純電動汽車控制策略

1、純電動汽車作為一種節(jié)能 、無污染的理想“零 排放 ”汽車 ,是 21 世紀汽車工業(yè)重要的發(fā)展趨勢 。 隨著環(huán)保及節(jié)能意識的增強 , 純電動汽車的開發(fā) 和應(yīng)用日益受到世界各主要汽車生產(chǎn)國和大型汽 車企業(yè)的重視 。整車控制器是純電動汽車運行的核心單元 , 擔負著整車驅(qū)動控制 、能量管理 、整車安全及故障 診斷和信息處理等功能 ,是實現(xiàn)純電動汽車安全 、 高效運行的必要保障 。整車控制策略作為整車控制器的軟件部分 ,是整車控制器的核心部分 。純電動汽車主要由三個子系統(tǒng)組成: 電驅(qū)動系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。電力驅(qū)動子系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電機、機械傳動裝置。能源子系統(tǒng)包括能源及能量管理系統(tǒng)

2、。輔助系統(tǒng)包括助力轉(zhuǎn)向單元、溫控單元和輔助動力供給單元等。根據(jù)駕駛者從加速踏板和制動踏板發(fā)出的信號，電子控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號以控制功率轉(zhuǎn)換器功率器件的開關(guān)。功率轉(zhuǎn)換器的作用是調(diào)節(jié)電機和能源間的能源流。能量的回流是因為純電動汽車制動能量的再生，該能量被能量源吸收。應(yīng)指出的是多數(shù)純電動汽車的電池、超級電容器和飛輪都能吸收制動再生能量。能量管理單元與電子控制器一起控制可再生制動，從而實現(xiàn)系統(tǒng)能量流的最優(yōu)化。能量管理單元控制能量并監(jiān)測能源的使用情況。輔助動力供給系統(tǒng)向所有的純電動汽車輔助裝置提供不同電壓的電源。 純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中主要有電機驅(qū)動裝置，傳動系統(tǒng)，動力電池等。必須有一個性能優(yōu)越、安全

3、可靠的整車控制策略，從各個環(huán)節(jié)上合理控制車輛的運行狀態(tài)、能源分配和協(xié)調(diào)功能，以充分協(xié)調(diào)和發(fā)揮各部分的優(yōu)勢，使汽車整體獲得最佳運行狀態(tài)。整車控制策略主要包括:(一) 汽車驅(qū)動控制。根據(jù)司機的駕駛要求、車輛狀態(tài)、道路及環(huán)境狀況，經(jīng)分析和處理，向電機控制器發(fā)出相應(yīng)指令，滿足駕駛要求。(二) 制動能量回饋控制。根據(jù)制動踏板和加速踏板信息、車輛行駛狀態(tài)信息、蓄電池狀態(tài)信息，計算再生制動力矩，向電機控制器發(fā)出指令。(三) 整車能量優(yōu)化管理。通過對車載能源動力系統(tǒng)的管理，提高整車能量利用效率，延長純電動汽車的續(xù)駛里程。(四) 車輛狀態(tài)顯示。對車輛某些信號進行采集和轉(zhuǎn)換，由主控制器通過綜合數(shù)字儀表顯示出來。車

4、輛需要在滿足駕駛員意圖，汽車的動力性、平順性和其他基本技術(shù)性能以及成本控制等要求的前提下選擇合適的控制策略。針對各部件的特性及汽車的運行工況，控制策略要實現(xiàn)能量在電機、電池之間的合理而有效分配、使整車 系統(tǒng)效率達到最高，獲得整車最大的經(jīng)濟性以及平穩(wěn)的駕駛性能。在設(shè)計純電動汽車的時候，首先要在保證汽車基本性能的前提下降低汽車的能量消耗，提高車輛的續(xù)駛里程。同時還要兼顧電池的壽命，并充分考慮駕駛員的駕駛意圖、汽車的平順性以及安全性?；谏鲜鲈瓌t，制定控制策略的思路為: 實時考慮行駛工況，電池SOC值等影響因素，根據(jù)規(guī)則將轉(zhuǎn)矩合理地分配給電機。同時限定電機的工作區(qū)域和SOC值的范圍，確保電機和動力電

