戴能紅 姜朋昌 孫飛 王春芳

（南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院）

整車控制器（VCU）擔(dān)負(fù)著整車能量管理、驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)控制、整車安全、故障診斷及信息處理等重任，是實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車高效可靠運(yùn)行的必要保障。國外主要汽車廠如豐田、福特及重要的零部件開發(fā)公司（如Bosch，Delphi）均開展了整車控制單元的設(shè)計(jì)[1-2]。整車控制策略作為整車控制器的軟件部分，是整車控制器開發(fā)的核心[3]。文章對(duì)一款自主開發(fā)的純電動(dòng)客車的整車控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)車道路測試，驗(yàn)證了其可行性和有效性。

1 動(dòng)力系統(tǒng)方案

純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為電機(jī)直驅(qū)主減速器、電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、高壓配電箱及整車控制器，如圖1所示。電池系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力蓄電池狀態(tài)監(jiān)控及安全保護(hù)的關(guān)鍵部件；電機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)控制器通過控制電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)車輛的動(dòng)能，或?qū)④囕v的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回收；高壓配電箱主要將動(dòng)力電池的電源分配至各用電系統(tǒng)，包括電機(jī)系統(tǒng)及輔助子系統(tǒng)（如空調(diào)、轉(zhuǎn)向、DCDC等）。

2 整車控制策略

VCU作為上層控制單元，采集駕駛員操作輸入信號(hào)，包括鑰匙信號(hào)、加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)及擋位信號(hào)等，識(shí)別駕駛員對(duì)汽車動(dòng)力的需求[4]，同時(shí)結(jié)合電池管理系統(tǒng)反饋的電池狀態(tài)信息、電機(jī)控制器反饋的電機(jī)狀態(tài)信息及整車狀態(tài)信息對(duì)功率進(jìn)行限制，確定控制目標(biāo)，通過CAN總線向電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)發(fā)送有效的控制組合指令，同時(shí)直接控制相關(guān)繼電器，保證汽車按照駕駛員的意圖安全、可靠地行駛。

2.1 工作模式

根據(jù)整車運(yùn)行工況和動(dòng)力總成狀態(tài)不同，整車可劃分為7種工作模式，并在滿足一定的條件時(shí)進(jìn)行模式切換，各模式及其控制功能，如表1所示。

表1 整車工作模式及控制功能

由于系統(tǒng)所用換擋桿只有N，D，R擋，所以上電時(shí)要求擋位在N擋，如不在，VCU會(huì)發(fā)出指令，命令儀表顯示“請(qǐng)掛空擋”的提示。

2.2 加速扭矩控制策略

行駛模式中的加速扭矩控制策略直接影響整車駕駛的動(dòng)力性和舒適性[5]。為了較好地滿足駕駛員中高負(fù)荷的駕駛感覺，同時(shí)保證低負(fù)荷時(shí)的操控性，文章采用線性踏板策略，即相同轉(zhuǎn)速下扭矩隨油門踏板開度線性增加。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)上無剎車與換擋操作的互鎖裝置，所以本項(xiàng)目無蠕動(dòng)功能，因此在踏板極淺開度時(shí)動(dòng)力輸出略微提升。

在油門開度為0、電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)施以制動(dòng)扭矩（模擬傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖阻扭矩）產(chǎn)生制動(dòng)能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池中。至于制動(dòng)扭矩的轉(zhuǎn)速起訖點(diǎn)和具體扭矩?cái)?shù)值，可通過試驗(yàn)利用CANAPE在線標(biāo)定。

2.3 制動(dòng)能量回收控制策略

制動(dòng)能量回收是電動(dòng)汽車的標(biāo)志性功能，是電動(dòng)汽車節(jié)能的關(guān)鍵所在。為了保證行車安全，在最大程度提高能量回收的同時(shí)，還要保證電制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制。

