滑行過程中的電機(jī)控制對(duì)電動(dòng)汽車行駛阻力的影響分析

龔來智，雷 志，羅 瑋，陳文敏

（奇瑞汽車股份有限公司 節(jié)能環(huán)保性能開發(fā)部，安徽，蕪湖 241000）

近年來，隨著全球能源的不斷短缺，溫室效應(yīng)的不斷加劇，以石油、天然氣為主要能源支柱的交通領(lǐng)域和汽車行業(yè)面臨著巨大的變革壓力，各國(guó)政府和汽車巨頭都不惜重金研究新能源汽車，并出臺(tái)了相應(yīng)的發(fā)展政策、規(guī)劃等[1-2]。純電動(dòng)汽車具有節(jié)能、零排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，成為了各國(guó)發(fā)展綠色汽車的重要方向。

純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程作為衡量電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性的核心指標(biāo)，更是吸引用戶購買電動(dòng)汽車的條件之一。提升純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程不僅是為了滿足客戶需求和節(jié)能要求，更是汽車企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[3]。當(dāng)前，我國(guó)針對(duì)新能源汽車出臺(tái)了各種政策、法規(guī)和要求，無形中也給企業(yè)帶來了一定的壓力。提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程成為各大主機(jī)廠發(fā)展電動(dòng)汽車的頭等大事。本文旨在通過對(duì)核心部件電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化，降低整車行駛阻力，提升整車純電續(xù)駛里程。

1 整車道路行駛阻力測(cè)試規(guī)范

依據(jù)GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法-中國(guó)第五階段》[4]以及新發(fā)布的GB 18386—2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，電動(dòng)汽車必須在底盤測(cè)功機(jī)上模擬汽車道路載荷。而道路載荷必須通過對(duì)汽車道路行駛阻力進(jìn)行測(cè)定，確定其大小[5]。本次利用滑行法測(cè)定的汽車道路行駛阻力，其測(cè)量原理，以及利用該原理對(duì)汽車行駛阻力進(jìn)行校核的過程，包括對(duì)環(huán)境條件的控制、測(cè)量?jī)x器的精度要求、測(cè)量數(shù)據(jù)處理等均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的要求。

2 純電動(dòng)汽車整車阻力分解

2.1 道路行駛阻力測(cè)試原理[6]

汽車在水平道路上行駛時(shí)其動(dòng)力平衡方程式為：

式中：Ft汽車驅(qū)動(dòng)力，N；Ff汽車滾動(dòng)阻力，N；Fw汽車空氣阻力，N；Fj汽車加速阻力，N。

根據(jù)汽車?yán)碚摽芍?，?dāng)汽車處于滑行行駛狀態(tài)下，其動(dòng)力方程式為：

即：

式中：m為汽車整備質(zhì)量，kg；mr為整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的當(dāng)量質(zhì)量，kg。

因此，當(dāng)能夠測(cè)出汽車在水平路面上滑行行駛的減速度，就可測(cè)定汽車行駛時(shí)來自地面的滾動(dòng)阻力Ff與空氣阻力Fw之和，取?V=5 km/h可近似認(rèn)為：

綜上所述，滑行過程中的行駛阻力測(cè)定即可按照單位車速之間的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)定，單位車速取5 km/h，車速及時(shí)間測(cè)試設(shè)備為GPS車速儀。

2.2 機(jī)械阻力分解

以某前驅(qū)純電動(dòng)轎車前后軸的CATIA數(shù)模為例（圖1），整車的機(jī)械阻力可分為前軸機(jī)械阻力和后軸機(jī)械阻力。前軸機(jī)械阻力可分解為輪胎、制動(dòng)系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)、傳動(dòng)軸、主減速器、電機(jī)阻力等，而后軸的機(jī)械阻力可分解為輪胎、制動(dòng)系統(tǒng)及軸承系統(tǒng)阻力。上述部件構(gòu)成整車機(jī)械部分阻力貢獻(xiàn)，從整車阻力分解角度出發(fā)，這些系統(tǒng)零部件阻力分解要求均屬于整車阻力控制范疇。本次僅探討電機(jī)阻力對(duì)整車阻力的影響。

