纯电动城市客车整车控制策略研究.

1、纯电动城市客车整车控制策略研究4.1 整车控制系统及开发模式介绍纯电动汽车由整车控制器、电机及其控制器、动力电池、动力电池管理系统（ BMS）、主减速器、辅助系统等组成。其中辅助系统为空调系统、制动系统、转向电机及其控制器、 DC/DC等。动力电池作为全车的能量源，为各个电器设备提供电能。驾驶员通过整车控制系统达到对车辆的整体控制。 本章主要针对整车控制系统中的控制器和整车控制策略进行研究设计， 纯电动车系统结构简图如图 4-1 所示 i ：图 4-1 控制系统结构简图电动汽车整车控制器是整个电动汽车的核心部件，它采集制动踏板信号、加速踏板信号，及其它部件信号， 并做出相应的判断后， 控制下层

2、的各个控制器 ( 电机控制器、 BMS等) 工作，使汽车正常行驶，对于整体系统而言，整车控制器的设计直接涉及到电动汽车的稳定性、 最终的动力性能和适应复杂工况的性能。 因此整车控制器的优劣直接影响到整车的性能。整车控制策略直接影响到整车的动力性能， 它决定了电动机的转矩输出， 还会影响驾驶员的操纵感觉。 本文主要讨论能量分配策略和各种行车模式的控制策略。4.1.1 整车控制系统设计原则与功能分析整车控制器的设计必须综合考虑到各个方面的影响因素， 以使其具有较长的产品生命周期，因此须遵循以下原则 ii ：（ 1）优先考虑系统的安全性和可靠性的设计，要有良好的电磁兼容性， 要满足国家相关标准，能适

3、应任何路况下的车辆振动和冲击；在纯电动汽车中 , 由于是大功率电机驱动 , 相当于是一个强干扰源，会对整车控制器产生很强的电磁干扰，因此这就要求整车控制器要有较强的抗干扰能力；（ 2）整车控制器能够在环境温度为 -40 至 100的范围内可靠稳定地工作。因为汽车使用环境恶劣，相对应的对车用电子设备也提出更高的要求；（ 3）综合分析功能需求， 在功能验证和样车开发试制时尽可能多地采取软件实现，以增加系统变更时的灵活性，设计定型后综合考虑系统的可靠性和成本，设计软硬件；（ 4）硬件设计中，外围接口资源要冗余设计，以提供变更时的适应性；（ 5）控制策略与控制逻辑设计中， 对异常状态尽可能多地采用报警

4、提示、 减少强制停机处理，特别要避免行车时的强制停车；（ 6）根据电池管理系统送出的故障信息及时调整电机驱动指令； 在保证行车安全的前提下，避免电池受到损坏。（ 7）采用国际电动汽车研发中通用的 CAN2.0B协议实现数据传输，具有 CAN总线通讯能力。 通过 CAN网络和车上的电池管理系统、 电机控制器、 实时绝缘监测系统、显示单元、充电站进行通讯，可通过 P-CAN设备与上位机完成通讯，完成上位机监控，从而可以实时掌握整车的工作状况和控制程序的运行状况；（ 8）系统故障的判断和存储，动态实时检测系统信息，记录下出现的故障；整车控制器承担了安全管理、数据交换和能量分配的任务。根据重要程度，其

5、功能划分如图 4-2 所示：图 4-2 控制系统功能图（ 1）数据交换管理层整车控制器要实时地采集驾驶员的操作信息和其它各个部件的工作状态信息，这是实现整车控制器所有功能的基础和前提。 该层接收 CAN总线信息，对直接输入整车控制器的各物理量进行采样处理， 并通过 CAN发送出控制命令， 通过I/O 、 D/A 和 PWM提供显示单元、继电器等驱动信号。接收、处理驾驶员的操作指令，能采集制动踏板信号、加速踏板，并且需要监测钥匙位置与档位信号、车速信号。（ 2）安全故障管理层在实车运行中， 任意部件都有可能产生差错， 从而可能导致元器件损坏甚至危及到车辆安全。 整车控制器要能对汽车的各种可能故障

