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纯 电动 汽 车 整车驱动控制策略. 纯电动汽车作为一种节能 、无污染的理想 “ 零 排放 ” 汽车 , 是 21 世纪汽车工业重要的发展趋势 。 随着环保及节能意识的增强 , 纯电动汽车的开发 和应用日益受到世界各主要汽车生产国和大型汽 车企业的重视 。 整车控制器是纯电动汽车运行的核心单元 , 担负着整车驱动控制 、能量管理 、整车安全及故障 诊断和信息处理等功能 , 是实现纯电动汽车安全 、 高效运行的必要保障 。整车控制策略作为整车控制器的软件部分 , 是整车控制器的核心部分 。. 1.1 纯 电动 汽 车 动力系统结构.
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纯电动汽车作为一种节能 、无污染的理想“零 排放 ”汽车 ,是 21 世纪汽车工业重要的发展趋势 。 随着环保及节能意识的增强 , 纯电动汽车的开发 和应用日益受到世界各主要汽车生产国和大型汽 车企业的重视 。 • 整车控制器是纯电动汽车运行的核心单元 , 担负着整车驱动控制 、能量管理 、整车安全及故障 诊断和信息处理等功能 ,是实现纯电动汽车安全 、 高效运行的必要保障 。整车控制策略作为整车控制器的软件部分 ,是整车控制器的核心部分 。
1.1 纯电动汽车动力系统结构 纯电动汽车主要由三个子系统组成: 电驱动系统、能源系统和辅助系统。 电力驱动子系统包括电子控制器、功率转换器、电机、机械传动装置。能源子系统包括能源及能量管理系统。辅助系统包括助力转向单元、温控单元和辅助动力供给单元等。根据驾驶者从加速踏板和制动踏板发出的信号，电子控制器发出相应的控制信号以控制功率转换器功率器件的开关。 功率转换器的作用是调节电机和能源间的能源流。能量的回流是因为纯电动汽车制动能量的再生，该能量被能量源吸收。应指出的是多数纯电动汽车的电池、超级电容器和飞轮都能吸收制动再生能量。 能量管理单元与电子控制器一起控制可再生制动，从而实现系统能量流的最优化。能量管理单元控制能量并监测能源的使用情况。辅助动力供给系统向所有的纯电动汽车辅助装置提供不同电压的电源。
1.2 整车驱动控制策略的分析与设计 • 纯电动汽车驱动系统中主要有电机驱动装置，传动系统，动力电池等。必须有一个性能优越、安全可靠的整车控制策略，从各个环节上合理控制车辆的运行状态、能源分配和协调功能，以充分协调和发挥各部分的优势，使汽车整体获得最佳运行状态。整车控制策略主要包括: • (一) 汽车驱动控制。根据司机的驾驶要求、车辆状态、道路及环境状况，经分析和处理，向电机控制器发出相应指令，满足驾驶要求。 • (二) 制动能量回馈控制。根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息，计算再生制动力矩，向电机控制器发出指令。 • (三) 整车能量优化管理。通过对车载能源动力系统的管理，提高整车能量利用效率，延长纯电动汽车的续驶里程。 • (四) 车辆状态显示。对车辆某些信号进行采集和转换，由主控制器通过综合数字仪表显示出来。
1.3 整车驱动控制策略的分析与设计 • 车辆需要在满足驾驶员意图，汽车的动力性、平顺性和其他基本技术性能以及成本控制等要求的前提下选择合适的控制策略。针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在电机、电池之间的合理而有效分配、使整车 系统效率达到最高，获得整车最大的经济性以及平稳的驾驶性能。在设计纯电动汽车的时候，首先要在保证汽车基本性能的前提下降低汽车的能量消耗，提高车辆的续驶里程。同时还要兼顾电池的寿命，并充分考虑驾驶员的驾驶意图、汽车的平顺性以及安全性。 • 基于上述原则，制定控制策略的思路为: 实时考虑行驶工况，电池SOC值等影响因素，根据规则将转矩合理地分配给电机。同时限定电机的工作区域和SOC值的范围，确保电机和动力电池能够长时间保持高效的状态。若出现问题，系统可根据预先设定的规则对纯电动车辆系统的工作模式进行判断和选择。最终，在整车控制器与电机控制器中形成一个实时控制的闭环系统。这样既能保证驾驶员驾驶意图能够得到充分满足，也能够对车辆状态进行控制，保证安全性和舒适性。