考慮到汽車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)不可調(diào)整，且制動(dòng)踏板無位置傳感器而只有開關(guān)信號(hào)，采用輕度制動(dòng)能量回收控制策略。車速很低時(shí)，可回收的能量與傳動(dòng)系能量損耗基本相抵即回收效率低，且會(huì)明顯影響駕駛員制動(dòng)感覺，不回收能量；車速較低時(shí)，制動(dòng)扭矩較低，盡量回收制動(dòng)能量；車速高時(shí)汽車慣性動(dòng)能很高，電機(jī)大扭矩制動(dòng)不會(huì)影響駕駛員制動(dòng)感受，但由于制動(dòng)踏板無位置傳感器，無法獲知機(jī)械制動(dòng)情況，所以電機(jī)制動(dòng)扭矩設(shè)置不大回收較少能量。為不影響駕駛感受，在空擋時(shí)不進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

為了保護(hù)動(dòng)力蓄電池，制動(dòng)能量回收的電流不能超過電池允許的最大充電電流；SOC過高時(shí)為防止電池過充取消電機(jī)再生制動(dòng)；ABS功能啟動(dòng)時(shí),必須取消電機(jī)制動(dòng)。

3 故障診斷及處理策略

VCU對(duì)電機(jī)、電池系統(tǒng)故障的處理策略是：嚴(yán)重故障時(shí)，直接進(jìn)入停電機(jī)及下電模式；輕微故障時(shí)，功率限制模塊根據(jù)電機(jī)、電池系統(tǒng)分別發(fā)送的允許最大驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)功率進(jìn)行限功率處理。

VCU對(duì)重要的部件進(jìn)行診斷并制定的處理策略是，嚴(yán)重故障時(shí)直接進(jìn)入停電機(jī)及下電模式；一般故障采取跛行回家策略，即限制車速以降低車輛行駛負(fù)荷，保證行車安全。具體的故障描述、相應(yīng)的診斷及處理策略，如表2所示。

表2 無自診斷功能部件的故障診斷與處理策略

4 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

將已開發(fā)的控制策略軟件刷寫至控制器硬件上，裝車路試。分析路試數(shù)據(jù)即可驗(yàn)證控制策略功能優(yōu)劣并實(shí)施必要的優(yōu)化。

圖2示出客車小坡道起步的行駛性能曲線。圖3示出人為切斷電機(jī)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的水泵供電后汽車的行駛性能曲線。

從圖2可以看出，在空擋松開制動(dòng)踏板時(shí)，客車有倒溜現(xiàn)象（車速為負(fù)），掛前進(jìn)擋后，進(jìn)入駐坡模式，不再倒溜；在加速段，目標(biāo)扭矩隨加速踏板開度加大而增加，車速平穩(wěn)上升；松開油門有較小的倒拖扭矩，踩下制動(dòng)踏板即開始制動(dòng)能量回收（目標(biāo)扭矩為較大的負(fù)值），至車速極低時(shí)，電機(jī)目標(biāo)扭矩為0。從圖3可以看出，通過電機(jī)溫升等條件診斷出水循環(huán)故障后，進(jìn)入限速模式，即使油門踩到底，車速也不超過40 km/h，實(shí)現(xiàn)了跛行回家的功能。

試驗(yàn)表明，整車驅(qū)動(dòng)控制策略能準(zhǔn)確響應(yīng)駕駛員意圖，制動(dòng)過程中能回收能量，輕微故障時(shí)能及時(shí)實(shí)施限速保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。

5 結(jié)論

文章提出的純電動(dòng)客車的整車控制策略，可以在滿足汽車動(dòng)力性需求的同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收，兼顧了經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)還能進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷并在輕微故障時(shí)進(jìn)行限速保護(hù)，這樣既保護(hù)了系統(tǒng)免受進(jìn)一步損壞，也保證了汽車跛行回家安全行車的功能。下一步可繼續(xù)進(jìn)行道路試驗(yàn)，對(duì)扭矩MAP進(jìn)行標(biāo)定，尤其是制動(dòng)MAP，以進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性。