純電動汽車驅動扭矩的安全監控策略優化

盧若振，田燕，龔春忠

純電動汽車驅動扭矩的安全監控策略優化

盧若振，田燕，龔春忠

（合眾新能源汽車有限公司，浙江 嘉興 314500）

驅動系統的扭矩輸出能力是新能源汽車動力輸出的一個關鍵指標，扭矩輸出的異常會致使整車出現異常加減速現象，甚至會導致危險后果，其安全監控是整車控制中安全等級最高的。文章講述了純電動轎車驅動系統扭矩的策略設計及仿真，使其能夠在確保整車安全前提下使得整車行駛更具舒適性。

驅動扭矩；安全監控；仿真；舒適

前言

本文對驅動扭矩的安全監控進行模型分析，設計控制策略，利用仿真分析軟件，對所設計的策略進行仿真分析和驗證[1]。具體方法：根據ISO26262的標準[2]和已有的電子油門（E-GAS）標準[3]，對目標驅動扭矩的安全監控進行危害分析和風險評估，分解安全目標，確定安全監控結構[4]；設計驅動扭矩安全監控策略[5]；對扭矩監控進行仿真驗證[6]。

1 驅動扭矩監控需求分析

根據ISO26262的標準，對目標扭矩安全監控的功能進行逐個分析，篩選其危險點，并依據嚴重度、暴露率和可控性三個危險因子來判別危險等級。經過危害分析和風險評估，可得目標扭矩安全監控的ASIL等級為Ⅳ，將整車驅動系統輸出的扭矩突變的風險控制在可接受范圍內，將其進行功能目標分解：正確采集駕駛員的請求扭矩（SG1）；正確解析駕駛員的請求扭矩（SG2）；正確執行駕駛員的請求扭矩（SG3）。各子安全目標繼承了總功能的ASIL 等級（即ASIL等級均為Ⅳ），依據ISO26262的標準要求，將目標分解到各個子系統通過冗余的方式來提高系統的安全完整，從而保證安全目標的達成。

根據上述安全目標，需要進一步分解到各個子系統，確保安全目標的實現，驅動扭矩監控的總體結構如圖1所示。

表1 ASIL等級

代碼內容ASIL等級 SG1系統需要正確采集駕駛員的請求扭矩Ⅳ SUB SG1_1系統通過傳感器1、通道1采集駕駛員扭矩請求Ⅱ SUB SG1_2系統通過傳感器2，通道2采集駕駛員扭矩請求Ⅱ SG2系統需要正確解析駕駛員的請求扭矩Ⅳ SUB SG2_1系統將駕駛員踏板輸入解析成駕駛員扭矩請求值1Ⅲ SUB SG2_2系統將駕駛員踏板輸入解析成駕駛員扭矩請求值2，并對請求值1進行校驗Ⅱ SG3系統需要正確執行駕駛員的請求扭矩Ⅳ SUB SG3_1電機控制單元正確控制驅動電機的輸出扭矩Ⅳ

圖1 驅動扭矩監控功能總體結構與安全目標分解

2 主從式安全監控結構設計

圖2 主從式驅動扭矩安全監控結構

在已有的整車安全監控系統基礎上，結合加速踏板監控所定義的標準，設計主、從式驅動扭矩監控架構，在該架構中，采用獨立安全監控芯片方案對純電動汽車整車控制器輸出的目標驅動扭矩和電機控制器MCU反饋的電機實際輸出扭矩進行監控。在該安全監控系統中，主芯片采用Freescale MPC5607B 5607B芯片，安全監控芯片采用Freescale 9S12 G64，安全監控功能由主、從芯片配合完成，如圖2所示。完成監控的總體架構如圖3所示，在該三層的體系中，第一層為功能層，包含對整個系統的基本功能的診斷；第二層為功能監控層，對整個系統的功能和重要信號做監控，同時滿足第三層的監控需求；第三層為從芯片監控層，通過對主芯片進行問答式交互通信，確保主芯片的健康，同時對第二層的軟件流及內存進行安全監控。

圖3 安全監控總體結構

3 驅動扭矩監控策略分析

根據設計的安全監控架構，對電機輸出扭矩監控策略進行設計。安全監控單元和VCU電機目標扭矩計算是獨立并行的，大部分工況下，兩者的控制策略基本相同，都是根據采集到的傳感器信號，以及車載網絡傳來的信號，決定車輛的工作模式，并對各個模式下的最大允許扭矩，進行了規定。例如加速踏板位置識別，是通過AD轉換控制器解析加速踏板傳出的兩路信號，并對解析后的信號值進行判斷，并對油門和制動優先權進行判別，從而得到駕駛員的需求加速踏板定值。不同工況下，油門和制動的控制策略不同，如制動能量回收控制，為了保證最大程度的制動能量回收效果，請求扭矩控制單元的控制策略會側重于系統的經濟性。以系統及設備的安全為約束條件，但在安全監控單元，則剛好相反。當油門和制動優先權沖突時，通過柔性切換方式，以沖突的頻度和兩種差值的程度為自變量，計算出兩個目標值的權重，最終根據權重大小來判斷最終的請求扭矩，具體算法如下：

