基于d SPACE的電動(dòng)汽車控制策略研究

馮雪麗

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江富陽 311402）

0 引言

隨著能源的日益消耗與環(huán)境的逐漸惡化，發(fā)展新能源汽車成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的方向。世界各個(gè)國家都在進(jìn)行純電動(dòng)汽車的研究，作為純電動(dòng)汽車幾大關(guān)鍵技術(shù)之一的整車控制技術(shù)是整車控制的核心。

整車控制系統(tǒng)包括整車控制器、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電動(dòng)汽車組合儀表、CAN網(wǎng)絡(luò)通訊以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等。國外純電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)具有多個(gè)控制器，并且車輛結(jié)構(gòu)形式多樣，有集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，純電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)等多種模式[1]。國內(nèi)的純電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)各汽車廠商推出自主研發(fā)的此類純電動(dòng)汽車。

1 純電動(dòng)汽車整車控制策略研究

1.1 整車控制系統(tǒng)的功能需求及開發(fā)流程

整車控制系統(tǒng)根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)行工況，通過CAN網(wǎng)絡(luò)或常規(guī)線束發(fā)送和接收信息，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊，并對(duì)整車進(jìn)行相應(yīng)的控制[2]。純電動(dòng)汽車的整車控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：①汽車驅(qū)動(dòng)控制；②制動(dòng)能量回饋控制；③整車能量優(yōu)化管理；④車輛狀態(tài)顯示；⑤故障診斷和處理。

整車控制系統(tǒng)的開發(fā)流程主要包含以下5個(gè)方面：①功能設(shè)計(jì)與Simulink仿真；②快速控制原型；③自動(dòng)產(chǎn)品代碼生成；④采用硬件在回路仿真進(jìn)行ECU測試；⑤在整個(gè)開發(fā)流程中都可以進(jìn)行虛擬標(biāo)定。

1.2 行車轉(zhuǎn)矩控制策略

如圖1所示，整車有停車、待機(jī)、加速、勻速、制動(dòng)、滑行和倒車7種行車工況，各種狀態(tài)下的工作原理，以及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程分別說明如下。

（1）停車：車速為0，鑰匙開關(guān)處于“OFF”位置，檔位處于“P”檔?？刂葡到y(tǒng)低壓電斷開，高壓繼電器斷開，控制系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)。

（2）待機(jī)：鑰匙開關(guān)轉(zhuǎn)到“ACC或ON”位置，整車控制系統(tǒng)低壓上電并自檢，如有如高壓線路連接是否正?；蚪^緣是否良好、充電插頭是否移除、電池SOC是否滿足行車要求等錯(cuò)誤則進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。當(dāng)鑰匙旋轉(zhuǎn)到“START”位置并停留片刻后返回，如果加速踏板位置為零，且沒有其他報(bào)錯(cuò)信息發(fā)生，那么高壓繼電器接通，電機(jī)使能位為1，電機(jī)進(jìn)入可驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

圖1 行車工況圖（正車速表示前進(jìn)，負(fù)車速表示倒退）

（3）加速

1）加速起步過程控制

踏板位置開環(huán)起步控制。即VCU（整車控制器）將駕駛員踏板的位置解釋成對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩需求，發(fā)命令讓電機(jī)發(fā)出響應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，車速的控制由駕駛者自己掌握，類似于傳統(tǒng)車的手動(dòng)檔起步，區(qū)別在于電機(jī)從0轉(zhuǎn)速開始工作，沒有離合器的操作，轉(zhuǎn)矩的輸出為踏板位置的函數(shù)，可表示為：

這種模式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，駕駛員可以根據(jù)自己的意愿控制起步的車速，缺點(diǎn)是在坡道上起步會(huì)出現(xiàn)車輛的倒退。

2）起步后加速過程控制

按期望轉(zhuǎn)矩控制方法：即將駕駛員的加速踏板位置解釋成轉(zhuǎn)矩的需求，將轉(zhuǎn)矩需求發(fā)送給電機(jī)控制器發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)汽車，而車速由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和道路阻力狀態(tài)共同決定。

