純電動(dòng)汽車控制策略.ppt

純電動(dòng)汽車整車驅(qū)動(dòng)控制策略,純電動(dòng)汽車作為一種節(jié)能 、無(wú)污染的理想“零 排放 ”汽車 ,是 21 世紀(jì)汽車工業(yè)重要的發(fā)展趨勢(shì) 。 隨著環(huán)保及節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng) , 純電動(dòng)汽車的開發(fā) 和應(yīng)用日益受到世界各主要汽車生產(chǎn)國(guó)和大型汽 車企業(yè)的重視 。 整車控制器是純電動(dòng)汽車運(yùn)行的核心單元 , 擔(dān)負(fù)著整車驅(qū)動(dòng)控制 、能量管理 、整車安全及故障 診斷和信息處理等功能 ,是實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車安全 、 高效運(yùn)行的必要保障 。整車控制策略作為整車控制器的軟件部分 ,是整車控制器的核心部分 。,1.1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),純電動(dòng)汽車主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成: 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。,電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置。能源子系統(tǒng)包括能源及能量管理系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)包括助力轉(zhuǎn)向單元、溫控單元和輔助動(dòng)力供給單元等。根據(jù)駕駛者從加速踏板和制動(dòng)踏板發(fā)出的信號(hào)，電子控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)以控制功率轉(zhuǎn)換器功率器件的開關(guān)。 功率轉(zhuǎn)換器的作用是調(diào)節(jié)電機(jī)和能源間的能源流。能量的回流是因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車制動(dòng)能量的再生，該能量被能量源吸收。應(yīng)指出的是多數(shù)純電動(dòng)汽車的電池、超級(jí)電容器和飛輪都能吸收制動(dòng)再生能量。 能量管理單元與電子控制器一起控制可再生制動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量流的最優(yōu)化。能量管理單元控制能量并監(jiān)測(cè)能源的使用情況。輔助動(dòng)力供給系統(tǒng)向所有的純電動(dòng)汽車輔助裝置提供不同電壓的電源。,1.2 整車驅(qū)動(dòng)控制策略的分析與設(shè)計(jì),純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力電池等。必須有一個(gè)性能優(yōu)越、安全可靠的整車控制策略，從各個(gè)環(huán)節(jié)上合理控制車輛的運(yùn)行狀態(tài)、能源分配和協(xié)調(diào)功能，以充分協(xié)調(diào)和發(fā)揮各部分的優(yōu)勢(shì)，使汽車整體獲得最佳運(yùn)行狀態(tài)。整車控制策略主要包括: (一) 汽車驅(qū)動(dòng)控制。根據(jù)司機(jī)的駕駛要求、車輛狀態(tài)、道路及環(huán)境狀況，經(jīng)分析和處理，向電機(jī)控制器發(fā)出相應(yīng)指令，滿足駕駛要求。 (二) 制動(dòng)能量回饋控制。根據(jù)制動(dòng)踏板和加速踏板信息、車輛行駛狀態(tài)信息、蓄電池狀態(tài)信息，計(jì)算再生制動(dòng)力矩，向電機(jī)控制器發(fā)出指令。 (三) 整車能量?jī)?yōu)化管理。通過(guò)對(duì)車載能源動(dòng)力系統(tǒng)的管理，提高整車能量利用效率，延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。 (四) 車輛狀態(tài)顯示。對(duì)車輛某些信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，由主控制器通過(guò)綜合數(shù)字儀表顯示出來(lái)。,1.3 整車驅(qū)動(dòng)控制策略的分析與設(shè)計(jì),車輛需要在滿足駕駛員意圖，汽車的動(dòng)力性、平順性和其他基本技術(shù)性能以及成本控制等要求的前提下選擇合適的控制策略。針對(duì)各部件的特性及汽車的運(yùn)行工況，控制策略要實(shí)現(xiàn)能量在電機(jī)、電池之間的合理而有效分配、使整車 系統(tǒng)效率達(dá)到最高，獲得整車最大的經(jīng)濟(jì)性以及平穩(wěn)的駕駛性能。在設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車的時(shí)候，首先要在保證汽車基本性能的前提下降低汽車的能量消耗，提高車輛的續(xù)駛里程。