電動汽車扭矩濾波控制策略研究

王坤俊, 歐陽智, 盧 雄, 文健峰, 楊杰君

(中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

扭矩控制作為電動汽車整車控制的重要組成部分,對整車的動力性和經濟性有著重要影響[1-3]。扭矩濾波在扭矩控制中發揮著至關重要的作用,既要快速響應駕駛員扭矩請求,又要保證扭矩變化平滑[4-5]。扭矩由電機經過與之匹配的減速器降速增扭后傳遞到車輪,當驅動工況與制動工況相互切換時,減速器齒輪傳動的嚙合面會發生變化,由于齒輪間隙的存在,主動輪會經過一個短暫的加速,然后撞擊到嚙合面,從而產生較大的沖擊和噪聲,甚至造成車輛抖動[6-7]。

本文提出一種扭矩濾波控制方法,既能迅速響應駕駛員在各種操作工況下的需求扭矩,保證車輛動力性,又能在車輛驅動工況與制動工況相互切換時,有效降低減速器齒輪間隙帶來的打齒沖擊和噪聲,從而提升駕駛舒適性。

1 扭矩濾波控制策略

1.1 系統架構

電動汽車通常將整車控制器作為整車扭矩控制的核心[8-9],整車控制器采集擋位、加速踏板、制動踏板等硬線輸入信號,接收電機控制器反饋扭矩、轉速信息,識別駕駛員操作意圖,計算駕駛員需求扭矩,經過扭矩濾波處理后得出電機目標扭矩,再由電機控制器實現該目標扭矩的響應,從而實現車輛扭矩控制[10]。扭矩濾波主要包括扭矩上升率限制、扭矩下降率限制、扭矩過零處理,以控制扭矩變化的快慢。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

1.2 扭矩上升率限制

當駕駛員需求扭矩大于電機目標扭矩時,表明有加大車輛驅動扭矩或減小車輛制動扭矩的意圖。為保證扭矩變化平滑,需要限制扭矩上升率。分為以下幾種工況限制:

1) 電機目標扭矩為正(驅動扭矩),且蠕行功能觸發。駕駛意圖為加大蠕行驅動扭矩,扭矩上升率為蠕行扭矩上升率,此上升率通常為一個較小的定值,可確保車輛平穩緩慢行駛。

KR=CC1

式中:KR為扭矩上升率;CC1為蠕行扭矩上升率常數,本文取值300 N·m/s。

2) 電機目標扭矩為正(驅動扭矩),且蠕行功能未觸發。駕駛意圖為加大踏板驅動扭矩,扭矩上升率為踏板驅動扭矩上升率,此上升率跟駕駛員需求扭矩與電機目標扭矩的差值、電機轉速有關。駕駛員需求扭矩與電機目標扭矩的差值越大,上升率越大,以快速響應駕駛員扭矩請求;電機低轉速時上升率較小,可確保車輛平穩起步,電機轉速較高后,加大上升率,提高車輛動力性。由于無法用數學表達式描述,本文通過TD和n二維查表得到踏板驅動扭矩上升率,根據實車標定情況調整,具體數值見表1。

表1 踏板驅動扭矩上升率

KR=f(TD,n)

式中:TD為駕駛員需求扭矩與電機目標扭矩的差值;n為電機轉速。

3) 電機目標扭矩為負(制動扭矩),且駕駛員需求扭矩為負(制動扭矩)。駕駛意圖為減小制動扭矩,制動扭矩的數值實際上需要減小,扭矩上升率為制動扭矩上升率。此上升率根據駕駛員需求扭矩與電機目標扭矩的差值得出,駕駛員需求扭矩與電機目標扭矩的差值越大,上升率越大。

KR=max(Kmin1,f1·TD)

式中:Kmin1為最小制動扭矩上升率,本文取值為1 200 N·m/s;f1為制動扭矩上升率系數,本文取值5。

4)電機目標扭矩為負(制動扭矩),且駕駛員需求扭矩為正(驅動扭矩)。駕駛意圖為從制動工況切換到驅動工況,扭矩上升率為制動轉驅動扭矩上升率。設置一個齒輪嚙合區間[-Tm1,Tm1],當電機目標扭矩TT<-Tm1時,處于卸載制動扭矩階段,扭矩上升率跟制動扭矩上升率保持一致,迅速卸載制動扭矩;當電機目標扭矩TT∈[-Tm1,Tm1]時,設置較小的扭矩上升率使齒輪緩慢嚙合,減小齒輪沖擊和噪聲;當電機目標扭矩TT>Tm1時,處于增大驅動扭矩階段,扭矩上升率跟踏板驅動扭矩上升率保持一致,迅速增大驅動扭矩。

