輪轂電機電動汽車基本運行工況控制策略

孟彬，鄧孝元，宋政委

(長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064)

當今汽車產業面臨巨大的能源危機和環境污染壓力，電動汽車的出現成為緩解該問題的一種重要手段[1]。電動汽車輪轂電機驅動技術以簡化整車結構、傳動效率高、智能化等優勢成為電動汽車發展的重要趨勢。整車控制技術是輪轂電機獨立驅動電動汽車最核心的部分[2]。整車控制策略主要根據加速踏板開度、擋位操作、整車及動力部件狀態等確定電機轉速、轉矩并實現控制系統自檢與安全管理等功能[3]。一套完善的整車控制策略應盡可能滿足駕駛員的操作需求，在使電動汽車發揮更好的動力性和經濟性的同時，還應保證駕駛員和乘員的安全。本文結合實際工程需求，基于所搭建的輪轂電機獨立驅動電動汽車實物模型，對其基本運行工況控制策略進行研究[4]。

1 輪轂電機驅動試驗汽車模型

相對于傳統內燃機汽車，輪轂電機獨立驅動電動汽車省去了傳統的離合器、變速箱、主減速器、傳動軸等部件，因此其動力系統僅包括動力輸出裝置(輪轂電機)和能量存儲裝置(動力電池組)[5]。整車控制器、動力電池及其管理系統、輪轂電機及其控制系統為車輛驅動控制系統的三大核心部件。整車控制器主要進行信號采集及處理、車輛驅動及制動控制和能量管理等；輪轂電機系統負責將電能轉化為機械能驅動車輪行駛；動力電池系統為車輛行駛提供能源[6]，輪轂電機驅動電動汽車實物模型框圖如圖1所示。

2 基本運行工況控制策略設計及軟件實現

整車控制系統負責分配并輸出各個驅動輪所需要的驅動力矩，它決定車輛的動力性、經濟性和轉向性等[7]。本文研究的整車控制器根據加速踏板信號、制動踏板信號、鑰匙開關信號、擋位信號、電機電池狀態等信號狀態，將車輛的基本運行工況控制模式劃分為起步、前進、倒車、制動等工況控制這幾個基本的典型模式以及停車外充電等[8]。模型驅動控制策略總體框架如圖2所示。

圖1 輪轂電機驅動電動汽車實物模型框圖

圖2 模型控制策略總體框架

2.1 基本運行工況控制策略設計

2.1.1 起步工況

整車控制器采集輪轂電機轉速、電池剩余電量、擋位、加速踏板和制動踏板等信號，判斷駕駛員是否有起步意圖。整車上電自檢完成并一切正常后，若電池剩余電量QSOC高于最低電量，駕駛員可進行起步操作；若QSOC低于最低電量，則充電指示燈亮，提示駕駛員應先對動力電池充電后再進行其他操作[9]。本文將動力電池最低電量范圍設定為額定容量的20%～30%。當QSOC滿足車輛起步要求后，整車控制器需要根據駕駛員的操作來判斷車輛模型的信號狀態，當這些信號狀態滿足車輛的起步要求時，車輛方可起步。在整車的所有信號中，制動踏板信號是優先級最高的信號，整車控制器一旦采集到有效的制動踏板信號，便立刻向輪轂電機控制器發送制動指令；之后是判斷擋位信號，當駕駛員將擋位掛入前進擋，整車控制器成功采集到前進擋信號后，車輛就處于等待加速踏板信號的狀態[10]。在制定起步工況控制策略時，采用恒定的起步轉矩。此時，電機轉速由0逐漸上升，直到電機轉速達到49 r/min時，整車控制器才會進入車輛前進工況控制狀態。

2.1.2 前進工況

前進工況模式是指車輛完成起步工況模式后，擋位繼續保持在前進擋，車輛能夠無故障正常行駛，此時整車控制器根據采集的各信號狀態，實時計算各輪轂電機的需求轉矩并及時給輪轂電機控制器發送轉矩指令，保證車輛的正常運行。若在行駛過程中QSOC低于額定容量的30%，充電指示燈亮以提示駕駛員盡快停止行駛，進行充電。在此模式下，駕駛員可以控制加速踏板的開度來控制車輛進行加速和減速[11]。