同時(shí)還要兼顧電池的壽命，并充分考慮駕駛員的駕駛意圖、汽車的平順性以及安全性。 基于上述原則，制定控制策略的思路為: 實(shí)時(shí)考慮行駛工況，電池SOC值等影響因素，根據(jù)規(guī)則將轉(zhuǎn)矩合理地分配給電機(jī)。同時(shí)限定電機(jī)的工作區(qū)域和SOC值的范圍，確保電機(jī)和動(dòng)力電池能夠長(zhǎng)時(shí)間保持高效的狀態(tài)。若出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)純電動(dòng)車輛系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行判斷和選擇。最終，在整車控制器與電機(jī)控制器中形成一個(gè)實(shí)時(shí)控制的閉環(huán)系統(tǒng)。這樣既能保證駕駛員駕駛意圖能夠得到充分滿足，也能夠?qū)囕v狀態(tài)進(jìn)行控制，保證安全性和舒適性。,1.4 整車驅(qū)動(dòng)控制策略的分析與設(shè)計(jì),整車驅(qū)動(dòng)控制策略的核心是根據(jù)駕駛員動(dòng)作分析其駕駛意圖,并綜合考慮動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算駕駛員對(duì)電機(jī)的期望轉(zhuǎn)矩，然后向電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，使純電動(dòng)轎車的行駛狀態(tài)盡可能快速、準(zhǔn)確地達(dá)到工況要求和滿足駕駛員的駕駛目的。 轉(zhuǎn)矩控制策略可以實(shí)現(xiàn)加速轉(zhuǎn)矩控制、制動(dòng)能量回饋、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制等主要功能以及駐坡、怠速爬行、WTO 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、跛行回家等輔助驅(qū)動(dòng)功能。,2. 1 加速轉(zhuǎn)矩控制策略,加速轉(zhuǎn)矩控制策略直接影響整車駕駛的動(dòng)力性和舒適性。加速踏板開度與加速轉(zhuǎn)矩函數(shù)關(guān)系形成不同的加速轉(zhuǎn)矩控制策略。如圖2所示, 曲線1、2和3分別表示3種加速踏板處理策略 。,曲線1反映了一種硬踏板策略，能夠滿足駕駛員中高負(fù)荷的駕駛感覺(jué)，但低負(fù)荷時(shí)操控性不好。曲線3反映了一種軟踏板策略，車輛加速感覺(jué)整體偏軟，但低負(fù)荷操控性較好。曲線2是一種線性踏板策略，能夠反映踏板實(shí)際位置，控制效果介于曲線1和3之間。,2. 1 加速轉(zhuǎn)矩控制策略,結(jié)合電機(jī)的外特性曲線，就可以得到純電動(dòng)車的動(dòng)力特性圖，即加速轉(zhuǎn)矩MAP, 如圖3所示。最下部曲線是加速踏板回零時(shí)的電機(jī)滑行制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，模擬傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖阻轉(zhuǎn)矩，并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池中 。,2. 2 制動(dòng)能回饋控制策略,制動(dòng)能量回饋是電動(dòng)汽車(包括純電動(dòng)車、混合動(dòng)力車和插電式燃料電池車)的標(biāo)志性功能。制動(dòng)能量回饋控制的原則是在最大程度提高能量回饋的同時(shí)，確保電制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，以保證汽車制動(dòng)力的要求。 考慮到本項(xiàng)目車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)不可調(diào)整，而且只有制動(dòng)踏板開關(guān)傳感器，實(shí)施了純軟件的輕度制動(dòng)能量回饋控制策略。制動(dòng)踏板踩下時(shí)，回饋制動(dòng)功能激活，回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與車速的函數(shù)關(guān)系如圖4所示 。,2. 2 制動(dòng)能回饋控制策略,在車速很低的爬行區(qū)，回饋能量與回饋路徑能量損耗基本相抵，回饋效率很低且會(huì)明顯影響駕駛員制動(dòng)感覺(jué)，故不進(jìn)行制動(dòng)能量回饋 。在低速區(qū),電機(jī)具有一定轉(zhuǎn)速，施以較低制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡量回收制動(dòng)能量。高速區(qū)時(shí)車輛慣性動(dòng)能很高，可以施加較高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而不影響駕駛員制動(dòng)感覺(jué)。