纯电动客车整车控制策略设计与验证

戴能红 姜朋昌 孙飞 王春芳

（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）

整车控制器（VCU）担负着整车能量管理、驱动/制动控制、整车安全、故障诊断及信息处理等重任，是实现纯电动汽车高效可靠运行的必要保障。国外主要汽车厂如丰田、福特及重要的零部件开发公司（如Bosch，Delphi）均开展了整车控制单元的设计[1-2]。整车控制策略作为整车控制器的软件部分，是整车控制器开发的核心[3]。文章对一款自主开发的纯电动客车的整车控制策略进行了设计，并进行了实车道路测试，验证了其可行性和有效性。

1 动力系统方案

纯电动客车动力系统主要结构为电机直驱主减速器、电池系统、电机系统、高压配电箱及整车控制器，如图1所示。电池系统中的电池管理系统是实现动力蓄电池状态监控及安全保护的关键部件；电机系统中的电机控制器通过控制电机将电能转化为驱动车辆的动能，或将车辆的动能转化为电能回收；高压配电箱主要将动力电池的电源分配至各用电系统，包括电机系统及辅助子系统（如空调、转向、DCDC等）。

2 整车控制策略

VCU作为上层控制单元，采集驾驶员操作输入信号，包括钥匙信号、加速踏板信号、制动踏板信号及挡位信号等，识别驾驶员对汽车动力的需求[4]，同时结合电池管理系统反馈的电池状态信息、电机控制器反馈的电机状态信息及整车状态信息对功率进行限制，确定控制目标，通过CAN总线向电机控制器和电池管理系统发送有效的控制组合指令，同时直接控制相关继电器，保证汽车按照驾驶员的意图安全、可靠地行驶。

2.1 工作模式

根据整车运行工况和动力总成状态不同，整车可划分为7种工作模式，并在满足一定的条件时进行模式切换，各模式及其控制功能，如表1所示。

表1 整车工作模式及控制功能

由于系统所用换挡杆只有N，D，R挡，所以上电时要求挡位在N挡，如不在，VCU会发出指令，命令仪表显示“请挂空挡”的提示。

2.2 加速扭矩控制策略

行驶模式中的加速扭矩控制策略直接影响整车驾驶的动力性和舒适性[5]。为了较好地满足驾驶员中高负荷的驾驶感觉，同时保证低负荷时的操控性，文章采用线性踏板策略，即相同转速下扭矩随油门踏板开度线性增加。由于机械结构上无刹车与换挡操作的互锁装置，所以本项目无蠕动功能，因此在踏板极浅开度时动力输出略微提升。

在油门开度为0、电机转速达到一定值时施以制动扭矩（模拟传统车发动机的倒拖阻扭矩）产生制动能量，并将其转化为电能储存到蓄电池中。至于制动扭矩的转速起讫点和具体扭矩数值，可通过试验利用CANAPE在线标定。

2.3 制动能量回收控制策略

制动能量回收是电动汽车的标志性功能，是电动汽车节能的关键所在。为了保证行车安全，在最大程度提高能量回收的同时，还要保证电制动与机械制动的协调控制。

考虑到汽车机械制动系统不可调整，且制动踏板无位置传感器而只有开关信号，采用轻度制动能量回收控制策略。车速很低时，可回收的能量与传动系能量损耗基本相抵即回收效率低，且会明显影响驾驶员制动感觉，不回收能量；车速较低时，制动扭矩较低，尽量回收制动能量；车速高时汽车惯性动能很高，电机大扭矩制动不会影响驾驶员制动感受，但由于制动踏板无位置传感器，无法获知机械制动情况，所以电机制动扭矩设置不大回收较少能量。为不影响驾驶感受，在空挡时不进行制动能量回收。

为了保护动力蓄电池，制动能量回收的电流不能超过电池允许的最大充电电流；SOC过高时为防止电池过充取消电机再生制动；ABS功能启动时,必须取消电机制动。

3 故障诊断及处理策略

VCU对电机、电池系统故障的处理策略是：严重故障时，直接进入停电机及下电模式；轻微故障时，功率限制模块根据电机、电池系统分别发送的允许最大驱动/制动功率进行限功率处理。

VCU对重要的部件进行诊断并制定的处理策略是，严重故障时直接进入停电机及下电模式；一般故障采取跛行回家策略，即限制车速以降低车辆行驶负荷，保证行车安全。具体的故障描述、相应的诊断及处理策略，如表2所示。

表2 无自诊断功能部件的故障诊断与处理策略

4 实车试验验证

将已开发的控制策略软件刷写至控制器硬件上，装车路试。分析路试数据即可验证控制策略功能优劣并实施必要的优化。

图2示出客车小坡道起步的行驶性能曲线。图3示出人为切断电机冷却水循环系统中的水泵供电后汽车的行驶性能曲线。

从图2可以看出，在空挡松开制动踏板时，客车有倒溜现象（车速为负），挂前进挡后，进入驻坡模式，不再倒溜；在加速段，目标扭矩随加速踏板开度加大而增加，车速平稳上升；松开油门有较小的倒拖扭矩，踩下制动踏板即开始制动能量回收（目标扭矩为较大的负值），至车速极低时，电机目标扭矩为0。从图3可以看出，通过电机温升等条件诊断出水循环故障后，进入限速模式，即使油门踩到底，车速也不超过40 km/h，实现了跛行回家的功能。

试验表明，整车驱动控制策略能准确响应驾驶员意图，制动过程中能回收能量，轻微故障时能及时实施限速保护，实现了预定功能。

5 结论

文章提出的纯电动客车的整车控制策略，可以在满足汽车动力性需求的同时进行制动能量回收，兼顾了经济性；同时还能进行实时诊断并在轻微故障时进行限速保护，这样既保护了系统免受进一步损坏，也保证了汽车跛行回家安全行车的功能。下一步可继续进行道路试验，对扭矩MAP进行标定，尤其是制动MAP，以进一步提高经济性。