變速器檔位換入D檔，松開手制動(dòng)器，踩下加速踏板到一定位置，整車控制器將接收到的加速踏板的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)加速踏板位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算駕駛員需求轉(zhuǎn)矩Tr，根據(jù)當(dāng)前電池的SOC及報(bào)錯(cuò)信息、電機(jī)的狀態(tài)等計(jì)算電機(jī)的許用轉(zhuǎn)矩Tp，整車控制器取兩者的最小值作為電機(jī)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（需求轉(zhuǎn)矩為正值），并將此轉(zhuǎn)矩命令通過CAN總線送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)此命令調(diào)節(jié)永磁電機(jī)的定子電流大小，產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩（如圖2所示）。直到驅(qū)動(dòng)力與道路阻力平衡。

車輛的加減速過程的快慢由駕駛員進(jìn)行控制。期望轉(zhuǎn)矩和加速踏板位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以標(biāo)定，從而調(diào)節(jié)駕駛的動(dòng)力感受，通過圖2中的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩斜坡發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)。圖3給出了幾種目標(biāo)轉(zhuǎn)矩隨加速踏板位置變化的關(guān)系線，線a的轉(zhuǎn)矩輸出前段斜率小，轉(zhuǎn)矩對(duì)踏板的響應(yīng)速率慢，后段斜率大，轉(zhuǎn)矩對(duì)踏板的響應(yīng)速率快，由于開始加速感覺太軟，一般不用這種方式。線b的轉(zhuǎn)矩輸出和踏板位置成正比例，控制最為簡單，但前段轉(zhuǎn)矩輸出仍然不夠迅速，動(dòng)力感不夠強(qiáng)。線c的前段轉(zhuǎn)矩對(duì)踏板響應(yīng)速率很快，動(dòng)力感較強(qiáng)，且符合低速轉(zhuǎn)矩需求大，告訴轉(zhuǎn)矩需求相對(duì)小的規(guī)律，是較為理想的踏板轉(zhuǎn)矩解釋方式。線d的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速率最大，但是后段踏板為無效行程，顯得并不合理。

圖3 相對(duì)于加速踏板位置的不同目標(biāo)轉(zhuǎn)矩輸出特性

（4）勻速：這種情況下，加速踏板的位置基本不變，只有在道路阻力發(fā)生較小范圍變化時(shí)做適當(dāng)調(diào)整，以維持車速穩(wěn)定，其他工作過程與加速時(shí)一樣。

（5）制動(dòng)：制動(dòng)過程中的目標(biāo)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算原理如圖4所示。在某一車速下，踩下制動(dòng)踏板，電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)電模式，整車控制器根據(jù)收到的制動(dòng)踏板的位置電壓信號(hào)計(jì)算電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并將此轉(zhuǎn)矩命令發(fā)送給電機(jī)ECU，電機(jī)ECU控制電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的制動(dòng)阻力矩，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于某個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)速N0(r/min)時(shí)，即車速低于對(duì)應(yīng)的車速V0(km/h)，電機(jī)停止輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩并轉(zhuǎn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)，不輸出任何轉(zhuǎn)矩，此時(shí)只有機(jī)械制動(dòng)器起作用。

完全再生制動(dòng)系統(tǒng)，其原理如圖5所示。這種制動(dòng)系統(tǒng)中因?yàn)橐肓穗娮涌刂埔簤褐苿?dòng)力執(zhí)行器，可以調(diào)節(jié)機(jī)械制動(dòng)力的大小，在制動(dòng)力需求較小時(shí)，全部由電機(jī)產(chǎn)生前輪的制動(dòng)力，在制動(dòng)力需求大時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪由液壓和電機(jī)兩種制動(dòng)同時(shí)作用，前后軸制動(dòng)力的分配可以按照理想制動(dòng)力分配曲線I線來進(jìn)行，如圖6所示，這樣可以發(fā)揮最大的再生制動(dòng)能力，盡可能多地回收制動(dòng)能量。