但由于缺少制動(dòng)踏板開度信號(hào)，該策略的再生制動(dòng)所占總制動(dòng)比例較小，具體數(shù)值通過(guò)實(shí)車標(biāo)定得到。為了保護(hù)動(dòng)力蓄電池，回饋電流不能超過(guò)蓄電池最大充電電流，SOC過(guò)高時(shí)取消電機(jī)再生制動(dòng) ,因?yàn)楹苋菀讓?dǎo)致電池電壓過(guò)高而且電池充電難度也增加。同時(shí)，ABS功能啟動(dòng)時(shí),必須取消電機(jī)再生制動(dòng) 。,2. 3 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制策略,該策略是為了保護(hù)能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車安全運(yùn)行。 在能源系統(tǒng)能量不足時(shí)，若整車控制器強(qiáng)制按照駕駛員期望轉(zhuǎn)矩，極易引起能源系統(tǒng)自保高壓斷電或損壞能源系統(tǒng),造成事故,因此在這種情況下必須限制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制策略實(shí)時(shí)根據(jù)三大高壓子系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算蓄電池功率、電機(jī)功率及高壓輔助系統(tǒng)消耗功率，上策是通過(guò)減少高壓輔助系統(tǒng)能量供給來(lái)最大可能滿足駕駛員動(dòng)力需求，若仍然能量供需不平衡，下策就是限制電機(jī)功率需求 。,式中:Poversysload為動(dòng)力系統(tǒng)過(guò)載限制的駕駛員期望功率; Pexp為駕駛員期望功率(n為電機(jī)轉(zhuǎn)速); Pbatmaxdis為蓄電池最大放電功率,與SOC成正向關(guān)系; Paux為高壓輔助系統(tǒng)消耗功, 包括冷卻系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)等。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載，發(fā)熱量增加，引起溫升過(guò)大，從而導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自保而清除轉(zhuǎn)矩需求或燒毀電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，造成事故。因此驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功率限制策略從過(guò)載倍數(shù)和過(guò)載時(shí)間兩個(gè)方面加以控制。過(guò)載倍數(shù)與加速踏板開度呈線性關(guān)系，當(dāng)加速踏板開度超過(guò)設(shè)定開度閾值,電機(jī)過(guò)載運(yùn)行,滿足駕駛員急加速需求，過(guò)載倍數(shù)可以從圖3加速轉(zhuǎn)矩MAP得到。過(guò)載時(shí)間根據(jù)電機(jī)溫度特性確定，整車控制器接收電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋的電機(jī)溫度，并根據(jù)設(shè)定的電機(jī)溫度過(guò)高閾值限制過(guò)載轉(zhuǎn)矩 。,2. 4 輔助驅(qū)動(dòng)控制策略,開發(fā)的輔助驅(qū)動(dòng)功能是為了模擬傳統(tǒng)轎車所具有的驅(qū)動(dòng)功能，以確保駕駛感覺(jué)和習(xí)慣的一致性。 怠速爬行功能是模擬帶液力變矩器、自動(dòng)變速器的傳統(tǒng)轎車在停車狀態(tài)下駕駛員釋放制動(dòng)踏板、不踩加速踏板汽車也會(huì)緩慢向前爬行的過(guò)程。駐坡功能用于車輛坡道起步，在駕駛員松開制動(dòng)踏板到踩下加速踏板的過(guò)程中提供駐坡轉(zhuǎn)矩，短時(shí)間內(nèi)防止車輛倒溜，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起步。駐坡轉(zhuǎn)矩是怠速爬行轉(zhuǎn)矩在負(fù)車速段的延伸,如圖5所示, 輔助驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與車速函數(shù)關(guān)系示意圖。駐坡功能運(yùn)行可標(biāo)定時(shí)間內(nèi), 若駕駛員沒(méi)有反倒溜動(dòng)作, 則取消駐坡轉(zhuǎn)矩。怠速爬行時(shí)，車輛行駛阻力矩與怠速爬行轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)，即為車輛怠速爬行速度。圖5所示的車速滑行制動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于圖3的轉(zhuǎn)速電機(jī)滑行制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。