純電動汽車控制策略.ppt

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純電動汽車整車驅(qū)動控制策略,,純電動汽車作為一種節(jié)能 、無污染的理想“零 排放 ”汽車 ,是 21 世紀汽車工業(yè)重要的發(fā)展趨勢 。 隨著環(huán)保及節(jié)能意識的增強 , 純電動汽車的開發(fā) 和應用日益受到世界各主要汽車生產(chǎn)國和大型汽 車企業(yè)的重視 。 整車控制器是純電動汽車運行的核心單元 , 擔負著整車驅(qū)動控制 、能量管理 、整車安全及故障 診斷和信息處理等功能 ,是實現(xiàn)純電動汽車安全 、 高效運行的必要保障 。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 純電動汽車動力系統(tǒng)結構,純電動汽車主要由三個子系統(tǒng)組成: 電驅(qū)動系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。,電力驅(qū)動子系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電機、機械傳動裝置。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、溫控單元和輔助動力供給單元等。根據(jù)駕駛者從加速踏板和制動踏板發(fā)出的信號，電子控制器發(fā)出相應的控制信號以控制功率轉(zhuǎn)換器功率器件的開關。 功率轉(zhuǎn)換器的作用是調(diào)節(jié)電機和能源間的能源流。能量的回流是因為純電動汽車制動能量的再生，該能量被能量源吸收。應指出的是多數(shù)純電動汽車的電池、超級電容器和飛輪都能吸收制動再生能量。 能量管理單元與電子控制器一起控制可再生制動，從而實現(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)測能源的使用情況。輔助動力供給系統(tǒng)向所有的純電動汽車輔助裝置提供不同電壓的電源。,1.2 整車驅(qū)動控制策略的分析與設計,純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中主要有電機驅(qū)動裝置，傳動系統(tǒng)，動力電池等。必須有一個性能優(yōu)越、安全可靠的整車控制策略，從各個環(huán)節(jié)上合理控制車輛的運行狀態(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，使汽車整體獲得最佳運行狀態(tài)。整車控制策略主要包括: (一) 汽車驅(qū)動控制。根據(jù)司機的駕駛要求、車輛狀態(tài)、道路及環(huán)境狀況，經(jīng)分析和處理，向電機控制器發(fā)出相應指令，滿足駕駛要求。 (二) 制動能量回饋控制。根據(jù)制動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，計算再生制動力矩，向電機控制器發(fā)出指令。 (三) 整車能量優(yōu)化管理。通過對車載能源動力系統(tǒng)的管理，提高整車能量利用效率，延長純電動汽車的續(xù)駛里程。 (四) 車輛狀態(tài)顯示。對車輛某些信號進行采集和轉(zhuǎn)換，由主控制器通過綜合數(shù)字儀表顯示出來。,1.3 整車驅(qū)動控制策略的分析與設計,車輛需要在滿足駕駛員意圖，汽車的動力性、平順性和其他基本技術性能以及成本控制等要求的前提下選擇合適的控制策略。針對各部件的特性及汽車的運行工況，控制策略要實現(xiàn)能量在電機、電池之間的合理而有效分配、使整車 系統(tǒng)效率達到最高，獲得整車最大的經(jīng)濟性以及平穩(wěn)的駕駛性能。在設計純電動汽車的時候，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: 實時考慮行駛工況，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。同時限定電機的工作區(qū)域和SOC值的范圍，確保電機和動力電池能夠長時間保持高效的狀態(tài)。若出現(xiàn)問題，系統(tǒng)可根據(jù)預先設定的規(guī)則對純電動車輛系統(tǒng)的工作模式進行判斷和選擇。最終，在整車控制器與電機控制器中形成一個實時控制的閉環(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)進行控制，保證安全性和舒適性。