基于d SPACE的電動汽車控制策略研究

馮雪麗

（杭州科技職業(yè)技術學院，浙江富陽 311402）

0 引言

隨著能源的日益消耗與環(huán)境的逐漸惡化，發(fā)展新能源汽車成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的方向。世界各個國家都在進行純電動汽車的研究，作為純電動汽車幾大關鍵技術之一的整車控制技術是整車控制的核心。

整車控制系統(tǒng)包括整車控制器、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電動汽車組合儀表、CAN網(wǎng)絡通訊以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)等。國外純電動汽車的控制系統(tǒng)比較復雜，整個系統(tǒng)具有多個控制器，并且車輛結構形式多樣，有集中電機驅(qū)動模式、多電機驅(qū)動模式和輪轂電機驅(qū)動模式，純電動汽車可以實現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)等多種模式[1]。國內(nèi)的純電動汽車發(fā)展迅速，集中電機驅(qū)動純電動汽車技術已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)各汽車廠商推出自主研發(fā)的此類純電動汽車。

1 純電動汽車整車控制策略研究

1.1 整車控制系統(tǒng)的功能需求及開發(fā)流程

整車控制系統(tǒng)根據(jù)汽車的實際運行工況，通過CAN網(wǎng)絡或常規(guī)線束發(fā)送和接收信息，實現(xiàn)車內(nèi)數(shù)據(jù)的實時通訊，并對整車進行相應的控制[2]。純電動汽車的整車控制系統(tǒng)應具備以下功能：①汽車驅(qū)動控制；②制動能量回饋控制；③整車能量優(yōu)化管理；④車輛狀態(tài)顯示；⑤故障診斷和處理。

整車控制系統(tǒng)的開發(fā)流程主要包含以下5個方面：①功能設計與Simulink仿真；②快速控制原型；③自動產(chǎn)品代碼生成；④采用硬件在回路仿真進行ECU測試；⑤在整個開發(fā)流程中都可以進行虛擬標定。

1.2 行車轉矩控制策略

如圖1所示，整車有停車、待機、加速、勻速、制動、滑行和倒車7種行車工況，各種狀態(tài)下的工作原理，以及狀態(tài)之間轉換過程分別說明如下。

（1）停車：車速為0，鑰匙開關處于“OFF”位置，檔位處于“P”檔。控制系統(tǒng)低壓電斷開，高壓繼電器斷開，控制系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)。

（2）待機：鑰匙開關轉到“ACC或ON”位置，整車控制系統(tǒng)低壓上電并自檢，如有如高壓線路連接是否正常或絕緣是否良好、充電插頭是否移除、電池SOC是否滿足行車要求等錯誤則進行報錯。當鑰匙旋轉到“START”位置并停留片刻后返回，如果加速踏板位置為零，且沒有其他報錯信息發(fā)生，那么高壓繼電器接通，電機使能位為1，電機進入可驅(qū)動狀態(tài)。

圖1 行車工況圖（正車速表示前進，負車速表示倒退）

（3）加速

1）加速起步過程控制

踏板位置開環(huán)起步控制。即VCU（整車控制器）將駕駛員踏板的位置解釋成對應的轉矩需求，發(fā)命令讓電機發(fā)出響應的轉矩，車速的控制由駕駛者自己掌握，類似于傳統(tǒng)車的手動檔起步，區(qū)別在于電機從0轉速開始工作，沒有離合器的操作，轉矩的輸出為踏板位置的函數(shù)，可表示為：

這種模式的優(yōu)點是控制簡單，駕駛員可以根據(jù)自己的意愿控制起步的車速，缺點是在坡道上起步會出現(xiàn)車輛的倒退。

2）起步后加速過程控制

按期望轉矩控制方法：即將駕駛員的加速踏板位置解釋成轉矩的需求，將轉矩需求發(fā)送給電機控制器發(fā)出相應的轉矩驅(qū)動汽車，而車速由驅(qū)動轉矩和道路阻力狀態(tài)共同決定。

變速器檔位換入D檔，松開手制動器，踩下加速踏板到一定位置，整車控制器將接收到的加速踏板的模擬電壓信號轉變成數(shù)字信號，根據(jù)加速踏板位置和電機轉速計算駕駛員需求轉矩Tr，根據(jù)當前電池的SOC及報錯信息、電機的狀態(tài)等計算電機的許用轉矩Tp，整車控制器取兩者的最小值作為電機的實際驅(qū)動轉矩（需求轉矩為正值），并將此轉矩命令通過CAN總線送給電機控制器，電機控制器根據(jù)此命令調(diào)節(jié)永磁電機的定子電流大小，產(chǎn)生相應的轉矩（如圖2所示）。直到驅(qū)動力與道路阻力平衡。

