純電動客車整車控制策略設(shè)計與驗證

戴能紅 姜朋昌 孫飛 王春芳

（南京汽車集團有限公司汽車工程研究院）

整車控制器（VCU）擔負著整車能量管理、驅(qū)動/制動控制、整車安全、故障診斷及信息處理等重任，是實現(xiàn)純電動汽車高效可靠運行的必要保障。國外主要汽車廠如豐田、福特及重要的零部件開發(fā)公司（如Bosch，Delphi）均開展了整車控制單元的設(shè)計[1-2]。整車控制策略作為整車控制器的軟件部分，是整車控制器開發(fā)的核心[3]。文章對一款自主開發(fā)的純電動客車的整車控制策略進行了設(shè)計，并進行了實車道路測試，驗證了其可行性和有效性。

1 動力系統(tǒng)方案

純電動客車動力系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為電機直驅(qū)主減速器、電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、高壓配電箱及整車控制器，如圖1所示。電池系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)是實現(xiàn)動力蓄電池狀態(tài)監(jiān)控及安全保護的關(guān)鍵部件；電機系統(tǒng)中的電機控制器通過控制電機將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動車輛的動能，或?qū)④囕v的動能轉(zhuǎn)化為電能回收；高壓配電箱主要將動力電池的電源分配至各用電系統(tǒng)，包括電機系統(tǒng)及輔助子系統(tǒng)（如空調(diào)、轉(zhuǎn)向、DCDC等）。

2 整車控制策略

VCU作為上層控制單元，采集駕駛員操作輸入信號，包括鑰匙信號、加速踏板信號、制動踏板信號及擋位信號等，識別駕駛員對汽車動力的需求[4]，同時結(jié)合電池管理系統(tǒng)反饋的電池狀態(tài)信息、電機控制器反饋的電機狀態(tài)信息及整車狀態(tài)信息對功率進行限制，確定控制目標，通過CAN總線向電機控制器和電池管理系統(tǒng)發(fā)送有效的控制組合指令，同時直接控制相關(guān)繼電器，保證汽車按照駕駛員的意圖安全、可靠地行駛。

2.1 工作模式

根據(jù)整車運行工況和動力總成狀態(tài)不同，整車可劃分為7種工作模式，并在滿足一定的條件時進行模式切換，各模式及其控制功能，如表1所示。

表1 整車工作模式及控制功能

由于系統(tǒng)所用換擋桿只有N，D，R擋，所以上電時要求擋位在N擋，如不在，VCU會發(fā)出指令，命令儀表顯示“請掛空擋”的提示。

2.2 加速扭矩控制策略

行駛模式中的加速扭矩控制策略直接影響整車駕駛的動力性和舒適性[5]。為了較好地滿足駕駛員中高負荷的駕駛感覺，同時保證低負荷時的操控性，文章采用線性踏板策略，即相同轉(zhuǎn)速下扭矩隨油門踏板開度線性增加。由于機械結(jié)構(gòu)上無剎車與換擋操作的互鎖裝置，所以本項目無蠕動功能，因此在踏板極淺開度時動力輸出略微提升。

在油門開度為0、電機轉(zhuǎn)速達到一定值時施以制動扭矩（模擬傳統(tǒng)車發(fā)動機的倒拖阻扭矩）產(chǎn)生制動能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中。至于制動扭矩的轉(zhuǎn)速起訖點和具體扭矩數(shù)值，可通過試驗利用CANAPE在線標定。

2.3 制動能量回收控制策略

制動能量回收是電動汽車的標志性功能，是電動汽車節(jié)能的關(guān)鍵所在。為了保證行車安全，在最大程度提高能量回收的同時，還要保證電制動與機械制動的協(xié)調(diào)控制。

考慮到汽車機械制動系統(tǒng)不可調(diào)整，且制動踏板無位置傳感器而只有開關(guān)信號，采用輕度制動能量回收控制策略。車速很低時，可回收的能量與傳動系能量損耗基本相抵即回收效率低，且會明顯影響駕駛員制動感覺，不回收能量；車速較低時，制動扭矩較低，盡量回收制動能量；車速高時汽車慣性動能很高，電機大扭矩制動不會影響駕駛員制動感受，但由于制動踏板無位置傳感器，無法獲知機械制動情況，所以電機制動扭矩設(shè)置不大回收較少能量。為不影響駕駛感受，在空擋時不進行制動能量回收。

為了保護動力蓄電池，制動能量回收的電流不能超過電池允許的最大充電電流；SOC過高時為防止電池過充取消電機再生制動；ABS功能啟動時,必須取消電機制動。

3 故障診斷及處理策略

VCU對電機、電池系統(tǒng)故障的處理策略是：嚴重故障時，直接進入停電機及下電模式；輕微故障時，功率限制模塊根據(jù)電機、電池系統(tǒng)分別發(fā)送的允許最大驅(qū)動/制動功率進行限功率處理。

VCU對重要的部件進行診斷并制定的處理策略是，嚴重故障時直接進入停電機及下電模式；一般故障采取跛行回家策略，即限制車速以降低車輛行駛負荷，保證行車安全。具體的故障描述、相應的診斷及處理策略，如表2所示。

表2 無自診斷功能部件的故障診斷與處理策略

4 實車試驗驗證

將已開發(fā)的控制策略軟件刷寫至控制器硬件上，裝車路試。分析路試數(shù)據(jù)即可驗證控制策略功能優(yōu)劣并實施必要的優(yōu)化。

圖2示出客車小坡道起步的行駛性能曲線。圖3示出人為切斷電機冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的水泵供電后汽車的行駛性能曲線。

從圖2可以看出，在空擋松開制動踏板時，客車有倒溜現(xiàn)象（車速為負），掛前進擋后，進入駐坡模式，不再倒溜；在加速段，目標扭矩隨加速踏板開度加大而增加，車速平穩(wěn)上升；松開油門有較小的倒拖扭矩，踩下制動踏板即開始制動能量回收（目標扭矩為較大的負值），至車速極低時，電機目標扭矩為0。從圖3可以看出，通過電機溫升等條件診斷出水循環(huán)故障后，進入限速模式，即使油門踩到底，車速也不超過40 km/h，實現(xiàn)了跛行回家的功能。

試驗表明，整車驅(qū)動控制策略能準確響應駕駛員意圖，制動過程中能回收能量，輕微故障時能及時實施限速保護，實現(xiàn)了預定功能。

5 結(jié)論

文章提出的純電動客車的整車控制策略，可以在滿足汽車動力性需求的同時進行制動能量回收，兼顧了經(jīng)濟性；同時還能進行實時診斷并在輕微故障時進行限速保護，這樣既保護了系統(tǒng)免受進一步損壞，也保證了汽車跛行回家安全行車的功能。下一步可繼續(xù)進行道路試驗，對扭矩MAP進行標定，尤其是制動MAP，以進一步提高經(jīng)濟性。