純電動(dòng)汽車控制策略

1、學(xué)習(xí)任務(wù)3 純電動(dòng)汽車的控制策略任務(wù)目標(biāo)任務(wù)目標(biāo)能夠正確的認(rèn)識(shí)純電動(dòng)汽車的控制策略的功用和設(shè)計(jì)思路。能夠掌握對(duì)加速轉(zhuǎn)矩控制策略、制動(dòng)能回饋控制策略、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制策略的分析方法學(xué)習(xí)重點(diǎn)對(duì)純電動(dòng)汽車控制策略的分析和設(shè)計(jì)。知識(shí)準(zhǔn)備一、電動(dòng)車控制系統(tǒng)概述1整車控制單元.汽車整車控制單元（VCU）是純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)的核心部件。純電動(dòng)汽車的正常行駛、安全性、再生能量回饋、網(wǎng)絡(luò)管理、故障診斷與處理以及車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面都需要 VCU 的參與。對(duì)于加速度踏板、制動(dòng)踏板、電子換擋桿等傳感器數(shù)據(jù)和駕駛員操作指令的數(shù)據(jù)，控制指令將其發(fā)送至整車控制單元，整車控制單元按照既定的整車控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處

2、理結(jié)果發(fā)送給電機(jī)控制器、電池控制單元等，并實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)。在純電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中，為了提高純電動(dòng)汽車的行駛里程，整車控制單元進(jìn)行制動(dòng)能量反饋控制。整車控制單元直接或通過 CAN 總線和其他電子控制單元傳送數(shù)據(jù)和控制指令。下圖是純電動(dòng)汽車控制單元的示意圖。2. 整車控制系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛員的意圖發(fā)出各種指令，電機(jī)控制器可實(shí)時(shí)響應(yīng)并調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出，實(shí)現(xiàn)怠速、前進(jìn)、倒車、停車、能量回收和停車等功能。整車控制系統(tǒng)通過采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和檔位開關(guān)等信息，一同接收 CAN 總線上的電機(jī)控制器信號(hào)和電池管理系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)，并通過車輛控制策略對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷，獲取駕駛員的駕駛

3、意圖和車輛行駛狀態(tài)，最后利用 CAN 總線發(fā)出指令，控制各部件控制器的工作，從而保證車輛正常行駛3、整車控制策略的功用 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力電池等。必須有一個(gè)性能優(yōu)越、安全可靠的整車控制策略，從各個(gè)環(huán)節(jié)上合理控制車輛的運(yùn)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(shì)，使汽車整體獲得最佳運(yùn)行狀態(tài)。整車控制策略主要包括:(一) 汽車驅(qū)動(dòng)控制。根據(jù)司機(jī)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(jī)控制器發(fā)出相應(yīng)指令，滿足駕駛要求。(二) 制動(dòng)能量回饋控制。根據(jù)制動(dòng)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(jì)算再生制動(dòng)力矩，向電機(jī)控制

4、器發(fā)出指令。(三) 整車能量?jī)?yōu)化管理。通過對(duì)車載能源動(dòng)力系統(tǒng)的管理，提高整車能量利用效率，延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。(四) 車輛狀態(tài)顯示。對(duì)車輛某些信號(hào)進(jìn)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。二、純電動(dòng)汽車整車控制策略車輛需要在滿足駕駛員意圖，汽車的動(dòng)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(duì)各部件的特性及汽車的運(yùn)行工況，控制策略要實(shí)現(xiàn)能量在電機(jī)、電池之間的合理而有效分配、使整車 系統(tǒng)效率達(dá)到最高，獲得整車最大的經(jīng)濟(jì)性以及平穩(wěn)的駕駛性能。在設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車的時(shí)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(shí)還要兼顧

