某純電動物流車高效轉(zhuǎn)矩控制算法的研究

劉朝吉 王紹菲 馬巍凌 張文杰 李清

摘 ?要：為了研究某種純電動物流車轉(zhuǎn)矩控制算法對汽車經(jīng)濟(jì)性影響，本文基于理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對關(guān)鍵零部件建立了MATLAB/Simulink計算模型，以降低汽車系統(tǒng)的能耗為目標(biāo)，提出了一種高效轉(zhuǎn)矩控制算法。通過不同行駛工況下的仿真和道路試驗(yàn)進(jìn)行對比分析與驗(yàn)證，結(jié)果表明，與原轉(zhuǎn)矩分配算法相比高效轉(zhuǎn)矩分配算法的系統(tǒng)能耗可降低5%以上。

關(guān)鍵詞：純電動物流車;轉(zhuǎn)矩控制策略;能耗;效率

中圖分類號：TP391 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0073-08

Research on High-efficiency Torque Control Algorithm of a Pure Electric Logistics Vehiclec

Liu Chao-ji1， Wang Shao-fei1， Ma Wei-ling2， Zhang Wen-jie2， Li Qing2

（ 1.Dongfeng Special Vehicle Co.， Ltd.， Shiyan ?442012， China;

2. Dongfeng VASOL Motor Co.， Ltd.， Shiyan ?442001， China ）

Abstract： In order to study the influence of torque control algorithm of a pure electric logistics vehicle on vehicle economy， this paper establishes a MATLB/Simulink calculation model for key parts based on theoretical and experimental data， and proposes an efficient torque control algorithm with the goal of reducing the energy consumption of vehicle system. Through the comparative analysis and verification of simulation and road tests under different driving conditions， the results show that the system energy consumption of the high-efficient torque distribution algorithm can be reduced by more than 5% compared with the original torque distribution algorithm.

Key Words： Pure Electric Logistics Vehicle; Torque Distribution; Energy Consumption; Efficiency

劉朝吉

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)特汽（十堰）專用車有限公司，任副總經(jīng)理，主要從事新能源專用車底盤設(shè)計研究。已發(fā)表論文 《純電動物流車電機(jī)懸置支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計》。

引 ? ?言

針對世界能源危機(jī)及環(huán)境惡化問題，發(fā)展節(jié)能環(huán)保安全的電動汽車是解決未來能源、環(huán)境問題及實(shí)現(xiàn)主動安全的最有效措施之一，在世界范圍內(nèi)得到高度重視。然而，目前純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短并且充電時間長成為影響其發(fā)展的瓶頸問題[1]。純電動汽車是一個集機(jī)械、電氣、控制等為一體的非線性動態(tài)系統(tǒng)，想要達(dá)到低能耗、低排放，設(shè)計合理的、完善的控制策略是非常重要的[6]。針對汽車控制領(lǐng)域，降低能量消耗的控制策略目前的研究應(yīng)用主要有三種方法：

1）高效的驅(qū)動控制策略;調(diào)節(jié)控制動力系統(tǒng)在效率最高的區(qū)域工作，是提高整車運(yùn)行效率的一種有效方法。

2）再生制動能量回饋策略;在車輛滑行或行車制動過程中，控制電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電，即提供一部分制動力，又對動力電池充電，提高汽車整車能量的利用率[7]。

3）適當(dāng)?shù)慕档蛣恿敵霾呗?降低動力輸出能力，同時也降低了動力電池放電倍率，間接增加動力電池的放電時間和放電量，從而延長車輛的續(xù)駛里程[2]。其中，再生制動能量回饋策略和降低動力輸出策略研究廣泛，具有充分的理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，能明顯取得良好的節(jié)能效果。因此，本文針對其中之一的高效的驅(qū)動控制算法進(jìn)行研究。

