基于cruise的純電動(dòng)車整車控制策略研究

黃凱 邱煥堯 王宏朋

摘 要：文章以某汽車公司設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車EV01為基礎(chǔ)，研究開發(fā)適用整車控制策略，以提升純電動(dòng)車整車性能。文章首先對(duì)純電動(dòng)車動(dòng)力裝置進(jìn)行分析，再確定整車的驅(qū)動(dòng)控制策略、能量管理策略、安全管理策略，最后利用AVL CRUISE軟件搭建整車模型，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK搭建控制模型，分別對(duì)增加整車控制策略及不加控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析整車的加速性能、最高車速、爬坡性能、續(xù)航里程的變化，確定整車控制策略的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；整車控制策略；整車性能

中圖分類號(hào)：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-01-04

Abstract： Based on the pure electric vehicle EV01 designed by a car company， this paper researches and develops vehicle control strategy to improve the performance of pure electric vehicle. The article first analyzes the power plant of pure electric vehicle， and then determines the driving control strategy， energy management strategy and security management strategy of the whole vehicle. Finally， the whole vehicle model is built with the AVL CRUISE software， and the control model is built with MATLAB/SIMULINK， and the combined simulation of the control strategy and the non control strategy is carried out respectively. To analyze the acceleration， maximum speed， ramp and mileage of the vehicle， and to determine the superiority of the vehicle control strategy.

Keywords： pure electric vehicle； vehicle control strategy； vehicle performance

CLC NO.： U469.7 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-01-04

引言

目前我國面臨環(huán)境污染和能源緊缺兩大危機(jī)，而新能源汽車的迅速發(fā)展能有效解決這一問題。純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的重要組成部分之一，其整車控制策略是評(píng)價(jià)電動(dòng)車性能的重要指標(biāo)。

1 動(dòng)力裝置及控制系統(tǒng)分析

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要由電機(jī)、電機(jī)控制器、傳動(dòng)系統(tǒng)及車輪組成。能源管理系統(tǒng)由電池包、電池管理系統(tǒng)等組成。并且純電動(dòng)汽車與燃油車類似由車身、傳動(dòng)系、底盤、電子電氣設(shè)備四大結(jié)構(gòu)組成。相對(duì)燃油車車而言，純電動(dòng)車有儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，多采用超級(jí)電容、飛輪等儲(chǔ)存電能，制動(dòng)時(shí)還可以進(jìn)行能量回收。

2 純電動(dòng)車整車控制策略研究

為使整車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量管理及安全管理達(dá)到最優(yōu)性能，整車控制策略無疑是整車控制系統(tǒng)的核心。

2.1 整車驅(qū)動(dòng)控制策略研究

本文的驅(qū)動(dòng)模式根據(jù)電動(dòng)車的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況分為車輛啟動(dòng)模式，起步模式，正常行駛模式，制動(dòng)能量回收模式，空擋模式，跛行回家模式。

根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性知電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以下時(shí)以恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于基速以恒功率形式輸出。如圖2所示，紅色分界線即為電機(jī)輸出分界線。

整車驅(qū)動(dòng)控制策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示：

框圖中：Texp（t）——整車控制器期望輸出轉(zhuǎn)矩（Nm）； Tout（t）——電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩（Nm）；Fr（t）——運(yùn)動(dòng)阻力（N）；Twh（t）——車輪轉(zhuǎn)矩（Nm）；v（t+1）——車輛速度（km/h）； SOC——電池荷電狀態(tài)（%）；Brk（t）——制動(dòng)踏板信號(hào)；θ（t）——加速踏板開度（%）。

2.2 能量管理控制策略

整車能量管理的策略原理如下圖4所示。當(dāng)汽車上電啟動(dòng)后，電池供電滿足車上供電設(shè)備需求；當(dāng)電池SOC值低于某值時(shí)，整車控制器向儀表發(fā)送信號(hào)點(diǎn)亮儀表指示燈；當(dāng)汽車在制動(dòng)及減速工況下，電機(jī)此時(shí)作為發(fā)電機(jī)將制動(dòng)能量回收儲(chǔ)存于動(dòng)力電池中。

