电动汽车扭矩控制策略研究及应用

杨一琴，钟日敏，黄祖朋

(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州， 545007)

0 引言

随着清洁能源的发展，传统汽车慢慢在往电动化转型，国家也推行了很多政策大力发展新能源汽车，并且想通过发展电动汽车实现在汽车领域的“弯道超车”[1]。整车控制技术作为大三电（电池、电机、电控）的三大核心技术之一，其重要程度不言而喻。电动汽车由动力系统、传动系统、制动系统、车身控制系统等构成，各系统的控制器各自控制其被控部件[2]，为了满足电动汽车各性能目标，各子系统控制器必须彼此协调合作[3]。本文选取扭矩控制策略进行研究，阐述在各个系统的协调配合下的扭矩控制策略。

1 整车扭矩管理

在电动汽车VCU扭矩管理系统中，整车扭矩系统可以分为驱动扭矩管理系统和能量回收扭矩管理系统，驱动扭矩系统又可以分为加速踏板驱动扭矩、蠕行扭矩、跛行扭矩、智能驾驶扭矩、扭矩限值等。

1.1 加速踏板扭矩控制

加速踏板扭矩控制的方式也有很多种，应用最广的一种控制方法是通过加速踏板开度获得每一种驾驶模式下对应的扭矩系数，然后与当前车速下对应的扭矩值相乘来得到转矩指令输出[4]。在本次研究中，同样采用此方法：VCU控制两路传感器采集加速踏板传感器电压值，分别用两路电压传感器的值与工作电压做比值，再用两个比值做插值计算，得到加速踏板开度，最后与扭矩系数相乘，得出某个加速踏板开度下的扭矩。但此扭矩也与高压附件消耗的功率、电池允许连续放电功率、驾驶模式、档位、电机扭矩限值等信号有关。

其中T输出：VCU输出的请求扭矩；

f1(K1)：高压附件消耗功率所对应的扭矩；

f2(K2)：电池允许连续放电功率所对应的扭矩；

θ（t）：所选择的驾驶模式 ；

δ（g）：档位所在的位置；

f(e)：电机当前的扭矩限值；

……：其他底盘零件干预、故障处理等因素。

在空调开启、电池允许连续放电功率低的情况下，即使在同一车速和同一踏板开度的情况下，扭矩输出值也有可能不同。加速踏板扭矩控制模式中，档位在P档或N档时，扭矩输出为0，D档一般会分为三种模式，运动模式、标准模式和经济模式，三种模式下的扭矩输出也会有所不同，如图1.1为档位在D档、30km/h车速、同一加速踏板开度在不同驾驶模式下对应的不同扭矩值。

1.2 制动扭矩控制

在纯电动汽车中，由于电机存在做工和发电两种模式，为了不让电机反转得到的电量不浪费以及满足整车续驶里程的要求，在发电模式下，需要VCU制定相应的扭矩控制策略，把滑行和制动产生的动能以负扭矩请求的方式及时回收。在能量回收的同时，VCU也会结合其他条件，例如，电池电量、电池允许回收功率、电机状态，ABS状态，有无配备EBS等。

图1 30km/h车速下驱动扭矩

1.2.1 滑行扭矩控制

当车辆在滑行时，VCU检测到整车控制器实时监控加速踏板、制动踏板、动力蓄电池SOC、电池允许连续充电功率、ABS状态，当前车速等，在满足滑行回馈的条件时，VCU通过滑行回馈的扭矩MAP图，输出扭矩请求，使车辆即使不在踩制动踏板的情况下也能平稳减速。该扭矩输出控制可以表示为：

其中T滑行：滑行时VCU输出的扭矩；

Ta(u)：加速踏板开度对应的扭矩；

Tb(u)：制动踏板行程对应的扭矩；

TB(s)：动力蓄电池当前SOC值；

f2(K2)：电池允许连续充电功率；

Vv(t)：整车当前车速；

S(A)：ABS状态；

……：整车其他状态下的扭矩处理。

1.2.2 制动扭矩控制

当VCU检测到制动踏板被踩下时，VCU判断当前档位、车速、电机扭矩限制、SOC、驾驶模式、ABS等状态。当满足能量回收条件时，VCU通过制动能量回馈MAP图输出制动回馈扭矩，配合制动踏板的机械制动扭矩，使车辆平滑地制动。

1.3 蠕行扭矩控制

蠕行扭矩不同于加速踏板控制，因为此功能模式下，加速踏板不参与扭矩控制，需要根据车辆的状态判断车辆在D档或R档，再根据各档位下的蠕行目标车速，给出对应的扭矩。不同于加速踏板的是，此扭矩输出需要PID参与调节，以满足蠕行中各个工况下的扭矩需求。PID算法如图2所示；蠕行扭矩控制原理如图3所示。

图2 PID算法

图3 蠕行扭矩控制原理

1.4 跛行扭矩控制

跛行模式下，VCU控制驱动扭矩主要有三种处理方式：限制驱动电机最大运行功率、按系数降功率运行、固定值替代运行[5]。在本次研究中主要采用限值驱动电机最大运行功率，将驱动功率限定在某个额定的值，同时VCU用一个固定的扭矩值，在保证车辆安全的情况下，支持车辆能以一个较低的车速行驶至附近的修理站。

1.5 智能驾驶扭矩控制

智能驾驶对于扭矩的控制在精度、响应速度等的要求比普通驾驶模式下更高，在ADAS的不同功能模式下，对于扭矩的控制也略有不同。为了ADAS的各个功能之间互不影响，ACC和APA采用不同的PID调节，当其中一个功能开启时，关闭另一功能，实现ADAS模式下更精确的扭矩控制。整个ADAS扭矩控制中，包含ADAS控制模式激活模块、扭矩计算模块、扭矩限值滤波处理模块和扭矩输出模块。其原理图如图4所示：

图4 ADAS扭矩控制原理

1.5.1 ACC模式下的扭矩计算

当ADAS的ACC功能激活时，VCU首先根据当前车辆的实际加速度（经过低通滤波），计算出和ADAS请求的目标加速度的差值：经过PID模块调节得到加速度差值对应的轮边扭矩差值，再加上当前整车的实际扭矩，得到目标加速度下的目标轮边扭矩，将此扭矩经过滤波及扭矩限值处理后，发送给MCU，实现车辆的加速或减速，最终实现ADAS的加速度的请求 。经过标定调节后ADAS的加速度控制如图5所示：

图5 ADAS ACC加速度控制响应

1.5.2 APA模式下的扭矩计算

当APA激活时，与ACC控制模式不同，VCU是用速度进行扭矩的闭环计算，VCU根据电机转速计算出当前的车速，在与ADAS请求的速度做差值运算，得出该速度差值所需的轮边扭矩，再加上车辆当前实际扭矩，经过滤波、限值等处理后，输出给MCU，实现APA功能中速度的控制。ADAS的速度控制如图6所示。

2 结束语

整车扭矩控制是一个系统协调合作的问题，与加速踏板、制动踏板、电池电量、电池充电/放电功率、电机扭矩限制、驾驶模式、ABS、ESC、整车高压用电器、智能驾驶等息息相关。在设计阶段，就需要从整个系统架构的角度考虑，设计符合扭矩控制要求的分级控制模块，系统地进行设计和优化。纯电动汽车整车扭矩控制涉及驾驶员的驾驶感受和能耗要求，在用户感知和整车安全角度，扭矩控制是一个复杂和持续优化的过程，需要广大技术研究人员共同努力，达到更优的驾驶感受和更低的能耗，助力纯电动汽车的推广。

图6 ADAS APA速度控制响应