一種電動汽車驅動扭矩控制系統及控制方法研究

楊志超，呼豆豆，楊維剛，馬 強

（大運汽車股份有限公司技術中心，山西 運城 044000）

電驅化是新能源汽車的重要發展方向。近年來，純電動汽車、燃料電池汽車、混合動力汽車都在快速并行發展。整車動力性和駕乘感是新能源汽車技術發展的重點之一，怎樣在保證整車動力性和可靠性的前提下，提升動力輸出平穩性和動力傳動系統的工作效率及壽命是整車電驅化控制技術的重要環節。

目前應用的扭矩控制策略中，在輸入信號采集過程中數據密集，增加了控制器處理的負擔，影響了運算速率；在扭矩輸出控制時，因駕駛員踩加速踏板異常操作時（猛踩猛放）會出現扭矩突變的情況；在設計時沒有考慮最大扭矩限制，可能會出現傳動系統中的某個部件容易斷裂等故障。為解決以上問題，特提出一種電動汽車驅動扭矩控制系統及控制方法。

驅動扭矩控制的作用是在車輛正常運行時，VCU接收加速踏板位置信號（加速踏板APS1信號、加速踏板APS2信號）、制動踏板信號（制動踏板傳感器信號或腳制動開關）、擋位信號（N擋，D擋，R擋）、電機轉速信號（MCU_Motor－Speed）來對駕駛意圖進行解釋，生成相關的扭矩需求，傳輸給MCU，將動力電池中的電能通過電機轉化為車輛的動能。

1 電動汽車扭矩控制系統架構

實現扭矩控制需要一個完整的控制系統和精準完善的軟件控制策略和算法，驅動扭矩控制系統包括擋位處理、油門踏板處理、制動踏板處理、系統最大能力、故障處理、驅動扭矩控制、扭矩仲裁和信號輸出等軟件控制模塊。如圖1所示。

2 驅動扭矩控制方法

該方法主要分為以下3步。

1）系統上電完成后，驅動扭矩控制模塊接收邏輯擋位、加速踏板、制動踏板、電池BMS以及電機MCU等整車信號。

2）根據采集的信號進行驅動扭矩判斷和計算，并將扭矩信號發送至扭矩仲裁模塊；所述扭矩仲裁模塊對接收的扭矩信號進行濾波計算，輸出仲裁后的扭矩請求信號。

3）判斷點火鑰匙是否關閉IG OFF，如果否，返回步驟2）；如果是，MCU根據接收的扭矩請求信號輸出0扭矩。

2.1 信號采集

整車扭矩控制需要根據駕駛員的意圖和整車當前的狀態來進行。怎樣識別駕駛員的意圖或整車當前狀態呢？驅動控制模塊需從整車各操縱器和其他相關的控制模塊采集相關信號。

整車上電完成后，驅動扭矩控制模塊分別接收邏輯擋位信號、加速踏板信號和制動踏板信號，得知駕駛員的駕駛意圖。從BMS輸出的電池SOC值、電池組總電壓、故障狀態信號以及電池組當前最大允許回饋電流、系統最大能力模塊輸出的電機當前狀態下的驅動扭矩TMCU、電池當前狀態下能夠輸出功率轉換的驅動扭矩TBMS、傳動系統最大承受扭矩T以及故障處理模塊輸出的故障限值T判斷整車的當前狀態。結合以上采集的各模塊發送的信號，為下一階段的扭矩控制提供判斷的依據。

2.2 信號處理與輸出

扭矩控制模塊收到其他模塊發送的相關信號，經過對各類信號判斷處理，來識別整車當前的狀態和駕駛員的駕駛意圖，再計算出相應的扭矩系數，最終保證滿足動力性需求的扭矩平穩輸出。

1）電機旋轉方向控制

扭矩控制模塊根據擋位處理模塊輸出的邏輯擋位信號和當前的車輛狀態，控制電機的旋轉方向。當扭矩控制模塊收到邏輯擋位為D擋時，對外輸出正扭矩請求；當扭矩控制模塊收到邏輯擋位為R擋時，對外輸出負扭矩請求；當扭矩控制模塊收到邏輯擋位為N擋時，對外輸出0扭矩請求。

注：當不處于能量回饋狀態時。

2）驅動扭矩控制功能邏輯

加速扭矩計算公式：

系統最大驅動能力扭矩是指當前狀態下，整車系統能夠承受的最大驅動扭矩，主要評估以下要素：系統能力估計驅動扭矩T=min（TMCU，TBMS，T傳動系統，T故障限值）。①TMCU：電機當前狀態下能夠產生的驅動扭矩，可根據電機外特性標定：TMCU=T電機限制。

②TBMS：電池當前狀態下能夠承受的驅動扭矩，該扭矩根據BMS實時反饋的電池組當前最大放電功率及當前轉速計算得出：Ppack=電池組當前最大允許放電電流×電池組總電壓，TBMS=Ppack×9550/n。

