纯电动汽车控制策略

学习任务3 纯电动汽车的控制策略
任务目标
任务目标
能够正确的认识纯电动汽车的控制策略的功用和设计思路。

能够掌握对加速转矩控制策略、制动能回馈控制策略、驱动转矩的功率限制策略的分析方法
学习重点
对纯电动汽车控制策略的分析和设计。

知识准备
一、电动车控制系统概述
1整车控制单元.
汽车整车控制单元（VCU）是纯电动汽车整车控制系统的核心部件。

纯电动汽车的正常行驶、安全性、再生能量回馈、网络管理、故障诊断与处理以及车辆状态监测等方面都需要VCU 的参与。

对于加速度踏板、制动踏板、电子换挡杆等传感器数据和驾驶员操作指令的数据，控制指令将其发送至整车控制单元，整车控制单元按照既定的整车控制策略进行数据处理，将处理结果发送给电机控制器、电池控制单元等，并实时监控车辆运行状态。

在纯电动汽车制动过程中，为了提高纯电动汽车的行驶里程，整车控制单元进行制动能量反馈控制。

整车控制单元直接或通过CAN 总线和其他电子控制单元传送数据和控制指令。

下图是纯电动汽车控制单元的示意图。

2.整车控制系统可以根据驾驶员的意图发出各种指令，电机控制器可实时响应并调节驱动电机的输出，实现怠速、前进、倒车、停车、能量回收和停车等功能。

整车控制系统通过采集加速踏板信号、制动踏板信号和档位开关等信息，一同接收CAN 总线上的电机控制器信号和电池管理系统发送的信号，并通过车辆控制策略对接收
到的数据信息进行分析判断，获取驾驶员的驾驶意图和车辆行驶状态，最后利用CAN 总线发出指令，控制各部件控制器的工作，从而保证车辆正常行驶
3、整车控制策略的功用
纯电动汽车驱动系统中主要有电机驱动装置，传动系统，动力电池等。

必须有一个性能优越、安全可靠的整车控制策略，从各个环节上合理控制车辆的运行状态、能源分配和协调功能，以充分协调和发挥各部分的优势，使汽车整体获得最佳运行状态。

整车控制策略主要包括:
(一) 汽车驱动控制。

根据司机的驾驶要求、车辆状态、道路及环境状况，经分析和处理，向电机控制器发出相应指令，满足驾驶要求。

(二) 制动能量回馈控制。

根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息，计算再生制动力矩，向电机控制器发出指令。

(三) 整车能量优化管理。

通过对车载能源动力系统的管理，提高整车能量利用效率，延长纯电动汽车的续驶里程。

(四) 车辆状态显示。

对车辆某些信号进行采集和转换，由主控制器通过综合数字仪表显示出来。

二、纯电动汽车整车控制策略
车辆需要在满足驾驶员意图，汽车的动力性、平顺性和其他基本技术性能以及成本控制等要求的前提下选择合适的控制策略。

针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在电机、电池之间的合理而有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最大的经济性以及平稳的驾驶性能。

在设计纯电动汽车的时候，首先要在保证汽车基本性能的前提下降低汽车的能量消耗，提高车辆的续驶里程。

同时还要兼顾电池的寿命，并充分考虑驾驶员的驾驶意图、汽车的平顺性以及安全性。

基于上述原则，制定控制策略的思路为: 实时考虑行驶工况，电池SOC值等影响因素，根据规则将转矩合理地分配给电机。

同时限定电机的工作区域和SOC值的范围，确保电机和动力电池能够长时间保持高效的状态。

若出现问题，系统可根据预先设定的规则对纯电动车辆系统的工作模式进行判断和选择。

最终，在整车控制器与电机控制器中形成一个实时控制的闭环系统。

这样既能保证驾驶员驾驶意图能够得到充分满足，也能够对车辆状态进行控制，保证安全性和舒适性。

1、驾驶员意图解析
对于纯电动汽车，驾驶员最简单的意图分析是加速踏板与驱动电机的期望输出功率之间的开度曲线关系。

以加速踏板开度平衡曲线为基准，判断驾驶员的操作意图，当电动车辆在直道上匀速行驶时，电动汽车的运动状态点落在油门踏板的开度平衡曲线上，如图
2、整车驱动控制
车辆驱动控制策略主要控制输出车辆的驱动力矩，并确定车辆的性能。

车辆驱动策略的主要目的是基于驾驶员的制动踏板信号、加速踏板信号以及档位信号和当前的车辆运行状态，经过计算机的数据运行和处理，计算出电机的驱动转矩，从而改变车辆的行驶状态，达到驾驶员的预期车速。

纯电动汽车的驱动控制策略可分为 4 个部分，即加速踏板信号采集、驾驶员意图分析、车身驱动控制和校正输出转矩，其中起步模式控制、正常行驶模式控制和加速驱动控制就属于车身驱动控制模式。

3、充电控制
纯电动汽车进入充电状态，整车高压负极接触器和充电器高压正接触器被吸合，充电高压电路连接，开始对动力电池充电。

此时DC/DC 开始工作，并输出低压直流到辅助电池。

在充电状态下，车辆控制器接收充电信息，点火开关无论在哪个档位，车辆的任何系统无法获得高压电，以确保车辆处于锁定状态，不能行驶，并根据BMS 提供的信息，充电功率将时时受到限制，使电池受到保护。

在充电过程中，如果电池管理系统检测到过充电信号，则将停止充电机的工作，在3s 延迟后，VCU 切断充电器高压正接触器和整车高压负接触器，从而切断整车充电高压电路。