,1.4 整車驅(qū)動控制策略的分析與設計,整車驅(qū)動控制策略的核心是根據(jù)駕駛員動作分析其駕駛意圖,并綜合考慮動力系統(tǒng)狀態(tài)，計算駕駛員對電機的期望轉(zhuǎn)矩，然后向電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令，使純電動轎車的行駛狀態(tài)盡可能快速、準確地達到工況要求和滿足駕駛員的駕駛目的。 轉(zhuǎn)矩控制策略可以實現(xiàn)加速轉(zhuǎn)矩控制、制動能量回饋、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的功率限制等主要功能以及駐坡、怠速爬行、WTO 轉(zhuǎn)矩補償、跛行回家等輔助驅(qū)動功能。,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力性和舒適性。加速踏板開度與加速轉(zhuǎn)矩函數(shù)關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荷的駕駛感覺，但低負荷時操控性不好。曲線3反映了一種軟踏板策略，車輛加速感覺整體偏軟，但低負荷操控性較好。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,結合電機的外特性曲線，就可以得到純電動車的動力特性圖，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的電機滑行制動轉(zhuǎn)矩，模擬傳統(tǒng)車發(fā)動機的倒拖阻轉(zhuǎn)矩，并轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中 。,2. 2 制動能回饋控制策略,制動能量回饋是電動汽車(包括純電動車、混合動力車和插電式燃料電池車)的標志性功能。制動能量回饋控制的原則是在最大程度提高能量回饋的同時，確保電制動與機械制動的協(xié)調(diào)控制，以保證汽車制動力的要求。 考慮到本項目車機械制動系統(tǒng)不可調(diào)整，而且只有制動踏板開關傳感器，實施了純軟件的輕度制動能量回饋控制策略。制動踏板踩下時，回饋制動功能激活，回饋制動轉(zhuǎn)矩與車速的函數(shù)關系如圖4所示 。,2. 2 制動能回饋控制策略,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，回饋效率很低且會明顯影響駕駛員制動感覺，故不進行制動能量回饋 。在低速區(qū),電機具有一定轉(zhuǎn)速，施以較低制動轉(zhuǎn)矩，盡量回收制動能量。高速區(qū)時車輛慣性動能很高，可以施加較高制動轉(zhuǎn)矩而不影響駕駛員制動感覺。但由于缺少制動踏板開度信號，該策略的再生制動所占總制動比例較小，具體數(shù)值通過實車標定得到。為了保護動力蓄電池，回饋電流不能超過蓄電池最大充電電流，SOC過高時取消電機再生制動 ,因為很容易導致電池電壓過高而且電池充電難度也增加。同時，ABS功能啟動時,必須取消電機再生制動 。,2. 3 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的功率限制策略,該策略是為了保護能源系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)及整車安全運行。 在能源系統(tǒng)能量不足時，若整車控制器強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輸出轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的功率限制策略實時根據(jù)三大高壓子系統(tǒng)狀態(tài)，計算蓄電池功率、電機功率及高壓輔助系統(tǒng)消耗功率，上策是通過減少高壓輔助系統(tǒng)能量供給來最大可能滿足駕駛員動力需求，若仍然能量供需不平衡，下策就是限制電機功率需求 。,式中:Poversysload為動力系統(tǒng)過載限制的駕駛員期望功率; Pexp為駕駛員期望功率(n為電機轉(zhuǎn)速); Pbatmaxdis為蓄電池最大放電功率,與SOC成正向關系; 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)動電機過載，發(fā)熱量增加，引起溫升過大，從而導致電機驅(qū)動系統(tǒng)自保而清除轉(zhuǎn)矩需求或燒毀電機驅(qū)動系統(tǒng)，造成事故。因此驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的功率限制策略從過載倍數(shù)和過載時間兩個方面加以控制。過載倍數(shù)與加速踏板開度呈線性關系，當加速踏板開度超過設定開度閾值,電機過載運行,滿足駕駛員急加速需求，過載倍數(shù)可以從圖3加速轉(zhuǎn)矩MAP得到。