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纯电动汽车在低温环境下的扭矩控制

  江西昌河汽车有限公司北京分公司   2021-06-15 次浏览

引言


纯电动汽车动力来源一般是锂离子动力电池,如磷酸铁锂电池、三元锂离子电池、钛酸锂电池等。动力电池由几百个小的电池单体组合而成,电池内部通过化学反应产生能量。电池化学活性与其环境温度有很大关系,温度越低锂离子活性越低,电池输出功率越低。锂离子电池的低温放电试验表明,电池的放电性能随着温度降低不断恶化,电池的容量大幅度下降,放电电压平台降低,温度过低时无法实现放电。低温对磷酸铁锂电池性能影响显著,其放电容量在0℃时为额定容量的80%,在-10℃时为额定容量的66%,在-20℃时仅为额定容量的44%,此时容量衰减近一半。

电机是纯电动汽车的动力输出单元,其由电机控制器和电机组成,电机控制器控制电机扭矩输出,电机驱动整车行驶。整车控制器负责整车工况运算,故电机控制器的扭矩大小来自整车控制器。整车控制器首先通过加速踏板、制动踏板、挡位等判断驾驶意图,分析计算整车所需的扭矩输出,然后比较电机功率曲线与电池实时输出功率,最后输出实时扭矩指令给电机控制器。

在起步或加速工况,驾驶员踩下加速踏板越深,需求扭矩越大,所需的电池功率越大;加速踏板踩到底时,扭矩需求最大,此时电池需满足最大功率输出。电机与电池在设计匹配时一般能够满足功率要求,但在温度降低时电池出现功率不满足的情况,此时整车控制器从策略上进行保护控制,即将环境温度、电池温度、电机温度参数作为扭矩控制条件,起到保护电池安全、保证整车正常运行的作用。

1低温环境扭矩对电池的影响

某款纯电动车在高寒试验过程中加速踏板、电机扭矩、电机转速及电池电压的关系曲线如图1所示。此时,环境温度为-25℃,电池温度为-15℃,SOC约为80%,动力电池为磷酸铁锂,额定电压为365V,电机额定扭矩为90Nm,峰值扭矩为210Nm。

由图1可知,车辆起步,加速踏板完全踩下,此时,整车控制器解析扭矩需求为电机扭矩最大值210Nm,电机执行扭矩指令,全功率输出,电机转速快速上升,动力电池电压从360V快速降到289V,整车报欠压故障,车辆高压自动断开。

分析以上问题,当温度低于-10℃时,动力电池容量衰减,当电机功率需求为峰值功率时,电池功率输出不能满足需求,电池电压急剧降低到保护阈值,导致欠压故障。

2扭矩控制部件基本架构

纯电动汽车动力系统部分基本结构如图2所示,其中包括三电部分VCU(Vehicle Control Unit,整车控制器)、电机及MCU(Motor Control Unit,电机控制器)、电池及BMS(Battery Management System,电池管理系统),还包括扭矩控制相关附件加速踏板、制动踏板及挡位开关。

VCU通过硬线采集加速踏板、制动踏板及挡位开关的信号,分析驾驶员的驾驶意图。VCU与BMS及MCU通过CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)总线进行通信,实时采集电池、电机的相关信息,包括电池实时功率、电池温度、电池总电压、电池单体电压、电池故障和电机扭矩、电机转速、实时功率,以及母线电压、母线电流、电机故障等。电池与电机通过高压线束连接,能量通过高压线束传输,电机直接驱动整车后轴使整车按照命令行驶。

3扭矩解析策略

整车控制器应用层使用软件Simulink建模,其中扭矩解析模块负责扭矩控制相关策略实现。如图3所示,扭矩解析模块采集加速踏板、制动踏板及挡位开关信号,据此判断整车行驶状态及驾驶模式,推算驾驶员的驾驶意图,进行扭矩初步解析,结合查询电机功率曲线表,得到驾驶员的请求扭矩值。

扭矩解析模块通过电池放电允许功率计算出电池放电允许扭矩值,即将电池放电允许功率除以电机当前的转速;同时根据电机功率曲线查询当前转速下电机允许的最大扭矩,将两者中较小值作为传动系统的最大允许扭矩值。

扭矩解释时,将得到的驾驶员扭矩请求值与传动系最大允许扭矩相乘得到绝对扭矩请求值,之后判断整车的各种限制条件,如电池故障、电机故障、电池温度等,再进行扭矩仲裁。整车控制器根据挡位请求、扭矩模式等,在各模式下对各扭矩请求进行仲裁,同时对仲裁后的扭矩进行基本限制,最终得到经过仲裁和限制的扭矩请求为最终输出扭矩值。

4低温环境扭矩控制优化

在常温环境下,整车全功率输出和扭矩峰值输出对于整车行驶的影响可以忽略。在低温环境下,气温低于-10℃时,电机峰值扭矩对于整车及动力电池影响较大,此时可以优化扭矩控制策略,增加电池温度来修正限制扭矩大小,减小大扭矩对电池的冲击,使整车在低温环境可以正常行驶。

电机扭矩和功率曲线如图4所示,当加速踏板全部踩下时,一般电机扭矩为峰值扭矩输出,扭矩解析模块通过查表得到峰值扭矩。扭矩解析模块在扭矩仲裁过程中,参考电池实时温度对扭矩值进行限制,给出扭矩限制系数α通过试验不断细化,优化扭矩最终输出值。根据扭矩值与电池温度对应关系,温度降低,扭矩限制系数越大,则扭矩指令值越小。如图5所示,以电机最大扭矩值(Max)为基准,电池温度为-40~0℃,对应α分别为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5,α会根据电池类型不同、模组形式不同进行调整,现实中会在不同环境温度下进行大量转鼓试验,不断标定优化得到最优值。扭矩被限制后,整车动力性会受到一定影响,但可以保证整车正常行驶。

5结论

进行高寒试验时,将扭矩限制系数α加入扭矩解析模块,试验结果为:

(1)-20℃时,限制扭矩为峰值扭矩的60%,车辆可以正常行驶,不再出现下电故障,但动力性有所减弱;

(2)-15℃时,限制扭矩为峰值扭矩的70%,车辆可以正常行驶,不再出现下电故障,此时动力性几乎不受影响;

(3)自然条件下,因为无法准确模拟其他温度点,所以不能给出准确结果,但从以上结果可以确定改变扭矩控制策略可行。

在低温环境下,纯电动汽车受电池化学性能影响,动力性、续航里程等都会受到较大影响,暂时没有好的解决方法,但可以从整车控制策略方面进行优化。扭矩控制是电机功率输出的核心控制模块,对其进行安全冗余设计,能够很好地保证车辆安全,减少对电池及电机的冲击。

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