4、能量回收控制策略
普通电动汽车主要以前轮驱动形式使用，因此相应制动能量回收的控制策略主要关注前、后轮制动器提供的制动力与再生三部分之间的关系。

基于电动机再生制动的能量回收策略主要包括前后轴动力理想分配控制策略、前后轴动力比例分配控制策略以及最优能量回收控制策略。

以四轮驱动制动能量回收策略为例，单电机前轮驱动电动汽车的能量回收集中在由电机驱动的前轮上。

汽车由汽轮机驱动，前轮和后轮由轮毂电机直接驱动，因此前轮和后轮同时可以进行制动能量回收。

5、能量管理策略
在纯电动车的能量管理系统中，最主要的内容是动力电池的管理和整车的能量流动控制[7]。

能源管理战略的目标是使能源得到有效和合理的利用，电池的安全也应得到考虑。

在正常运行期间，动力电池的电量通过电机控制器输送给电机，使得电机运转。

减速制动期间是不需要电池供电的，此时电机反转以产生再生扭矩对动力电池充电。

能源管理的原理如下图所示，当车辆启动时，动力电池供电给电机和其他部件。

当车辆正常行驶时，电机在相对较高的效率区域工作。

如果电池的SOC 很低，车辆会发出警报并提示确保车辆的安全。

在减速和制动时，电动机可以将一些动能转化为化学能给电池充电。

下图电池能量管理示意图
6、辅助系统控制策略
在车辆显示准备好后，电机液压转向辅助泵。

真空泵工作，无论是充电还是运行状态，只要接通ON 挡，空调器和PTC 就可以工作；控制器在故障发生时停止运行，故障解除后，控制器可以通过故障复位开关复位。

任务实施
1.加速转矩控制策略直接影响整车驾驶的动力性和舒适性。

加速踏板开度与加速转矩函数关系形成不同的加速转矩控制策略。

如图2所示, 曲线1、2和3分别表示3种加速踏板处理策略。

曲线1反映了一种硬踏板策略，能够满足驾驶员中高负荷的驾驶感觉，但低负荷时操控性不好。

曲线3反映了一种软踏板策略，车辆加速感觉整体偏软，但低负荷操控性较好。

曲线2是一种线性踏板策略，能够反映踏板实际位置，控制效果介于曲线1和3之间。

2.制动能回馈控制策略
制动能量回馈是电动汽车(包括纯电动车、混合动力车和插电式燃料电池车)的标志性功能。

制动能量回馈控制的原则是在最大程度提高能量回馈的同时，确保电制动与机械制动的协调控制，以保证汽车制动力的要求。

考虑到本项目车机械制动系统不可调整，而且只有制动踏板开关传感器，实施了纯软件的轻度制动能量回馈控制策略。

制动踏板踩下时，回馈制动功能激活，回馈制动转矩与车速的函数关系如图4所示。

在车速很低的爬行区，回馈能量与回馈路径能量损耗基本相抵，回馈效率很低且会明显影响驾驶员制动感觉，故不进行制动能量回馈。

在低速区,电机具有一定转速，施以较低制动转矩，尽量回收制动能量。

高速区时车辆惯性动能很高，可以施加较高制动转矩而不影响驾驶员制动感觉。

但由于缺少制动踏板开度信号，该策略的再生制动所占总制动比例较小，具体数值通过实车标定得到。

为了保护动力蓄电池，回馈电流不能超过蓄电池最大充电电流，SOC过高时取消电机再生制动,因为很容易导致电池电压过高而且电池充电难度也增加。

同时，ABS功能启动时,必须取消电机再生制动。

3.驱动转矩的功率限制策略
该策略是为了保护能源系统、电机驱动系统及整车安全运行。

在能源系统能量不足时，若整车控制器强制按照驾驶员期望转矩，极易引起能源系统自保高压断电或损坏能源系统,造成事故,因此在这种情况下必须限制电机输出转矩。

驱动转矩的功率限制策略实时根据三大高压子系统状态，计算蓄电池功率、电机功率及高压辅助系统消耗功率，上策是通过减少高压辅助系统能量供给来最大可能满足驾驶员动力需求，若仍然能量供需不平衡，下策就是限制电机功率需求。

式中:Poversysload为动力系统过载限制的驾驶员期望功率; Pexp为驾驶员期望功率(n为电机转速); Pbatmaxdis为蓄电池最大放电功率,与SOC成正向关系; Paux为高压辅助系统消耗功, 包括冷却系统及空调系统等。

驱动电机过载，发热量增加，引起温升过大，从而导致电机驱动系统自保而清除转矩需求或烧毁电机驱动系统，造成事故。

因此驱动转矩的功率限制策略从过载倍数和过载时间两个方面加以控制。

过载倍数与加速踏板开度呈线性关系，当加速踏板开度超过设定开度阈值,电机过载运行,满足驾驶员急加速需求，过载倍数可以从图3加速转矩MAP得到。

过载时间根据电机温度特性确定，整车控制器接收电机驱动系统反馈的电机温度，并根据设定的电机温度过高阈值限制过载转矩。

任务小结
纯电动汽车驱动系统中主要有电机驱动装置，传动系统，动力电池等。

对于同一种电动汽车来说，采用不同的控制策略可以得到不同的整车性能，能耗情况和电池的SOC状态值。

在设计纯电动汽车的时候，要明确开发目的，在保证汽车基本性能的前提下降低汽车的能量消耗，提高车辆的续驶里程。

任务评价
一、课堂练习
1.试说明各整车控制策略的功用？
2. 试说明驱动转矩的功率限制策略与哪些角度有关？
3.绘制并分析制动流程控制图。

4.为什么在设计纯电动汽车的时候，要明确开发目的，在保证汽车基本性能的前提下降低汽车的能量消耗，提高车辆的续驶里程。

5.硬踏板、软踏板、线性踏板各有什么优缺点？。