纯电动汽车控制策略.ppt

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 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 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 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。 能量流控制 策略 控制策略的原理框图 控制策略流程图 谢谢