純電動汽車控制策略.ppt

純電動 汽 車整車驅(qū)動控制 策略 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(jì)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(qiáng) , 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(yùn)行的核心單元 , 擔(dān)負(fù)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(shí)現(xiàn)純電動汽車安全 、 高效運(yùn)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 。 1.1 純電動 汽 車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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(jī)、機(jī)械傳動裝置。能源子 系統(tǒng)包括能源及能量管理系統(tǒng)。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(jī)和能源 間的能源流。能量的回流是因?yàn)榧冸妱悠?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(shí)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。 1.2 整車驅(qū)動控制策略的分析與 設(shè)計 純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中主要有電機(jī)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(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 ， 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(jī)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(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 。 1.3 整車驅(qū)動控制策略的分析與 設(shè)計 車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(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 。 基于上述原則 ， 制定控制策略的思路為 : 實(shí)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(jī) 。 同時限定電機(jī)的工作區(qū)域和 SOC值的范圍 ， 確保電機(jī)和動力電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(yù)先設(shè)定的規(guī)則對純電動車輛系 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)控制器中形成一個實(shí)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(jìn)行控制 ， 保證安全性和舒適性 。 1.4 整車驅(qū)動控制策略的分析與 設(shè)計 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(jī)的期望轉(zhuǎn)矩，然后向電機(jī) 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(zhǔn)確地 達(dá)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(shí)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(bǔ)償、跛行 回家等輔助驅(qū)動功能。 2. 1 加速轉(zhuǎn)矩控制策略 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(fù)荷的駕駛感覺 ， 但低負(fù)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(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. 1 加速轉(zhuǎn)矩控制策略 結(jié)合電機(jī)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(jī)滑行制動轉(zhuǎn)矩，模擬傳統(tǒng)車發(fā)動 機(jī)的倒拖阻轉(zhuǎn)矩，并轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中 。 2. 2 制動能回饋控制策略 制動能量回饋是電動汽車 (包括純電動車、混合動力車和插電式燃料電池車 ) 的標(biāo)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(jī)械制動的協(xié)調(diào)控制，以保證汽車制動力的要求。 考慮到本項(xiàng)目車機(jī)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(shí)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 。 2. 2 制動能回饋控制策略 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(jìn)行制動能量回饋 。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(shí)車標(biāo)定得到。 為了保護(hù)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(jī)再生制 動 ,因?yàn)楹苋菀讓?dǎo)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(jī)再生制動 。 2. 3 驅(qū)動轉(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)動系統(tǒng)及 整車安全運(yùn)行 。 在能源系統(tǒng)能量不足時 ， 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)動轉(zhuǎn)矩的功 率限制策略實(shí)時根據(jù)三大高壓子系統(tǒng)狀態(tài) ， 計 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(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)動系統(tǒng)自保而 清除轉(zhuǎn)矩需求或燒毀電機(jī)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(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 。 2. 4 輔助驅(qū)動控制策略 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(xí)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起步 。 駐坡轉(zhuǎn)矩是怠速爬行轉(zhuǎn)矩在負(fù)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(yùn)行可標(biāo)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(diǎn) ， 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(jī)滑行制動轉(zhuǎn)矩 。 輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 MAP需要實(shí)車標(biāo)定 ， 與道路坡度 、 路況相關(guān) ， 且不 能超過電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩限值 。 3 其他控制策略 WTO轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能用于模擬傳統(tǒng)轎車節(jié)氣 門全開，發(fā)動機(jī)額外補(bǔ)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(bǔ)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(jī)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(dāng) 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(jī)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。 燃料電池電動汽車 燃料電池電動汽車能量流控制策 略 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(fù)載的起始階段 ， 電壓 Ufc迅速下降 ， 并且隨著負(fù) 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(dǎo)致燃料電池 效率 的下降 。 能量流控制系統(tǒng)的工作原理 燃料電池汽車的能量流控 制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖 2所 示 ， 其中 ， PL為電動機(jī)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(fù)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(shí)線箭頭表示能量流 動的方向 。 能量流控制 策略 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(fù)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(fù)載供電 ; 在電機(jī)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(shí)現(xiàn)能量 的充分利用?？梢娡ㄟ^燃料電池和鎳氫電池的組合 使用，既可以讓燃料電池長時間、高效、穩(wěn)定向外 供電，又能發(fā)揮鎳氫電池組響應(yīng)快、能量回饋容易 等特點(diǎn)，以彌補(bǔ)燃料電池由于成本和體積等方面因 素導(dǎo)致最大功率難以提高的不足和無法實(shí)現(xiàn)再生能 量回收的缺陷。實(shí)現(xiàn)功率分配的另一個重要部件是 DC/DC變換器，該系統(tǒng)中選用美國某公司的產(chǎn)品， 不僅可以實(shí)現(xiàn)母線電壓的恒定，而且可以通過 CAN 總線接收控制命令，調(diào)節(jié)燃料電池的功率輸出，并 發(fā)布各種相關(guān)狀態(tài)信息。 能量流控制 策略 控制策略的原理框圖 控制策略流程圖 謝謝