圖1 某前驅(qū)純電動(dòng)轎車前后軸簡(jiǎn)化數(shù)模圖

3 優(yōu)化電機(jī)控制策略

3.1 結(jié)構(gòu)局限

根據(jù)電機(jī)的調(diào)速區(qū)間，目前大多數(shù)純電動(dòng)汽車只匹配單極速比減速器即可滿足較寬的車速調(diào)速范圍，但在結(jié)構(gòu)上，所謂的電動(dòng)汽車掛“空擋”并不能像傳統(tǒng)汽油車匹配的變速器，如MT/CVT/DCT等實(shí)現(xiàn)對(duì)整車動(dòng)力傳輸路徑的斷開，對(duì)于這種電動(dòng)汽車所謂的“空擋”只是對(duì)電機(jī)請(qǐng)求置于“零位”，其傳動(dòng)系機(jī)械聯(lián)接仍然存在。因此，在電機(jī)“零位”狀態(tài)下的電機(jī)控制就會(huì)對(duì)整車空擋狀態(tài)下的滑行阻力測(cè)試產(chǎn)生較大的影響。以某車型為例，整車主減速比7.28，輪胎型號(hào)205/55 R16，若在電機(jī)“零轉(zhuǎn)矩”指令下的某個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)產(chǎn)生-0.5～0 Nm的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，那么通過速比的放大，整車在該轉(zhuǎn)速下的車速點(diǎn)阻力增大約0～12 N。

3.2 優(yōu)化策略

基于上述局限，提出了一種“電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下偏正向轉(zhuǎn)矩優(yōu)化”的控制策略。電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制精度由于相電流的零飄和工作電壓的躍變，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。雖然整體進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩濾波，但還是會(huì)出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩正負(fù)跳動(dòng)的現(xiàn)象。因此，本文提出的優(yōu)化策略是通過主動(dòng)識(shí)別電機(jī)負(fù)向轉(zhuǎn)矩，主動(dòng)補(bǔ)償相電流，使“零轉(zhuǎn)矩”指令下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩偏正向轉(zhuǎn)矩優(yōu)化，避免了上述電機(jī)正負(fù)轉(zhuǎn)矩躍變引起的行駛阻力突變和阻力曲線失真等不滿足國(guó)標(biāo)測(cè)試精度的問題。

4 電機(jī)標(biāo)定與實(shí)車阻力測(cè)試分析

基于優(yōu)化后的電機(jī)“零轉(zhuǎn)矩”控制策略，分別通過對(duì)電機(jī)臺(tái)架標(biāo)定與整車阻力測(cè)試研究該優(yōu)化策略對(duì)整車阻力的影響，并將分析結(jié)果與優(yōu)化后的實(shí)測(cè)整車阻力曲線相結(jié)合輸入到Cruise軟件中進(jìn)行仿真，評(píng)估分析該策略對(duì)NEDC循環(huán)工況下的續(xù)駛里程貢獻(xiàn)。

4.1 電機(jī)臺(tái)架標(biāo)定

采用兩臺(tái)電機(jī)，其參數(shù)見表1，搭建了對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)架（圖2）。臺(tái)架試驗(yàn)中采用的轉(zhuǎn)矩傳感器型號(hào)為德國(guó)HBM TB1A 500，測(cè)量精度可達(dá)0.1%，額定轉(zhuǎn)速為15000 r/min。為了避免傳感器變形而產(chǎn)生的附加彎矩，安裝時(shí)必須使被測(cè)電機(jī)、傳感器、對(duì)拖電機(jī)三者具有較好的同軸度，同時(shí)兩個(gè)半聯(lián)軸器間應(yīng)留有一定的間距[5]。

表1 PMSM電機(jī)參數(shù)

圖2 電機(jī)試驗(yàn)對(duì)拖臺(tái)架

4.2 電機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)對(duì)拖電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩施加控制實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電機(jī)的測(cè)試是常見的電機(jī)臺(tái)架測(cè)試手段[7]。轉(zhuǎn)矩傳感器與功率分析儀之間采用電氣連接，通過測(cè)試被測(cè)電機(jī)所反饋的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息，即可得到被測(cè)電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下所反饋的轉(zhuǎn)矩值，以此為依據(jù)，對(duì)電機(jī)負(fù)向轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化，通過對(duì)優(yōu)化后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。優(yōu)化前后電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下所反饋的轉(zhuǎn)矩值對(duì)比如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下所反饋的轉(zhuǎn)矩值對(duì)比

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，所提出的“電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下偏正向轉(zhuǎn)矩優(yōu)化”控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正值輸出，且維持一定的穩(wěn)定性。

4.3 整車機(jī)械阻力測(cè)試[8]

對(duì)優(yōu)化前后的整車進(jìn)行不同車速下的前后軸機(jī)械阻力測(cè)試，測(cè)試工況分為整車上電和整車下電兩種測(cè)試工況。測(cè)試設(shè)備為底盤測(cè)功機(jī)，整車剛性水平固定在底盤測(cè)功機(jī)上，通過AVL轉(zhuǎn)轂軟件的設(shè)定實(shí)現(xiàn)不同車速下前后軸的阻力測(cè)試。

