純電動汽車驅動控制策略仿真分析

方成 王萌 王宇 歐文軍

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司）

目前，針對純電動汽車驅動控制策略的研究主要集中在汽車的動力性方面，沒有反映出駕駛員在控制加速踏板的過程中所代表的動態意圖[1]。目前的純電動汽車驅動控制策略可分為硬踏板加速、軟踏板加速及線性踏板加速3種，為了解決純電動汽車動力性和操控性難以同時兼顧的問題，文章將駕駛員意圖分為穩態意圖和動態意圖。穩態意圖用于保證汽車的操控性，動態意圖用于保證汽車的動力性[2]。在此基礎上提出了一種基于駕駛員意圖識別的純電動汽車動力性驅動控制策略，并采用MATLAB/Simulink進行了仿真，仿真結果表明，該策略在保證純電動汽車操控性的同時，能夠根據駕駛員動態意圖提高汽車的動力性。

1 純電動汽車整車控制策略

純電動汽車驅動控制策略，如圖1所示。圖1中曲線1，2，3分別代表1種驅動控制策略。曲線1為硬踏板加速曲線，能較好地滿足汽車的動力性要求；曲線3為軟踏板加速曲線，能較好地滿足汽車的操控性要求；但曲線1和3的函數形式比較復雜，需要考慮的參數太多，計算量大；曲線2為線性踏板加速策略，控制效果介于曲線1和3之間，函數形式簡單，控制簡便易行。但曲線2只考慮了轉矩與加速踏板開度之間的關系，而實際上還應考慮電機的控制策略與工作特性。

圖1 純電動汽車3種驅動控制策略曲線圖

為了兼顧純電動汽車高負荷時的動力性和低負荷時的操縱性，將駕駛員的駕駛意圖分為穩態意圖和動態意圖。加速踏板行程代表了駕駛員穩態意圖，由加速踏板為某一固定值時的電機輸出轉矩表征；加速踏板行程變化率代表了駕駛員動態意圖，由踩踏加速踏板過程中的電機轉矩變化率表征。在此基礎上，提出了一種基于駕駛員意圖識別的純電動汽車驅動控制策略，如圖2所示，該策略分為穩態意圖識別、動態意圖識別、動態補償轉矩計算和輸出轉矩計算4個部分[3]。

圖2 純電動汽車驅動控制策略結構圖

1.1 穩態意圖識別

穩態轉矩比例系數是指電機實際轉矩與額定轉矩的比值。雖然圖1中的曲線2可滿足駕駛員的駕駛需求，但其沒有考慮到駕駛員在不同加速狀態下所表達的加速意圖，也沒有考慮到在急加速過程中電機的過載運行特性。文章通過對電機的典型工作點進行分段3次埃爾米特插值，得到了不同加速踏板開度對應的穩態轉矩比例系數。根據純電動汽車的電機過載工作特性，將加速踏板分為巡航區、常用加速區及急加速區3個區域。其中，巡航區對應著電機的額定運行范圍，此區域內汽車加速能力相對較弱，但可以持續穩定運行；常用加速區對應著電機的2倍過載運行范圍，此區域內汽車可滿足常用加速需求，且持續穩定運行時間相對較長；急加速區對應著電機的3倍過載運行范圍，此區域內汽車具有較好的加速性能，但是持續穩定運行時間較短。根據對純電動汽車加速踏板區域的劃分，取3個區域的4個邊界點為典型工作點，分別為零點（不運行）、額定運行工作點、2倍過載運行工作點及3倍過載運行工作點，并結合駕駛員對加速踏板操作習慣的統計規律，確定了典型工作點下加速踏板行程與穩態轉矩比例系數的關系[4]，如表1所示。

表1 純電動汽車穩態轉矩比例系數表

穩態轉矩是穩態轉矩比例系數和當前電機轉速下的額定轉矩的乘積，如式（1）所示。

式中：T0——電機在轉速n下的穩態轉矩，N·m；

K——穩態轉矩比例系數；

T（n）——電機轉矩，N·m；

n——電機轉速，r/min。

由式（1）可以得到電機在不同加速踏板開度和轉速下的轉矩曲線，如圖3所示。

圖3 純電動汽車電機的工作特性曲線圖

1.2 駕駛員動態意圖識別

從圖1中可以看出，曲線2所示的控制策略可以反映駕駛員的穩態意圖，然而駕駛員采用不同速率踩踏加速踏板的響應基本相同，即沒有考慮駕駛員踩踏加速踏板這一操作的動態意圖。文章選取加速踏板開度變化時的電機輸出轉矩變化率（J/（N·m/s））來表征駕駛員的動態意圖[5]。