目前，在混合動力汽車中應(yīng)用控制轉(zhuǎn)矩分配的方法來降低系統(tǒng)能耗的研究較多，通過確定發(fā)動機(jī)與電機(jī)間的轉(zhuǎn)矩分配來提高車輛的等效燃油經(jīng)濟(jì)性[3]。而對于純電動車輛，尤其是能耗較大的商用車的電機(jī)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動控制策略研究很少，沒有針對性的理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。因此，本文選取了某型號的一款廣泛應(yīng)用的純電動物流車，該款物流車的動力系統(tǒng)采用直驅(qū)方式，因此對電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效調(diào)節(jié)和控制輸出尤其是轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制即可實(shí)現(xiàn)功率的優(yōu)化。本文通過物理模型搭建，控制策略設(shè)計，仿真驗(yàn)證以及真實(shí)道路試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，驗(yàn)證其降低能耗的作用，從而驗(yàn)證了控制策略的正確性與合理性。

1 ? ?純電動物流車整車結(jié)構(gòu)

圖1是本文選用的某公司生產(chǎn)的某型號的暢銷區(qū)域短途廂式純電動物流車，其配置參數(shù)如表1所示：

該車底盤采用6米底盤，制動系統(tǒng)采用液壓制動方式。為了提高傳動效率，便于底盤布置等，動力系統(tǒng)采用直驅(qū)方式，動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示（修改圖2名稱車輛動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖）。動力系統(tǒng)的三大關(guān)鍵部件包括整車控制器、動力電池及其管理系統(tǒng)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)。

2 ? ?模型搭建

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立控制系統(tǒng)模型，將目標(biāo)車速與實(shí)際車速的偏差值作為輸入量，駕駛員模型實(shí)時計算輸出需求轉(zhuǎn)矩，包括驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過整車動力學(xué)模型得到實(shí)際車速，并與目標(biāo)車速比較形成閉環(huán)負(fù)反饋控制，控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)流程圖和系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。該仿真系統(tǒng)包含：駕駛員控制模型和整車動力學(xué)模型;其中整車動力學(xué)模型包含：車輛動力學(xué)模型和電池SOC計算模型。

2.1 ? 駕駛員模型

駕駛員模型主要包括加速踏板、制動踏板、電機(jī)轉(zhuǎn)速等輸入變量，以及循環(huán)工況控制模型?？v向駕駛員模型用于車輛縱向速度的控制，它根據(jù)目標(biāo)車速和當(dāng)前車速計算油門踏板開度和制動踏板開度，輸出需求轉(zhuǎn)矩。如圖4（a）為加速踏板開度百分比與輸出要求轉(zhuǎn)矩百分比的對應(yīng)關(guān)系;如圖4（b）為制動踏板開度百分比與輸出要求轉(zhuǎn)矩百分比的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 ? 動力學(xué)模型

純電動車在行駛過程中，滿足汽車行駛動力學(xué)方程式。車輛縱向加速度與驅(qū)動力及行駛阻力的關(guān)系式（1）如下：

式中 Fdr為來自電機(jī)的驅(qū)動力， FBrk為制動系統(tǒng)的制動力，F(xiàn)w為風(fēng)阻，F(xiàn)f為滾動阻力，F(xiàn)slop車重在坡道方向的分力，M為汽車總質(zhì)量，a為汽車的加速度。

式（2）中FBrkmax為最大制動力，ηBrk為制動踏板開度，TBrkmax 為最大制動力矩，RTire為輪胎半徑。

式（3）中Fw為風(fēng)阻，其與車速v、迎風(fēng)面積A和風(fēng)阻系數(shù)Cw有關(guān);

式（4）中 Ff為滾動阻力，與滾動阻力系數(shù)f有關(guān)，f與車速v有關(guān)，同時車輛與路面間的垂向作用力考慮了坡度α的影響;