過載時間根據(jù)電機溫度特性確定，整車控制器接收電機驅(qū)動系統(tǒng)反饋的電機溫度，并根據(jù)設定的電機溫度過高閾值限制過載轉(zhuǎn)矩 。,2. 4 輔助驅(qū)動控制策略,開發(fā)的輔助驅(qū)動功能是為了模擬傳統(tǒng)轎車所具有的驅(qū)動功能，以確保駕駛感覺和習慣的一致性。 怠速爬行功能是模擬帶液力變矩器、自動變速器的傳統(tǒng)轎車在停車狀態(tài)下駕駛員釋放制動踏板、不踩加速踏板汽車也會緩慢向前爬行的過程。駐坡功能用于車輛坡道起步，在駕駛員松開制動踏板到踩下加速踏板的過程中提供駐坡轉(zhuǎn)矩，短時間內(nèi)防止車輛倒溜，實現(xiàn)平穩(wěn)起步。駐坡轉(zhuǎn)矩是怠速爬行轉(zhuǎn)矩在負車速段的延伸,如圖5所示, 輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與車速函數(shù)關系示意圖。駐坡功能運行可標定時間內(nèi), 若駕駛員沒有反倒溜動作, 則取消駐坡轉(zhuǎn)矩。怠速爬行時，車輛行駛阻力矩與怠速爬行轉(zhuǎn)矩平衡點，即為車輛怠速爬行速度。圖5所示的車速——滑行制動轉(zhuǎn)矩對應于圖3的轉(zhuǎn)速——電機滑行制動轉(zhuǎn)矩。輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)矩MAP需要實車標定，與道路坡度、路況相關，且不能超過電機最大轉(zhuǎn)矩限值。,3 其他控制策略,WTO轉(zhuǎn)矩補償功能用于模擬傳統(tǒng)轎車節(jié)氣門全開，發(fā)動機額外補償轉(zhuǎn)矩的功能。整車控制器檢測到加速踏板踩到底，W TO轉(zhuǎn)矩補償策略計算額外轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩控制策略計算加速轉(zhuǎn)矩，二者共同向電機驅(qū)動系統(tǒng)提出轉(zhuǎn)矩需求。跛行回家轉(zhuǎn)矩與SOC相關，當SOC很低時，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)動控制策略的設計結果如圖下圖所示,,純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中主要有電機驅(qū)動裝置，傳動系統(tǒng)，動力電池等。 對于同一種電動汽車來說，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。在設計純電動汽車的時候，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。,燃料電池電動汽車,燃料電池電動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，燃料電池在加負載的起始階段，電壓Ufc迅速下降，并且隨著負載的增加，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，即是說燃料電池的輸出特性相對較軟; 此外，輸出功率的波動會導致燃料電池效率η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為電動機及其他用電設備的功率; PBAT為電池組功率，正值表示放電，負值表示充電; 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光纖總線等幾個部分組成，粗實線箭頭表示能量流動的方向 。,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電池組通過直流母線直接向燃料電池控制系統(tǒng)和其他用電設備(如車燈等)供電，待燃料電池正常起動完成并發(fā)出電能之后，主要由燃料電池經(jīng)直流母線向外供電。在負載較輕時，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載供電; 在電機制動時，回饋的能量可以設定的回饋深度經(jīng)母線向蓄電池充電，實現(xiàn)能量的充分利用。可見通過燃料電池和鎳氫電池的組合使用，既可以讓燃料電池長時間、高效、穩(wěn)定向外供電，又能發(fā)揮鎳氫電池組響應快、能量回饋容易等特點，以彌補燃料電池由于成本和體積等方面因素導致最大功率難以提高的不足和無法實現(xiàn)再生能量回收的缺陷。實現(xiàn)功率分配的另一個重要部件是DC/DC變換器，該系統(tǒng)中選用美國某公司的產(chǎn)品，不僅可以實現(xiàn)母線電壓的恒定，而且可以通過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,