純電動(dòng)汽車整車控制策略研究

董 偉

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，三門峽 472000）

與傳統(tǒng)汽車的控制系統(tǒng)相比，純電的汽車電控系統(tǒng)的控制單元數(shù)量與復(fù)雜程度高出很多。電控系統(tǒng)是保證純電動(dòng)汽車整車功能集成和優(yōu)化的核心單元，為保證純電動(dòng)汽車各部件系統(tǒng)在最佳工況下能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，需要制定相應(yīng)的控制系統(tǒng)和控制策略。純電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)主要包括整車控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)以及能量回收系統(tǒng)等環(huán)節(jié)。各系統(tǒng)之間要協(xié)調(diào)工作，方能保證整車的穩(wěn)定性和安全性?？梢哉f整車控制系統(tǒng)是純電的汽車的核心技術(shù)之一，對(duì)純電的汽車的發(fā)展意義重大。

1 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)概述

1.1 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

純電動(dòng)汽車僅僅依靠動(dòng)力電池組提供的電能作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以此為整車提供動(dòng)力。純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、整車控制單元、充電控制單元、電源變換裝置（DC/DC）及儀表顯示系統(tǒng)等[1]。純電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車整車控制結(jié)構(gòu)

動(dòng)力電池為整車的能量來源，而電池管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的狀態(tài)，提高電池的利用率；電機(jī)是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力部件及能量回收的核心部件，而電機(jī)控制系統(tǒng)將動(dòng)力電池的直流高壓電轉(zhuǎn)換成三相交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；整車控制器采集擋位信號(hào)和踏板信號(hào)等，控制電池的放電及電機(jī)的運(yùn)行為整車提供動(dòng)力；儀表為駕駛者提供車輛運(yùn)行狀況信息。

1.2 整車控制單元

汽車整車控制單元（VCU）是純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)的核心部件。純電動(dòng)汽車的正常行駛、安全性、再生能量回饋、網(wǎng)絡(luò)管理、故障診斷與處理以及車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面都需要VCU的參與。

對(duì)于加速度踏板、制動(dòng)踏板、電子換擋桿等傳感器數(shù)據(jù)和駕駛員操作指令的數(shù)據(jù)，控制指令將其發(fā)送至整車控制單元，整車控制單元按照既定的整車控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果發(fā)送給電機(jī)控制器、電池控制單元等，并實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)。在純電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中，為了提高純電動(dòng)汽車的行駛里程，整車控制單元進(jìn)行制動(dòng)能量反饋控制。整車控制單元直接或通過CAN總線和其他電子控制單元傳送數(shù)據(jù)和控制指令。圖2是純電動(dòng)汽車控制單元的示意圖。

圖2 整車控制單元

1.3 純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)

整車控制系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛員的意圖發(fā)出各種指令，電機(jī)控制器可實(shí)時(shí)響應(yīng)并調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出，實(shí)現(xiàn)怠速、前進(jìn)、倒車、停車、能量回收和停車等功能。

整車控制系統(tǒng)通過采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和檔位開關(guān)等信息，一同接收CAN總線上的電機(jī)控制器信號(hào)和電池管理系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)，并通過車輛控制策略對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷，獲取駕駛員的駕駛意圖和車輛行駛狀態(tài)，最后利用CAN總線發(fā)出指令，控制各部件控制器的工作，從而保證車輛正常行駛[2]。

2 純電動(dòng)汽車整車控制策略

純電動(dòng)汽車必須有一個(gè)性能優(yōu)越、安全可靠的整車控制策略，合理地控制各環(huán)節(jié)的車輛運(yùn)行狀態(tài)和能量分配，使純電動(dòng)汽車一直在最佳運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。整車控制策略主要包括駕駛員意圖解釋、車輛驅(qū)動(dòng)控制、充電控制、上下電控制策略、能量回收控制策略、能量管理策略和輔助系統(tǒng)控制策略等。

2.1 駕駛員意圖解析

對(duì)于純電動(dòng)汽車，駕駛員最簡(jiǎn)單的意圖分析是加速踏板與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的期望輸出功率之間的開度曲線關(guān)系。以加速踏板開度平衡曲線為基準(zhǔn)，判斷駕駛員的操作意圖，當(dāng)電動(dòng)車輛在直道上勻速行駛時(shí)，電動(dòng)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)落在油門踏板的開度平衡曲線上，如圖3所示[3]。

