純電動轎車控制系統(tǒng)開發(fā)及試驗研究

鄧長禎，甘海云，王 歡

（中國汽車工程研究院，重慶 400039）

純電動汽車作為新能源汽車，在節(jié)約能源和環(huán)境保護等方面具有傳統(tǒng)汽車無可比擬的優(yōu)越性，如低能耗、低污染、零排放、低噪聲、高效率等優(yōu)點，發(fā)展電動汽車能夠有效解決能源短缺和環(huán)境污染等問題[1-2]。

電控機械式自動變速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）是在傳統(tǒng)的固定軸式變速器基礎上，通過增加電子控單元（Electric Control Unit，ECU）、傳感器以及相應的執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)自動變速的變速器。該變速器具有傳動效率高、成本低、操作容易、駕駛舒適等優(yōu)點，因而更具廣泛應用前景[3]。尤其是電動汽車上使用了能量回收策略能更有效地集約能源[4]。

電動車的發(fā)展經歷了一個很漫長的過程，第一輛電動車問世比傳統(tǒng)車還早，但是由于早期技術局限性，導致其被傳統(tǒng)車替代，技術也停步不前，直到20世紀90年代后期，由于生存環(huán)境污染嚴重，尤其是汽車尾氣污染，世界各國政府積極推廣以及人們環(huán)保理念的提高，使純電動汽車開發(fā)有了長足進步[5]。近年來，在電池安全、容量、壽命、成本、電機控制、整車能量管理方面都取得了很大的發(fā)展，國內外很多汽車公司都推出自己的量產車型。1990年1月的洛杉磯汽車展上，通用汽車的總裁向全球推介Impact純電動轎車；1992年福特汽車使用鈣硫電池的Ecostar；1996年豐田汽車使用鎳氫電池的RAV4 LEV；1996年法國雷諾汽車的Clio；1997年豐田的Prius混合動力轎車下線；1997年日產汽車推出世界上第一輛使用鋰離子電池的電動車Prairie Joy EV；1999年本田汽車發(fā)布并銷售混合動力 Insight。在國內，示范運行等一些補貼政策給電動車發(fā)展帶來了機遇，其中比較典型的有比亞迪e6、東風I_car、吉利EK-2、海馬MPE。截止2012年，國內25個新能源汽車示范城市共推廣示范車輛27 432輛，其中公共服務領域23 032輛，私人購車4 400輛[6-7]。

目前國內大多純電動車都是安裝單級減速器，利用電機驅動范圍廣的特點覆蓋整車運行環(huán)境的需求，但是電機運行高效區(qū)間并不在整個運行范圍之內，所以不能有效利用低能耗的特點。在純電動汽車中安裝AMT系統(tǒng)能使整車在動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)上有較低的能耗、較高的傳動效率和較低的噪聲。在裝有AMT系統(tǒng)的純電動車開發(fā)過程中，整車控制系統(tǒng)是開發(fā)的核心，其性能直接影響到整車的動力性、經濟性和行駛平順性[8]。

1 純電動AMT汽車控制系統(tǒng)設計

純電動AMT汽車屬于電動車的一種，在單級減速比的純電動車上，盡管電機的驅動范圍很廣，但是很難滿足車輛行駛條件復雜的要求，很難兼顧車輛的最高車速和最大爬坡度。同時，由于電機驅動的高效區(qū)間只是在其傳動范圍內的一個很小區(qū)間，所以單級減速比的純電動車很難有效利用電機的高效區(qū)間，從而提高整個動力傳動系統(tǒng)的傳動效率。在純電動車上增加AMT系統(tǒng)，在有效提高驅動電機驅動區(qū)間的同時滿足車輛最高車速和最大爬坡度的要求，同時AMT系統(tǒng)能夠增大電機的高效驅動區(qū)間，從而提高整車的傳動效率和使用能耗[9]。

與純電動車相比，純電動AMT汽車在其基礎上增加了AMT傳動系統(tǒng)。與傳統(tǒng)AMT系統(tǒng)相比，由于電機的快速響應性，利用電機的調速特性，減少了換擋過程中對離合器的需求[10]。

本文的純電動AMT控制開發(fā)以長安鈴木天語轎車為開發(fā)平臺，搭載的是青山變速器公司的一款AMT變速器。整車相關參數(shù)見表1。

純電動AMT控制系統(tǒng)功能需求如圖1所示。

表1 整車相關參數(shù)

輸入信號采集部分需要對駕駛員駕駛狀態(tài)信號進行采集，包括加速踏板、制動踏板、手柄位置信號、手制動位置信號等，以及對車輛行駛狀態(tài)信息采集，如輸出軸轉速、冷卻水溫度信號、換擋電機位置信號、選擋電機信號等。輸出執(zhí)行需求是對上下電繼電器、冷卻水泵和冷卻風扇進行控制等。同時還需要和系統(tǒng)中的其它零部件進行通信。