式（5）中Fslop車重在坡道方向的分力，與坡道α和車重mg有關(guān)。

2.3 ? 電池模型

電池模塊基于Rint等效電路模型建立，將電池等效為一個理想電壓源U和等效內(nèi)阻R串聯(lián)而成。電池輸出電壓計算公式：

式（7）中Uvoc為理想電壓源電壓，即電池的開路電壓，Rint為等效充放電內(nèi)阻。

模塊輸入為外部需求功率P，根據(jù)此功率需求計算電池當(dāng)前電流，計算公式推導(dǎo)如下：

由上述公式進(jìn)而計算出電池電流I0：

式（8）中Uvoc和R分別為電池的開路電壓和內(nèi)阻，P為外部功率需求，U0、I0分別為電池的電壓和電流。在充電時需求功率P和電池電流為負(fù)值，放電時需求功率和電池電流為正值。 電池模型中的SOC采用積分法計算：

式（9）中積分器初始值為InitSOC，η和CapacityBattery分別代表庫倫效率和電池總?cè)萘俊?/p>

2.4 ? 能耗計算模型

在行駛工況下，系統(tǒng)瞬時耗能：

式（10）中T是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;n是電機(jī)轉(zhuǎn)速;η是電機(jī)效率。其中驅(qū)動電機(jī)效率隨轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速動態(tài)變化，具有非線性特性。

相對于理論計算，臺架試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，因此本次試驗(yàn)中建立如圖5（a）所示的驅(qū)動電機(jī)效率測試臺，分別測定其在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的驅(qū)動效率MAP圖，其測試結(jié)果如圖5（b）所示。因此，該仿真模型應(yīng)用臺架試驗(yàn)的測試結(jié)果的插值計算結(jié)果來實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行。

3 ? ?高效轉(zhuǎn)矩控制策略

轉(zhuǎn)矩控制是整車控制系統(tǒng)功能的關(guān)鍵控制技術(shù)之一，該技術(shù)主要是根據(jù)駕駛員的駕駛意圖和整車狀態(tài)，對電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效調(diào)節(jié)和控制輸出[4]。如下圖6所示，完整的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方案主要由輸入信號、轉(zhuǎn)矩需求、轉(zhuǎn)矩算法、轉(zhuǎn)矩調(diào)整以及轉(zhuǎn)矩限制這幾個部分組成。本節(jié)僅針對轉(zhuǎn)矩算法進(jìn)行研究，設(shè)計了一種高效轉(zhuǎn)矩控制算法，旨在提高電機(jī)控制效率，從而降低電量耗散，提高能量利用率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的設(shè)計目標(biāo)。

3.1 ? 轉(zhuǎn)矩控制算法

設(shè)計轉(zhuǎn)矩控制算法時，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是不僅要滿足駕駛員的駕駛需求，還需要制定控制策略讓動力系統(tǒng)（主要是電機(jī)）工作在其高效區(qū)域，這樣才能有效提高電機(jī)的使用效率，有效延長電動車的行駛里程。本節(jié)根據(jù)已經(jīng)搭建的整車模型，電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速為輸入量，通過試驗(yàn)測試得到的電機(jī)效率表為查表數(shù)據(jù)，根據(jù)輸入量查詢獲取對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最大驅(qū)動力矩;而加速踏板的開度和開度的變化率，可以間接推斷駕駛意圖，整車控制器可以結(jié)合當(dāng)前動力電池組的SOC 狀態(tài)，計算得到驅(qū)動補(bǔ)償力矩。詳細(xì)的控制邏輯為整車控制器根據(jù)辨識的意圖選擇最佳的驅(qū)動模式，計算出對應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載系數(shù)，然后得出滿足駕駛員駕駛需求的驅(qū)動力矩值，最后通過總線將該需求指令發(fā)送給電機(jī)控制器，完成驅(qū)動策略控制指令的輸出。在實(shí)際制定電動車的控制策略時，受到多方面條件的制約，首要原則之一就是在車輛及各子系統(tǒng)性能限制條件下，安全高效地進(jìn)行驅(qū)動力矩的控制。轉(zhuǎn)矩控制算法流程圖見圖7：