在起步和正常行駛工況下，電池組向電機(jī)供應(yīng)電能進(jìn)而使電機(jī)工作。車輛在減速或剎車制動(dòng)的狀態(tài)中，電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生再生力矩進(jìn)而為電池充電[2]。因此使動(dòng)力電池能量得到高效而經(jīng)濟(jì)的使用，提升車輛一次充電續(xù)航里程并滿足電池的使用安全性要求是能量管理策略的目標(biāo)。

2.3 安全管理控制策略

本文將汽車故障分為三級(jí)，一級(jí)為嚴(yán)重故障，此時(shí)車輛必須斷開高壓電并靠邊停車；二級(jí)為較嚴(yán)重故障，此時(shí)整車控制器主要對(duì)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行限制，以保證車輛可正常低速行駛至修理服務(wù)區(qū)；三級(jí)為提示性故障，一般向駕駛?cè)颂峁┚瘓?bào)或儀表提示等。對(duì)于本文研究用車，出現(xiàn)故障的可能為電池故障，電機(jī)故障，整車故障，絕緣故障等其他故障，對(duì)于故障處理首先按照整車控制器等級(jí)故障劃分處理，如果同時(shí)發(fā)生多個(gè)故障，將按照最高級(jí)處理。以此保障整車安全高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 整車控制策略聯(lián)合仿真試驗(yàn)研究

本文選用某款純電動(dòng)轎車整車參數(shù)如表1所示。

整車參數(shù)在AVL CRUISE中搭建整車模型，根據(jù)動(dòng)力結(jié)構(gòu)在工作區(qū)添加整車、電機(jī)、電池、減速器、車輪等并進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械連接、電氣連接、CAN總線信號(hào)連接根據(jù)，搭建好的整車模型如圖5所示。

根據(jù)整車性能及功能需求和上文分析的控制方法，利用MATLAB/Simulink相關(guān)模塊，進(jìn)行控制策略模型的搭建[4]。其中左邊部分是控制策略輸入部分，是從CRUISE軟件模型采集的實(shí)車狀態(tài)信號(hào)，分別為加速、制動(dòng)踏板信號(hào)，車速信號(hào)，電池SOC，電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)等；中間部分為信號(hào)處理的子系統(tǒng)模塊；右邊部分為輸出部分，這些信號(hào)用于CRUISE模型中電機(jī)模塊或其他模塊的信號(hào)連接。

控制策略部分Simulink模型如圖6所示。

整車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊如圖7所示，整車控制器通過該模塊實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。即控制電機(jī)跟隨整車能量求，分配電機(jī)最佳轉(zhuǎn)矩，盡可能經(jīng)濟(jì)增加整車?yán)m(xù)航里程，并在制動(dòng)時(shí)判斷是否滿足再生制動(dòng)條件進(jìn)而進(jìn)行制動(dòng)回收能量，以最大程度提高整車的能量利用率和增加續(xù)航[3]。

3.1 聯(lián)合仿真結(jié)果及分析

動(dòng)力性能可以在不同程度上可以說明出該汽車的整體性能情況。車輛的動(dòng)力性評(píng)估指標(biāo)如下：汽車的最高車速，預(yù)定車速加速時(shí)間以及一定速度的最大爬坡度等。然而CRUISE仿真軟件通過Calculation Center計(jì)算模塊精確計(jì)算出整車要求動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性能仿真任務(wù)，結(jié)果查詢一般在Result Manager文件的message和Task相應(yīng)任務(wù)文件中，還包含了仿真前設(shè)置的一些參數(shù)。

3.1.1 最高車速仿真結(jié)果及分析

在AVL CRUISE的Constant Drive模塊建立最高車速任務(wù)仿真時(shí)，忽略坡度阻力與加速阻力，同時(shí)該計(jì)算任務(wù)必須在車輛滿載的條件下仿真，仿真結(jié)果如下圖8所示。