系統(tǒng)功能需求，純電動AMT系統(tǒng)是在純電動的基礎上增加了AMT系統(tǒng)，純電動控制系統(tǒng)的主要功能包括對驅動電機的轉矩控制和對電池系統(tǒng)的上下電管理。增加AMT系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)需要增加相應的功能，如AMT換擋策略、換擋過程協(xié)調控制、換擋過程驅動電機的調速控制等[10]。

2 純電動AMT汽車控制系統(tǒng)開發(fā)

純電動AMT汽車控制系統(tǒng)開發(fā)包括對硬件系統(tǒng)的開發(fā)和對軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

以飛思卡爾的32位高速處理器MPC5634為核心處理器開發(fā)出來的硬件系統(tǒng)，包括最小系統(tǒng)、模擬信號處理電路、數(shù)字信號調理電路、CAN通信接口電路、PWM輸出驅動電路和IGBT功率驅動電路等，如圖2所示。

2.1.1 最小系統(tǒng)電路設計

最小系統(tǒng)是支撐核心處理芯片運行的處理電路，單片機自身有內置RAM和Flash，外圍電路主要包括：時鐘系統(tǒng)、CAN通信系統(tǒng)、PLL系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、程序下載和復位系統(tǒng)，如圖3所示。

2.1.2 模擬信號處理電路

模擬信號處理電路主要是針對輸入信號采集而進行的一些特殊處理，輸入的正常信號為0～5 V的電壓信號。但是由于傳感器在工作過程中容易受到其它一些信號的干擾，所以處理電路的主要作用是對信號進行濾波，將傳感器的信號轉變?yōu)閱纹瑱C自身可以采集的電信號，具體處理如圖4所示。

2.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

軟件系統(tǒng)開發(fā)包括功能函數(shù)開始、單片機系統(tǒng)底層開發(fā)、任務調度系統(tǒng)開發(fā)等。軟件系統(tǒng)的結構如圖5所示。

單片機系統(tǒng)上電后，任務開始執(zhí)行，開始是對單片機自身的系統(tǒng)進行初始化，包括對單片機的輸入輸出引腳定義，系統(tǒng)時鐘的初始化，CAN通信系統(tǒng)的初始化等。這部分任務為一次性任務，單片機執(zhí)行過程中只執(zhí)行一次。初始化完成之后執(zhí)行循環(huán)任務，循環(huán)任務由任務調度系統(tǒng)進行調度，任務的執(zhí)行順序按照數(shù)據(jù)流的方向執(zhí)行，執(zhí)行時間的長短則由函數(shù)具體的功能決定。具體為：數(shù)據(jù)由單片機底層采集后進行數(shù)據(jù)診斷和處理，由功能函數(shù)計算和處理后，輸出對被控對象的控制信號且由單片機底層輸出執(zhí)行。

2.2.1 任務調度系統(tǒng)函數(shù)開發(fā)

任務調度系統(tǒng)主要針對的是功能函數(shù)運行周期的調控，運行時刻管理，其運行管理原理是通過單片機自身的系統(tǒng)時鐘。單片機在設定的最小時間后能產生中斷，次最小時間稱為單片機的時間片。通過對基礎時間片的累計，得到不同的任務調度時間，分別有5 ms、10 ms、20 ms、50 ms、100 ms、500 min和1 s的任務調度時間，具體原理如圖6所示。

任務調度系統(tǒng)還對執(zhí)行過程中的任務進行監(jiān)控。任務調度函數(shù)檢測到滿足條件將要執(zhí)行的任務ID后，在該任務執(zhí)行之前都會通過變量gu8Scheduler_Thread_ID_Backup對該ID號進行備份，在每個分支執(zhí)行完成后，檢測備份ID號是否與進入該時間片時的ID號相同，若不同，則表示該任務執(zhí)行分支執(zhí)行超時，下一個時間片已經刷新了等待任務ID。

任務調度系統(tǒng)是依據(jù)最小單片機時間片進行累計計時，并對計數(shù)器進行判斷。在計數(shù)器的基礎上對時間進行不同周期任務的劃分，分別制定每個時間任務的時間起點，其流程如圖7所示：先觸發(fā)最小時間片中的任務，多個時間片為周期的任務則在上一級的任務上進行累加。

2.2.2 功能函數(shù)開發(fā)

功能函數(shù)是針對車輛形式過程中不同的控制需求而設計的，是控制策略的集中體現(xiàn)，如圖8所示。

（1）BMS上下電管理模塊：該模塊的功能是通過對駕駛員鑰匙信號以及車輛當前的整車故障狀態(tài)，對BMS進行上下電管理。當駕駛員將鑰匙開到on擋后，判斷車輛各個零部件當前的故障狀態(tài)，當允許上電時，控制BMS上電，包括對上電順序的控制。