輔助驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩MAP需要實(shí)車標(biāo)定，與道路坡度、路況相關(guān)，且不能超過(guò)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩限值。,3 其他控制策略,WTO轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能用于模擬傳統(tǒng)轎車節(jié)氣門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)額外補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的功能。整車控制器檢測(cè)到加速踏板踩到底，W TO轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略計(jì)算額外轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩控制策略計(jì)算加速轉(zhuǎn)矩，二者共同向電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出轉(zhuǎn)矩需求。跛行回家轉(zhuǎn)矩與SOC相關(guān)，當(dāng)SOC很低時(shí)，能源系統(tǒng)能量不足，跛行回家功能激活，確保車輛能夠緩慢回家。,綜合以上分析 , 整車驅(qū)動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖下圖所示,純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力電池等。 對(duì)于同一種電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，采用不同的控制策略可以得到不同的整車性能，能耗情況和電池的SOC狀態(tài)值。在設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車的時(shí)候，要明確開發(fā)目的，在保證汽車基本性能的前提下降低汽車的能量消耗，提高車輛的續(xù)駛里程。,燃料電池電動(dòng)汽車,燃料電池電動(dòng)汽車能量流控制策略,燃料電池汽車的核心是燃料電池，其電流電壓特性曲線如圖1所示。從圖中可以看出，燃料電池在加負(fù)載的起始階段，電壓Ufc迅速下降，并且隨著負(fù)載的增加，電流(功率)增大，輸出電壓也隨著曲線以比普通電池大得多的斜率下降，即是說(shuō)燃料電池的輸出特性相對(duì)較軟; 此外，輸出功率的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致燃料電池效率的下降 。,能量流控制系統(tǒng)的工作原理,燃料電池汽車的能量流控制系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示，其中，PL為電動(dòng)機(jī)及其他用電設(shè)備的功率; PBAT為電池組功率，正值表示放電，負(fù)值表示充電; PFC為燃料電池的供電功率。能量管理系統(tǒng)主要由能量流控制器、燃料電池 、Ni2Mh電池組 、DC/DC變換器和CAN光纖總線等幾個(gè)部分組成，粗實(shí)線箭頭表示能量流動(dòng)的方向 。,能量流控制策略,在系統(tǒng)中，燃料電池是主能源，整車用電(包括給Ni2Mh電池組充電)幾乎全部由其產(chǎn)生; Ni2Mh電池組為輔助能源，在燃料電池正常工作發(fā)出電能之前，由Ni2Mh電池組通過(guò)直流母線直接向燃料電池控制系統(tǒng)和其他用電設(shè)備(如車燈等)供電，待燃料電池正常起動(dòng)完成并發(fā)出電能之后，主要由燃料電池經(jīng)直流母線向外供電。在負(fù)載較輕時(shí)，根據(jù)鎳氫電池組的SOC值，也可給電池組充電; 在加速或者爬坡等重載情況下，鎳氫電池組也與燃料電池一起向母線上的負(fù)載供電; 在電機(jī)制動(dòng)時(shí)，回饋的能量可以設(shè)定的回饋深度經(jīng)母線向蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)能量的充分利用?？梢?jiàn)通過(guò)燃料電池和鎳氫電池的組合使用，既可以讓燃料電池長(zhǎng)時(shí)間、高效、穩(wěn)定向外供電，又能發(fā)揮鎳氫電池組響應(yīng)快、能量回饋容易等特點(diǎn)，以彌補(bǔ)燃料電池由于成本和體積等方面因素導(dǎo)致最大功率難以提高的不足和無(wú)法實(shí)現(xiàn)再生能量回收的缺陷。實(shí)現(xiàn)功率分配的另一個(gè)重要部件是DC/DC變換器，該系統(tǒng)中選用美國(guó)某公司的產(chǎn)品，不僅可以實(shí)現(xiàn)母線電壓的恒定，而且可以通過(guò)CAN總線接收控制命令，調(diào)節(jié)燃料電池的功率輸出，并發(fā)布各種相關(guān)狀態(tài)信息。,能量流控制策略,控制策略的原理框圖,控制策略流程圖,謝謝,