一種電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)扭矩控制系統(tǒng)及控制方法研究

楊志超，呼豆豆，楊維剛，馬 強(qiáng)

（大運(yùn)汽車股份有限公司技術(shù)中心，山西 運(yùn)城 044000）

電驅(qū)化是新能源汽車的重要發(fā)展方向。近年來(lái)，純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車都在快速并行發(fā)展。整車動(dòng)力性和駕乘感是新能源汽車技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一，怎樣在保證整車動(dòng)力性和可靠性的前提下，提升動(dòng)力輸出平穩(wěn)性和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作效率及壽命是整車電驅(qū)化控制技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。

目前應(yīng)用的扭矩控制策略中，在輸入信號(hào)采集過(guò)程中數(shù)據(jù)密集，增加了控制器處理的負(fù)擔(dān)，影響了運(yùn)算速率；在扭矩輸出控制時(shí)，因駕駛員踩加速踏板異常操作時(shí)（猛踩猛放）會(huì)出現(xiàn)扭矩突變的情況；在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮最大扭矩限制，可能會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)中的某個(gè)部件容易斷裂等故障。為解決以上問(wèn)題，特提出一種電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)扭矩控制系統(tǒng)及控制方法。

驅(qū)動(dòng)扭矩控制的作用是在車輛正常運(yùn)行時(shí)，VCU接收加速踏板位置信號(hào)（加速踏板APS1信號(hào)、加速踏板APS2信號(hào)）、制動(dòng)踏板信號(hào)（制動(dòng)踏板傳感器信號(hào)或腳制動(dòng)開(kāi)關(guān)）、擋位信號(hào)（N擋，D擋，R擋）、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)（MCU_Motor－Speed）來(lái)對(duì)駕駛意圖進(jìn)行解釋，生成相關(guān)的扭矩需求，傳輸給MCU，將動(dòng)力電池中的電能通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化為車輛的動(dòng)能。

1 電動(dòng)汽車扭矩控制系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)扭矩控制需要一個(gè)完整的控制系統(tǒng)和精準(zhǔn)完善的軟件控制策略和算法，驅(qū)動(dòng)扭矩控制系統(tǒng)包括擋位處理、油門踏板處理、制動(dòng)踏板處理、系統(tǒng)最大能力、故障處理、驅(qū)動(dòng)扭矩控制、扭矩仲裁和信號(hào)輸出等軟件控制模塊。如圖1所示。

2 驅(qū)動(dòng)扭矩控制方法

該方法主要分為以下3步。

1）系統(tǒng)上電完成后，驅(qū)動(dòng)扭矩控制模塊接收邏輯擋位、加速踏板、制動(dòng)踏板、電池BMS以及電機(jī)MCU等整車信號(hào)。

2）根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)扭矩判斷和計(jì)算，并將扭矩信號(hào)發(fā)送至扭矩仲裁模塊；所述扭矩仲裁模塊對(duì)接收的扭矩信號(hào)進(jìn)行濾波計(jì)算，輸出仲裁后的扭矩請(qǐng)求信號(hào)。

3）判斷點(diǎn)火鑰匙是否關(guān)閉IG OFF，如果否，返回步驟2）；如果是，MCU根據(jù)接收的扭矩請(qǐng)求信號(hào)輸出0扭矩。

2.1 信號(hào)采集

整車扭矩控制需要根據(jù)駕駛員的意圖和整車當(dāng)前的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行。怎樣識(shí)別駕駛員的意圖或整車當(dāng)前狀態(tài)呢？驅(qū)動(dòng)控制模塊需從整車各操縱器和其他相關(guān)的控制模塊采集相關(guān)信號(hào)。

整車上電完成后，驅(qū)動(dòng)扭矩控制模塊分別接收邏輯擋位信號(hào)、加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)，得知駕駛員的駕駛意圖。從BMS輸出的電池SOC值、電池組總電壓、故障狀態(tài)信號(hào)以及電池組當(dāng)前最大允許回饋電流、系統(tǒng)最大能力模塊輸出的電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)扭矩TMCU、電池當(dāng)前狀態(tài)下能夠輸出功率轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)扭矩TBMS、傳動(dòng)系統(tǒng)最大承受扭矩T以及故障處理模塊輸出的故障限值T判斷整車的當(dāng)前狀態(tài)。結(jié)合以上采集的各模塊發(fā)送的信號(hào)，為下一階段的扭矩控制提供判斷的依據(jù)。