5、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(shí)時(shí)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(jī)。同時(shí)限定電機(jī)的工作區(qū)域和SOC值的范圍，確保電機(jī)和動(dòng)力電池能夠長(zhǎng)時(shí)間保持高效的狀態(tài)。若出現(xiàn)問題，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)純電動(dòng)車輛系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行判斷和選擇。最終，在整車控制器與電機(jī)控制器中形成一個(gè)實(shí)時(shí)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(jìn)行控制，保證安全性和舒適性。1、駕駛員意圖解析對(duì)于純電動(dòng)汽車，駕駛員最簡(jiǎn)單的意圖分析是加速踏板與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的期望輸出功率之間的開度曲線關(guān)系。以

6、加速踏板開度平衡曲線為基準(zhǔn)，判斷駕駛員的操作意圖，當(dāng)電動(dòng)車輛在直道上勻速行駛時(shí)，電動(dòng)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)落在油門踏板的開度平衡曲線上，如圖 2、整車驅(qū)動(dòng)控制車輛驅(qū)動(dòng)控制策略主要控制輸出車輛的驅(qū)動(dòng)力矩，并確定車輛的性能。車輛驅(qū)動(dòng)策略的主要目的是基于駕駛員的制動(dòng)踏板信號(hào)、加速踏板信號(hào)以及檔位信號(hào)和當(dāng)前的車輛運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)運(yùn)行和處理，計(jì)算出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而改變車輛的行駛狀態(tài)，達(dá)到駕駛員的預(yù)期車速。純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制策略可分為 4 個(gè)部分，即加速踏板信號(hào)采集、駕駛員意圖分析、車身驅(qū)動(dòng)控制和校正輸出轉(zhuǎn)矩，其中起步模式控制、正常行駛模式控制和加速驅(qū)動(dòng)控制就屬于車身驅(qū)動(dòng)控制模式。3、充電控制純

7、電動(dòng)汽車進(jìn)入充電狀態(tài)，整車高壓負(fù)極接觸器和充電器高壓正接觸器被吸合，充電高壓電路連接，開始對(duì)動(dòng)力電池充電。此時(shí) DC/DC 開始工作，并輸出低壓直流到輔助電池。在充電狀態(tài)下，車輛控制器接收充電信息，點(diǎn)火開關(guān)無論在哪個(gè)檔位，車輛的任何系統(tǒng)無法獲得高壓電，以確保車輛處于鎖定狀態(tài)，不能行駛，并根據(jù) BMS 提供的信息，充電功率將時(shí)時(shí)受到限制，使電池受到保護(hù)。在充電過程中，如果電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到過充電信號(hào)，則將停止充電機(jī)的工作，在 3s 延遲后，VCU 切斷充電器高壓正接觸器和整車高壓負(fù)接觸器，從而切斷整車充電高壓電路。4、 能量回收控制策略普通電動(dòng)汽車主要以前輪驅(qū)動(dòng)形式使用，因此相應(yīng)制動(dòng)能量回收的控

8、制策略主要關(guān)注前、后輪制動(dòng)器提供的制動(dòng)力與再生三部分之間的關(guān)系?；陔妱?dòng)機(jī)再生制動(dòng)的能量回收策略主要包括前后軸動(dòng)力理想分配控制策略、前后軸動(dòng)力比例分配控制策略以及最優(yōu)能量回收控制策略。以四輪驅(qū)動(dòng)制動(dòng)能量回收策略為例，單電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的能量回收集中在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的前輪上。汽車由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，前輪和后輪由輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此前輪和后輪同時(shí)可以進(jìn)行制動(dòng)能量回收。5、能量管理策略在純電動(dòng)車的能量管理系統(tǒng)中，最主要的內(nèi)容是動(dòng)力電池的管理和整車的能量流動(dòng)控制7。能源管理戰(zhàn)略的目標(biāo)是使能源得到有效和合理的利用，電池的安全也應(yīng)得到考慮。在正常運(yùn)行期間，動(dòng)力電池的電量通過電機(jī)控制器輸送給電機(jī)，使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