6、进行分析与处理， 这是保证汽车安全行驶的必要条件。 对车辆而言， 故障可能出现在任意地方， 但对于整车控制器而言， 故障只体现在从第 I 层继承的数据中。 对继承数据的分析与判断是该层的主要工作之一。在检测出系统中有故障后，该层会做出相应的处理，在保证车辆安全的前提下， 给出部件可供使用的工作范围， 以尽可能满足驾驶员的驾驶意图。（ 3）驾驶员意图解释层驾驶员的所有与驱动驾驶相关的操作信号都直接进入整车控制器， 整车控制器对采集到的驾驶员的操作信息进行正确地分析处理， 计算出驱动系统的目标转矩和车辆需求功率以实现驾驶员意图。 来判断当前驾驶员操作意图和整车工作状态，从而根据设计的控制策略来发出

7、正确的指令，使车辆按照驾驶员期望行驶；要实现整车控制器的上述功能， 必须设计合理的硬件和软件， 为了完成以上的功能，整车控制器就必须拥有以下能力 :1) 能够准确快速的采集制动踏板、 加速踏板的信号和车速信号， 并且需要检测钥匙位置信号， 高压开关等各种开关信号。 通过这些信号来判断驾驶员意图和车辆的工作状态，从而根据设计的控制策略发出相应指令。2) 能够实时检测动力电池电压和电流信号，为保证车辆安全性和电池剩余电量 SOC的计算提供准确的依据。3) 整车控制器要有很强的计算能力和信号采集速率。控制器在完成一系列的加、减、乘、除、积分、微分等运算时，要尽可能提高运算速度，缩短运算时间。4.1.

8、2开发模式在传统的控制单元开发流程中，通常采用如图 4-1 所示的串行开发模式，即首先根据应用需要，提出系统需求并进行相应的功能定义，然后进行硬件设计，使用汇编或 C语言进行面向硬件的代码编写，随后完成软硬件和外部接口集成，最后对系统进行测试和标定。如图 4-3 所示的串行开发模式：4-3 串行开发模式目前研发工程师所面临的问题越来越复杂，而开发时间却要求尽可能缩短。如果采用传统的开发方法， 则在系统调试过程中发现的由于硬件电路原因造成的问题就必须通过重新进行硬件设计来解决， 然后再对软件修改。 这就使得控制系统参数的修改需要得到很长时间才能得到验证， 导致开发周期过长， 延误项目的正常进行。

9、为了解决这一问题，本项目采用V模式开发流程，软硬件技术的不断发展，为并行开发模式提供了强有力的工具。本项目采用德国dSPACE公司的基于 PowerPC和MATLAB/Simulink的实时仿真系统，就为控制系统开发及半实物仿真提供了很好的软件和硬件工作平台。如图4-4 所示的 V型开发模式功能设计离线仿真标定 /测试快速控制原型硬件在环仿真验证 ECU目标代码生成及下载图4-4 V 型开发模式第一步对系统功能进行定义描述， 首先根据应用需要明确控制器应该具有的功能，为硬件设计提供基础； 同时建立整车控制系统的仿真模型， 并进行离线仿真，运用软件仿真的方法设计和验证控制策略。第二步是快速控制器

10、原型和硬件开发。 从控制系统仿真模型中取出控制器模型，并且结合 dSPACE的物理接口模块 (A/D 、D/A、I/O 、CAN等) 来实现与被控对象的物理连接，然后运用 dSPACE提供的编译工具生成可执行程序， 并下载到 dSPACE 的硬件 Micro Autobox 中，作为目标控制器的可替代物，可以方面地实现控制参数的在线调试和控制逻辑调节。在进行离线仿真和快速控制器原型的同时， 根据控制器的功能设计， 同步完成硬件的功能分析并进行相应的硬件设计、 制作，并根据软件的仿真结果对硬件设计进行完善、修改。第三步是目标代码生成。前述的快速控制原型基本形成了满意的控制策略，硬件设计也形成了最

