底盤系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響研究

李 軍

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

汽車在行駛的過程中，當(dāng)緊急轉(zhuǎn)向或者緊急制動(dòng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)如下情況：用電器突然中斷，舒適系統(tǒng)受到影響，如前照燈閃爍、儀表閃爍、導(dǎo)航系統(tǒng)抖動(dòng)等；或者在急轉(zhuǎn)向及制動(dòng)極端情況下時(shí)，安全系統(tǒng)受到影響，如ABS失效、無法正常轉(zhuǎn)向、發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，駕駛員無法控制車輛，導(dǎo)致事故發(fā)生。

分析以上現(xiàn)象，是由于整車電網(wǎng)不穩(wěn)定性引起的。在緊急轉(zhuǎn)向或者緊急制動(dòng)時(shí)，底盤系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者制動(dòng)系統(tǒng)需要消耗較大的脈沖電流，導(dǎo)致了整個(gè)電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定性，使電壓上升或者下降到用電器的正常工作電壓范圍，從而引起了舒適系統(tǒng)用電器的不穩(wěn)定工作。在極端情況下，整車系統(tǒng)僅由發(fā)電機(jī)或者蓄電池供電時(shí)，可能導(dǎo)致電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC不能工作，當(dāng)電壓低于極限值，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)直接熄火。電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響因素包括整車能量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)。整車能量系統(tǒng)包括蓄電池和發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS，制動(dòng)系統(tǒng)包括電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC。

因此，分析底盤系統(tǒng)對(duì)整車電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，對(duì)提高整車的舒適性及特殊工況下的安全性具有重要作用。

2 電網(wǎng)穩(wěn)定性影響因子

整車電網(wǎng)穩(wěn)定性是檢查當(dāng)瞬態(tài)大電流產(chǎn)生的情況下，整車電網(wǎng)是否能夠滿足要求。其主要影響因子包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC和電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS。發(fā)電機(jī)和蓄電池提供整車電網(wǎng)的電源，電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC和電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS是產(chǎn)生瞬態(tài)大電流的主要部件。

發(fā)電機(jī)是汽車電器系統(tǒng)的主要電源，由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，它在正常工作時(shí)，對(duì)除起動(dòng)機(jī)以外的所有用電設(shè)備供電，并向蓄電池充電以補(bǔ)充蓄電池在使用中所消耗的電能。

蓄電池作為車用直流電源，是汽車必不可少的一部分，其功能為：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，給起動(dòng)機(jī)提供強(qiáng)大的啟動(dòng)電流；當(dāng)汽車發(fā)電機(jī)不供電時(shí) （發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速過低），為車內(nèi)用電器如音響系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等提供電源；發(fā)電機(jī)輸出電量不足時(shí)，可以輔助向用電設(shè)備供電；當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓高于蓄電池的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，將一部分電能儲(chǔ)存起來。蓄電池還是一個(gè)大容量電容器，可以吸收汽車電路中出現(xiàn)的瞬時(shí)過電壓，保護(hù)汽車的電子元件和各類電器。

電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC的基本工作原理如下：通過比較駕駛員意圖，即駕駛員通過給定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角而設(shè)定的行駛軌跡和車輛實(shí)際行駛軌跡之間的差異，計(jì)算出設(shè)定和實(shí)際狀態(tài)的偏差，然后通過制動(dòng)干預(yù)選擇性制動(dòng)，對(duì)某個(gè)車輪制動(dòng)器單獨(dú)建壓或減壓，使車輛實(shí)際行駛軌跡得到修正并與駕駛員意圖盡可能保持一致。駕駛員意圖由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速及制動(dòng)壓力等參數(shù)計(jì)算得到，實(shí)際行駛軌跡由ESC傳感器 （包括橫擺角速度、側(cè)向加速度，通常還有縱向加速度傳感器）和輪速傳感器等提供的測(cè)量參數(shù)計(jì)算得到。

ESC的控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，執(zhí)行裝置是泵電機(jī)控制的4個(gè)車輪制動(dòng)單元，如圖2所示。

圖1 ESC控制器單元

圖2 制動(dòng)單元

在車上的傳感器感知到車身有明顯的側(cè)滑、跑偏等動(dòng)作，或者一個(gè)，或者幾個(gè)車輪明顯與其它車輪轉(zhuǎn)速不一樣，甚至打滑空轉(zhuǎn)時(shí)，如橫向加速度過大、路面附著系數(shù)低、制動(dòng)時(shí)加油門、轉(zhuǎn)向角度大等，ESC啟動(dòng)，分別控制每個(gè)車輪的制動(dòng)力度，通過在極短的時(shí)間內(nèi)，不停地調(diào)節(jié)每個(gè)車輪的制動(dòng)力度，從而達(dá)到盡量穩(wěn)定車身狀態(tài)的目的，使車輛盡量平穩(wěn)行駛，不至于不受控而發(fā)生危險(xiǎn)。

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕車員進(jìn)行動(dòng)力轉(zhuǎn)向，不同的車雖然結(jié)構(gòu)部件不一樣，但大體是相同的，一般是由轉(zhuǎn)向傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)、減速器、機(jī)械轉(zhuǎn)向器組成。

EPS是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力，能減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力轉(zhuǎn)向系的擾動(dòng)，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，提高汽車的主動(dòng)安全性。

3 底盤系統(tǒng)的電流特性

整車電網(wǎng)受到干擾時(shí)，會(huì)對(duì)安全性及舒適性產(chǎn)生影響，在發(fā)電機(jī)、蓄電池電源系統(tǒng)能提供給整車安全電源時(shí)，需要分析瞬態(tài)大電流用電器工作時(shí)，是否能保證整車電網(wǎng)滿足正常工作范圍。