1.4 整车驱动控制策略的分析与设计 • 整车驱动控制策略的核心是根据驾驶员动作分析其驾驶意图,并综合考虑动力系统状态，计算驾驶员对电机的期望转矩，然后向电机驱动系统发出指令，使纯电动轿车的行驶状态尽可能快速、准确地达到工况要求和满足驾驶员的驾驶目的。 • 转矩控制策略可以实现加速转矩控制、制动能量回馈、驱动转矩的功率限制等主要功能以及驻坡、怠速爬行、WTO 转矩补偿、跛行回家等辅助驱动功能。
2. 1 加速转矩控制策略 • 加速转矩控制策略直接影响整车驾驶的动力性和舒适性。加速踏板开度与加速转矩函数关系形成不同的加速转矩控制策略。如图2所示, 曲线1、2和3分别表示3种加速踏板处理策略 。 曲线1反映了一种硬踏板策略，能够满足驾驶员中高负荷的驾驶感觉，但低负荷时操控性不好。曲线3反映了一种软踏板策略，车辆加速感觉整体偏软，但低负荷操控性较好。曲线2是一种线性踏板策略，能够反映踏板实际位置，控制效果介于曲线1和3之间。
2. 1 加速转矩控制策略 • 结合电机的外特性曲线，就可以得到纯电动车的动力特性图，即加速转矩MAP, 如图3所示。最下部曲线是加速踏板回零时的电机滑行制动转矩，模拟传统车发动机的倒拖阻转矩，并转化为电能储存到蓄电池中 。
2. 2 制动能回馈控制策略 制动能量回馈是电动汽车(包括纯电动车、混合动力车和插电式燃料电池车)的标志性功能。制动能量回馈控制的原则是在最大程度提高能量回馈的同时，确保电制动与机械制动的协调控制，以保证汽车制动力的要求。 考虑到本项目车机械制动系统不可调整，而且只有制动踏板开关传感器，实施了纯软件的轻度制动能量回馈控制策略。制动踏板踩下时，回馈制动功能激活，回馈制动转矩与车速的函数关系如图4所示 。
2. 2 制动能回馈控制策略 • 在车速很低的爬行区，回馈能量与回馈路径能量损耗基本相抵，回馈效率很低且会明显影响驾驶员制动感觉，故不进行制动能量回馈 。在低速区,电机具有一定转速，施以较低制动转矩，尽量回收制动能量。高速区时车辆惯性动能很高，可以施加较高制动转矩而不影响驾驶员制动感觉。但由于缺少制动踏板开度信号，该策略的再生制动所占总制动比例较小，具体数值通过实车标定得到。为了保护动力蓄电池，回馈电流不能超过蓄电池最大充电电流，SOC过高时取消电机再生制动 ,因为很容易导致电池电压过高而且电池充电难度也增加。同时，ABS功能启动时,必须取消电机再生制动 。
2. 3 驱动转矩的功率限制策略 • 该策略是为了保护能源系统、电机驱动系统及整车安全运行。 • 在能源系统能量不足时，若整车控制器强制按照驾驶员期望转矩，极易引起能源系统自保高压断电或损坏能源系统,造成事故,因此在这种情况下必须限制电机输出转矩。驱动转矩的功率限制策略实时根据三大高压子系统状态，计算蓄电池功率、电机功率及高压辅助系统消耗功率，上策是通过减少高压辅助系统能量供给来最大可能满足驾驶员动力需求，若仍然能量供需不平衡，下策就是限制电机功率需求 。 式中:Poversysload为动力系统过载限制的驾驶员期望功率; Pexp为驾驶员期望功率(n为电机转速); Pbatmaxdis为蓄电池最大放电功率,与SOC成正向关系; Paux为高压辅助系统消耗功, 包括冷却系统及空调系统等。 驱动电机过载，发热量增加，引起温升过大，从而导致电机驱动系统自保而清除转矩需求或烧毁电机驱动系统，造成事故。因此驱动转矩的功率限制策略从过载倍数和过载时间两个方面加以控制。过载倍数与加速踏板开度呈线性关系，当加速踏板开度超过设定开度阈值,电机过载运行,满足驾驶员急加速需求，过载倍数可以从图3加速转矩MAP得到。过载时间根据电机温度特性确定，整车控制器接收电机驱动系统反馈的电机温度，并根据设定的电机温度过高阈值限制过载转矩 。