11、终的物理载体 ECU，此时运用 dSPACE的辅助工具 TargetLink 生成目标 ECU代码，然后编写目标 ECU的底层驱动软件，两者集成后生成目标代码下载到 ECU中。第四步是硬件在环仿真。 其目的是验证电控单元 ECU的功能。在这个环节中，除了电控单元， 除了电控单元是真实的部件， 部分被控对象也可以是真实的零部件。如果将仿真模型中的被控对象模型生成代码并下载到 dSPACE，则dSPACE可用于仿真被控对象的特性。第五步是调试和标定。把经过硬件在环仿真验证的 ECU连接到完全真实的被控对象中，进行实际运行试验和调试。V型开发流程包括从系统定义到系统标定的完整过程。先进硬件软件工具的

12、使用，使得开发的重点可以集中到控制策略的构思， 不必在程序编写、 硬件调试上花费大量时间，从而可以大大加速实际控制单元 ECU的研究和开发。4.2纯电动车整车控制策略研究新型纯电动汽车CAN网络控制系统是三条总线的网络结构，整车控制器VCU（ Vehicle Control Unit）为纯电动公交车的主要的控制器之一，它负责整车的运行管理及各零部件的控制， 除此之外，整车还含有驱动电机控制器 DMCM（Drive MotorControl Module ），电池管理控制器BMS（Battery Management System ），绝缘检测控制器 ICM（ Insulation Check

13、Module），仪表控制器等附件及监测和标定系统，可见纯电动汽车是个多个控制器的复杂系统。如何确定各个控制系统之间的关系，整车控制系统网络如何布局，各控制器如何根据整车实际运行的情况传递信息，交互作用，使车辆能够止常运行是动力总成控制系统研究首先要解决的问题。 在纯电动汽车的网络中，最主要的模块主要是整车控制器模块，电池模块和电机模块。图4-5 为纯电动汽车的整车CAN控制网络结构示意图 :图 4-5 为纯电动汽车的整车 CAN控制网络结构示意图纯电动汽车动力系统中主要有电机驱动装置、 传动系统和动力电池等。 必须要有一个性能优越、 安全可靠的整车控制策略， 从各个环节上合理控制车辆运行状态、

14、能源分配与协调功能， 以充分协调及发挥各部件优势， 使汽车整体获得最佳的运行状态。整车控制策略主要包括 iii :汽车驱动控制：根据驾驶员驾驶要求、车辆的状态、道路和环境状况，经分析与处理，对电机控制器发出相应的指令，满足驾驶要求。制动能量回馈控制：根据制动踏板与加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息，计算出再生制动力矩，对电机控制器发出指令。整车能量优化管理： 通过对车载能源系统的管理， 提高整车能量利用的效率，以延长纯电动汽车续驶里程。车辆状态显示：对车辆一些信号进行采集和转换，由整车控制器通过仪表台处的综合数字仪表显示出来。在纯电动汽车各部件的配置确定下来后， 如何建立起整车控制

15、系统的结构和优化整车控制策略是实现纯电动车稳定运行和合理利用能量的关键所在。 车辆需要在满足驾驶员意图、 汽车动力性、平顺性和其它基本技术性能以及成本控制等要求的前提下选择合适的控制策略。 针对各部件的特性和汽车运行工况， 控制策略要实现能量在电机、电池之间的合理且有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车平稳的驾驶性能和最大的经济性。4.2.1 纯电动车的基本控制策略的确定对同一种纯电动汽车来说，采用不同控制策略可得到不一样的整车性能，能量消耗情况与电池的 SOC值。在设计纯电动汽车的时候， 首先就要明确开发目的，即在保证汽车基本性能前提下降低汽车的能量消耗， 提高车辆的一次充电续驶里程。同

16、时，还要兼顾电池的寿命问题和各种边界条件。 在设计整车控制策略过程中，要充分考虑驾驶员的驾驶意图、汽车的安全性和平顺性。因此，在设计控制策略时，要考虑到以下原则及约束 :1 ) 在驾驶员驾驶力矩需求和系统性能限制条件下，计算并调整实际输出的驱动扭矩；2) 保证车辆运行和各个部件的安全性；3) 确保有可以接受的驾驶感觉。基于以上三个原则，我们可制定以下的基本控制策略：1) 限定电机工作的区域和 SOC值范围，确保动力电池和电机都能够长时间保持高效状态。 如果出现情况与问题， 系统及时进行提醒。 根据预先设定好的规则对纯电动汽车系统工作模式进行判断与选择，制定相应的控制策略。2) 实时考虑到各影响