（2）MCU上下電管理：和BMS上電類似，通過識別駕駛員的意圖和車輛當前行駛狀態(tài)下的一些故障狀態(tài)，當滿足MCU高壓電上電要求時，控制系統(tǒng)對MCU上電。

（3）MCU轉矩管理：該模塊的功能是通過對電機當前的輸出能力，電池的充放電功率，駕駛員的需求信息及車輛其它零部件當前的故障狀態(tài)，綜合得出當前的驅動電機轉矩，發(fā)送給MCU，控制驅動電機進行輸出執(zhí)行。

（4）駕駛員轉矩分析：駕駛員轉矩需求分為兩部分，加速踏板的驅動轉矩需求和制動踏板的制動轉矩需求，如圖9所示。

① 驅動轉矩需求

駕駛員的驅動轉矩需求主要是對車輛加速性能的需求，由駕駛員操縱油門開度和當前車速決定。油門開度表示的是駕駛員的需求，而車速的大小則影響驅動電機的輸出能力，并且轉矩在加載過程和卸載過程中，其上升和下降的速率直接影響整車的加速性能和乘坐舒適性，所以相關的數(shù)據(jù)還需要在整車行駛過程中進行標定，標定數(shù)據(jù)見表2。

表2 駕駛員驅動力需求轉矩表N·m

表 2 中 c1、c2、c3、c4、c5、c6為對應的油門開度和車速下的標定轉矩，可以依據(jù)動力性和經濟性進行不同的標定，在兩個相鄰的數(shù)據(jù)點之間進行線性插值。

② 制動轉矩需求

制動轉矩需求主要是車輛在制動過程中分配給電機的制動轉矩，其計算邏輯如下：制動轉矩主要由車輛當前的行駛車速查表得到一個值tq_brk，由制動踏板開度和電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）對tq_brk進行修正，最后得出當前制動情況下的電機需求制動轉矩，詳細如圖10所示。

駕駛員制動踏板轉矩需求主要由3個因素組成：車速、制動踏板開度和SOC。車速表征的是車輛當前具備的能量，車速越高，需求的制動轉矩越大；制動踏板開度則表示的是駕駛員的主動需求，制動踏板開度越大，駕駛員需求的制動轉矩就越大；SOC則是對電池吸收能力的監(jiān)控，SOC越高，說明電池接近滿電狀態(tài)，能吸收的電能就越少，需求的電制動轉矩及發(fā)電轉矩就越小。

（5）換擋過程控制：該過程是對換擋過程進行管理，與常規(guī)車相比，減少了離合器執(zhí)行機構，但是增加了換擋過程中對電機驅動模式的切換控制，需要電機在轉矩驅動模式、轉速閉環(huán)調速模式和自由模式之間直接切換。除了對電機的控制，還需要對換擋電機進行時序控制，最后使電機變?yōu)檗D矩模式，輸出轉矩模式，完成換擋過程控制。

（6）整車能量管理：整車能量管理部分主要針對整車上的能量消耗部件，如驅動電機、DCDC和PTC等的能量進行分配，對電池能量進行合理分配。在不同的情況下，計算出動力系統(tǒng)能夠提供給電機的最大最小轉矩，結合上一節(jié)中的電機輸出能力計算，就可以得出電機當前狀態(tài)下的最大最小輸出轉矩。

（7）其它：附件控制主要是針對整車的一些附件進行輸出控制，尤其是對冷卻水泵和冷卻風扇的開啟和關閉，通過對冷卻水溫的檢測，完成對這些附件的控制。故障診斷系統(tǒng)是通過總線對各個零部件上的狀態(tài)進行監(jiān)控，結合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對車輛當前的狀態(tài)進行監(jiān)控，將不同的故障分為不同的等級，進行相應的控制，保證車輛行駛安全。換擋過程中電機目標轉速計算，僅僅針對換擋過程，通過輸出軸和目標擋位計算掛擋時需要的目標電機轉速，使換擋過程沖擊最小。整車行駛工況判斷是通過對駕駛員操縱油門踏板和制動踏板的判斷，以及車輛當前的狀態(tài)——車速和加速度等進行推理，得到車輛當前行駛的路面信息。

3 試驗研究

試驗研究是利用開發(fā)的功能樣車，對控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行驗證，道路試驗針對控制策略系統(tǒng)來說包括對功能的驗證和性能試驗。