2. 4 辅助驱动控制策略 • 开发的辅助驱动功能是为了模拟传统轿车所具有的驱动功能，以确保驾驶感觉和习惯的一致性。 • 怠速爬行功能是模拟带液力变矩器、自动变速器的传统轿车在停车状态下驾驶员释放制动踏板、不踩加速踏板汽车也会缓慢向前爬行的过程。驻坡功能用于车辆坡道起步，在驾驶员松开制动踏板到踩下加速踏板的过程中提供驻坡转矩，短时间内防止车辆倒溜，实现平稳起步。驻坡转矩是怠速爬行转矩在负车速段的延伸,如图5所示, 辅助驱动转矩与车速函数关系示意图。驻坡功能运行可标定时间内, 若驾驶员没有反倒溜动作, 则取消驻坡转矩。怠速爬行时，车辆行驶阻力矩与怠速爬行转矩平衡点，即为车辆怠速爬行速度。图5所示的车速——滑行制动转矩对应于图3的转速——电机滑行制动转矩。辅助驱动转矩MAP需要实车标定，与道路坡度、路况相关，且不能超过电机最大转矩限值。
3 其他控制策略 • WTO转矩补偿功能用于模拟传统轿车节气门全开，发动机额外补偿转矩的功能。整车控制器检测到加速踏板踩到底，W TO转矩补偿策略计算额外转矩，加速转矩控制策略计算加速转矩，二者共同向电机驱动系统提出转矩需求。跛行回家转矩与SOC相关，当SOC很低时，能源系统能量不足，跛行回家功能激活，确保车辆能够缓慢回家。
综合以上分析 , 整车驱动控制策略的设计结果如图下图所示
纯电动汽车驱动系统中主要有电机驱动装置，传动系统，动力电池等。 对于同一种电动汽车来说，采用不同的控制策略可以得到不同的整车性能，能耗情况和电池的SOC状态值。在设计纯电动汽车的时候，要明确开发目的，在保证汽车基本性能的前提下降低汽车的能量消耗，提高车辆的续驶里程。
燃料电池电动汽车能量流控制策略 燃料电池汽车的核心是燃料电池，其电流——电压特性曲线如图1所示。从图中可以看出，燃料电池在加负载的起始阶段，电压Ufc迅速下降，并且随着负载的增加，电流(功率)增大，输出电压也随着曲线以比普通电池大得多的斜率下降，即是说燃料电池的输出特性相对较软; 此外，输出功率的波动会导致燃料电池效率η的下降 。
能量流控制系统的工作原理 燃料电池汽车的能量流控制系统的工作原理框图如图2所示，其中，PL为电动机及其他用电设备的功率; PBAT为电池组功率，正值表示放电，负值表示充电; PFC为燃料电池的供电功率。能量管理系统主要由能量流控制器、燃料电池 、Ni2Mh电池组 、DC/DC变换器和CAN光纤总线等几个部分组成，粗实线箭头表示能量流动的方向 。
能量流控制策略 • 在系统中，燃料电池是主能源，整车用电(包括给Ni2Mh电池组充电)几乎全部由其产生; Ni2Mh电池组为辅助能源，在燃料电池正常工作发出电能之前，由Ni2Mh电池组通过直流母线直接向燃料电池控制系统和其他用电设备(如车灯等)供电，待燃料电池正常起动完成并发出电能之后，主要由燃料电池经直流母线向外供电。在负载较轻时，根据镍氢电池组的SOC值，也可给电池组充电; 在加速或者爬坡等重载情况下，镍氢电池组也与燃料电池一起向母线上的负载供电; 在电机制动时，回馈的能量可以设定的回馈深度经母线向蓄电池充电，实现能量的充分利用。可见通过燃料电池和镍氢电池的组合使用，既可以让燃料电池长时间、高效、稳定向外供电，又能发挥镍氢电池组响应快、能量回馈容易等特点，以弥补燃料电池由于成本和体积等方面因素导致最大功率难以提高的不足和无法实现再生能量回收的缺陷。实现功率分配的另一个重要部件是DC/DC变换器，该系统中选用美国某公司的产品，不仅可以实现母线电压的恒定，而且可以通过CAN总线接收控制命令，调节燃料电池的功率输出，并发布各种相关状态信息。
