新型純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制研究

周德明，張炳力，吳鑫平

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽，合肥 230009）

行駛的汽車是一個(gè)由駕駛員-汽車-環(huán)境構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員的操縱方式和汽車的行駛環(huán)境（外界路面環(huán)境、交通狀況等）決定了汽車的行駛狀態(tài)[1]。汽車縱向行駛過(guò)程中，駕駛員根據(jù)行駛環(huán)境的不同，使用感官采集汽車的行駛狀態(tài)信息，通過(guò)不斷地操作加速和制動(dòng)踏板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和整車制動(dòng)力的控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)整車車速的控制。因此，駕駛員的工作是一個(gè)不斷調(diào)節(jié)、反復(fù)修正的過(guò)程，相當(dāng)于一個(gè)智能反饋控制器，極易使駕駛員感到疲勞。

近年來(lái)，在增強(qiáng)汽車可操作性和降低駕駛疲勞方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，就電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制而言，主要有：（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制[2-6]，電機(jī)輸出特性優(yōu)化，尤其是線性化的力矩輸出特性和電機(jī)調(diào)速性能及抗擾動(dòng)等方面的研究。（2）變速器換擋控制，包括換擋控制策略[7]和換擋機(jī)構(gòu)優(yōu)化及智能控制研究[8-9]。（3）整車傳動(dòng)系控制，如整車控制策略[10-12]、匹配及協(xié)調(diào)控制的研究[13-14]等。這些研究都是在原動(dòng)力控制模式基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化改進(jìn)，在一定程度上使整車性能有所提高，其意義重大，但是前述的問(wèn)題仍然沒有從根本上得到解決。為此，本文提出了一種新型實(shí)用的純電動(dòng)汽車速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)，其核心思想是利用速度的分級(jí)控制以及電子系統(tǒng)的閉環(huán)反饋?zhàn)哉{(diào)節(jié)，代替駕駛員完成部分加速踏板修正的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的半智能控制。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理

1.1 純電動(dòng)汽車控制原理

純電動(dòng)汽車使用電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，取消了傳統(tǒng)汽車中的離合器結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變?nèi)嗄孀兤鬏斎氲诫姍C(jī)中的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，而電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)機(jī)械連接的變速器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)到輪胎直接驅(qū)動(dòng)汽車行駛，其動(dòng)力響應(yīng)相對(duì)傳統(tǒng)汽車更加快速、高效。

目前，純電動(dòng)汽車動(dòng)力控制策略依舊與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車控制策略保持一致，駕駛員通過(guò)操作加速踏板開度來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)力源的轉(zhuǎn)矩輸出特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整車驅(qū)動(dòng)行駛的控制；需要制動(dòng)的時(shí)候，則通過(guò)制動(dòng)踏板帶動(dòng)制動(dòng)回路，給車輪施加制動(dòng)力矩，使車輛減速。這種整車控制策略使得在汽車縱向行駛的過(guò)程中，駕駛員必須不斷修正加速踏板，以保證汽車以一個(gè)良好的期望車速不斷行駛。駕駛員操作流程如圖2（a）所示，可以看出，駕駛員在行駛過(guò)程中操作繁瑣，需要反復(fù)調(diào)節(jié)加速和制動(dòng)踏板，車輛控制效果不佳。

1.2 速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)控制原理

本文提出的控制系統(tǒng)理想模型是通過(guò)加速踏板控制整車車速的單自由度車速控制系統(tǒng)模型。純電動(dòng)汽車行駛時(shí)，首先檢測(cè)駕駛員輸入加速踏板的開度信號(hào)，通過(guò)速度分級(jí)表轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的定值目標(biāo)車速，同時(shí)檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速，形成整車車速閉環(huán)反饋控制。利用一體化控制器對(duì)電機(jī)和變速器進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)控制，協(xié)調(diào)電機(jī)和變速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速輸出并實(shí)現(xiàn)適時(shí)換擋，優(yōu)化系統(tǒng)的加速性能和動(dòng)力輸出，最終達(dá)到電動(dòng)汽車智能控速、平穩(wěn)行駛的狀態(tài)。改變加速踏板區(qū)間，加減速的過(guò)程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)速度由路況、汽車動(dòng)力性及控制算法共同決定。制動(dòng)減速系統(tǒng)仍舊是機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制動(dòng)時(shí)切斷加速信號(hào)，其過(guò)程與傳統(tǒng)汽車一致。

