。

目前中、高档汽车上通常配备的是基于HHC、AVH、ARB三种防溜坡功能的坡道辅助系统[5]。三种技术方案的特征如下：

①HHC（Hill-start Assist Control，Hac），一种最早出现的坡道辅助系统，基于ESP系统的坡道起步辅助系统。HHC技术利用ESP系统的建压保压能力，在驾驶员上坡起步过程中，松掉刹车踏板后提供一定的制动力，促使车辆能够在坡道上稳定一段时间[6]。但由于ESP内部线圈的承受能力有限，HHC能保压的时间很短，故该功能无法保持在不踩踏板的作用下长时间保持车辆稳定。

②AVH（Auto Vehicle Hold），是一种加强版的HHC，基于EPB和ESP两套系统设计的自动驻车系统[7]。当驻车时间较短时，原理和HHC相似靠ESP保压;当驻车时间较长时，系统会请求EPB锁住轮缸压力。由于EPB通过电机及减速机构控制夹紧力，可以根据坡度灵活控制制动力大小，EPB电机的耐受能力也更强，所以AVH功能可保持车辆在坡道较长的时间。

③ARB（Anti-Roll Back），是一种适用于新能源车辆的新型防溜坡系统。其原理是：当车速较小时，如果处于驱动档位，整车将激活防溜坡功能，控制电机进入零转速控制，将车稳定在路面[8]。当驾驶员踩下油门踏板后，驱动扭矩足以克服坡道阻力时，ARB功能将退出车辆进入驱动模式。

通过上述技术方案分析可知，传统燃油车的防溜坡功能通常需要使用机械制动系统参与实现，但对于电动汽车来说，可以一定程度上不需要机械制动系统，也无须增加太多零部件，仅靠电机本身就能实现防溜坡功能。因为，电动汽车的驱动执行器为电动机，电动机可以承受一定的堵转运行，因此在电动汽车在坡道起步阶段，只需要使用电动机持续输出抵消扭矩就可实现防止车辆后溜的目的。

2  电动汽车防溜系统设计

由于电动汽车的动力输出机理和传统燃油汽车完全不同。内燃机在停机时没有转矩输出，而电机可以在转子静止的状态下输出全额扭矩[9]。因此，只需控制动力传动系统的输出转矩与负载转矩相平衡，即可实现电动汽车在坡道上静止。

本文设计的电动汽车防溜功能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、挡位、整车控制器（VCU，Vehicle Control Unit）、电机控制器（MCU，Motor Control Unit）及电机、动力电池包、陀螺仪组成，系统结构如图2所示。

在防溜控制系统中，整车控制器VCU监测钥匙信号、挡位信号、踏板状态信号，按照约定好的通信协议（如CAN总线协议）将防溜控制命令发送给电机控制器MCU。本电动汽车防溜控制系统各组成部分的功能和工作原理如下所述：

①整车控制器VCU检测钥匙信号，用于判断车辆是否处于可启动状态。②整车控制器VCU检测挡位信号，用于发送车辆的驱动命令是前进或者后退模式，判断车辆是否处于前进挡状态，以便防溜坡策略判断车辆是否允许进入防溜坡工作模式。③整车控制器VCU检测加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，用于判断驾驶员是否有加速或者制动请求，以及计算请求百分比，以便防溜坡策略判断车辆是否允许进入防溜坡工作模式[10]。④整车控制器VCU在车辆行驶过程中需要检测车辆的倾角状态。如果整车处于预防溜坡状态时，整车防溜控制系统中的陀螺仪用来完成车辆倾角检测功能，并将倾角值发送给VCU。VCU实时接收陀螺仪的倾角值，计算出当前需要的转矩，并把该初始防溜扭矩信号发给电机控制器MCU。如果整车处于防溜坡状态时，VCU接收倾角值，利用制定好的驱动电机扭矩控制算法，用于防溜扭矩值的实时微调。⑤在防溜系统中，电池系统为电动汽车的动力源，用于车辆行驶和车辆防溜坡时为电机控制器和驱动电机供电。⑥在防溜系统中，电机控制器MCU根据VCU发送的方向命令和扭矩命令驱动电机运行。⑦在防溜系统中，电机轴与车辆变速箱相连，为车辆提供动力，驱动车轮转动。