9、減速制動(dòng)期間是不需要電池供電的，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)以產(chǎn)生再生扭矩對(duì)動(dòng)力電池充電。能源管理的原理如下圖所示，當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池供電給電機(jī)和其他部件。當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，電機(jī)在相對(duì)較高的效率區(qū)域工作。如果電池的 SOC 很低，車輛會(huì)發(fā)出警報(bào)并提示確保車輛的安全。在減速和制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以將一些動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能給電池充電。下圖電池能量管理示意圖6、 輔助系統(tǒng)控制策略在車輛顯示準(zhǔn)備好后，電機(jī)液壓轉(zhuǎn)向輔助泵。真空泵工作，無論是充電還是運(yùn)行狀態(tài)，只要接通 ON 擋，空調(diào)器和 PTC 就可以工作；控制器在故障發(fā)生時(shí)停止運(yùn)行，故障解除后，控制器可以通過故障復(fù)位開關(guān)復(fù)位。任務(wù)實(shí)施1.加速轉(zhuǎn)矩控制策略直接影響整車駕駛

10、的動(dòng)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(fù)荷的駕駛感覺，但低負(fù)荷時(shí)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(fù)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(shí)際位置，控制效果介于曲線1和3之間。2. 制動(dòng)能回饋控制策略制動(dòng)能量回饋是電動(dòng)汽車(包括純電動(dòng)車、混合動(dòng)力車和插電式燃料電池車)的標(biāo)志性功能。制動(dòng)能量回饋控制的原則是在最大程度提高能量回饋的同時(shí)，確保電制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，以保證汽車制動(dòng)力的要求?？紤]到本項(xiàng)目車機(jī)械

11、制動(dòng)系統(tǒng)不可調(diào)整，而且只有制動(dòng)踏板開關(guān)傳感器，實(shí)施了純軟件的輕度制動(dòng)能量回饋控制策略。制動(dòng)踏板踩下時(shí)，回饋制動(dòng)功能激活，回饋制動(dòng)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(huì)明顯影響駕駛員制動(dòng)感覺，故不進(jìn)行制動(dòng)能量回饋 。在低速區(qū),電機(jī)具有一定轉(zhuǎn)速，施以較低制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡量回收制動(dòng)能量。高速區(qū)時(shí)車輛慣性動(dòng)能很高，可以施加較高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而不影響駕駛員制動(dòng)感覺。但由于缺少制動(dòng)踏板開度信號(hào)，該策略的再生制動(dòng)所占總制動(dòng)比例較小，具體數(shù)值通過實(shí)車標(biāo)定得到。為了保護(hù)動(dòng)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(shí)取消電機(jī)再生制動(dòng) ,因?yàn)楹?/p>

12、容易導(dǎo)致電池電壓過高而且電池充電難度也增加。同時(shí)，ABS功能啟動(dòng)時(shí),必須取消電機(jī)再生制動(dòng) 。3. 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制策略該策略是為了保護(hù)能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車安全運(yùn)行。在能源系統(tǒng)能量不足時(shí)，若整車控制器強(qiáng)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制策略實(shí)時(shí)根據(jù)三大高壓子系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算蓄電池功率、電機(jī)功率及高壓輔助系統(tǒng)消耗功率，上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(dòng)力需求，若仍然能量供需不平衡，下策就是限制電機(jī)功率需求 。式中:Poversysload為動(dòng)力系統(tǒng)過載限制的駕駛員期望功率

13、; Pexp為駕駛員期望功率(n為電機(jī)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(dòng)電機(jī)過載，發(fā)熱量增加，引起溫升過大，從而導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自保而清除轉(zhuǎn)矩需求或燒毀電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，造成事故。因此驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制策略從過載倍數(shù)和過載時(shí)間兩個(gè)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(dāng)加速踏板開度超過設(shè)定開度閾值,電機(jī)過載運(yùn)行,滿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(shí)間根據(jù)電機(jī)溫度特性確定，整車控制器接收電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋的電機(jī)溫度，并根據(jù)設(shè)定的電機(jī)溫度過高閾值限制過載轉(zhuǎn)矩 。任務(wù)小結(jié)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力電池等。 對(duì)于同一種電動(dòng)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(jì)純電動(dòng)汽車的時(shí)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