劉 軍，劉立業(yè)，劉珍珍，趙二明Liu Jun，Liu Liye，Liu Zhenzhen，Zhao Erming

純電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下的扭矩控制

劉 軍，劉立業(yè)，劉珍珍，趙二明
Liu Jun，Liu Liye，Liu Zhenzhen，Zhao Erming

（江西昌河汽車有限公司北京分公司 新能源開發(fā)部，北京 101300）

純電動(dòng)汽車通過動(dòng)力電池中的化學(xué)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的能量源頭，現(xiàn)有動(dòng)力電池一般為鋰離子電池，其化學(xué)活性與溫度關(guān)聯(lián)度較大，溫度越低電池輸出功率越小。在溫度極低的情況下，當(dāng)駕駛員大油門起步或急加速時(shí)，扭矩需求較大，電池輸出功率增大，如果電池活性不足，會(huì)導(dǎo)致電池欠壓故障。整車控制器根據(jù)溫度從控制策略角度進(jìn)行預(yù)判，限制扭矩，保證整車正常工作，保護(hù)電池安全。

純電動(dòng)汽車；扭矩控制；極低溫度

0 引 言

純電動(dòng)汽車動(dòng)力來源一般是鋰離子動(dòng)力電池，如磷酸鐵鋰電池、三元鋰離子電池、鈦酸鋰電池等。動(dòng)力電池由幾百個(gè)小的電池單體組合而成，電池內(nèi)部通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量。電池化學(xué)活性與其環(huán)境溫度有很大關(guān)系，溫度越低鋰離子活性越低，電池輸出功率越低。鋰離子電池的低溫放電試驗(yàn)表明，電池的放電性能隨著溫度降低不斷惡化，電池的容量大幅度下降，放電電壓平臺(tái)降低，溫度過低時(shí)無法實(shí)現(xiàn)放電[1-2]。低溫對磷酸鐵鋰電池性能影響顯著，其放電容量在0℃時(shí)為額定容量的80%，在-10℃時(shí)為額定容量的66%，在-20℃時(shí)僅為額定容量的44%，此時(shí)容量衰減近一半[3-4]。

電機(jī)是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出單元，其由電機(jī)控制器和電機(jī)組成，電機(jī)控制器控制電機(jī)扭矩輸出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛。整車控制器負(fù)責(zé)整車工況運(yùn)算，故電機(jī)控制器的扭矩大小來自整車控制器。整車控制器首先通過加速踏板、制動(dòng)踏板、擋位等判斷駕駛意圖，分析計(jì)算整車所需的扭矩輸出，然后比較電機(jī)功率曲線與電池實(shí)時(shí)輸出功率，最后輸出實(shí)時(shí)扭矩指令給電機(jī)控制器。

在起步或加速工況，駕駛員踩下加速踏板越深，需求扭矩越大，所需的電池功率越大；加速踏板踩到底時(shí)，扭矩需求最大，此時(shí)電池需滿足最大功率輸出。電機(jī)與電池在設(shè)計(jì)匹配時(shí)一般能夠滿足功率要求，但在溫度降低時(shí)電池出現(xiàn)功率不滿足的情況，此時(shí)整車控制器從策略上進(jìn)行保護(hù)控制，即將環(huán)境溫度、電池溫度、電機(jī)溫度參數(shù)作為扭矩控制條件，起到保護(hù)電池安全、保證整車正常運(yùn)行的作用。

1 低溫環(huán)境扭矩對電池的影響

某款純電動(dòng)車在高寒試驗(yàn)過程中加速踏板、電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速及電池電壓的關(guān)系曲線如圖1所示。此時(shí)，環(huán)境溫度為-25 ℃，電池溫度為-15 ℃，SOC約為80%，動(dòng)力電池為磷酸鐵鋰，額定電壓為365 V，電機(jī)額定扭矩為90 Nm，峰值扭矩為210 Nm。

由圖1可知，車輛起步，加速踏板完全踩下，此時(shí)，整車控制器解析扭矩需求為電機(jī)扭矩最大值210 Nm，電機(jī)執(zhí)行扭矩指令，全功率輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，動(dòng)力電池電壓從360 V快速降到289 V，整車報(bào)欠壓故障，車輛高壓自動(dòng)斷開。

分析以上問題，當(dāng)溫度低于-10℃時(shí)，動(dòng)力電池容量衰減，當(dāng)電機(jī)功率需求為峰值功率時(shí)，電池功率輸出不能滿足需求，電池電壓急劇降低到保護(hù)閾值，導(dǎo)致欠壓故障。

圖1 -15℃時(shí)純電動(dòng)車各性能指標(biāo)隨時(shí)間的變化

2 扭矩控制部件基本架構(gòu)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)部分基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包括三電部分VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器）、電機(jī)及MCU（Motor Control Unit，電機(jī)控制器）、電池及BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)），還包括扭矩控制相關(guān)附件加速踏板、制動(dòng)踏板及擋位開關(guān)。

