一种提升电动背门关闭运行时间精度方法

鲁伟 戴乐宏 刘海禄 文婷 明小兵

摘  要：本文分析了车内空气压力对电动背门关闭过程的影响，提出一种智能适应车内静压变化关闭电动背门控制方法，将背门在不同工况下的关闭时间都控制在较窄的目标区间内。试验证明，在不增加系统零部件情况下，改善了背门关闭品质。

关键词：电动背门；静压

中图分类号：U463.83      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2023）04-0023-06

Method for Improve Accuracy of Closing Operation Time of Electric Tailgate

LU Wei， DAI Le-hong， LIU Hai-lu， WEN Ting， MING Xiao-bing

（ Lantu Automobile Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： In this paper， the influence of air pressure in the vehicle on the closing process of the electric back door is analyzed， and a control method for closing the electric back door that intelligently adapts to the change of static pressure in the car is proposed， which controls the closing time of the back door in a narrow target range under different working conditions. Tests have shown that the quality of the back door closure is improved without adding system components.

Key Words： Electric Tailgate; Static Pressure

汽车电动背门，由电驱动方式开启或关闭，提升了用户体验。但在不同工况下车内空气静压力不同，对背门关闭形成的阻力不同，导致背门关闭速度有明显差异，同时对关门音品质产生影响。极端情况下，会导致背门关闭功能失效。

电动背门关闭逻辑（如图1），背门ECU接到关门信号发出指令，电撑杆以预先标定的力矩驱动背门关闭。工程设计为保证最恶劣工况实现背门关闭功能，一般在车内静压工况最恶劣（最大）情况下，不误防夹而无法关闭背门，即按最大阻力匹配设计的关闭背门速度。但当整车处于全通风状态时，车内静压最小，背门关闭阻力大幅降低，背门将会以较快的速度砸进全锁，砸锁声品质差，引起客户抱怨。如图2、3，对各种车内静压下关闭背门时间测量，车内静压越小，背门关闭阻力越小，关闭时间越短。各种工况下背门关闭运行时间在 5.1～6.5s，波动较大。

背门开启过程，车内静压变化影响对功能和品质感知较不明显。本文将研究重在关闭过程。

本文提出一种智能适应车内静压变化关闭电动背门控制方法，在不增加系统零部件情况下，优化关闭背门控制逻辑，提升关门品质感。背门控制器（ECU）通过BCM和AC识别车辆密封状态（车门、车窗、天窗开度状态）及空调鼓风机速度等级，并作出判断，选择预先设计标定预存的三种速度模式驱动背门关闭，通过经验及相关实验，使所有工况下背门关闭时间都在较窄的目标区间内（例如标准5.3-6.3s），以使客户感知电动背门关门品质始终处于一个最优的状态上。

1    电动背门关闭过程力学模型解释

1.1   電动背门关闭过程任意瞬间系统力矩平衡

电动背门关闭过程任意瞬间力矩平衡：

动力矩-阻力矩=有效驱动力矩。

其中动力矩=背门重力矩；阻力矩=电撑杆提供的力矩+密封条反力矩+锁扣反力矩+铰链的扭矩+限位器反力矩+背门静压反力矩。即：

动力矩：

阻力矩：

有效驱动力：

（1）

式中：

传统电动背门关闭过程，背门重力矩、电撑杆提供的力矩、密封条反力矩、锁扣反力矩、铰链的扭矩、限位器反力矩随背门运动角度变化，在任意瞬时角度力矩及力臂均为常量。根据公式（1）可知：有效驱动力随车内静压增大而减小，随车内静压减小而增加。

1.2   电动背门关闭过程任意瞬间驱动力与关门瞬时速度关系

有效驱动力对背门作用，根据动量定理：

Δt = mV                        （2）

式中：

背门质量：m        背门关闭瞬时速度：V

根据公式（2）可知：背门关闭瞬时速度随有效驱动力增大而增大，随有效驱动力减小而减小。

1.3   电动背门平均关闭速度与关闭时间关系

由于同一车型背门最大开启角度相同，背门关闭行程为常量，根据公式：

S = V × t                            （3）

背门关闭行程：S

背门平均关闭速度：V    背门平均关闭时间： t

根据公式（3）可知：背门关闭平均速度越大，关闭时间越短。

根据公式（1），車内静压变化，有效驱动力随之反相关变化；根据公式（2），背门关闭速度随有效驱动力正相关变化。如图2所示，当车身密封状态（车门、车窗、天窗开度状态）或空调鼓风机风速变化时，不同工况下车内静压16-85Pa变化，波动较大。车内静压不同工况背门关闭速度随之剧烈变化；根据公式（3），背门关闭行程不变，不同工况下关闭平均速度剧烈变化，造成电动背门关闭运行时间波动较大。

2    现状分析

2.1   各工况下背门关闭运行时间过程能力分析

生产线每批次抽取5台车，共6个批次30台车，按图2所示10种工况，读取电动背门控制器（ECU）记录的背门关闭运行时间（设计各工况标准关闭时间5.3-6.3s），计算过程能力如图4，天窗打开、车门打开、车窗打开、风速7档、8档PPK＜1.33，过程能力不足；无风、风速3、4、5、6档PPK＞1.33，过程能力充足。

2.2   矛盾产生与分析

如图5所示：当背门关闭平均速度按最恶劣工况（全车非通风，空调风速7、8档）设计与标定，可保证最恶劣工况背门正常关闭，但在最优工况下（全车通风状态），关闭运行时间偏短。

