纯电动轿车整车驱动控制策略开发实践

新能源汽车收稿日期:2010-02-24纯电动轿车整车驱动控制策略开发实践 窦国伟　刘　奋　程　浩　柯小军　寇攻红　(上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部,上海　201804)【摘要】　针对纯电动轿车系统方案,设计了整车驱动控制策略,包括加速转矩控制、制动能回馈、驻坡、怠速爬行等功能,以满足整车驾驶性能要求,最后通过道路试验数据对设计的控制策略进行验证。

【Ab s trac t 】　For an electric vehicle,the vehicle driving contr ol strategy is designed ,which in 2cludes the functi ons of po wer -pedal t orque contr ol,hill holding,regenerative braking and idle creep 2ing t o meet the require ment of vehicle drivability .Finally,the p r oposed vehicle contr ol strategy is vali 2dated with the r oad test data .【主题词】　电动汽车　控制系统　研究0　引言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。

本文着重讨论一款自主开发纯电动轿车的整车驱动控制策略的设计开发,同时在较为复杂的路面状态下对该策略进行了测试,验证了它的可行性和有效性。

1　纯电动轿车动力系统结构纯电动轿车的基本结构可分为4个子系统,即能源子系统、电机驱动子系统、高压辅助子系统和整车控制器,如图1所示。

图1　纯电动轿车动力系统结构示意图能源子系统由动力蓄电池及其能源管理系统构成,能源管理系统是实现动力蓄电池利用状态监控及安全保护、能量再生等功能的关键部件;高压辅助子系统主要为车辆正常运行和人员舒适驾乘提供保障,具有动力系统冷却、空气调节等功能;电机驱动子系统由电控系统、驱动电机等组成,它将能源子系统输出的电能转化为驱动车辆的动能,或将车辆的动能转化为电能回收到能源子系统中,是纯电动轿车的关键组成部分。

整车控制器作为上层控制单元采集驾驶员操・8・上海汽车　2010105 新能源汽车作输入信号,统筹管理电机驱动子系统、能源子系统及高压辅助子系统的运行,向它们发送有效的控制组合指令,保证车辆按照驾驶员驾驶意图安全、可靠、正确地运行。

2　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、W T O 转矩补偿、跛行回家等辅助驱动功能。

整车输出转矩与驾驶员动作信号(加速踏板开度、制动踏板开关、档位)、电机驱动系统状态(电机转速、电机温度)、能源系统状态(蓄电池电压、电流、、SOC )相关,转矩模型数学函数可表达为:T exp =f (A CC ,B PP ,Gear,MoterSpd,MoterTe mp,Batt V ol,Batt Cur,Max D is,MaxChar,SOC )式中:T exp 为驾驶员期望转矩;A CC 为加速踏板开度、表征驾驶员对驱动转矩的需求程度;B PP 为制动踏板开关,该车中没有制动踏板开度信号,表征制动能回馈能力;Gear 为档位,该车采用自动排档,有P 、R 、N 、D 4个档位,表征驾驶员是否需求驱动转矩及需求方式;MoterSpd 为电机实际转速,决定电机的转矩MAP 和工作特性,反映当前车速;MoterTe mp 为电机温度,包括电机本体温度及其控制器温度,决定电机过载能力;Batt V ol 为动力蓄电池电压;Batt 2Cur 为动力蓄电池电流;Max D is 、MaxChar 为动力蓄电池最大充放电功率;SOC 为动力蓄电池荷电状态,同其电压、电流及最大充放电功率,从保护能量输出源角度对电机转矩做策略限制。

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。

图2　加速转矩控制策略示意图曲线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。

本项目车通过道路试验选取了曲线2作为加速转矩控制策略,并根据驾驶感觉做了曲线标定。

再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。

至于回馈转矩的转速起讫点和回馈转矩数值,与能源系统和电机驱动系统状态相关,可通过试验标定。

图3　加速转矩MAP2.2　制动能回馈控制策略・9・　上海汽车　2010105新能源汽车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。

图4　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。

P oversysload =M I N (P exp ,(P bat max dis -P aux ))式中:P oversysload 为动力系统过载限制的驾驶员期望功率;P exp 为驾驶员期望功率(n 为电机转速);P bat max dis 为蓄电池最大放电功率,与SOC 成正向关系;P aux 为高压辅助系统消耗功率,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　辅助驱动控制策略本项目车上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・01・上海汽车　2010105 新能源汽车要实车标定,与道路坡度、路况相关,且不能超过电机最大转矩限值。

图5　辅助驱动转矩功能示意图W T O 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 T O 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6所示。

3　整车驱动控制策略的试验验证整车控制策略快速原型开发完成并下载到基图6　整车驱动控制策略示意图于D2P 的硬件平台上,同时完成纯电动轿车的样车的装配,进行磨合路试,利用CANalyzer 工具接通车辆OBD 诊断口实时监控和记录动力系统CAN 网络信息,同时利用硬件平台自身的标定工具监控和标定整车控制器内部变量,验证和优化整车控制策略功能,本节的侧重点是整车驱动控制策略功能的试验验证。

图7所示为起步加速过程。

加速转矩控制策略计算的加速转矩指令紧随加速踏板开度增加而增加,车速平稳上升。

松开加速踏板,加速转矩指令降为0,车辆滑行运行,回收少量滑行制动能量,踩下制动踏板,制动能回馈控制策略激活,回收部分制动能量,车速下降。

图8所示为怠速爬行过程。

加速踏板始终为踩下,刚松开制动踏板时,怠速爬行转矩最大,爬行转矩随车速提高而减小,最终平衡于车辆行驶阻力,爬行速度稳定在5k m /h 左右。