2.2 信號(hào)處理與輸出

扭矩控制模塊收到其他模塊發(fā)送的相關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)對(duì)各類信號(hào)判斷處理，來(lái)識(shí)別整車當(dāng)前的狀態(tài)和駕駛員的駕駛意圖，再計(jì)算出相應(yīng)的扭矩系數(shù)，最終保證滿足動(dòng)力性需求的扭矩平穩(wěn)輸出。

1）電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制

扭矩控制模塊根據(jù)擋位處理模塊輸出的邏輯擋位信號(hào)和當(dāng)前的車輛狀態(tài)，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)扭矩控制模塊收到邏輯擋位為D擋時(shí)，對(duì)外輸出正扭矩請(qǐng)求；當(dāng)扭矩控制模塊收到邏輯擋位為R擋時(shí)，對(duì)外輸出負(fù)扭矩請(qǐng)求；當(dāng)扭矩控制模塊收到邏輯擋位為N擋時(shí)，對(duì)外輸出0扭矩請(qǐng)求。

注：當(dāng)不處于能量回饋狀態(tài)時(shí)。

2）驅(qū)動(dòng)扭矩控制功能邏輯

加速扭矩計(jì)算公式：

系統(tǒng)最大驅(qū)動(dòng)能力扭矩是指當(dāng)前狀態(tài)下，整車系統(tǒng)能夠承受的最大驅(qū)動(dòng)扭矩，主要評(píng)估以下要素：系統(tǒng)能力估計(jì)驅(qū)動(dòng)扭矩T=min（TMCU，TBMS，T傳動(dòng)系統(tǒng)，T故障限值）。①TMCU：電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下能夠產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)扭矩，可根據(jù)電機(jī)外特性標(biāo)定：TMCU=T電機(jī)限制。

②TBMS：電池當(dāng)前狀態(tài)下能夠承受的驅(qū)動(dòng)扭矩，該扭矩根據(jù)BMS實(shí)時(shí)反饋的電池組當(dāng)前最大放電功率及當(dāng)前轉(zhuǎn)速計(jì)算得出：Ppack=電池組當(dāng)前最大允許放電電流×電池組總電壓，TBMS=Ppack×9550/n。

③T傳動(dòng)系統(tǒng)：傳動(dòng)系統(tǒng)最大承受正向的扭矩，該扭矩根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定（非回饋狀態(tài)下）。

④T故障限值：T故障限值=T（MCU最大功率）×故障限值系數(shù)

故障限值系數(shù)由故障處理模塊提供，此處不再敘述。

所述系統(tǒng)最大能力模塊用于限制系統(tǒng)最大驅(qū)動(dòng)能力扭矩，即：系統(tǒng)最大驅(qū)動(dòng)能力扭矩的值取整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中抗扭性最小的零部件抗扭力矩。

3）加速扭矩系數(shù)

扭矩控制模塊根據(jù)公式y(tǒng)=a×x2+b×x得出扭矩系數(shù)，其中x為加速踏板開(kāi)度，取值范圍為［0，1］，a，b的取值是通過(guò)在不同車速下踩下加速踏板評(píng)價(jià)車輛的加速度，當(dāng)其滿足主觀評(píng)價(jià)的要求后確認(rèn)的值。在不同擋位及驅(qū)動(dòng)模式下對(duì)應(yīng)不同的扭矩系數(shù)MAP。

其中踏板開(kāi)度由加速踏板位置信號(hào)（加速踏板APS2信號(hào)、加速踏板APS1信號(hào)）計(jì)算得出；車速由車速計(jì)算模塊得出。（MCU_MotorSpeed×2πr×60）/（1000×減速比）。表1為驅(qū)動(dòng)扭矩系數(shù)表。

表1 驅(qū)動(dòng)扭矩系數(shù)表（示例）

4）制動(dòng)優(yōu)先

制動(dòng)功能是整車的安全功能，為保證整車安全和駕駛員的生命安全，在制動(dòng)的過(guò)程，整車的扭矩控制至關(guān)重要。

在驅(qū)動(dòng)扭矩解析過(guò)程中，扭矩控制模塊測(cè)到制動(dòng)踏板處理模塊發(fā)送的制動(dòng)信號(hào)，應(yīng)將加速扭矩需求置為0（此處不包含制動(dòng)回饋扭矩控制）。

部分車型在設(shè)計(jì)時(shí)扭矩控制也會(huì)產(chǎn)生手制動(dòng)信號(hào)，為防止駕駛員在未松手制動(dòng)的情況下加速行車，導(dǎo)致手制動(dòng)片或制動(dòng)片燒蝕的問(wèn)題，當(dāng)手制動(dòng)信號(hào)有效時(shí)，扭矩控制模塊將扭矩最大限制值按扭矩平滑控制線性降至20%（將最大值按照20%的值進(jìn)行線性限值），并通過(guò)組合儀表向駕駛員報(bào)警。