2.1.3 倒車工況

倒車工況控制是指當駕駛員將擋位開關置倒擋且整車控制器成功接收倒擋信號時，將電機反轉指令傳送給輪轂電機控制器，控制器改變輪轂電機輸入電流的方向，使電機反轉，從而實現倒車。倒車工況控制與前進工況控制一樣采用線性踏板控制策略，為避免車輛倒車時車速太高[12]，需要限制電機的輸出轉矩。為了避免駕駛員誤操作引起電機旋轉方向的突變，只有在輪轂電機轉速為0時換入倒擋才有效。

2.1.4 制動工況

制動系統采用機械制動與電控制動結合的方式，機械制動由集成在輪轂電機上的制動盤、制動卡鉗和制動主缸組成。踩下制動踏板時，踏板力通過液壓傳遞給制動卡鉗實施車輪制動[13]；與此同時，整車控制器將制動指令傳送給輪轂電機控制器以控制輪轂電機，電制動由輪轂電機控制器或制動能量回收模塊控制[14]。

2.1.5 空擋工況

當駕駛員在某種路況下需要將車輛暫時停止時，需松開加速踏板，將擋位開關置空擋位置，此時整車控制器傳送給輪轂電機控制器的目標轉矩指令為0，使輪轂電機處于自由狀態，驅動輪減速直至其轉速降為0。該工況主要運行在車輛各種工況模式間的切換過程中。

2.1.6 停車工況

若駕駛員意圖進行停車操作，需使車輛先進入空擋工況模式，待電機轉速降為0后，將鑰匙開關從啟動擋旋轉至ACC擋，待動力驅動系統斷電后，整車控制器、輪轂電機控制器及動力電池管理系統等輔助用電設備斷電、整車控制系統完全斷電后方可離開車輛。

2.2 控制策略軟件實現

2.2.1 基本運行工況控制主程序

在整車控制器判斷車輛基本運行工況時需要采集和分析的信號主要有：制動踏板Brake、前進擋D、空擋N、倒擋R、加速踏板開度Acc、左前輪轉速n1、右前輪轉速n2、左后輪轉速n3、右后輪轉速n4、動力電池剩余電量QSOC等信號[15]。其中擋位信號“1”表示擋位開關掛入該擋位，擋位信號“0”表示擋位開關未掛入該擋位，制動信號Brake為“1”表示駕駛員踩制動踏板，Brake為“0”表示駕駛員沒有踩制動踏板，“ACC>0”表示踩下加速踏板。控制策略主程序流程圖如圖3所示。

2.2.2 起步控制程序

整車控制器采集相關信號進行判斷，若符合起步要求，車輛隨時準備起步。當駕駛員踩下加速踏板且QSOC高于額定容量的20%時，整車控制器將恒定的轉矩指令發送給輪轂電機控制器，電機開始啟動并驅動車輛起步。如果QSOC過低，則充電指示燈亮，提示駕駛員停車充電。

2.2.3 前進控制程序

當車輛完成起步階段，整車控制器便進入前進控制程序(“D=1、N=0、R=0、Brake=0”)，整車控制器在車輛直線前進方向運行過程中，根據加速踏板的電壓計算電機所需轉矩，以控制車輛加減速行駛，如圖4所示。

圖3 基本運行工況控制主程序流程圖

2.2.4 倒車控制程序

在車輛直線前行過程中，如果駕駛員想進行倒車操作，便松開加速踏板待驅動電機轉速降低為0，再將擋位開關掛入倒擋(“D=0、N=0、R=1、Brake=0”)，此時整車控制器進入倒車控制程序，車輛按照倒車控制模式行駛，如圖5所示。

圖4 前駛控制程序流程圖 圖5 倒車控制程序流程圖

2.2.5 制動控制程序

無論車輛處于何種工況行駛，整車控制器一旦采集到有效的制動踏板信號，便進入制動控制程序，給輪轂電機控制器發送車輛制動指令。

2.2.6 空擋控制程序

駕駛員松開加速踏板，待電機轉速降為0后，將擋位開關掛入空擋，整車控制器進入空擋控制程序。

3 試驗平臺的搭建

3.1 電動汽車模型參數

目標車型為自主設計搭建的輪轂電機驅動電動汽車實物模型，其基本結構參數如表1所示，驅動電機與動力電池(磷酸鐵鋰電池包)參數如表2所示。

表1 電動汽車模型基本結構參數

表2 驅動電機及動力電池參數

3.2 整車控制系統

電動試驗車的控制系統總體方案如圖6所示。

圖6 整車控制系統總體方案框圖

整車控制器是整車控制系統中最重要的部件，承擔數據交換與管理、車輛故障診斷、安全監控、駕駛員意圖解析等功能。單片機是整車控制器的核心器件，電動汽車模型的主控芯片采用MC56F8006VLF芯片[16]。