該系統(tǒng)利用電子系統(tǒng)的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，代替汽車行駛過(guò)程中駕駛員的反復(fù)調(diào)節(jié)過(guò)程，在一定程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制模式。不同的踏板開度對(duì)應(yīng)相同的車速，隨著加速踏板開度變大，從一個(gè)區(qū)間進(jìn)入另一個(gè)區(qū)間，目標(biāo)車速增加，系統(tǒng)控制車速上升，這與駕駛員的駕駛感受和習(xí)慣都是一致的。其駕駛員操作流程如圖2（b）所示，避免了車速保持過(guò)程中的反復(fù)修正，大大簡(jiǎn)化了駕駛員的操作，同時(shí)增強(qiáng)了電動(dòng)汽車的可操作性和可靠性，降低系統(tǒng)能耗并提升道路行駛安全性。

2 速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，角度傳感器9采集加速踏板4和制動(dòng)踏板8開度信號(hào)輸入給一體化控制器5，一體化控制器通過(guò)矢量控制方法調(diào)節(jié)逆變器7輸入到永磁同步電機(jī)1的電壓矢量來(lái)調(diào)整電機(jī)的輸出特性，同時(shí)通過(guò)控制換擋機(jī)構(gòu)10的操作實(shí)現(xiàn)AMT11的適時(shí)自動(dòng)換擋，取消了傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的離合器部件，電機(jī)輸出的力矩通過(guò)與之機(jī)械連接的變速器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3，最終傳遞至車輪2驅(qū)動(dòng)整車行駛，通過(guò)車輪轉(zhuǎn)速傳感器6反饋的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整車車速的實(shí)時(shí)反饋。

表1 速度分級(jí)表

2.2 系統(tǒng)目標(biāo)車速的制定

參照我國(guó)對(duì)于特殊路段限速的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)以及關(guān)于行車安全車速研究的相關(guān)文獻(xiàn)[15]，綜合考慮良好路況的車速控制誤差和駕駛員駕駛習(xí)慣等因素，人為制定了系統(tǒng)的目標(biāo)車速分級(jí)，見表1，共分為8個(gè)區(qū)間，汽車在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下以下列車速穩(wěn)定行駛。將加速踏板的開度百分比對(duì)應(yīng)的目標(biāo)車速固定化，作為整車分級(jí)調(diào)速的目標(biāo)車速，簡(jiǎn)化了整車動(dòng)力系統(tǒng)的控制和換擋策略的制定，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。

2.3 系統(tǒng)控制方法

在無(wú)風(fēng)的天氣條件下，汽車在正常道路上行駛時(shí)，根據(jù)力的平衡關(guān)系，電動(dòng)汽車的行駛方程式為

式中，m為整車質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為車輛加速度；va為車速；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛前部迎風(fēng)面積；α為道路的坡度角；Ft為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力。

永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程如下：

式中，Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；np為磁極對(duì)數(shù)；ψd、ψq分別為磁鏈在d，q軸上的分量；id，iq為定子d，q軸上電流分量；Ld，Lq為定子d，q軸上電感；ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

為了使車輛快速響應(yīng)目標(biāo)車速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并保持穩(wěn)定的行駛狀態(tài)，系統(tǒng)針對(duì)不同路況輸出的轉(zhuǎn)矩應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力的平衡。永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是系統(tǒng)控制的核心，它是對(duì)坐標(biāo)變換后產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流iq進(jìn)行解耦和獨(dú)立調(diào)節(jié)，如圖4所示，在轉(zhuǎn)矩電流電流環(huán)的基礎(chǔ)上，加入速度反饋形成轉(zhuǎn)矩速度雙閉環(huán)控制。速度環(huán)采用增量式的模糊PID控制器調(diào)節(jié)，可以使速度環(huán)具有速度脈動(dòng)率小、頻率響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