4.4 整車機(jī)械阻力數(shù)據(jù)對(duì)比分析

分別測(cè)試優(yōu)化前后整車上電狀態(tài)下的前后軸機(jī)械阻力和整車下電狀態(tài)的機(jī)械阻力，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2、表3和表4，阻力對(duì)比圖如圖4所示。

表2 整車下電狀態(tài)下的前后軸阻力測(cè)試結(jié)果

表3 整車上電狀態(tài)下的前后軸阻力測(cè)試結(jié)果

表4 體現(xiàn)優(yōu)化策略后的前后軸阻力測(cè)試結(jié)果

圖4 不同工況下的阻力測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

從不同工況下的整車機(jī)械阻力測(cè)試結(jié)果來看，后軸阻力較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)一致性較好。而前軸上電與下電狀態(tài)下所測(cè)得的阻力存在較大差異，優(yōu)化后的前軸阻力平順性更好，無突變現(xiàn)象，且通過優(yōu)化后的前軸阻力均小于下電狀態(tài)。從數(shù)據(jù)上看，120-10 km/h前軸平均阻力降低36 N。

綜上所述，本研究針對(duì)電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下的轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)化對(duì)降低整車機(jī)械阻力有明顯的作用，理論上對(duì)整車道路行駛滑行阻力曲線也有相同的阻力貢獻(xiàn)。為驗(yàn)證虛實(shí)，按照GB 18352.5—2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行道路行駛阻力測(cè)試 ，測(cè)試結(jié)果顯示優(yōu)化前后該車型120-5 km/h道路行駛阻力平均值降低約33 N（由于道路阻力測(cè)試受環(huán)境因素影響，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，實(shí)測(cè)阻力偏差3 Nm，為可接受范圍），道路行駛阻力曲線測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 該車型基準(zhǔn)質(zhì)量下的行駛阻力測(cè)試結(jié)果對(duì)比

5 針對(duì)續(xù)駛里程CAE評(píng)估影響分析

將該車型優(yōu)化前后所測(cè)得的道路行駛阻力曲線輸入Cruise軟件，進(jìn)行整車NEDC續(xù)駛里程仿真分析，整車參數(shù)輸入見表5。

表5 某電動(dòng)汽車整車參數(shù)

根據(jù)輸入的整車參數(shù)與邊界，在Cruise軟件中搭建CAE動(dòng)力學(xué)仿真模型（圖6a）及過程數(shù)據(jù)分析（圖6b和6c）。分別將優(yōu)化前后的整車阻力曲線作為整車仿真邊界進(jìn)行NEDC工況法的續(xù)駛里程仿真，并結(jié)合整車?yán)m(xù)駛里程與整車平均阻力的靈敏度分析，最終評(píng)估優(yōu)化后的整車NEDC工況下的續(xù)駛里程提升約15 km。

圖6 CAE動(dòng)力學(xué)仿真模型及過程數(shù)據(jù)分析

優(yōu)化前后的整車仿真邊界與NEDC續(xù)駛里程仿真結(jié)果對(duì)比見表6。

表6 整車輸入邊界與NEDC續(xù)駛里程仿真結(jié)果

6 結(jié)論

針對(duì)某純電動(dòng)轎車，在開展整車阻力測(cè)試及阻力分解研究的過程中，提出了在原有電機(jī)控制策略的基礎(chǔ)上實(shí)行“電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下偏正向轉(zhuǎn)矩優(yōu)化”的控制策略。該策略實(shí)施后在降低該車型的整車行駛阻力方面產(chǎn)生了較為明顯的效果，在滿足國(guó)標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的情況下，測(cè)試結(jié)果顯示優(yōu)化后的整車平均行駛阻力降低33 N。

基于Cruise軟件對(duì)該車型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)CAE仿真分析，分別輸入優(yōu)化前后的阻力曲線作為整車的仿真邊界，其它邊界條件不變，仿真結(jié)果顯示該車型在NEDC工況下的純電續(xù)駛里程提升約15 km。

綜上所述，電機(jī)零轉(zhuǎn)矩指令下的轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)化對(duì)整車空擋滑行過程中的阻力產(chǎn)生了較大影響，同時(shí)對(duì)電機(jī)在空擋滑行過程中，即在零轉(zhuǎn)矩指令下施加偏正向轉(zhuǎn)矩優(yōu)化的策略可降低整車行駛阻力。該策略在其它車型上的應(yīng)用在此不作詳細(xì)說明。