車輛的加減速過程的快慢由駕駛員進行控制。期望轉矩和加速踏板位置的對應關系可以標定，從而調(diào)節(jié)駕駛的動力感受，通過圖2中的目標轉矩斜坡發(fā)生器來實現(xiàn)。圖3給出了幾種目標轉矩隨加速踏板位置變化的關系線，線a的轉矩輸出前段斜率小，轉矩對踏板的響應速率慢，后段斜率大，轉矩對踏板的響應速率快，由于開始加速感覺太軟，一般不用這種方式。線b的轉矩輸出和踏板位置成正比例，控制最為簡單，但前段轉矩輸出仍然不夠迅速，動力感不夠強。線c的前段轉矩對踏板響應速率很快，動力感較強，且符合低速轉矩需求大，告訴轉矩需求相對小的規(guī)律，是較為理想的踏板轉矩解釋方式。線d的轉矩響應速率最大，但是后段踏板為無效行程，顯得并不合理。

圖3 相對于加速踏板位置的不同目標轉矩輸出特性

（4）勻速：這種情況下，加速踏板的位置基本不變，只有在道路阻力發(fā)生較小范圍變化時做適當調(diào)整，以維持車速穩(wěn)定，其他工作過程與加速時一樣。

（5）制動：制動過程中的目標制動轉矩計算原理如圖4所示。在某一車速下，踩下制動踏板，電機由電動狀態(tài)轉換成發(fā)電模式，整車控制器根據(jù)收到的制動踏板的位置電壓信號計算電制動轉矩，并將此轉矩命令發(fā)送給電機ECU，電機ECU控制電機發(fā)出相應的制動阻力矩，當電機轉速低于某個設定轉速N0(r/min)時，即車速低于對應的車速V0(km/h)，電機停止輸出制動轉矩并轉入空轉狀態(tài)，不輸出任何轉矩，此時只有機械制動器起作用。

完全再生制動系統(tǒng)，其原理如圖5所示。這種制動系統(tǒng)中因為引入了電子控制液壓制動力執(zhí)行器，可以調(diào)節(jié)機械制動力的大小，在制動力需求較小時，全部由電機產(chǎn)生前輪的制動力，在制動力需求大時，驅(qū)動輪由液壓和電機兩種制動同時作用，前后軸制動力的分配可以按照理想制動力分配曲線I線來進行，如圖6所示，這樣可以發(fā)揮最大的再生制動能力，盡可能多地回收制動能量。

（6）滑行：加速踏板位置為0，制動踏板位置為0，電機輸出轉矩為0。

（7）倒車：檔位換入“R”擋，踩下加速踏板，整車控制器根據(jù)加速踏板位置、電池狀態(tài)、系統(tǒng)報錯信息等計算駕駛員需要轉矩，并將需求轉矩及旋轉方向命令通過CAN總線發(fā)送給電機控制器，電機控制器調(diào)節(jié)電機發(fā)出相應需求轉矩驅(qū)動汽車后退。

1.3 行車模式調(diào)度策略

（1）正常驅(qū)動模式

包括開環(huán)車速控制和閉環(huán)車速控制（巡航）。開環(huán)車速控制即按照駕駛員踏板位置和路況進行車速控制；閉環(huán)車速控制即巡航控制，這種模式下，汽車按照設定的車速保持勻速行駛。

圖4 制動過程中的目標制動轉矩計算原理

圖5 完全再生制動系統(tǒng)原理圖

圖6 完全控制再生制動系統(tǒng)前后軸制動力分配關系

（2）制動模式

觸發(fā)條件為制動踏板位置大于初始閾值，屬于絕對觸發(fā)條件，即只要滿足這個條件就進入制動模式工作。

（3）低電量模式

如圖7所示，電池的SOC低于40%后，電池的放電效率開始較快下降，所以當SOC小于40%就進入低電量運行模式，當SOC小于20%后應當禁止行車并進行補充充電[3]。

（4）故障模式

故障標志出現(xiàn)是進入故障模式的條件，故障的管理可以分級進行管理，只有在非嚴重故障的情況下才可以進入故障運行模式，如果是嚴重故障，直接進入停機狀態(tài)[4]。

2 基于dSAPCE純電動汽車的整車控制策略建模

2.1 整車控制系統(tǒng)總體結構

整車控制系統(tǒng)根據(jù)汽車的實際運行工況，通過CAN網(wǎng)絡或常規(guī)線束發(fā)送和接收信息，實現(xiàn)車內(nèi)數(shù)據(jù)的實時通訊，并對整車進行相應的控制。整車控制系統(tǒng)的結構如圖8所示。