在速度環(huán)控制算法的選擇上，因?yàn)槟：刂瓶梢砸雽＜医?jīng)驗(yàn)，而且不需要知道動(dòng)力系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，在速度保持和加速踏板區(qū)間變化時(shí)可以分別調(diào)節(jié)、平滑過(guò)渡，具有較好的適應(yīng)性。單獨(dú)使用模糊控制不易消除達(dá)到目標(biāo)車速穩(wěn)態(tài)偏差，且對(duì)控制器運(yùn)算性能要求較高，而PID算法簡(jiǎn)單又可以較好地消除穩(wěn)態(tài)偏差，但動(dòng)態(tài)性能不佳，因此綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，利用模糊控制實(shí)時(shí)修正PID參數(shù),提高了系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，具有良好的系統(tǒng)控制性能。

3 仿真結(jié)果與分析

為分析驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，在Matlab7/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真。仿真所采用的電機(jī)為表面裝貼式永磁同步電機(jī)，其參數(shù)為：總質(zhì)量m=45 kg，額定轉(zhuǎn)速N=3 000 r/min，額定輸出功率PN=18 kW，轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈ψf=0.085 Wb，極對(duì)數(shù)np=4，額定轉(zhuǎn)矩TN=58 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.02 kg·m2。

本文設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)整體仿真模型如圖5所示，control模塊模擬仿真行駛工況負(fù)載和輸出駕駛員操作踏板開度，ECU模塊執(zhí)行查表獲得目標(biāo)車速及擋位控制，SVPWM模塊實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的空間矢量控制，fuzzyPID模塊是針對(duì)不同路況制定的速度環(huán)和電流環(huán)反饋控制策略模塊，PMSM模塊包括永磁同步電機(jī)系統(tǒng)和信號(hào)輸出檢測(cè)兩部分，car模塊對(duì)應(yīng)汽車行駛系部分建模。根據(jù)汽車行駛時(shí)的各個(gè)不同工況，選擇control模塊的仿真工況，設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，分別對(duì)起步、加速、上坡、制動(dòng)減速4種工況分別進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果的整車車速和電機(jī)轉(zhuǎn)矩如圖6～9所示，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，采用純電動(dòng)汽車速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)，駕駛員通過(guò)簡(jiǎn)單操作加速踏板，就能夠控制整車車速，實(shí)現(xiàn)對(duì)與區(qū)間相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)車速的跟隨，達(dá)到車速的平穩(wěn)控制。

（1）起步過(guò)程，模擬駕駛員制動(dòng)過(guò)程操作，加速踏板保持在第3區(qū)間，車輛平地起步，車速平穩(wěn)上升至目標(biāo)車速29 km/h，并保持。

（2）加速過(guò)程，加速踏板從在3 s時(shí)由第3區(qū)間階躍至第4區(qū)間，車速先保持，在3 s時(shí)逐漸由29 km/h上升到38 km/h。

（3）上坡過(guò)程，加速踏板保持在第2區(qū)間，車輛在2 s時(shí)駛上20°的斜長(zhǎng)坡，車速小幅波動(dòng)后穩(wěn)定在目標(biāo)車速20 km/h。

（4）制動(dòng)過(guò)程，加速踏板先保持在第4區(qū)間，車輛行駛2 s后，間隔0.2 s后制動(dòng)1.3 s，間隔0.2 s后，加速踏板最后保持在第2區(qū)間，車輛實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速，車速由38 km/h迅速降至20 km/h并保持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)形成了整車車速的反饋閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，它采用速度分級(jí)控制的思想，通過(guò)踏板區(qū)間控制車速，使駕駛操作簡(jiǎn)便、高效。

（2）起步過(guò)程平穩(wěn)快速，加速、上坡和制動(dòng)減速3種典型工況下，整車車速都能在5 s內(nèi)恢復(fù)到目標(biāo)車速誤差±3%范圍內(nèi)，該系統(tǒng)滿足車輛的實(shí)際行駛需求，是一種合理可行的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制方案。

（3）速度分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)集成模糊PID控制，充分發(fā)揮了矢量控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)能力，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)小于0.1 s，具有實(shí)用性。

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