17、因素如行驶工况和电池的 SOC值等，实时地根据规则将转矩合理分配予电机。 在整车控制器与电机控制器中形成一个实时控制的闭环系统。这样能保证驾驶员驾驶意图能够得到及时的更新， 同时又能够对车辆状态进行控制，保证汽车安全性与舒适性。4.2.2 纯电动车能量管理策略整车能量管理在电动汽车各个管理系统中占有非常重要的地位， 提高整车能量利用效率可提高一次充电续驶里程， 能维护整车的安全性。 在纯电动汽车的能iv量管理系统中，最主要内容是动力电池管理和整车能量流动控制。对于纯电动汽车而言，唯一的能量提供单位是动力电池。因此对电池的管理vvi显得特别重要。它不仅要求能正确监测在使用过程中消耗的电能，而且要

18、求能预测电池所剩余的电能， 电池的剩余电能直接决定了纯电动汽车的最大续驶里程。驾驶员可根据剩余电量预测车辆的可续驶里程，避免在行车过程中出现电量不足的情况，本研究采用仪表根据剩余电量显示一个可续驶里程的参考值。电池的剩余电能 SOC与电池放电能力有很大关系。 在SOC过低时，电池所能产生的功率就非常小，不能满足纯电动汽车的行驶需求，同时又会导致车辆其它的辅助设备无法正常运行。当 SOC过高时，动力电池会过量充电，对电池本身的性能造成较必须能实时预测电池 SOC值。本课题中，预测 SOC值采取的是安时积分法 vii 。利用电池的初始 SOC0和开路电压曲线对电池 SOC进行修正 viii ，影响

19、电池的总容量和很多因素有关 , 其中 , 比较重要的有以下 3 个：环境温度、电池的循环次数 ( 或认为是电池的 SOH) 和电池平均放电电流，可根据此三个影响因素对电池的总容量重新确定 ix 。与传统燃油汽车不同，纯电动汽车的能量全部来自动力电池的放电电量。能量管理策略的原理如图 4-6 所示，在车辆启动时， 电池处于放电状态， 为电机和其它部件提供能量。在车辆以正常速度行驶时，这时电机处于负荷相对较高的高效区域。如果电池 SOC较低，车辆即刻进行报警提示，以保证车辆安全。在减速与制动时，电机又能把部分车辆动能转化为电能贮存到电池中。图4-6 能量管理策略的原理图能量管理的目标是使能量能够得

20、到合理地利用，同时能兼顾电池安全性的要求。在起步和正常运行过程中，电池放电，使电机运行。在制动过程中，电机接受再生力矩为电池充电， 因此制动能量的回馈也是必要的。所以，通过纯电动汽车能量管理与能量流动的分析，可得到电机的起步工况和行车工况、再生制动x能回馈以及电机控制的工作等，这些都是控制策略要解决的主要问题。从整个纯电动汽车系统的角度来分析，可以将运整车行工况划分为驻车模式、上电初始化、起步模式、行车模式、制动能量回馈模式及关机模式 ( 即为车辆停止运行 ) 等六个方面。 整车控制系统采集钥匙信号、 点火信号、制动踏板信号、加速踏板信号、 电机和电池状态信息和汽车运行状况， 判断系统的即刻运

21、行模式，以及系统工况在彼此之间的切换。如图4-7 为整车控制模式流程框图图4-7 为整车控制模式流程框图对于起步模式，根据加速踏板的行程和电池的 SOC值来执行相应控制策略，对于行车模式， 则需要根据车速和电池电机的状态， 设计不同的策略， 并要考虑各工况的转换， 对于制动模式， 根据制动踏板行程大小和在不改变原车的制动特性基础上对制动能量进行有效地回馈或不回馈。 在各个模式中基本都有电机力矩的参与，同时电机在整个过程存在两种状态 : 充当发电机给动力电池进行充电、充当电动机拖动车辆。 所以，电机力矩也存在有正力矩和负力矩。 对于电机力矩的加入与撤离必须做到迅速与准确，以保证系统的平稳运行。图

