基于dSPACE的电动汽车控制策略研究

自DOI103969JISSN10099492201505018基于DSPACE的电动汽车控制策略研究冯雪丽杭州科技职业技术学院，浙江富阳311402摘要首先分析了纯电动汽车整车控制系统的国内外发展现状及功能需求，制定了整车控制系统的开发流程，并分别对行车模式调度、行车转矩控制的控制策略进行了分析。然后制定了整车控制系统总体结构图，并对行车模式调度结合MATLABSIMULINK进行模型的建立。最后基于DSPACE行车模式调度仿真进行测试，验证模型的准确性。关键词纯电动汽车；控制系统；DSPACE；控制策略中图分类号TP273文献标识码A文章编号100994922015050069一O6CONTROLSTRATEGYOFTHEELECTRICCARBASEDONDSPACEFENGXUELIHANGZHOUPOLYTECHNIC，FUYANG311402，CHINAABSTRACTTHISPAPERANALYZESTHEDEVELOPMENTSTATUSANDFUNCTIONOFDOMESTICDEMANDPUREELECTRICVEHICLECONTROLSYSTEMS，DEVELOPEDAVEHICLECONTROLSYSTEMDEVELOPMENTPROCESS，ANDWERESCHEDULEDTOTRAFFICPATTERNS，TRAFFICCONTROLTORQUECONTROLSTRATEGYWEREANALYZEDTHENDEVELOPAVEHICLECONTROLSYSTEMOVERALLSTRUCTUREANDSCHEDULINGTRAFFICPATTERNS，COMBINEDWITHMATLABSIMULINKCONDUCTEDTOESTABLISHTHEMODE1FINALLYBASEDONDSPACEDRIVINGMODESCHEDULINGSIMULATIONTEST，THEACCURACYOFTHEMODELSISVERIFIEDKEYWORDSPUREELECTRICVEHICLE；CONTROLSYSTEM；DSPACE；CONTROLSTRATEGY0引言随着能源的ET益消耗与环境的逐渐恶化，发展新能源汽车成为现代汽车工业的方向。世界各个国家都在进行纯电动汽车的研究，作为纯电动汽车几大关键技术之一的整车控制技术是整车控制的核心。整车控制系统包括整车控制器、电池管理系统BMS、电动汽车组合仪表、CAN网络通讯以及远程监控系统等。国外纯电动汽车的控制系统比较复杂，整个系统具有多个控制器，并且车辆结构形式多样，有集中电机驱动模式、多电机驱动模式和轮毂电机驱动模式，纯电动汽车可以实现前驱、后驱和四驱等多种模式U】。国内的纯电动汽车发展迅速，集中电机驱动纯电动汽车技术已经比较成熟，国内各汽车厂商推出自主研发的此类纯电动汽车。收稿日期201502151纯电动汽车整车控制策略研究11整车控制系统的功能需求及开发流程整车控制系统根据汽车的实际运行工况，通过CAN网络或常规线束发送和接收信息，实现车内数据的实时通讯，并对整车进行相应的控制1。纯电动汽车的整车控制系统应具备以下功能汽车驱动控制；制动能量回馈控制；整车能量优化管理；车辆状态显示；故障诊断和处理。整车控制系统的开发流程主要包含以下5个方面功能设计与SIMULINK仿真；快速控制原型；自动产品代码生成；采用硬件在回路仿真进行ECU测试；在整个开发流程中都可以进行虚拟标定。12行车转矩控制策略如图1所示，整车有停车、待机、加速、匀工业自动化速、制动、滑行和倒车7种行车工况，各种状态下的工作原理，以及状态之间转换过程分别说明如下。1停车车速为0，钥匙开关处于“OFF”位置，档位处于“P”档。控制系统低压电断开，高压继电器断开，控制系统处于非工作状态。2待机钥匙开关转到“ACC或ON”位置，整车控制系统低压上电并自检，如有如高压线路连接是否正常或绝缘是否良好、充电插头是否移除、电池SOC是否满足行车要求等错误则进行报错。当钥匙旋转到“START”位置并停留片刻后返回，如果加速踏板位置为零，且没有其他报错信息发生，那么高压继电器接通，电机使能位为1，电机进人可驱动状态。力状态共同决定。变速器档位换人D档，松开手制动器，踩下加速踏板到一定位置，整车控制器将接收到的加速踏板的模拟电压信号转变成数字信号，根据加速踏板位置和电机转速计算驾驶员需求转矩，根据当前电池的SOC及报错信息、电机的状态等计算电机的许用转矩，整车控制器取两者的最小值作为电机的实际驱动转矩需求转矩为正值，并将此转矩命令通过CAN总线送给电机控制器，电机控制器根据此命令调节永磁电机的定子电流大小，产生相应的转矩如图2所示。直到驱动力与道路阻力平衡。车辆的加减速过程的快慢由驾驶员进行控制。期望转矩和加速踏板位置的对应关系可以标图1行车工况图正车速表示前进，负车速表示倒退3加速1加速起步过程控制踏板位置开环起步控制。