3.1 換擋功能試驗

主要驗證控制系統(tǒng)對AMT變速器的換擋控制功能。駕駛員按照正常的駕駛習慣進行駕駛，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集車輛的行駛數(shù)據(jù)并用設計的換擋規(guī)律數(shù)據(jù)進行分析對比，確定是否按照設計要求進行選換擋，如圖11所示。

圖中信號分別為擋位信號、驅動電機轉矩信號、油門開度信號、車速信號，從圖中可以看出車輛能夠實現(xiàn)自動換擋。

3.2 整車性能試驗

整車性能試驗主要針對車輛的加速性能、換擋平順性、爬坡性能、起步性能、經濟性、最高車速、續(xù)航試驗等。圖12為續(xù)航試驗和最高車速試驗圖，圖中的信號為車速信號。

4 結論

本文針對裝有AMT傳動系統(tǒng)的純電動轎車開發(fā)的控制系統(tǒng)，是以32位的高性能處理器為核心的處理系統(tǒng)，具有較高的處理速度。試驗結果證明，開發(fā)的控制系統(tǒng)能夠滿足車輛復雜的行駛工況要求，能夠按照設計要求控制車輛進行自動換擋。換擋過程中能夠準確協(xié)調驅動電機、選換擋電機的執(zhí)行順序和執(zhí)行力，保證換擋過程的平穩(wěn)過渡。整車性能試驗證明，控制器響應快的特點能使純電動車具備加速性能并能較好地跟隨駕駛員的駕駛需求。開發(fā)出的控制系統(tǒng)和試驗樣車的各項性能都滿足開發(fā)要求。

References)

[1]劉華東，肖兵. 電動車控制系統(tǒng)設計[J]. 現(xiàn)代計算機(專業(yè)版)，2007(7)：110-112.

Liu Huadong，Xiao Bin. Control System Design on Electric Vehicle[J]. Modern Computer，2007(7)：110-112. (in Chinese)

[2]盤朝奉，徐興，廖學良，等. 基于動態(tài)建模仿真的純電動汽車動力性分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2012(2)：167-170.

Pan Chaofeng，Xu Xing，Liao Xueliang，et al. Power Performance of Battery Electric Vehicle Based on Dynamic Modeling and Simulation[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science)，2012(2)：167-170. (in Chinese)

[3]王雷，席軍強.無離合器純電動客車機械式自動變速器換擋評價的研究[J].汽車工程學報，2012，2(1)：35-39.

Wang Lei，Xi Junqiang. Evaluation on AMT Shifting Gear of Non-clutch Pure Electric Bus[J].Chinese Journal of Automotive Engineering，2012，2(1)：35-39.(in Chinese)

[4]張林，杜子學，朱海峰，等.電動汽車的再生制動控制策略研究及仿真[J].科研設計，2006(5)：10-12.

Zhang Lin，Du Zixue，Zhu Haifeng，et al.Regenerative Braking Control Strategy Research and Simulation in Electric Vehicle[J]. Research ＆ Design，2006(5)：10-12.(in Chinese)

[5]張希明. 純電動車控制系統(tǒng)[D] .杭州：浙江大學，2008.

Zhang Ximing. Control System of Electric Vehicles[D].Hangzhou：Zhejiang University，2008.(in Chinese)

[6]趙軒，肖廣朋，馬建，等. 純電動汽車驅動控制器研究與開發(fā)[J].科技導報，2012，30(6)：32-37.

Zhao Xuan，Xiao Guangpeng，Ma Jian，et al.Development of the Driving Controller for Electric Vehicle[J].Science & Technology Review，2012，30(6)：32-37.(in Chinese)

[7]李斌花，王地川，鐘勇.純電動車電機驅動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].客車技術與研究，2005(1)：5-6.

Li Binhua，Wang Dichuan，Zhong Yong.Pure Electric Vehicle Motor Drive Control System Status and Development Trend[J]. Bus Technology and Research，2005(1)：5-6. (in Chinese)

[8]喻厚宇，黃妙華，鄧楚南.雙電機雙軸驅動純電動車控制策略的研究[J].北京汽車，2007(4)：12-15.

Yu Houyu，Huang Miaohua，Deng Chunan.Vehicle Control Strategy Research on Pure Electric Vehicle with Biaxial and Dual-Motor[J]. Beijing Automotive Engineering，2007(4)：12-15. (in Chinese)

[9]HAJ-FRAJ A，PFEIFFER F. Optimal Control of Gear Shift Operations in Automatic Transmissions[J]. Journal of the Franklin Institute，2001，338(2-3)：371–390.

[10]肖志増.純電動客車AMT換擋規(guī)律研究[D].北京：北京理工大學，2006.

Xiao Zhizeng. AMT Shift Schedule Research on Pure Electric Vehicle[D]. Beijing：Beijing Institute of Technology，2006. (in Chinese)