VCU通過硬線采集加速踏板、制動(dòng)踏板及擋位開關(guān)的信號(hào)，分析駕駛員的駕駛意圖。VCU與BMS及MCU通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集電池、電機(jī)的相關(guān)信息，包括電池實(shí)時(shí)功率、電池溫度、電池總電壓、電池單體電壓、電池故障和電機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)功率，以及母線電壓、母線電流、電機(jī)故障等。電池與電機(jī)通過高壓線束連接，能量通過高壓線束傳輸，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整車后軸使整車按照命令行駛。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)電氣架構(gòu)圖

3 扭矩解析策略

整車控制器應(yīng)用層使用軟件Simulink建模，其中扭矩解析模塊負(fù)責(zé)扭矩控制相關(guān)策略實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，扭矩解析模塊采集加速踏板、制動(dòng)踏板及擋位開關(guān)信號(hào)，據(jù)此判斷整車行駛狀態(tài)及駕駛模式，推算駕駛員的駕駛意圖，進(jìn)行扭矩初步解析，結(jié)合查詢電機(jī)功率曲線表，得到駕駛員的請求扭矩值。

扭矩解析模塊通過電池放電允許功率計(jì)算出電池放電允許扭矩值，即將電池放電允許功率除以電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速；同時(shí)根據(jù)電機(jī)功率曲線查詢當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)允許的最大扭矩，將兩者中較小值作為傳動(dòng)系統(tǒng)的最大允許扭矩值。

扭矩解釋時(shí)，將得到的駕駛員扭矩請求值與傳動(dòng)系最大允許扭矩相乘得到絕對扭矩請求值，之后判斷整車的各種限制條件，如電池故障、電機(jī)故障、電池溫度等，再進(jìn)行扭矩仲裁。整車控制器根據(jù)擋位請求、扭矩模式等，在各模式下對各扭矩請求進(jìn)行仲裁，同時(shí)對仲裁后的扭矩進(jìn)行基本限制，最終得到經(jīng)過仲裁和限制的扭矩請求為最終輸出扭矩值。

圖3 扭矩解析流程圖

4 低溫環(huán)境扭矩控制優(yōu)化

在常溫環(huán)境下，整車全功率輸出和扭矩峰值輸出對于整車行駛的影響可以忽略。在低溫環(huán)境下，氣溫低于-10℃時(shí)，電機(jī)峰值扭矩對于整車及動(dòng)力電池影響較大，此時(shí)可以優(yōu)化扭矩控制策略，增加電池溫度來修正限制扭矩大小，減小大扭矩對電池的沖擊，使整車在低溫環(huán)境可以正常行駛。

電機(jī)扭矩和功率曲線如圖4所示，當(dāng)加速踏板全部踩下時(shí)，一般電機(jī)扭矩為峰值扭矩輸出，扭矩解析模塊通過查表得到峰值扭矩。扭矩解析模塊在扭矩仲裁過程中，參考電池實(shí)時(shí)溫度對扭矩值進(jìn)行限制，給出扭矩限制系數(shù)通過試驗(yàn)不斷細(xì)化，優(yōu)化扭矩最終輸出值。根據(jù)扭矩值與電池溫度對應(yīng)關(guān)系，溫度降低，扭矩限制系數(shù)越大，則扭矩指令值越小。如圖5所示，以電機(jī)最大扭矩值（Max）為基準(zhǔn)，電池溫度為-40～0 ℃，對應(yīng)分別為0.9、0.8、0.7、0.6、0.5，會(huì)根據(jù)電池類型不同、模組形式不同進(jìn)行調(diào)整，

圖4 電機(jī)扭矩和功率曲線圖

圖5 扭矩限值與溫度對應(yīng)圖[楊娜5]

現(xiàn)實(shí)中會(huì)在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行大量轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，不斷標(biāo)定優(yōu)化得到最優(yōu)值。扭矩被限制后，整車動(dòng)力性會(huì)受到一定影響，但可以保證整車正常行駛。

5 結(jié) 論

進(jìn)行高寒試驗(yàn)時(shí)，將扭矩限制系數(shù)加入扭矩解析模塊，試驗(yàn)結(jié)果為：

（1）-20℃時(shí)，限制扭矩為峰值扭矩的60%，車輛可以正常行駛，不再出現(xiàn)下電故障，但動(dòng)力性有所減弱；

（2）-15℃時(shí)，限制扭矩為峰值扭矩的70%，車輛可以正常行駛，不再出現(xiàn)下電故障，此時(shí)動(dòng)力性幾乎不受影響；

（3）自然條件下，因?yàn)闊o法準(zhǔn)確模擬其他溫度點(diǎn)，所以不能給出準(zhǔn)確結(jié)果，但從以上結(jié)果可以確定改變扭矩控制策略可行。

在低溫環(huán)境下，純電動(dòng)汽車受電池化學(xué)性能影響，動(dòng)力性、續(xù)航里程等都會(huì)受到較大影響，暫時(shí)沒有好的解決方法，但可以從整車控制策略方面進(jìn)行優(yōu)化。扭矩控制是電機(jī)功率輸出的核心控制模塊，對其進(jìn)行安全冗余設(shè)計(jì)，能夠很好地保證車輛安全，減少對電池及電機(jī)的沖擊。

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10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.004

1002-4581（2021）02-0013-03

2020-12-10