圖7 電池的充放電效率區(qū)域分布

2.2 行車模式調(diào)度建模

整車工作時有正常行駛模式、巡航行駛模式、制動回饋模式、電量不足模式、停止行駛模式和故障行駛模式6種狀態(tài)，各種模式之間的轉換過程說明如下。

圖8 整車控制系統(tǒng)結構圖

圖9 行車模式判斷狀態(tài)流建模

圖10 行車模式判斷流程圖

當SOC低于30%時，車輛進入低電量事件。此時如果SOC同時高于20%，車輛進入“電量不足模式”，電機降載為需求扭矩的一半，以使車輛盡可能地延長行駛里程，趕往充電站充電；但當SOC低于20%時，為了防止損壞電池，提高電池使用壽命，車輛進入“停止行駛模式”，給定電機扭矩為0 N·m，禁止車輛行駛。

當SOC高于30%時，車輛進入高電量事件。此時如果巡航開關開啟、車速高于15 km/h，且加速踏板百分比小于5，車輛進入“巡航行駛模式”；當其中任一條件不滿足時，車輛就跳出巡航行駛模式返回“正常行駛模式”。

當制動踏板開關開啟時，車輛進入“制動回饋模式”，此時，電動汽車將一部分制動能量回收轉化為電能，而制動踏板關閉時，車輛返回到“正常行駛模式”；當車輛故障等級大于0時，車輛就進入“故障行駛模式”，然后依據(jù)故障的嚴重程度的等級來決定電機是否需要降載或強制停轉。當車輛故障消除后，通過判斷制動踏板開關的閉合狀態(tài)來決定車輛是進入“制動回饋模式”還是進入“正常行駛模式”。行車模式判斷狀態(tài)流建模和流程圖分別如圖9和圖10所示。

3 基于d SPACE的整車控制策略仿真測試

3.1 測試方案及其建模

由于本文所研究純電動汽車還在研究階段，無法直接在整車上測試本控制系統(tǒng)的可靠性和準確性，故本文在此只對本控制系統(tǒng)中的行車模式調(diào)度建模進行測試。

3.1 .1行車模式調(diào)度的測試方案

通過SIMULINK模塊庫中的Signal builder輸入源模塊，模擬決定行車模式的輸入量如SOC、加速踏板位置、制動踏板位置、巡航開關和車速等，通過對輸入信號的調(diào)整，觀察行車模式的調(diào)度是否與所建立的模型的邏輯關系相符，其模型建立如圖11所示。

3.2 測試過程及結果分析

如圖12和圖13所示，時間1到2秒制動踏板開關開啟，車輛進入“制動回饋模式”，行車模式輸出3；3到4秒時，由于SOC大于30%，巡航開關和制動踏板開關關閉，故障等級為2，故此時行車模式輸出6；6～7秒，巡航開關開，車速高于15 km/h，且加速踏板百分比小于5，車輛進入“巡航模式”，行車模式輸出2；8到9秒SOC低于30%，車輛進入低電量事件，此時SOC同時高于20%，車輛進入“電量不足模式”，行車模式輸出4；9到10秒，SOC低于20%，為了防止損壞電池，提高電池使用壽命，車輛進入“停止行駛模式”，行車模式輸出5；其他工況下，車輛進入“正常行車模式”，行車模式輸出1。由此可得到行車模式的控制是正確可靠的。

圖11 行車模式調(diào)度測試建模

圖12 行車模式控制輸入信號

圖13 行車模式調(diào)度測試結果

4 總結

本文著重于基于dSAPCE的純電動汽車整車控制策略的研究，主要成果有：

（1）對整車控制策略進行了研究，根據(jù)整車控制系統(tǒng)的功能需求，分別對行車轉矩控制策略、行車模式調(diào)度策略和整車故障管理策略進行研究，提出起步、加速和制動等行車模式的控制方案，行車模式調(diào)度控制方案以及電池、電機和高壓安全管理系統(tǒng)的故障管理策略；

（2）依據(jù)所提出的控制策略，結合仿真軟件dSAPCE，和MATLAB/SIMULINK軟件，進行整車控制系統(tǒng)的行車模式調(diào)度模型的建立；

（3）基于dSPACE軟件對所建立的模型進行驗證，證明了此控制系統(tǒng)模型的可靠性，根據(jù)驗證可知，本文所建立的控制模型是可靠的。

［1］張翔.純電動汽車整車控制器進展［J］.汽車電器，2011（2）：7-11.

［2］郭溫文.純電動客車整車控制系統(tǒng)設計與控制策略研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［3］馮雷，李松，丁富強.電動汽車高壓安全管理系統(tǒng)設計［J］.科技與企業(yè)，2012（11）：124-125.

［4］宋炳雨.純電動汽車高壓電安全管理系統(tǒng)研究與設計［D］.重慶：重慶交通大學，2011.

［5］ Holger Ross.Implementing Electromobile Ideas.electronil automotive，2012.