③T傳動系統：傳動系統最大承受正向的扭矩，該扭矩根據傳動系統的結構決定（非回饋狀態下）。

④T故障限值：T故障限值=T（MCU最大功率）×故障限值系數

故障限值系數由故障處理模塊提供，此處不再敘述。

所述系統最大能力模塊用于限制系統最大驅動能力扭矩，即：系統最大驅動能力扭矩的值取整個傳動系統中抗扭性最小的零部件抗扭力矩。

3）加速扭矩系數

扭矩控制模塊根據公式y=a×x2+b×x得出扭矩系數，其中x為加速踏板開度，取值范圍為［0，1］，a，b的取值是通過在不同車速下踩下加速踏板評價車輛的加速度，當其滿足主觀評價的要求后確認的值。在不同擋位及驅動模式下對應不同的扭矩系數MAP。

其中踏板開度由加速踏板位置信號（加速踏板APS2信號、加速踏板APS1信號）計算得出；車速由車速計算模塊得出。（MCU_MotorSpeed×2πr×60）/（1000×減速比）。表1為驅動扭矩系數表。

表1 驅動扭矩系數表（示例）

4）制動優先

制動功能是整車的安全功能，為保證整車安全和駕駛員的生命安全，在制動的過程，整車的扭矩控制至關重要。

在驅動扭矩解析過程中，扭矩控制模塊測到制動踏板處理模塊發送的制動信號，應將加速扭矩需求置為0（此處不包含制動回饋扭矩控制）。

部分車型在設計時扭矩控制也會產生手制動信號，為防止駕駛員在未松手制動的情況下加速行車，導致手制動片或制動片燒蝕的問題，當手制動信號有效時，扭矩控制模塊將扭矩最大限制值按扭矩平滑控制線性降至20%（將最大值按照20%的值進行線性限值），并通過組合儀表向駕駛員報警。

5）信號濾波及扭矩平滑控制功能

通過控制策略防止數據輸出發生突變，保證扭矩輸出平穩。扭矩控制模塊將計算得出的扭矩輸出給扭矩仲裁模塊，為保證扭矩輸出安全，扭矩仲裁模塊在扭矩變化時會濾波，采用逐次濾波，算法如下。

首次采集10個數x1，x2…x10，求平均值A1，下一時刻采集x11，若|x11-A1|>標定量限值時，x11丟棄，若|x11-A1|<=標定量限值時，保留x2，x3…x11，求取A2…，標定量限值的大小得根據實車的效果進行調整，并對接收的扭矩信號進行扭矩平滑控制，具體下式表示：

式中：K——常數；Ta——目標輸出扭矩值；Δt——系統采樣時間，一般可以是10ms或100ms；ΔT——扭矩需求值減去上一時刻扭矩輸出值。

增加扭矩平滑控制，對需求扭矩進行轉矩增加率限制，防止敲齒Clunk現象發生，避免產生不良乘坐感受和降低傳動系統壽命。表2為扭矩變化率限值。圖2為扭矩變化率。

表2 扭矩變化率限值（示例）

圖2 扭矩變化率（示例）

6）最高車速限制

基于安全考慮，往往需要對車輛行駛速度進行限制。當車輛處于高速行駛時，驅動電機亦處于高速運轉狀態。假設車輛處于一個長下坡的路況時，若此時駕駛員未松開加速踏板或未采取任何制動措施，車輛會持續加速，導致電機存在超速甚至失控的風險。

因此，在車速控制策略中限制車輛實際運行的最高車速尤為重要。最高車速的數值需要主機廠人員綜合車輛行駛道路、行駛時的氣候條件以及車輛載荷等因素進行測試及標定。車輛往往不允許超過標定的最高車速行駛。

本策略采集制動防抱死系統實時車速信號及電機傳動軸輸出轉速信號，判斷當前車速是否大于設定最高車速閾值，當車速超過設定值，限制扭矩輸出，使車速下降到安全范圍內。而最高車速限值需要根據不同擋位進行設置，D擋最高車速限速為100km/h（假設值），當車速在超過90km/h時，通過增量式PI調節，使車速不再增加，若調節車速時目標輸出負扭矩，則將目標輸出扭矩置為0。R擋最高車速限值為10km/h（假設值），控制策略同D擋。

2.3 IG電源消失

判斷點火鑰匙IG OFF，扭矩控制模塊采集到的其他模塊信號為0，將扭矩請求信號輸出0扭矩。

3 結語

本文中的方法不僅通過限制系統最大驅動能力扭矩對傳動系統中的各部件在機械沖擊過程中進行保護，還采用制動優先、最高車速限制等控制策略保證整車行車安全。在數據信號處理及扭矩輸出方面采用減少軟件處理過程中的數據查詢，提高運算速率。通過濾波和對需求扭矩轉矩增加率的限制，防止數據輸出發生突變，保證扭矩輸出的平滑性，形成一套扭矩控制系統控制方法。但后續還需要經過長時間在市場的各種運行工況實驗驗證，不斷優化控制方案和技術參數，才能使控制方案更加完善，整車運行更加安全可靠。