5、池能夠長時間保持高效的狀態(tài)。若出現(xiàn)問題，系統(tǒng)可根據(jù)預先設(shè)定的規(guī)則對純電動車輛系統(tǒng)的工作模式進行判斷和選擇。最終，在整車控制器與電機控制器中形成一個實時控制的閉環(huán)系統(tǒng)。這樣既能保證駕駛員駕駛意圖能夠得到充分滿足，也能夠?qū)囕v狀態(tài)進行控制，保證安全性和舒適性。整車驅(qū)動控制策略的核心是根據(jù)駕駛員動作分析其駕駛意圖,并綜合考慮動力系統(tǒng)狀態(tài)，計算駕駛員對電機的期望轉(zhuǎn)矩，然后向電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令，使純電動轎車的行駛狀態(tài)盡可能快速、準確地達到工況要求和滿足駕駛員的駕駛目的。轉(zhuǎn)矩控制策略可以實現(xiàn)加速轉(zhuǎn)矩控制、制動能量回饋、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的功率限制等主要功能以及駐坡、怠速爬行、WTO 轉(zhuǎn)矩補償、跛行回家等輔助驅(qū)動功

6、能。加速轉(zhuǎn)矩控制策略直接影響整車駕駛的動力性和舒適性。加速踏板開度與加速轉(zhuǎn)矩函數(shù)關(guān)系形成不同的加速轉(zhuǎn)矩控制策略。如圖2所示, 曲線1、2和3分別表示3種加速踏板處理策略 。曲線1反映了一種硬踏板策略，能夠滿足駕駛員中高負荷的駕駛感覺，但低負荷時操控性不好。曲線3反映了一種軟踏板策略，車輛加速感覺整體偏軟，但低負荷操控性較好。曲線2是一種線性踏板策略，能夠反映踏板實際位置，控制效果介于曲線1和3之間。結(jié)合電機的外特性曲線，就可以得到純電動車的動力特性圖，即加速轉(zhuǎn)矩MAP, 如圖3所示。最下部曲線是加速踏板回零時的電機滑行制動轉(zhuǎn)矩，模擬傳統(tǒng)車發(fā)動機的倒拖阻轉(zhuǎn)矩，并轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中 。制動能

7、量回饋是電動汽車(包括純電動車、混合動力車和插電式燃料電池車)的標志性功能。制動能量回饋控制的原則是在最大程度提高能量回饋的同時，確保電制動與機械制動的協(xié)調(diào)控制，以保證汽車制動力的要求?？紤]到本項目車機械制動系統(tǒng)不可調(diào)整，而且只有制動踏板開關(guān)傳感器，實施了純軟件的輕度制動能量回饋控制策略。制動踏板踩下時，回饋制動功能激活，回饋制動轉(zhuǎn)矩與車速的函數(shù)關(guān)系如圖4所示 。在車速很低的爬行區(qū)，回饋能量與回饋路徑能量損耗基本相抵，回饋效率很低且會明顯影響駕駛員制動感覺，故不進行制動能量回饋 。在低速區(qū),電機具有一定轉(zhuǎn)速，施以較低制動轉(zhuǎn)矩，盡量回收制動能量。高速區(qū)時車輛慣性動能很高，可以施加較高制動轉(zhuǎn)矩而不

8、影響駕駛員制動感覺。但由于缺少制動踏板開度信號，該策略的再生制動所占總制動比例較小，具體數(shù)值通過實車標定得到。為了保護動力蓄電池，回饋電流不能超過蓄電池最大充電電流，SOC過高時取消電機再生制動 ,因為很容易導致電池電壓過高而且電池充電難度也增加。同時，ABS功能啟動時,必須取消電機再生制動 。該策略是為了保護能源系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)及整車安全運行。在能源系統(tǒng)能量不足時，若整車控制器強制按照駕駛員期望轉(zhuǎn)矩，極易引起能源系統(tǒng)自保高壓斷電或損壞能源系統(tǒng),造成事故,因此在這種情況下必須限制電機輸出轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的功率限制策略實時根據(jù)三大高壓子系統(tǒng)狀態(tài)，計算蓄電池功率、電機功率及高壓輔助系統(tǒng)消耗功率，上

9、策是通過減少高壓輔助系統(tǒng)能量供給來最大可能滿足駕駛員動力需求，若仍然能量供需不平衡，下策就是限制電機功率需求 。式中:Poversysload為動力系統(tǒng)過載限制的駕駛員期望功率; Pexp為駕駛員期望功率(n為電機轉(zhuǎn)速); Pbatmaxdis為蓄電池最大放電功率,與SOC成正向關(guān)系; Paux為高壓輔助系統(tǒng)消耗功, 包括冷卻系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)等。驅(qū)動電機過載，發(fā)熱量增加，引起溫升過大，從而導致電機驅(qū)動系統(tǒng)自保而清除轉(zhuǎn)矩需求或燒毀電機驅(qū)動系統(tǒng)，造成事故。因此驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的功率限制策略從過載倍數(shù)和過載時間兩個方面加以控制。過載倍數(shù)與加速踏板開度呈線性關(guān)系，當加速踏板開度超過設(shè)定開度閾值,電機過載運行,滿