圖3 駕駛員意圖解析示意圖

2.2 整車驅(qū)動(dòng)控制

車輛驅(qū)動(dòng)控制策略主要控制輸出車輛的驅(qū)動(dòng)力矩，并確定車輛的性能。車輛驅(qū)動(dòng)策略的主要目的是基于駕駛員的制動(dòng)踏板信號(hào)、加速踏板信號(hào)以及檔位信號(hào)和當(dāng)前的車輛運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)運(yùn)行和處理，計(jì)算出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而改變車輛的行駛狀態(tài)，達(dá)到駕駛員的預(yù)期車速[4]。

純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制策略可分為4個(gè)部分，即加速踏板信號(hào)采集、駕駛員意圖分析、車身驅(qū)動(dòng)控制和校正輸出轉(zhuǎn)矩，其中起步模式控制、正常行駛模式控制和加速驅(qū)動(dòng)控制就屬于車身驅(qū)動(dòng)控制模式。

2.3 充電控制

純電動(dòng)汽車進(jìn)入充電狀態(tài)，整車高壓負(fù)極接觸器和充電器高壓正接觸器被吸合，充電高壓電路連接，開始對(duì)動(dòng)力電池充電。此時(shí)DC/DC開始工作，并輸出低壓直流到輔助電池。在充電狀態(tài)下，車輛控制器接收充電信息，點(diǎn)火開關(guān)無論在哪個(gè)檔位，車輛的任何系統(tǒng)無法獲得高壓電，以確保車輛處于鎖定狀態(tài)，不能行駛，并根據(jù)BMs提供的信息，充電功率將時(shí)時(shí)受到限制，使電池受到保護(hù)。在充電過程中，如果電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到過充電信號(hào)，則將停止充電機(jī)的工作，在3s延遲后，VCU切斷充電器高壓正接觸器和整車高壓負(fù)接觸器，從而切斷整車充電高壓電路[5]。

2.4 能量回收控制策略

普通電動(dòng)汽車主要以前輪驅(qū)動(dòng)形式使用，因此相應(yīng)制動(dòng)能量回收的控制策略主要關(guān)注前、后輪制動(dòng)器提供的制動(dòng)力與再生三部分之間的關(guān)系[6]?；陔妱?dòng)機(jī)再生制動(dòng)的能量回收策略主要包括前后軸動(dòng)力理想分配控制策略、前后軸動(dòng)力比例分配控制策略以及最優(yōu)能量回收控制策略。以四輪驅(qū)動(dòng)制動(dòng)能量回收策略為例，單電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的能量回收集中在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的前輪上。汽車由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，前輪和后輪由輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此前輪和后輪同時(shí)可以進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

2.5 能量管理策略

在純電動(dòng)車的能量管理系統(tǒng)中，最主要的內(nèi)容是動(dòng)力電池的管理和整車的能量流動(dòng)控制[7]。能源管理戰(zhàn)略的目標(biāo)是使能源得到有效和合理的利用，電池的安全也應(yīng)得到考慮。在正常運(yùn)行期間，動(dòng)力電池的電量通過電機(jī)控制器輸送給電機(jī)，使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。減速制動(dòng)期間是不需要電池供電的，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)以產(chǎn)生再生扭矩對(duì)動(dòng)力電池充電。

能源管理的原理如圖4所示，當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池供電給電機(jī)和其他部件。當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，電機(jī)在相對(duì)較高的效率區(qū)域工作。如果電池的sOC很低，車輛會(huì)發(fā)出警報(bào)并提示確保車輛的安全。在減速和制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以將一些動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能給電池充電。

圖4 電池能量管理示意圖

2.6 輔助系統(tǒng)控制策略

在車輛顯示準(zhǔn)備好后，電機(jī)液壓轉(zhuǎn)向輔助泵。真空泵工作，無論是充電還是運(yùn)行狀態(tài)，只要接通ON擋，空調(diào)器和PTC就可以工作；控制器在故障發(fā)生時(shí)停止運(yùn)行，故障解除后，控制器可以通過故障復(fù)位開關(guān)復(fù)位。

3 結(jié)論

純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)是以VCU為核心部件，電池、電機(jī)和充電系統(tǒng)為輔助系統(tǒng)的一套完整的電子控制系統(tǒng)。純電動(dòng)汽車的控制策略基本上是VCU的策略，包括能量管理系統(tǒng)、再生制動(dòng)控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和動(dòng)力總成控制系統(tǒng)。在開發(fā)純電動(dòng)汽車的過程中，必須考慮純電動(dòng)汽車的整車控制策略，這對(duì)整車電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。