22、4-8 为整车控制模式流程框图本课题纯电动汽车整车控制系统的各个基本工作模式可用图 4-9 所示的典型行驶工况来说明。在图示上部的曲线中， AB 段是上电自检过程， BC段是电机起步过程， CD段是汽车从静止起步后缓慢加速过程， DE段是匀速行驶， EF是制动直至停车，FG段是驻车阶段。为使电机运行在一个较高效的区域， 同时保持电池 SOC 工作维持在一个合理范围， 电机力矩分配策略将会起到决定性作用。 根据加速踏板的位置值和车辆所处工况状态，电机控制器分配不同的力矩。图 4-9 下部曲线是上部行驶曲线对应的驱动能量， 在时间轴的上方是正能量， 用于驱动， 在时间轴的下方是负能量，用于制动。图

23、 4-9 典型工况与工作模式对每种工作模式的条件及各转矩关系之间的分析， 是进行控制流程图设计的必要前提。为了便于分析，定义电机的转矩请求为 Treq ，当前实际转矩为 Tmotor，电机本身的最大转矩为 Tmotor max mt ，电池所能支持的最大转矩为 Tmotor max ess ，由车辆状态决定的电机的最大电动力矩为 Tmc_trurop max ，电机的再生力矩为 Tregenerative_torque 。电池剩余电量过低为 SOClow。4.2.3 、各个工作模式的控制流程影响因素分析通过上文分析， 开始设计纯电动汽车各个工作模式的控制流程。 在制定过程中，需要考虑多方面的因

24、素，如 :(1) 驾驶员意图在各工作模式与各工况下，对驾驶员意图快速并准确地把握是非常重要的。对驾驶员意图的反映主要根据驾驶员的操作指令即制动踏板和加速踏板信号， 计算出驱动电机转矩需求命令。 在此，主要依据电机的转速和加速踏板信号和与之相应驾驶员的需求转矩曲线查表得出。 图 4-10 为电机的工作特性曲线， 在曲线中可知，电机工作特性主要分为三个区域。 在低转速区是近似于恒转矩工作， 在中高转速区是近似于恒功率工作。图4-10 电机工作特性曲线参考本课题所选的电机工作特性曲线，制定相应的纯电动汽车所用的驾驶员意图转矩命令，如图 4-11 所示。在转速不变时，加速踏板踩得越深，输出转矩则越大，

25、而在加速踏板位置不变时，则转速越大，输出转矩则越小。在低转速加速行驶或者爬坡的时候对转矩需求较大， 在高速匀速行驶时对转矩需求较小。 这些都符合车辆行驶时对驱动转矩的需求特性。图4-11 驾驶员转矩指令由此可得知， 根据电机的转速， 加速踏板的位置， 按照插值方法可得到电机的需求转矩，以满足驾驶意图。(2) 车辆的安全性制定能量管理策略以及整车控制策略时， 需要充分考虑到车辆安全性及车辆的各种限制条件。 如电机最大转矩， 电池所能支持的最大转矩和电机的最大电动力矩等，防止电机和动力电池过载，确保重要部件如电机、电池等的安全性。由于动力电池有放电能力以及工作电压的限制。 当电池有故障的时候必须切

26、断，当电池电量不足的时候必须提醒和及时进行充电才可继续运行。 而在电池电量比较充足时，应防止再对电池进行充电，以免电池过充电。在仪表盘上，须设置电流表实时监测电池电流数值， 当出现异常的时候， 需要及时检查甚至停止车辆运行，以保证车辆安全性。同时，在车辆运行的过程中，由整车控制器实时采集电池电流和电压、电机转速和各个开关信号， 并以此来得到车辆车速、 电池的剩余电量等信息， 以此来判断车辆运行状态。在这些数据中任何一个出现了异常时，都必须予以重视。在纯电动汽车的行驶过程中，有可能会出现各种不同的故障及不安全状态。其中的一些不影响汽车正常行驶， 如动力电池的工作电流稍高或者不稳定等， 对于此类问