=T?T（1）

=C/t（2）

T為安全轉矩，T為制動回收轉矩，C為轉矩沖突數，t為時間常數，為轉矩沖突大小，為轉矩沖突頻率。

根據沖突的大小和頻率進行查表，得到安全扭矩和制動回收扭矩的權重系數、，最后得到輸出的目標扭矩，如公式（3）所示。

T=w*T+w*T

w∈（0～1），w∈（0～1） （3）

經過前面幾個模塊得出的允許扭矩，與當前VCU請求扭矩合成，若監測到輸出扭矩不合理，啟動對請求輸出扭矩的限制，保證輸出扭矩切換的平順性，在扭矩過渡期間，采取斜率方式控制，調整到安全監控單元的允許扭矩。若驅動扭矩在1秒內仍限制不住，則報瞬時BUG，OBD開始累加。

根據所設計的驅動扭矩監控策略，在Simulink仿真平臺上，搭建了整車驅動扭矩安全監控的仿真模型，如圖4是加速踏板開度識別模塊，圖5再生制動扭矩的監控策略模塊，圖6是驅動扭矩的濾波與合成模塊。

圖4 加速踏板的開度識別

圖5 再生制動扭矩的監控策略

圖6 驅動扭矩的濾波合成

4 扭矩監控仿真及實驗結果分析

在CarSim軟件中建立目標車輛的動力學模型，然后編譯生成S-function模塊，導入到Matlab/Simulink仿真軟件中，與整車驅動扭矩控制模塊、驅動扭矩安全監控模塊一起，組成一個完整的整車扭矩監控仿真模型，圖7為仿真模型的結構，圖8為整車扭矩控制的仿真環境，圖9為某一行使工況下允許扭矩與電機實際驅動扭矩對比圖，其中黃色的線條為監控模塊輸出的允許扭矩，紅色線條為實際輸出的驅動扭矩，從中可以看出，在整個仿真工況內，實際輸出的驅動扭矩均在允許扭矩的范圍內。

圖7 整車扭矩安全監控仿真模型結構

圖8 整車扭矩安全監控仿真軟件環境

圖9 某工況下允許扭矩與實際輸出扭矩

圖10為模擬車輛的電機輸出扭矩控制出現異常，PI調節失效情況下，驅動扭矩安全監控功能的測試。圖中顯示，電機實際扭矩（綠色線條）持續輸出，車速（紅色線條）持續上升，車輛出現異常加速動作，且實際的驅動扭矩超出監控系統的允許扭矩（橙色線條），此時，扭矩安全監控功能發揮了期望的動作，發出了“電機扭矩的輸出到0”的指令。圖11是模擬制動能量回收工況下，制動回收扭矩監控測試，假定此時被測車輛電池組的SOC較高，且已經檢測到某一電芯單體電壓已達到3.7 V，允許回收扭矩為橙色線條，但此時整車的實際能量回收對應的電機扭矩為綠色線條，超出監控系統允許扭矩，經判定，扭矩監控模塊發出“電機扭矩的輸出到0”的指令。

圖10 驅動扭矩監控測試

圖11 制動回收扭矩監控測試

5 結論

課題組重點對整車控制系統控制中的驅動扭矩的安全監控進行了研究，通過模型分析、建模仿真，對所設計的控制方案、控制策略進行了驗證，仿真結果符合期望要求，實現了所設計系統的功能。但也存在一些問題，對于整車的安全監控，其內容很多，如高壓絕緣監控、電池包的熱管理監控等，驅動扭矩的安全監控只是其中一個主要部分，還有眾多的車載系統安全監控沒有涉及。

[1] 王星剛.純電動汽車驅動系統優化及分析策略[J].汽車與配件,2012 (50):30-31.

[2] 張永,龔春忠,張洪雷,等.基于動力性指標的純電動汽車電機參數設計[J].汽車科技,2018(05):58-63.

[3] 王斌,林鑫焱,陳辛波,等.基于循環工況的純電動汽車驅動電機參數優化[J].汽車工程學報,2015,5(03):165-171.

[4] 秦大同,王禺寒,胡明輝.考慮運行工況的純電動汽車動力傳動系統參數設計[J].重慶大學學報,2014,37(01):7-14.

[5] 胡明輝,謝紅軍,秦大同.電動汽車電機與傳動系統參數匹配方法的研究[J].汽車工程,2013,35(12):1068-1073.

[6] 王峰,方宗德,祝小元.純電動汽車新型動力傳動裝置的匹配仿真與優化[J].汽車工程,2011,33(09):805-808.

Optimization of Safety Monitoring Strategy for Driving Torque of Pure Electric Vehicle

LU Ruozhen, TIAN Yan, Gong Chunzhong

( Hozon New Energy Automobile Co., Ltd., Zhejiang Jiaxing 314500 )

The torque output capability of the driving system is a key indicator of the power output of new-energy vehicles. Abnormal torque output will lead to abnormal acceleration and deceleration of the whole vehicle, and even lead to dangerous consequences. Its safety monitoring is the highest safety level in the whole vehicle control. This paper introduces the strategy design and simulation of the torque of the pure electric car's driving system, which can make the vehicle more comfortable while ensuring the safety of the vehicle.

Drive torque;Safety monitoring;Simulation;Comfort

U469.72

A

1671-7988(2021)20-19-04

U469.72

A

1671-7988(2021)20-19-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.005

盧若振（1985.02—），男，本科，就職于合眾新能源汽車有限公司，任項目總監，主要研究方向為新能源汽車整車開發管理。