10、足駕駛員急加速需求，過載倍數(shù)可以從圖3加速轉(zhuǎn)矩MAP得到。過載時間根據(jù)電機溫度特性確定，整車控制器接收電機驅(qū)動系統(tǒng)反饋的電機溫度，并根據(jù)設(shè)定的電機溫度過高閾值限制過載轉(zhuǎn)矩 。開發(fā)的輔助驅(qū)動功能是為了模擬傳統(tǒng)轎車所具有的驅(qū)動功能，以確保駕駛感覺和習慣的一致性。怠速爬行功能是模擬帶液力變矩器、自動變速器的傳統(tǒng)轎車在停車狀態(tài)下駕駛員釋放制動踏板、不踩加速踏板汽車也會緩慢向前爬行的過程。駐坡功能用于車輛坡道起步，在駕駛員松開制動踏板到踩下加速踏板的過程中提供駐坡轉(zhuǎn)矩，短時間內(nèi)防止車輛倒溜，實現(xiàn)平穩(wěn)起步。駐坡轉(zhuǎn)矩是怠速爬行轉(zhuǎn)矩在負車速段的延伸,如圖5所示, 輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與車速函數(shù)關(guān)系示意圖。駐坡功能運行

11、可標定時間內(nèi), 若駕駛員沒有反倒溜動作, 則取消駐坡轉(zhuǎn)矩。怠速爬行時，車輛行駛阻力矩與怠速爬行轉(zhuǎn)矩平衡點，即為車輛怠速爬行速度。圖5所示的車速滑行制動轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于圖3的轉(zhuǎn)速電機滑行制動轉(zhuǎn)矩。輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)矩MAP需要實車標定，與道路坡度、路況相關(guān)，且不能超過電機最大轉(zhuǎn)矩限值。WTO轉(zhuǎn)矩補償功能用于模擬傳統(tǒng)轎車節(jié)氣門全開，發(fā)動機額外補償轉(zhuǎn)矩的功能。整車控制器檢測到加速踏板踩到底，W TO轉(zhuǎn)矩補償策略計算額外轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩控制策略計算加速轉(zhuǎn)矩，二者共同向電機驅(qū)動系統(tǒng)提出轉(zhuǎn)矩需求。跛行回家轉(zhuǎn)矩與SOC相關(guān)，當SOC很低時，能源系統(tǒng)能量不足，跛行回家功能激活，確保車輛能夠緩慢回家。綜合以上分析 , 整車驅(qū)動

12、控制策略的設(shè)計結(jié)果如圖下圖所示純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中主要有電機驅(qū)動裝置，傳動系統(tǒng)，動力電池等。 對于同一種電動汽車來說，采用不同的控制策略可以得到不同的整車性能，能耗情況和電池的SOC狀態(tài)值。在設(shè)計純電動汽車的時候，要明確開發(fā)目的，在保證汽車基本性能的前提下降低汽車的能量消耗，提高車輛的續(xù)駛里程。燃料電池汽車的核心是燃料電池，其電流電壓特性曲線如圖1所示。從圖中可以看出，燃料電池在加負載的起始階段，電壓Ufc迅速下降，并且隨著負載的增加，電流(功率)增大，輸出電壓也隨著曲線以比普通電池大得多的斜率下降，即是說燃料電池的輸出特性相對較軟; 此外，輸出功率的波動會導致燃料電池效率的下降 。 燃料電池

13、汽車的能量流控制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示，其中，PL為電動機及其他用電設(shè)備的功率; PBAT為電池組功率，正值表示放電，負值表示充電; PFC為燃料電池的供電功率。能量管理系統(tǒng)主要由能量 流 控 制 器 、 燃 料 電 池 、Ni2Mh電池組 、DC/DC變換器和CAN光纖總線等幾個部分組成，粗實線箭頭表示能量流動的方向 。在系統(tǒng)中，燃料電池是主能源，整車用電(包括給Ni2Mh電池組充電)幾乎全部由其產(chǎn)生; Ni2Mh電池組為輔助能源，在燃料電池正常工作發(fā)出電能之前，由Ni2Mh電池組通過直流母線直接向燃料電池控制系統(tǒng)和其他用電設(shè)備(如車燈等)供電，待燃料電池正常起動完成并發(fā)出電能之后，主要由燃料電池經(jīng)直流母線向外供電。在負載較輕時，根據(jù)鎳氫電池組的SOC值，也可給電池組充電; 在加速或者爬坡等重載情況下，鎳氫電池組也與燃料電池一起向母線上的負載供電; 在電機制動時，回饋的能量可以設(shè)定的回饋深度經(jīng)母線向蓄電池充電，實現(xiàn)能量的