式中:Tm1為減速器齒輪驅動轉制動嚙合扭矩,表示嚙合面即將發生變化,本文取值80 N·m;Cm1為制動轉驅動工況齒輪嚙合扭矩上升率常數,本文取值240 N·m/s。

1.3 扭矩下降率限制

當駕駛員需求扭矩小于電機目標扭矩時,表明有減小車輛驅動扭矩或加大車輛制動扭矩的意圖,為保證扭矩平滑變化,需要限制扭矩下降率。具體分析過程跟扭矩上升率限制類似:

1) 蠕行驅動扭矩下降率:

KF=CC2

式中:KF為扭矩下降率;CC2為蠕行扭矩下降率常數,本文取值為500 N·m/s。

2) 踏板驅動扭矩下降率根據扭矩差值和電機轉速二維查表得出,具體數值見表2。

表2 踏板制動扭矩下降率

KF=f(TD,n)

3) 制動扭矩下降率:

KF=max(Kmin2,f2·TD)

式中:Kmin2為最小制動扭矩下降率,本文取值為800 N·m/s。

4) 驅動轉制動扭矩下降率:

式中:f2為制動扭矩下降率系數,本文取值4;Tm2為減速器齒輪制動轉驅動嚙合扭矩,本文取值80 N·m;Cm2為驅動轉制動工況齒輪嚙合扭矩下降率常數,本文取值240 N·m/s;[-Tm2,Tm2]為驅動轉制動工況齒輪嚙合區間。

1.4 扭矩過零處理

經過扭矩上升率限制、扭矩下降率限制處理后,存在由負扭矩直接切換到正扭矩、由正扭矩直接切換到負扭矩的情形。驅動扭矩、制動扭矩如果不經處理直接切換,會對減速器產生較大的齒輪沖擊,從而影響舒適性。為此,本文設計了一種扭矩過零處理方法:檢測到由負扭矩切換到正扭矩、由正扭矩切換到負扭矩的情形時,輸出最終濾波扭矩為0,確保驅動、制動工況相互切換時短暫地輸出40 ms零扭矩,以減小齒輪沖擊。

2 實車測試

為驗證上述扭矩濾波方法的實際效果,選取一輛10 m純電動客車測試驅動、制動、制動轉驅動、驅動轉制動等工況下經過扭矩濾波后的電機目標扭矩情況。

1) 驅動、驅動轉制動工況測試結果如圖2所示。踩加速踏板起步行駛,經過扭矩濾波處理后的電機目標扭矩平穩上升,確保車輛平穩運行;隨后踩制動踏板制動,對應的原始扭矩由正到負,經過扭矩濾波處理后,電機目標扭矩經歷驅動扭矩平穩下降、齒輪嚙合驅動扭矩緩慢下降、扭矩過零、齒輪嚙合制動扭矩緩慢上升、制動扭矩平穩上升5個階段,有效降低了減速器齒輪沖擊和噪聲。

圖2 驅動轉制動工況扭矩曲線

2) 制動、制動轉驅動工況測試結果如圖3所示。行駛過程中踩制動踏板制動,對應的原始扭矩瞬間達到一個較大的負值,經過扭矩濾波處理后電機目標扭矩平穩下降至目標值;隨后踩加速踏板驅動,對應的原始扭矩由負到正,經過扭矩濾波處理后,電機目標扭矩經歷制動扭矩平穩下降、齒輪嚙合制動扭矩緩慢下降、扭矩過零、齒輪嚙合驅動扭矩緩慢上升、驅動扭矩平穩上升5個階段,有效降低了減速器齒輪沖擊和噪聲。

圖3 制動轉驅動工況扭矩曲線

3 結束語

本文提出了一種扭矩濾波控制方法,不僅可以快速響應駕駛員扭矩請求,而且在車輛驅動工況與制動工況相互切換時,通過降低扭矩上升率和下降率、扭矩過零處理,確保了扭矩平穩變化,可以有效降低減速器齒輪間隙帶來的打齒沖擊和噪聲,從而提高了駕駛舒適性。