如圖7所示，高效轉(zhuǎn)矩算法首先根據(jù)當(dāng)前MCU 輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行電機(jī)效率MAP三維曲面的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)固定轉(zhuǎn)速的二維曲線，得到轉(zhuǎn)矩與電機(jī)效率的對應(yīng)關(guān)系。其次根據(jù)線性差值法計算，可以得到該曲線上的最高效率點(diǎn)ηmax，以及對應(yīng)的最大效率轉(zhuǎn)矩T1。最后根據(jù)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)矩T，計算出該曲線上對應(yīng)的電機(jī)效率點(diǎn)η，對比實(shí)際效率η與最大電機(jī)效率ηmax。若相等，則不進(jìn)行任何轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，輸出補(bǔ)償值為0。若不相等，則計算補(bǔ)償值△T=|T- T1|，并判斷T與T1之間的關(guān)系，若T> T1，則輸出T2=T-△T;若T< T1，則輸出T2= T +△T，最后轉(zhuǎn)矩平滑處理后，輸出給MCU。

在轉(zhuǎn)矩控制算法中，針對電機(jī)效率的計算方法使用的是線性插值法，對電機(jī)效率MAP表的插值。電機(jī)效率MAP圖表是電機(jī)在驅(qū)動電機(jī)效率測試臺上真實(shí)測試的結(jié)果，見2.4節(jié)。因此，當(dāng)測量值是準(zhǔn)確的，沒有誤差時，采用插值法是最快捷準(zhǔn)確的。插值是離散函數(shù)逼近的重要方法，利用它可通過函數(shù)在有限個點(diǎn)處的取值狀況，估算出函數(shù)在其他點(diǎn)處的近似值。計算x點(diǎn)的插值時，只用到x左右的兩個節(jié)點(diǎn)，計算量與節(jié)點(diǎn)個數(shù)n無關(guān)。例如在兩點(diǎn)[xi-1，xi]上線性插值函數(shù)如式11所示：

3.2 ? 轉(zhuǎn)矩平滑處理

對于純電動物流車的轉(zhuǎn)矩變化而言，當(dāng)增加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償或者加速踏板開度變化較大時，會由于電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的突然增加或減小給車輛帶來一定的沖擊，影響駕駛舒適性及動力部件的使用壽命。為了保證轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)過渡，提高舒適性，根據(jù)對車輛加速度變化率限制進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩平滑處理[5]。加速度變化率小于等于m/s3，具體的公式推導(dǎo)如式12所示：

其中，a為加速度，單位m/s2;v為車速，單位m/s;m為整車質(zhì)量，單位kg;r為車輪半徑，單位m;η為系統(tǒng)傳動效率;T為電機(jī)輸出扭矩，單位Nm; i為傳動系變速比。由于整車控制器采樣周期Dt為10ms，同時將整車參數(shù)帶入式，可以得出扭矩變化率的上限D(zhuǎn)T，如式13所示：

行車過程中，將需求電機(jī)轉(zhuǎn)矩T2與上一時刻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T1對比，計算變化量DT，如式14所示，根據(jù)變化量對進(jìn)行修正，得到修正后的需求電機(jī)扭矩，如式14所示，并將Tout 發(fā)送給電機(jī)控制器。

通過Matlab仿真得到的轉(zhuǎn)矩平滑處理結(jié)果如圖8所示，該轉(zhuǎn)矩變化率明顯趨于平緩。

4 ? ?模型仿真及整車試驗(yàn)

4.1 ? 路試及模型仿真

將純電動物流車道路真實(shí)路試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及加速踏板、油門踏板等數(shù)據(jù)信息，收集固定路線的道路路譜數(shù)據(jù)。本小節(jié)根據(jù)實(shí)際道路試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行仿真，驗(yàn)證上一節(jié)中的高效轉(zhuǎn)矩控制策略是否有效的提高了電機(jī)實(shí)際效率，將仿真前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比統(tǒng)計，得到策略的驗(yàn)證結(jié)果。