1.3 動態補償轉矩的計算

由圖3可以看出，當電機轉速超過基速以后，電機輸出轉矩隨著電機轉速的升高而降低。同時，在加速踏板變化率逐漸變為0的過程中，穩態轉矩趨于穩定，但汽車還處于非穩定的狀態中。因此，為了反映出駕駛員的動態意圖，需要在加速踏板變化率為0以后對電機轉矩進行補償。動態轉矩補償算法分為穩態車速計算模塊和動態補償轉矩計算模塊2個部分。

1.3.1 穩態車速計算模塊

穩態車速是指在穩態轉矩的驅動下汽車達到穩定狀態時的車速。文章中將穩態車速定義為在平路上按某個車速穩定運行。因此在平路上，穩態車速只與穩態轉矩和傳動比等相關，其關系式，如式（2）所示。

由式（2）可得：

式中：i0——主減速器傳動比；

ig——變速器傳動比；

η——傳動系統效率；

m——整車質量，kg；

g——重力加速度，N/kg；

f——滾動阻力系數；

CD——風阻系數；

A——迎風面積，m2；

vs——穩態車速，km/h；

r——車輪半徑，m。

1.3.2 動態補償轉矩計算模塊

將汽車的運行狀態分為4個階段：1）踏板穩定、車速穩定；2）踏板變化、車速變化；3）踏板穩定、車速變化；4）踏板變化、車速穩定。基于此，設計動態轉矩補償算法，如圖4所示。

圖4 純電動汽車動態轉矩補償算法流程圖

1）踏板穩定車速穩定階段。此階段內汽車處于穩定狀態，無需進行轉矩補償，如式（4）所示。

2）踏板變化、車速變化階段。此階段為加速踏板開度變化的階段，時間較短。由于穩態轉矩的變化可帶來一定的沖擊度，因此，不進行動態轉矩補償，但需對電機輸出轉矩的變化率進行計算，作為動態補償轉矩的計算依據，如式（5）所示。

式中：J（i）——第i次調用動態補償轉矩最大值計算算法時的駕駛員允許最大沖擊度，m/s3；

S（i）——駕駛員允許最大沖擊度累積，m/s3；

Jav——駕駛員允許最大沖擊度的累積平均值，m/s3；

i——次數。

3）踏板穩定、車速變化階段。此階段內踏板開度已經處于穩定狀態，但是汽車仍在加（減）速，因此需要根據駕駛員的動態意圖對電機的輸出轉矩進行補償。根據車速與穩態踏板開度對應的穩態轉速之間的差值，將動態轉矩補償過程分為補償轉矩保持階段和補償轉矩減小階段。

式中：td——駕駛員的反應時間，s。

1.4 輸出轉矩計算

動態補償轉矩計算流程，如圖5所示。

圖5 轉矩指令計算算法結構圖

2 仿真研究

在MATLAB/Simulink平臺里建立純電動汽車動力性模型，對文章所提出的基于駕駛員意圖識別的控制策略進行仿真，仿真所采用的整車參數，如表2所示。圖6示出3種不同工況的加速曲線，曲線1為慢加速工況，曲線2為正常加速工況，曲線3為急加速工況。分別對這3條加速曲線進行驅動控制策略仿真，圖7示出仿真結果。

表2 某純電動汽車整車參數表

圖6 純電動汽車駕駛員意圖識別控制策略下加速踏板行程曲線圖

圖7 純電動汽車驅動控制策略仿真結果曲線圖

圖7中，曲線1，2，3分別為基于駕駛員意圖識別控制策略下在慢加速、正常加速和急加速時的仿真結果，曲線 1’，2’，3’分別為采用線性驅動控制策略下在慢加速、正常加速和急加速時的仿真結果。

由圖7可知，采用線性驅動控制策略時，電機輸出轉矩不會隨加速踏板開度變化率的變化而變化，即沒有反映出駕駛員的動態意圖。而采用基于駕駛員意圖的控制策略時，在電機轉速超過基速以后，電機轉矩的下降速率會變低，汽車加速時間有了明顯的提升，而由對應于不同加速踏板開度變化率的曲線1，2，3可知，加速踏板開度變化率越大，即駕駛員加速需求越迫切，加速時間則越短。綜上所述，采用基于駕駛員意圖的驅動控制策略，既可以保證駕駛員的穩態意圖，也可以滿足駕駛員的動態意圖。

3 結論

文章考慮到駕駛員的駕駛意圖，將其分為穩態意圖和動態意圖，基于此，提出了基于駕駛員意圖識別的純電動汽車驅動控制策略，此策略可以兼顧純電動汽車的動力性和操控性。

仿真結果表明，相比于線性驅動控制策略，基于駕駛員意圖識別的驅動控制策略在根據駕駛員的穩態意圖保證汽車操控性的同時，還能夠根據駕駛員的動態意圖保證汽車的動力性。