3.2.1 電機及電機控制器

電動汽車模型的輪轂電機為永磁無刷直流電機，將SVMC60090正弦波無刷直流電機控制器與dsPIC30F4011芯片開發板結合一起實現電機控制器功能[17]。

電動汽車模型上主要傳感器只有加速踏板傳感器，選用奇瑞東方之子車型上的加速踏板傳感器，工作電壓為5 V，加速踏板開度與其輸出信號電壓成線性關系。

3.2.2 電氣系統

電氣系統包括72 V動力驅動系統和12 V輔助電氣系統。72 V動力驅動系統主要功用是根據車輛行駛的功率需求完成從動力電池到驅動輪轂電機的能量變換與傳輸過程；12 V輔助電氣系統的電源為12 V輔助蓄電池，在車輛運行過程中由動力電池通過DC/DC轉換器給12 V輔助蓄電池充電[18]。

3.2.3 基本運行工況控制策略軟件實現

采用C語言對控制策略進行編程設計。采用的軟件版本是在Windows7系統平臺運行環境中的CodeWarrior for MCU 10.7，并采用P&E開發工具USB Multilink Universal 仿真器將程序快速燒寫到單片機中[19]。

4 整車試驗及結果分析

電動汽車模型目前采用后兩輪驅動型式，駕駛員在實際道路上操作電動汽車模型，實現車輛起步、前進、倒車、制動等工況轉變，利用LabVIEW軟件開發和設計數據采集上位機系統。車輛運行控制狀態曲線如圖7所示，曲線走勢A→B→C→D→E→F→G為左后輪電機轉速與右后輪電機轉速兩條曲線走勢(兩曲線基本重合)，另一條曲線為加速踏板開度變化曲線。

圖7 車輛運行控制狀態曲線

車輛從A點開始起步，接近5 s時完成起步階段，開始進入前進階段。隨著加速踏板開度的變化，整車控制器按照相應的控制策略實時計算輪轂電機需要的目標轉矩指令，并通過CAN總線發送給輪轂電機控制器；當車輛加速運行到C點時，駕駛員松開加速踏板，開始踩制動踏板，至C點電機轉速下降至0；D點到E點為車輛空擋駐車階段，此時加速踏板和制動踏板行程均為0，兩驅動輪輪轂電機的轉速也為0；空擋駐車結束后，車輛從E點開始倒車，駕駛員掛入倒擋后踩加速踏板開始加速，當車輛倒車至G點時駕駛員再次踩下制動踏板，使電機轉速迅速降為0，至此完成整個試驗。在車輛前進過程中，加速踏板開度接近40%時，電機轉速可以達到近300 r/min，而在車輛倒車過程中，加速踏板開度接近100%時，電機轉速只有200 r/min，這是因為車輛在倒擋模式時動力輸出被限制，加速踏板開度0～100%所對應的電機輸出轉矩范圍要比車輛前進時的小，以此來避免在車輛倒車過程中電機轉速過高所造成的安全事故。

由圖7可以看出：左后輪電機轉速與右后輪電機轉速2條曲線重合度較高，可知2個驅動輪在試驗過程中的協同較好。同時，電機轉速變化趨勢和加速踏板開度變化趨勢基本保持一致。

在試驗過程中，一旦加速踏板被踩下，動力電池組開始放電且電流數值大于0，動力電池BMS顯示屏上顯示的動力電池放電電流數值沒有大范圍的波動。

數據采集上位機采集到電流傳感器所測得的左后輪輪轂電機工作電流，通過處理分析如圖8所示。由圖8可知該電流在試驗過程中沒有異常的波動，而且電流的變化趨勢與加速踏板開度的變化趨勢近似，電機工作電流隨著加速踏板開度的變大而變大，車輛在倒車過程中，由于限制電機轉矩輸出導致電流變化幅度沒有車輛前進時大。由此可判斷輪轂電機驅動系統工作正常，無故障發生。

圖8 左后輪輪轂電機電流隨時間變化曲線

5 結論

經試驗結果分析可知，所設計的輪轂電機驅動電動汽車模型控制系統工作正常，采用的基本運行工況控制策略在電動汽車模型上可以實現，車輛可以在各個基本工況下正常運行，說明控制策略響應較快，跟隨性較好。本設計為輪轂電機驅動電動汽車后續的電子差速、驅動防滑和制動能量回收等整車控制研究打下了一定的基礎。