從仿真計(jì)算結(jié)果文件能夠看出，純電動(dòng)車聯(lián)合仿真所能達(dá)到的最大速度為110km/h，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為5981.09r/min，滿足并達(dá)到整車性能所設(shè)定最大車速100km/h的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1.2 加速性能仿真結(jié)果及分析

在AVL CRUISE的Full Load Acceleration仿真任務(wù)中，速度選擇從0km/h時(shí)開始加速，加速區(qū)間選擇從0到110，最小間隔為10。然后將其他設(shè)置全部調(diào)好進(jìn)行計(jì)算仿真，兩個(gè)模型仿真結(jié)果如圖9、10所示。

對(duì)比兩個(gè)仿真結(jié)果可知最高行駛車速均為110km/h，我們發(fā)現(xiàn)在車輛仿真未加入控制策略的圖9中車輛從靜止到50km/h用時(shí)7.15秒，而在車輛仿真加入控制策略的圖10中車輛從靜止到50km/h用時(shí)6.39秒，車輛加速性能明顯提升，體現(xiàn)了整車控制策略的實(shí)用與優(yōu)越性。

3.1.3 爬坡性能仿真結(jié)果及分析

在AVL CRUISE仿真軟件中利用Climbing Performance 模塊進(jìn)行爬坡度仿真計(jì)算，爬坡時(shí)采用一檔爬坡，車輛設(shè)置滿載狀態(tài)，其他參數(shù)設(shè)置完畢兩種仿真結(jié)果如下圖11，12所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，在車輛未加入控制策略的圖11仿真結(jié)果中，車輛最大爬坡度未達(dá)到整車設(shè)置指標(biāo)最大爬坡度30%的要求，而在車輛加入整車控制策略的圖12仿真結(jié)果中，車輛的最大爬坡度達(dá)到30.64%，符合整車爬坡性能設(shè)置指標(biāo)要求，充分體現(xiàn)控制策略在爬坡性能控制轉(zhuǎn)矩輸出的實(shí)用性[5]。

3.1.4 續(xù)航里程仿真結(jié)果及分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，需在滿電狀況下研究純電動(dòng)車的續(xù)駛里程。本研究課題研究汽車在車速50km/h工況下的最大續(xù)航里程。在此任務(wù)仿真中，首先因?yàn)锳VL CRUISE 的Cycle Run模塊無自帶的勻速行駛工況模塊，因此必須先修改profile文件下的路況，建立50km/h的勻速工況，如下圖13所示。

純電動(dòng)汽車在勻速仿真工況時(shí)熱啟動(dòng)、不考慮其轉(zhuǎn)向和滑移等情況。其余參數(shù)設(shè)置完畢后，兩種耗電量仿真結(jié)果如圖14，15所示。兩種耗電量結(jié)果很明顯體現(xiàn)控制策略的優(yōu)越性，根據(jù)等速續(xù)航公式可得出，未加控制策略車輛50km/h 勻速仿真續(xù)航里程為156.1km，加入控制策略車輛50km/h勻速仿真續(xù)航里程為164.3km，續(xù)航里程對(duì)比可以說明，該控制策略可以有效的增加該車的續(xù)航里程。

4 總結(jié)

本課題研究以某汽車設(shè)計(jì)公司開發(fā)的純電動(dòng)車EV01為研究對(duì)象，對(duì)于提出的整車性能設(shè)置指標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，以整車控制策略開發(fā)研究為目的，最后應(yīng)用AVL CRUISE仿真軟件建立整車仿真模型，以聯(lián)合仿真形式驗(yàn)證車輛在加速性能，爬坡性能，以及勻速續(xù)駛里程不僅滿足整車性能設(shè)置指標(biāo)要求而且都有明顯提升，驗(yàn)證了該控制策略的實(shí)用與優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

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