5）信號(hào)濾波及扭矩平滑控制功能

通過(guò)控制策略防止數(shù)據(jù)輸出發(fā)生突變，保證扭矩輸出平穩(wěn)。扭矩控制模塊將計(jì)算得出的扭矩輸出給扭矩仲裁模塊，為保證扭矩輸出安全，扭矩仲裁模塊在扭矩變化時(shí)會(huì)濾波，采用逐次濾波，算法如下。

首次采集10個(gè)數(shù)x1，x2…x10，求平均值A(chǔ)1，下一時(shí)刻采集x11，若|x11-A1|>標(biāo)定量限值時(shí)，x11丟棄，若|x11-A1|<=標(biāo)定量限值時(shí)，保留x2，x3…x11，求取A2…，標(biāo)定量限值的大小得根據(jù)實(shí)車的效果進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)接收的扭矩信號(hào)進(jìn)行扭矩平滑控制，具體下式表示：

式中：K——常數(shù)；Ta——目標(biāo)輸出扭矩值；Δt——系統(tǒng)采樣時(shí)間，一般可以是10ms或100ms；ΔT——扭矩需求值減去上一時(shí)刻扭矩輸出值。

增加扭矩平滑控制，對(duì)需求扭矩進(jìn)行轉(zhuǎn)矩增加率限制，防止敲齒Clunk現(xiàn)象發(fā)生，避免產(chǎn)生不良乘坐感受和降低傳動(dòng)系統(tǒng)壽命。表2為扭矩變化率限值。圖2為扭矩變化率。

表2 扭矩變化率限值（示例）

圖2 扭矩變化率（示例）

6）最高車速限制

基于安全考慮，往往需要對(duì)車輛行駛速度進(jìn)行限制。當(dāng)車輛處于高速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)亦處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。假設(shè)車輛處于一個(gè)長(zhǎng)下坡的路況時(shí)，若此時(shí)駕駛員未松開(kāi)加速踏板或未采取任何制動(dòng)措施，車輛會(huì)持續(xù)加速，導(dǎo)致電機(jī)存在超速甚至失控的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在車速控制策略中限制車輛實(shí)際運(yùn)行的最高車速尤為重要。最高車速的數(shù)值需要主機(jī)廠人員綜合車輛行駛道路、行駛時(shí)的氣候條件以及車輛載荷等因素進(jìn)行測(cè)試及標(biāo)定。車輛往往不允許超過(guò)標(biāo)定的最高車速行駛。

本策略采集制動(dòng)防抱死系統(tǒng)實(shí)時(shí)車速信號(hào)及電機(jī)傳動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，判斷當(dāng)前車速是否大于設(shè)定最高車速閾值，當(dāng)車速超過(guò)設(shè)定值，限制扭矩輸出，使車速下降到安全范圍內(nèi)。而最高車速限值需要根據(jù)不同擋位進(jìn)行設(shè)置，D擋最高車速限速為100km/h（假設(shè)值），當(dāng)車速在超過(guò)90km/h時(shí)，通過(guò)增量式PI調(diào)節(jié)，使車速不再增加，若調(diào)節(jié)車速時(shí)目標(biāo)輸出負(fù)扭矩，則將目標(biāo)輸出扭矩置為0。R擋最高車速限值為10km/h（假設(shè)值），控制策略同D擋。

2.3 IG電源消失

判斷點(diǎn)火鑰匙IG OFF，扭矩控制模塊采集到的其他模塊信號(hào)為0，將扭矩請(qǐng)求信號(hào)輸出0扭矩。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中的方法不僅通過(guò)限制系統(tǒng)最大驅(qū)動(dòng)能力扭矩對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中的各部件在機(jī)械沖擊過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)，還采用制動(dòng)優(yōu)先、最高車速限制等控制策略保證整車行車安全。在數(shù)據(jù)信號(hào)處理及扭矩輸出方面采用減少軟件處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)查詢，提高運(yùn)算速率。通過(guò)濾波和對(duì)需求扭矩轉(zhuǎn)矩增加率的限制，防止數(shù)據(jù)輸出發(fā)生突變，保證扭矩輸出的平滑性，形成一套扭矩控制系統(tǒng)控制方法。但后續(xù)還需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在市場(chǎng)的各種運(yùn)行工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷優(yōu)化控制方案和技術(shù)參數(shù)，才能使控制方案更加完善，整車運(yùn)行更加安全可靠。