即VCU整车控制器将驾驶员踏板的位置解释成对应的转矩需求，发命令让电机发出响应的转矩，车速的控制由驾驶者自己掌握，类似于传统车的手动档起步，区别在于电机从0转速开始工作，没有离合器的操作，转矩的输出为踏板位置的函数，可表示为P1这种模式的优点是控制简单，驾驶员可以根据自己的意愿控制起步的车速，缺点是在坡道上起步会出现车辆的倒退。2起步后加速过程控制按期望转矩控制方法即将驾驶员的加速踏板位置解释成转矩的需求，将转矩需求发送给电机控制器发出相应的转矩驱动汽车，而车速由驱动转矩和道路阻定，从而调节驾驶的动力感受，通过图2中的目标转矩斜坡发生器来实现。图3给出了几种目标转矩随加速踏板位置变化的关系线，线A的转矩输出前段斜率小，转矩对踏板的响应速率慢，后段斜率大，转矩对踏板的响应速率快，由于开始加速感觉太软，一般不用这种方式。线B的转矩输出和踏板位置成正比例，控制最为简单，但前段转矩输出仍然不够迅速，动力感不够强。线C的前段转矩对踏板响应速率很快，动力感较强，且符合低速转矩需求大，告诉转矩需求相对小的规律，是较为理想的踏板转矩解释方式。线D的转矩响应速率最大，但是后段踏板为无效行程，显得并不合理。垡里L计算驾电机转速L驶员需I求转矩电机转速广一。电机及控制器L故障状态I计算电电池故障状态I图2按期望转矩控制的原理厂塑冯雪丽基于DSPACE的电动汽车控制策略研究工业自100APP图3相对于加速踏板位置的不同目标转矩输出特性4匀速这种情况下，加速踏板的位置基本不变，只有在道路阻力发生较小范围变化时做适当调整，以维持车速稳定，其他工作过程与加速时一样。5制动制动过程中的目标制动转矩计算原理如图4所示。在某一车速下，踩下制动踏板，电机由电动状态转换成发电模式，整车控制器根据收到的制动踏板的位置电压信号计算电制动转矩，并将此转矩命令发送给电机ECU，电机ECU控制电机发出相应的制动阻力矩，当电机转速低于某个设定转速NORMIN时，即车速低于对应的车速VOKMH，电机停止输出制动转矩并转人空转状态，不输出任何转矩，此时只有机械制动器起作用。完全再生制动系统，其原理如图5所示。这种制动系统中因为引人了电子控制液压制动力执行器，可以调节机械制动力的大小，在制动力需求较小时，全部由电机产生前轮的制动力，在制动力需求大时，驱动轮由液压和电机两种制动同时作用，前后轴制动力的分配可以按照理想制动力分配曲线I线来进行，如图6所示，这样可以发挥最大的再生制动能力，尽可能多地回收制动能量。6滑行加速踏板位置为0，制动踏板位置为0，电机输出转矩为0。7倒车档位换人“R”挡，踩下加速踏板，整车控制器根据加速踏板位置、电池状态、系统报错信息等计算驾驶员需要转矩，并将需求转矩及旋转方向命令通过CAN总线发送给电机控制器，电机控制器调节电机发出相应需求转矩驱动汽车后退。13行车模式调度策略1正常驱动模式包括开环车速控制和闭环车速控制巡航。开环车速控制即按照驾驶员踏板位置和路况进行制动踏板位置电机转速驶员需求制动转矩为负值计算电机许用制动转矩为负值输出电池管理I一信号线系统L一动力线图4制动过程中的目标制动转矩计算原理图5完全再生制动系统原理图器_R_R一一一一一电一机故一由一蜊一一一一一一一冯雪丽基寸DSPACE的电动汽车控制策略研究工业自动图10行车模式判断流程图当SOC低于30时，车辆进入低电量事件。此时如果SOC同时高于20，车辆进入“电量不足模式”，电机降载为需求扭矩的一半，以使车辆尽可能地延长行驶里程，赶往充电站充电；但当SOC低于20时，为了防止损坏电池，提高电池使用寿命，车辆进入“停止行驶模式”，给定电机扭矩为0NM，禁止车辆行驶。当SOC高于30时，车辆进人高电量事件。此时如果巡航开关开启、车速高于15KMH，且加速踏板百分比小于5，车辆进入“巡航行驶模式”；当其中任一条件不满足时，车辆就跳出巡航行驶模式返回“正常行驶模式”。当制动踏板开关开启时，车辆进入“制动回馈模式”，此时，电动汽车将一部分制动能量回收转化为电能，而制动踏板关闭时，车辆返回到“正常行驶模式”；当车辆故障等级大于0时，车辆就进入“故障行驶模式”，然后依据故障的严重程度的等级来决定电机是否需要降载或强制停转。当车辆故障消除后，通过判断制动踏板开关的闭合状态来决定车辆是进入“制动回馈模式”还是进入“正常行驶模式”。行车模式判断状态流建模和流程图分别如图9和图10所示。3基于DSPACE的整车控制策略仿真测试31测试方案及其建模由于本文所研究纯电动汽车还在研究阶段，无法直接在整车上测试本控制系统的可靠性和准确性，故本文在此只对本控制系统中的行车模式调度建模进行测试。311行车模式调度的测试方案通过SIMULINK模块库中的SIGNALBUILDER输入源模块，模拟决定行车模式的输入量如SOC、加速踏板位置、制动踏板位置、巡航开关和车速等，通过对输人信号的调整，观察