3  电动汽车防溜策略实现

根据防溜坡策略的需求，将整车防溜坡工作模式分为预防溜坡模式、防溜坡模式和防溜坡退出模式。图3为预防溜坡模式、防溜坡模式控制策略的流程图，图4为防溜坡退出模式流程图。

①在整车防溜坡系统中，VCU与MCU共同协作完成车辆防溜坡功能，VCU进行模式切换的判断和防溜扭矩给定，MCU进行电机运行状态检测和扭矩命令执行。VCU采集车辆的档位状态和踏板状态，MCU检测电机旋转方向、电机转速以及当前电机执行扭矩大小并反馈给VCU，VCU根据当前电机转速、电机执行扭矩值、电机转速变化率及整车倾角值判断是否进入防溜工作模式。②当车辆处于前进挡时，并且加速踏板和制动踏板都没有被踩下时，或者VCU检测到加速踏板踩下深度较浅时，VCU被触发执行防溜判断。当电机转速低于预防溜最小转速值，且MCU执行扭矩较小时，VCU将会判定整车进入预防溜坡状态。并且此时，VCU根据当前电机转速和整车倾角值等信息开始计算整车需求的防溜扭矩，电机控制器第一时间响应该参考初始防溜扭矩。当后续电机转速小于最小触发极限转速时刻，VCU判定进入防溜工作状态。③这里可以制定PI控制算法，根据转速变化和实时倾斜角对防溜扭矩进行调节。将实时转速与防溜最小转速的差值作为防溜坡控制的输入量，基于陀螺仪实时采集到的车辆倾角值，计算出溜坡控制参数Kp、Ki，实现平稳调节输出防溜坡扭矩值。驱动电机系统在响应VCU发送的目标扭矩时实现了线性控制，从而避免了长时间大电流而损坏电机系统，以及车辆驻坡时的抖动。④当驾驶员踩下加速踏板后，VCU将会根据加速踏板踩下开度以及当前车辆的整车状况计算驱动扭矩值，并判断驱动扭矩值是否大于当前防溜坡的输出扭矩时，若大于则整车将再次进入预防溜坡模式，VCU发送驱动扭矩命令，（当电机转速提高到足够转速以上时，VCU才会真正停止防溜坡运算工作，退出预防溜模式）否则VCU一直处于防溜工作状态，VCU计算防溜扭矩。当驾驶员踩下制动踏板时，VCU首先进入预退出防溜坡状态，并在一个较短的时间内退出预防溜坡模式，进入制动模式，响应制动踏板的指令。⑤该种控制方法只能防住一定角度的坡道，如果坡道过大，车辆将出现后溜现象，建议坡度过大时通过手刹辅助驻车。处于防溜坡状态的电机控制器并不能持续进行防溜坡运行，需要隔一段时间退出一次防溜坡，以防止电机及电机控制器出现堵转而过热。

4  结束语

本文在研究了现有电动汽车的电机转速扭矩控制和整车控制器的基本原理基础上，在不过多增加车辆硬件设备的前提下设计了一套电动汽车防溜坡控制系统，该系统中的整车控制器为防溜坡控制的核心，完成防溜坡进入和退出的判断，整车控制器与电机控制器配合完成车辆扭矩的输出，达到车辆防溜坡的效果。本文设计的防溜坡系统不仅可以用于前向防溜坡，也可以用于后向防溜坡，实现策略相同，只是防溜进入条件有所不同。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。

参考文献：

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[2]莫旭辉，朱园园，杨辉.电动汽车坡道起步电机转速控制研究[J].计算机仿真，2018，35（4）：107-111，324.

[3]王洪亮，苑庆泽，钟焕祥，等.基于EPB的汽车坡道起步自动控制技术[J].北京理工大学学报，2014，34（4）：334-348.

[4]张庆，熊会元.單速比电动汽车坡道起步控制研究[J].机械传动，2016，040（009）：132-136.

[5]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.

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[7]王超，罗文华.汽车坡道起步防溜系统设计[J].大众科技， 2011（011）：140.

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[10]汪斌，刘天虎，晏萌，等.纯电动汽车电机辅助驻坡及坡道起步控制系统及方法，CN106515507A[P].2017.