如图6所示：当背门关闭平均速度按一般工况（全车非通风，空调无风或低风速）设计与标定，可保证大部分工况背门关闭时间满足要求，但在最优工况时，背门关闭时间偏短；但在最恶劣工况下，背门关闭运行时间偏长，且易产生误防夹回退打开。

3   运用TRIZ技术预先作用原理寻求解决方案

3.1   功能模型分析

对电动背门关闭过程力学模型中公式（1）（2）（3）分析。为实现公式（3）中波动小的背门关闭时间（t）目标，需确保各工况下背门平均关闭速度（）波动小。结合公式（2），满足背门关闭速度波动小，需要有效驱动力（）波动尽量小。结合公式（1），通过图8三种工况等级车内静压划分，为实现有效驱动力（）波动控制在较小范围内，设计匹配三种电撑杆驱动力矩平衡车内静压力矩波动，即可达成目标。

根据现状各工况下背门关闭运行时间。如图7的坐标轴的纵坐标上设置两条水平的上下限线，则上下限线在曲线上对应的横坐标分为三个部分，横坐标最左边对应的运行时间相对偏短，则该段采用较大电撑杆力矩模式以保证其运行时间能够处于上述的标准区间；横坐标最右边对应的运行时间相对偏长，因此采用较小电撑杆力矩模式以保证其运行时间也能够处于标准区间。通过上述方式能够将关门时间进行优锁化，使得其在一个标准的区间内。

（1）整车通风（天窗或车门或车窗打开）可预先设计标定的较大电撑杆驱动力矩模式1减速，使其达到运行时间目标区间；

（2）整车非通风（风速7档或8档）可预先标定较小电撑杆驱动力矩模式3加速，使其达到运行时间目标区间。

根据现状各工况下背门关闭运行时间，将电撑杆提供的力矩按工况划分为三种模式（如图8），使所有工况下背门关闭时间都在目标区间内。

3.2   控制逻辑优化

在不增加系统零部件情况下，优化驱动电撑杆控制逻辑，背门ECU通过BCM和AC识别车辆密封状态及空调鼓风机速度等级，并作出判断，根据预先标定预存的三种电撑杆力矩模式驱动背门关闭，使所有工况下背门关闭时间都在目标区间内，如图9：

3.3   信号交互实现

3.3.1《CAN 总线通讯规范》增加车门、天窗、空调状态信号

如图10，天窗开度、天窗运行区间；

左/右前门状态、左/右后门状态；

左/右前车窗状态、左/右后车窗状态；

开通背门控制器（ECU）读取车门、车窗、天窗开度及空调风速的权限，并根据预先标定的对应电撑杆力矩模式，驱动背门关闭。

3.3.2 新型电动背门关门配置功能定义

如图11相对传统电动背门产品功能定义新增预先标定的三种关门电撑杆力矩模式，根据图2所示不同工况下的车内静压变化，划分为如图11所示最优工况（整车通风状态）、一般工况（整车非通风、空调风速≤6档）、最恶劣工况（整车非通风、空调风速7、8档），并标定相应的电撑杆力矩模式1、电撑杆力矩模式2、电撑杆力矩模式3，便于背门控制器（ECU）根据实际情况调用。电动背门可根据整车通风状态、空调外循环风速档位等工况配置不同的电撑杆力矩模式，保证各工况下以恒定时间关闭背门。开门速度在整车标定完成后设定为固定值，每次运行时不随整车状态变化。此功能仅为优化背门关门品质，当检测到信号条件不满足时，需优先保证整车开关门功能。

3.3.3 各整车工况与背门关门电撑杆力矩模式划分对应关系

如图12本文仅完成3级速度划分，随着车机算力提升，也可按此方法实现4级、5级，甚至无极速度划分。

通过更新《电动背门产品功能定义》增加电动背门配置功能，从而实现车身密封状态和空调鼓风机速度信号释放与接收。

4    实车测试验证效果

本文所提背门系统关闭时间是根据理论模型初步设计，并叠加考虑满足制造公差标定而来。不排除某批次制造超差，带来的时间偏差，但这属于产品制造一致性研究范畴，非本文重点，故文中选取的样车均是满足制造公差。在背门控制器软件逻辑设计变更后，生产导入，在生产线每批次抽取5台车，共6各批次30台车，每台车在按图2所示10种工况条件下，分别通过读取电动背门控制器（ECU）记录背门关闭运行时间，整理10种工况下30台车背门关闭时间，并计算其关闭时间PPK，如图13，各工况下30台车的背门关闭时间PPK均大于1.33，可判断过程能力稳定，优化后各工况下背门关闭时间满足目标要求，方案有效。

5    结论

本文根据电动背门关闭过程力学模型，采用TRIZ预先作用原理，将空气阻力分为三种情形，对应设置三种驱动模式，使背门在不同工况下关闭时间趋向一致。

本文研究的车辆处于水平道路上。对于有车辆姿态监控的车辆，可以将姿态信号综合纳入背门关闭速度标定。

参考文献：

[1]黄天泽. 汽车车身结构与设计[M]. 机械工业出版社，2011.2.

[2]朱茂桃、智淑亚. 汽车车身现代设计[M].国防工业出版社，2014.3.

[3]马建永. 设计六西格玛[DFESS]绿带课程[M].长安汽车股份有限公司，2009.2.

[4]王贞涛. 流体力学与流体机械[M].机械工业出版社，2015.8.

[5]莫乃榕. 工程流体力学[M].华中科技大学出版社，2000.8.