（6）滑行：加速踏板位置為0，制動(dòng)踏板位置為0，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為0。

（7）倒車：檔位換入“R”擋，踩下加速踏板，整車控制器根據(jù)加速踏板位置、電池狀態(tài)、系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)信息等計(jì)算駕駛員需要轉(zhuǎn)矩，并將需求轉(zhuǎn)矩及旋轉(zhuǎn)方向命令通過CAN總線發(fā)送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器調(diào)節(jié)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)需求轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)汽車后退。

1.3 行車模式調(diào)度策略

（1）正常驅(qū)動(dòng)模式

包括開環(huán)車速控制和閉環(huán)車速控制（巡航）。開環(huán)車速控制即按照駕駛員踏板位置和路況進(jìn)行車速控制；閉環(huán)車速控制即巡航控制，這種模式下，汽車按照設(shè)定的車速保持勻速行駛。

圖4 制動(dòng)過程中的目標(biāo)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算原理

圖5 完全再生制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

圖6 完全控制再生制動(dòng)系統(tǒng)前后軸制動(dòng)力分配關(guān)系

（2）制動(dòng)模式

觸發(fā)條件為制動(dòng)踏板位置大于初始閾值，屬于絕對(duì)觸發(fā)條件，即只要滿足這個(gè)條件就進(jìn)入制動(dòng)模式工作。

（3）低電量模式

如圖7所示，電池的SOC低于40%后，電池的放電效率開始較快下降，所以當(dāng)SOC小于40%就進(jìn)入低電量運(yùn)行模式，當(dāng)SOC小于20%后應(yīng)當(dāng)禁止行車并進(jìn)行補(bǔ)充充電[3]。

（4）故障模式

故障標(biāo)志出現(xiàn)是進(jìn)入故障模式的條件，故障的管理可以分級(jí)進(jìn)行管理，只有在非嚴(yán)重故障的情況下才可以進(jìn)入故障運(yùn)行模式，如果是嚴(yán)重故障，直接進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)[4]。

2 基于dSAPCE純電動(dòng)汽車的整車控制策略建模

2.1 整車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整車控制系統(tǒng)根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)行工況，通過CAN網(wǎng)絡(luò)或常規(guī)線束發(fā)送和接收信息，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊，并對(duì)整車進(jìn)行相應(yīng)的控制。整車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 電池的充放電效率區(qū)域分布

2.2 行車模式調(diào)度建模

整車工作時(shí)有正常行駛模式、巡航行駛模式、制動(dòng)回饋模式、電量不足模式、停止行駛模式和故障行駛模式6種狀態(tài)，各種模式之間的轉(zhuǎn)換過程說明如下。

圖8 整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖9 行車模式判斷狀態(tài)流建模

圖10 行車模式判斷流程圖

當(dāng)SOC低于30%時(shí)，車輛進(jìn)入低電量事件。此時(shí)如果SOC同時(shí)高于20%，車輛進(jìn)入“電量不足模式”，電機(jī)降載為需求扭矩的一半，以使車輛盡可能地延長行駛里程，趕往充電站充電；但當(dāng)SOC低于20%時(shí)，為了防止損壞電池，提高電池使用壽命，車輛進(jìn)入“停止行駛模式”，給定電機(jī)扭矩為0 N·m，禁止車輛行駛。

當(dāng)SOC高于30%時(shí)，車輛進(jìn)入高電量事件。此時(shí)如果巡航開關(guān)開啟、車速高于15 km/h，且加速踏板百分比小于5，車輛進(jìn)入“巡航行駛模式”；當(dāng)其中任一條件不滿足時(shí)，車輛就跳出巡航行駛模式返回“正常行駛模式”。