ESC工作瞬態(tài)電流會(huì)頻繁振蕩，如圖3所示，當(dāng)緊急轉(zhuǎn)向時(shí)，橫向加速度增加，ESC工作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)泵電機(jī)及電子液壓控制單元會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)大電流，并且ESC的電流也會(huì)頻繁振蕩。

圖3 ESC-轉(zhuǎn)向盤急轉(zhuǎn)曲線

當(dāng)急加減速轉(zhuǎn)角狀態(tài)，EPS轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)大電流，如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)角速度越大，EPS的電流會(huì)越大；當(dāng)轉(zhuǎn)角速度平緩，EPS的電流會(huì)較低。由此可見，EPS的電流變化與轉(zhuǎn)向角的大小無關(guān)，而與轉(zhuǎn)角速度相關(guān)。

圖4 EPS-轉(zhuǎn)向盤急轉(zhuǎn)曲線

瞬態(tài)大電流產(chǎn)生時(shí)，會(huì)對(duì)整車電網(wǎng)的電壓帶來干擾，當(dāng)整車電網(wǎng)電壓低于各電器零件設(shè)定的最小工作電壓時(shí)，用電器將不能正常工作，包括ESC和EPS及舒適系統(tǒng)，如導(dǎo)航、儀表、空調(diào)、前照燈等，會(huì)影響整車舒適性和安全性，所以需要進(jìn)行蓄電池、發(fā)電機(jī)、ESC和EPS的整車電網(wǎng)穩(wěn)定性分析。

4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括：蓄電池電流及電壓，發(fā)電機(jī)電流及電壓，電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角速度及轉(zhuǎn)向助力及電流，電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESC的電流，驅(qū)動(dòng)CAN數(shù)據(jù)等。電網(wǎng)穩(wěn)定性測(cè)試框圖如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)穩(wěn)定性測(cè)試框圖

試驗(yàn)中，測(cè)試設(shè)備使用imc公司提供的測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備能同時(shí)進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)、LIN網(wǎng)絡(luò)，電壓模擬通道的測(cè)量。將ESC和EPS的電流信號(hào)通過電流傳感器連接到imc設(shè)備，再將蓄電池和發(fā)電機(jī)的電流和電壓信號(hào)連接到imc設(shè)備，imc設(shè)備與測(cè)試電腦連接，通過測(cè)試電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過分析用戶使用的極限路況，制定了相應(yīng)的試驗(yàn)路線及工況，即高速情況下的緊急避讓，需急踩制動(dòng)及急轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤的操作。

試驗(yàn)時(shí)，需要將整車電器打開至最大功率狀態(tài)，進(jìn)行如下設(shè)置：空調(diào)除霜或者最大制冷，座椅加熱，后風(fēng)窗加熱，打開前照燈、車內(nèi)閱讀燈、前后霧燈等。

下面分別列舉兩組不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一組為滿足測(cè)試要求的正常結(jié)果測(cè)試數(shù)據(jù)，另一組為非正常結(jié)果的測(cè)試數(shù)據(jù)。

5.1 正常結(jié)果的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照高速緊急避讓路線，通過imc設(shè)備記錄，得出一組正常數(shù)據(jù)的測(cè)試曲線，如圖6所示。圖6中，分別對(duì)以下信號(hào)進(jìn)行分析：ESP_v_Signal——車速，Drehzahl——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，UBat——蓄電池電壓，IESC——ESC電流，IEPS——EPS電流。

圖6 正常結(jié)果的測(cè)試曲線

圖6 中，當(dāng)EPS和ESC極限工作時(shí)，ESC的最大電流為89.31A，EPS的最大電流為60.72A，整車電壓的范圍為：11.5～12.29V，整車電流和電壓的變化值滿足整車電網(wǎng)穩(wěn)定試驗(yàn)要求。EPS的電流信號(hào)顯示能夠提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向助力，ESC的電流為頻繁振蕩，處于正常工作狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果正常。

5.2 非正常結(jié)果的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)與電網(wǎng)穩(wěn)定性相關(guān)零件選型或者匹配參數(shù)出現(xiàn)問題時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非正常的測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。

圖7中，在橫坐標(biāo)79s處，EPS和ESC工作的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)逐漸降為0r／min，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了熄火，無轉(zhuǎn)向助力。對(duì)于用戶來說，這種情形非常危險(xiǎn)，即在緊急避讓后，車輛失控了，無法轉(zhuǎn)向及繼續(xù)行駛，容易造成追尾等事故，因此，測(cè)試結(jié)果不合格。經(jīng)過驅(qū)動(dòng)CAN數(shù)據(jù)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器優(yōu)化了相關(guān)匹配參數(shù)，該問題得到了解決。

圖7 非正常結(jié)果的測(cè)試曲線

6 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)車輛在高速行駛，在緊急避讓或者大力制動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)車輛失控或者發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的情況，從而引入了電網(wǎng)穩(wěn)定性研究的概念。該研究對(duì)傳統(tǒng)燃油車、混合動(dòng)力車及純電動(dòng)車均有實(shí)際意義，混合動(dòng)力車及純電動(dòng)車主要考慮低壓側(cè)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響。

模擬用戶高速緊急避讓極限工況，使ESC和EPS系統(tǒng)工作時(shí)觸發(fā)瞬態(tài)大電流，分析了該過程對(duì)整車電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響。該分析對(duì)整車能源系統(tǒng)蓄電池和發(fā)電機(jī)選型提供了依據(jù)，對(duì)優(yōu)化整車系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)給出了指導(dǎo)，確保了整車的用電器能工作在正常范圍內(nèi)，滿足了整車的安全性與舒適性要求。