在30km/h平均車速下（由于城市道路限行因素，車輛在市內(nèi)道路行駛的平均車速接近30km/h），進(jìn)行道路能耗試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)圖如圖9所示：

根據(jù)上述所建立的分布式電動汽車的控制模型，包括駕駛員模型、轉(zhuǎn)矩分配模型和整車動力學(xué)模型等，利用MATLAB/Simulink進(jìn)行固定比例分配轉(zhuǎn)矩的控制策略仿真，模型參數(shù)見表2所示：

通過路試試驗(yàn)獲取相關(guān)能耗及電機(jī)效率等數(shù)據(jù)，同時與仿真結(jié)果比較，參見表3 、圖10、圖11與圖12：

圖10為整車試驗(yàn)獲取的實(shí)際電機(jī)效率及模型仿真后的電機(jī)效率散點(diǎn)圖，將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速散點(diǎn)圖與電機(jī)臺架試驗(yàn)的MAP曲線的橫縱坐標(biāo)重合，即獲取電機(jī)實(shí)際效率分布情況。如圖10所示，帶算法仿真后的電機(jī)效率點(diǎn)更多的分布在電機(jī)MAP圖的高效區(qū)間。如圖11所示，電機(jī)效率分布對比圖更清晰的表達(dá)了電機(jī)效率的提高。如圖12所示，相同行駛里程的情況下，仿真曲線SOC的變化率更小，行駛能耗更低。針對路試結(jié)果的模型仿真，本節(jié)得到該算法的真實(shí)有效性，獲得有效的電機(jī)效率提升，因此下一節(jié)進(jìn)行實(shí)際路試對比試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證算法的有效性。

4.2 ? 路試結(jié)果分析

選取一段固定的城市道路和同一位駕駛員，采用帶算法和不帶算法兩種控制策略，應(yīng)用在滿載的純電動物流車上，進(jìn)行路試對比。經(jīng)實(shí)車路況得到結(jié)果為應(yīng)用算法試驗(yàn)結(jié)果和不使用算法能耗試驗(yàn)對比結(jié)果如表4所示：

在平均車速30km/h條件下，進(jìn)行百公里能耗試驗(yàn)，與前面不用該算法的百公里能耗相比，節(jié)能10%以上。實(shí)際路試電機(jī)效率分布對比圖見圖13，實(shí)際路試SOC與行駛里程關(guān)系曲線見圖14：

整車路試的結(jié)果如圖13所示，帶算法的路試結(jié)果顯示電機(jī)效率點(diǎn)更多的分布在高效區(qū)間。如圖14所示，相同的SOC變化率情況下（100%--16%），帶算法的路試結(jié)果的行駛里程接近90km，不帶算法的路試結(jié)果的行駛里程接近80km，因此應(yīng)用算法的條件下，整車的行駛能耗更低。因此本輪路試進(jìn)一步驗(yàn)證了該高效轉(zhuǎn)矩算法的有效性。

5 ? ?結(jié)論

本文完成了以下工作：（1）建立了考慮駕駛員模型、動力學(xué)模型、電池模型和能耗模型的純電動汽車能耗模型，并通過仿真分析和真實(shí)路試試驗(yàn)對比，驗(yàn)證了模型正確性。（2）提出基于電機(jī)效率MAP優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩控制算法，在電機(jī)轉(zhuǎn)矩約束條件下，根據(jù)行駛工況，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩輸出，有效降低了系統(tǒng)能耗。（3）提出通過在線查表法實(shí)現(xiàn)驅(qū)傳動系統(tǒng)效率優(yōu)化，具有算法簡單、實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)。最終，經(jīng)過模型仿真驗(yàn)證算法的可靠性、經(jīng)過實(shí)車路試驗(yàn)證算法的有效性，最終得出了該算法可以大幅提高電機(jī)的使用效率，有效的增加車輛的行駛里程，實(shí)現(xiàn)了論文最終的研究目標(biāo)。

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