27、题，可采取一些措施减少一些动力系统工作负荷， 以使汽车工作状态恢复到正常。但有些错误可能会影响汽车行驶安全， 则必须立刻将车辆停下来进行故障检修，维修完成后才可继续行驶。4.2.4 纯电动车整车工作模式研究1、主控制与上电控制在每一次系统开始运行的时候， 为保证系统安全性， 需要进行系统与控制器的上电自检，如果出现了问题或故障 , 系统必须立刻跳出。如图 4-12,4-13 所示，分别为主控制流程和上电控制流程。在图中 IPU、 HCU分别表示电机控制器和整车控制器。图4-12 主控制系统平台流程图图 4-13 上电控制流程图2、起步控制在车辆完成了上电过程后， 整车控制器通过采集车辆状态、

28、钥匙以及加速踏板等信号、电机和电池信号，车辆准备随时起步。只需驾驶员踩加速踏板，这时如果电池 SOC高于一定值，整车控制器就计算电机所需转矩， 并将所需转矩信息发送给电机，电机开始转动并驱动纯电动汽动车起步。如电池 SOC值过低，则对驾驶员进行报警，方可保证车辆行驶安全。图4-14 为纯电动车起步模式控制流程图。图4-14 为纯电动车起步模式控制流程图3、行车控制在起步完成后，车辆即进入行车程序。整车控制器实时采集各种数据，实时计算电机所需转矩并将这些数据发送给电机控制器， 以保证汽车正常运行。 在制动踏板踩下时， 则会进入制动能量回馈状态。 在要进行倒挡时， 则进入倒挡行车状态。在电池 SO

29、C值过低的时候，车辆对司机进行报警，点亮充电提示灯。在行车的过程中，会出现工作模式的切换。图 4-15 为行车模式控制流程图。图4-15 行车模式控制流程图4、制动能量的回收纯电动汽车特有的一项技术是制动能量回馈功能，对于提高纯电动汽车性能，提高电能的利用率是非常有好处的 xi 。车辆在制动时， 可将其中一部分的车辆动能转化为电能， 此过程即为制动能量的回收。 电动汽车在电制动时， 通过将驱动电机置于发电状态， 使驱动电机产生再生制动力矩， 同时将电机产生的电能充到动力电池中，从而有效回馈制动能量，延长了行驶里程 xii 。对制动能量回馈功能，须考虑以下几个约束条件:（ 1）满足刹车的安全要求

30、， 同时要保持驾驶的平顺感 xiii ，在刹车的过程中，对安全的要求总是第一位的。 需要时刻注意再生制动和机械制动的比例， 在确保安全的情况下使车辆回馈尽可能多的电能。 同时，再生制动的力矩不应引起制动冲击。（2）为提高电动汽车整车的能量回馈效率 xiv ，机械制动和再生制动的比例要很好地分配， 保证车辆能正常进行能量回馈功能。 同时，也要考虑电机的发电能力和动力电池组充电功率。(3) 在设计控制策略过程中，要时刻考虑一些车辆影响因素，如电池剩余电量 SOC，如果 SOC还处在较高的状态， 为防止过充， 就要减小甚至不能进行再生制动，在车速较低时，即是电机转速较低时，再生制动就会相对有限。（

31、4）制动能量回馈基本控制策略 xv制动能量回馈要综合考虑电机发电特性、汽车动力学特性、 电池充电特性与安全保证等多方面问题。 设计既符合司机操作习惯又具有实际效果的系统是有较大难度的。本文在制动能量回馈的策略上也只是做一个探索性地尝试。汽车在制动过程中，制动力在前轮与后轮上的分配比例是关系到制动感觉和制动效果的关键。制动力在前轮后轮上的分配与汽车的质心在前后轴距的位置有关，具有确定的数学关系。本课题所研究的纯电动汽车采用了后驱方式，因此只有后轮制动力能得到部分回馈。 同时，在制动时， 不能改变原有制动机构以使驾驶员原有的平顺感得到保证。图 4-16 制动力控制方式示意图在制动踏板踩下时， 进入制动能量回馈模式。 整车控制器根据电机转速和制动踏板位置， 按照一定比例关系