當(dāng)制動(dòng)踏板開關(guān)開啟時(shí)，車輛進(jìn)入“制動(dòng)回饋模式”，此時(shí)，電動(dòng)汽車將一部分制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)化為電能，而制動(dòng)踏板關(guān)閉時(shí)，車輛返回到“正常行駛模式”；當(dāng)車輛故障等級(jí)大于0時(shí)，車輛就進(jìn)入“故障行駛模式”，然后依據(jù)故障的嚴(yán)重程度的等級(jí)來決定電機(jī)是否需要降載或強(qiáng)制停轉(zhuǎn)。當(dāng)車輛故障消除后，通過判斷制動(dòng)踏板開關(guān)的閉合狀態(tài)來決定車輛是進(jìn)入“制動(dòng)回饋模式”還是進(jìn)入“正常行駛模式”。行車模式判斷狀態(tài)流建模和流程圖分別如圖9和圖10所示。

3 基于d SPACE的整車控制策略仿真測試

3.1 測試方案及其建模

由于本文所研究純電動(dòng)汽車還在研究階段，無法直接在整車上測試本控制系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，故本文在此只對(duì)本控制系統(tǒng)中的行車模式調(diào)度建模進(jìn)行測試。

3.1 .1行車模式調(diào)度的測試方案

通過SIMULINK模塊庫中的Signal builder輸入源模塊，模擬決定行車模式的輸入量如SOC、加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置、巡航開關(guān)和車速等，通過對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)整，觀察行車模式的調(diào)度是否與所建立的模型的邏輯關(guān)系相符，其模型建立如圖11所示。

3.2 測試過程及結(jié)果分析

如圖12和圖13所示，時(shí)間1到2秒制動(dòng)踏板開關(guān)開啟，車輛進(jìn)入“制動(dòng)回饋模式”，行車模式輸出3；3到4秒時(shí)，由于SOC大于30%，巡航開關(guān)和制動(dòng)踏板開關(guān)關(guān)閉，故障等級(jí)為2，故此時(shí)行車模式輸出6；6～7秒，巡航開關(guān)開，車速高于15 km/h，且加速踏板百分比小于5，車輛進(jìn)入“巡航模式”，行車模式輸出2；8到9秒SOC低于30%，車輛進(jìn)入低電量事件，此時(shí)SOC同時(shí)高于20%，車輛進(jìn)入“電量不足模式”，行車模式輸出4；9到10秒，SOC低于20%，為了防止損壞電池，提高電池使用壽命，車輛進(jìn)入“停止行駛模式”，行車模式輸出5；其他工況下，車輛進(jìn)入“正常行車模式”，行車模式輸出1。由此可得到行車模式的控制是正確可靠的。

圖11 行車模式調(diào)度測試建模

圖12 行車模式控制輸入信號(hào)

圖13 行車模式調(diào)度測試結(jié)果

4 總結(jié)

本文著重于基于dSAPCE的純電動(dòng)汽車整車控制策略的研究，主要成果有：

（1）對(duì)整車控制策略進(jìn)行了研究，根據(jù)整車控制系統(tǒng)的功能需求，分別對(duì)行車轉(zhuǎn)矩控制策略、行車模式調(diào)度策略和整車故障管理策略進(jìn)行研究，提出起步、加速和制動(dòng)等行車模式的控制方案，行車模式調(diào)度控制方案以及電池、電機(jī)和高壓安全管理系統(tǒng)的故障管理策略；

（2）依據(jù)所提出的控制策略，結(jié)合仿真軟件dSAPCE，和MATLAB/SIMULINK軟件，進(jìn)行整車控制系統(tǒng)的行車模式調(diào)度模型的建立；

（3）基于dSPACE軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明了此控制系統(tǒng)模型的可靠性，根據(jù)驗(yàn)證可知，本文所建立的控制模型是可靠的。

［1］張翔.純電動(dòng)汽車整車控制器進(jìn)展［J］.汽車電器，2011（2）：7-11.

［2］郭溫文.純電動(dòng)客車整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制策略研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2011.

［3］馮雷，李松，丁富強(qiáng).電動(dòng)汽車高壓安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技與企業(yè)，2012（11）：124-125.

［4］宋炳雨.純電動(dòng)汽車高壓電安全管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2011.

［5］ Holger Ross.Implementing Electromobile Ideas.electronil automotive，2012.