純電動汽車在低溫環(huán)境下的扭矩控制

劉 軍，劉立業(yè)，劉珍珍，趙二明Liu Jun，Liu Liye，Liu Zhenzhen，Zhao Erming

純電動汽車在低溫環(huán)境下的扭矩控制

劉 軍，劉立業(yè)，劉珍珍，趙二明
Liu Jun，Liu Liye，Liu Zhenzhen，Zhao Erming

（江西昌河汽車有限公司北京分公司 新能源開發(fā)部，北京 101300）

純電動汽車通過動力電池中的化學能驅(qū)動電機工作，動力電池是純電動汽車的能量源頭，現(xiàn)有動力電池一般為鋰離子電池，其化學活性與溫度關(guān)聯(lián)度較大，溫度越低電池輸出功率越小。在溫度極低的情況下，當駕駛員大油門起步或急加速時，扭矩需求較大，電池輸出功率增大，如果電池活性不足，會導致電池欠壓故障。整車控制器根據(jù)溫度從控制策略角度進行預判，限制扭矩，保證整車正常工作，保護電池安全。

純電動汽車；扭矩控制；極低溫度

0 引 言

純電動汽車動力來源一般是鋰離子動力電池，如磷酸鐵鋰電池、三元鋰離子電池、鈦酸鋰電池等。動力電池由幾百個小的電池單體組合而成，電池內(nèi)部通過化學反應(yīng)產(chǎn)生能量。電池化學活性與其環(huán)境溫度有很大關(guān)系，溫度越低鋰離子活性越低，電池輸出功率越低。鋰離子電池的低溫放電試驗表明，電池的放電性能隨著溫度降低不斷惡化，電池的容量大幅度下降，放電電壓平臺降低，溫度過低時無法實現(xiàn)放電[1-2]。低溫對磷酸鐵鋰電池性能影響顯著，其放電容量在0℃時為額定容量的80%，在-10℃時為額定容量的66%，在-20℃時僅為額定容量的44%，此時容量衰減近一半[3-4]。

電機是純電動汽車的動力輸出單元，其由電機控制器和電機組成，電機控制器控制電機扭矩輸出，電機驅(qū)動整車行駛。整車控制器負責整車工況運算，故電機控制器的扭矩大小來自整車控制器。整車控制器首先通過加速踏板、制動踏板、擋位等判斷駕駛意圖，分析計算整車所需的扭矩輸出，然后比較電機功率曲線與電池實時輸出功率，最后輸出實時扭矩指令給電機控制器。

在起步或加速工況，駕駛員踩下加速踏板越深，需求扭矩越大，所需的電池功率越大；加速踏板踩到底時，扭矩需求最大，此時電池需滿足最大功率輸出。電機與電池在設(shè)計匹配時一般能夠滿足功率要求，但在溫度降低時電池出現(xiàn)功率不滿足的情況，此時整車控制器從策略上進行保護控制，即將環(huán)境溫度、電池溫度、電機溫度參數(shù)作為扭矩控制條件，起到保護電池安全、保證整車正常運行的作用。

1 低溫環(huán)境扭矩對電池的影響

某款純電動車在高寒試驗過程中加速踏板、電機扭矩、電機轉(zhuǎn)速及電池電壓的關(guān)系曲線如圖1所示。此時，環(huán)境溫度為-25 ℃，電池溫度為-15 ℃，SOC約為80%，動力電池為磷酸鐵鋰，額定電壓為365 V，電機額定扭矩為90 Nm，峰值扭矩為210 Nm。

由圖1可知，車輛起步，加速踏板完全踩下，此時，整車控制器解析扭矩需求為電機扭矩最大值210 Nm，電機執(zhí)行扭矩指令，全功率輸出，電機轉(zhuǎn)速快速上升，動力電池電壓從360 V快速降到289 V，整車報欠壓故障，車輛高壓自動斷開。

分析以上問題，當溫度低于-10℃時，動力電池容量衰減，當電機功率需求為峰值功率時，電池功率輸出不能滿足需求，電池電壓急劇降低到保護閾值，導致欠壓故障。

圖1 -15℃時純電動車各性能指標隨時間的變化

2 扭矩控制部件基本架構(gòu)

純電動汽車動力系統(tǒng)部分基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包括三電部分VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器）、電機及MCU（Motor Control Unit，電機控制器）、電池及BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)），還包括扭矩控制相關(guān)附件加速踏板、制動踏板及擋位開關(guān)。

VCU通過硬線采集加速踏板、制動踏板及擋位開關(guān)的信號，分析駕駛員的駕駛意圖。VCU與BMS及MCU通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線進行通信，實時采集電池、電機的相關(guān)信息，包括電池實時功率、電池溫度、電池總電壓、電池單體電壓、電池故障和電機扭矩、電機轉(zhuǎn)速、實時功率，以及母線電壓、母線電流、電機故障等。電池與電機通過高壓線束連接，能量通過高壓線束傳輸，電機直接驅(qū)動整車后軸使整車按照命令行駛。

圖2 動力系統(tǒng)電氣架構(gòu)圖

3 扭矩解析策略

整車控制器應(yīng)用層使用軟件Simulink建模，其中扭矩解析模塊負責扭矩控制相關(guān)策略實現(xiàn)。如圖3所示，扭矩解析模塊采集加速踏板、制動踏板及擋位開關(guān)信號，據(jù)此判斷整車行駛狀態(tài)及駕駛模式，推算駕駛員的駕駛意圖，進行扭矩初步解析，結(jié)合查詢電機功率曲線表，得到駕駛員的請求扭矩值。

扭矩解析模塊通過電池放電允許功率計算出電池放電允許扭矩值，即將電池放電允許功率除以電機當前的轉(zhuǎn)速；同時根據(jù)電機功率曲線查詢當前轉(zhuǎn)速下電機允許的最大扭矩，將兩者中較小值作為傳動系統(tǒng)的最大允許扭矩值。

扭矩解釋時，將得到的駕駛員扭矩請求值與傳動系最大允許扭矩相乘得到絕對扭矩請求值，之后判斷整車的各種限制條件，如電池故障、電機故障、電池溫度等，再進行扭矩仲裁。整車控制器根據(jù)擋位請求、扭矩模式等，在各模式下對各扭矩請求進行仲裁，同時對仲裁后的扭矩進行基本限制，最終得到經(jīng)過仲裁和限制的扭矩請求為最終輸出扭矩值。

圖3 扭矩解析流程圖

4 低溫環(huán)境扭矩控制優(yōu)化

在常溫環(huán)境下，整車全功率輸出和扭矩峰值輸出對于整車行駛的影響可以忽略。在低溫環(huán)境下，氣溫低于-10℃時，電機峰值扭矩對于整車及動力電池影響較大，此時可以優(yōu)化扭矩控制策略，增加電池溫度來修正限制扭矩大小，減小大扭矩對電池的沖擊，使整車在低溫環(huán)境可以正常行駛。

電機扭矩和功率曲線如圖4所示，當加速踏板全部踩下時，一般電機扭矩為峰值扭矩輸出，扭矩解析模塊通過查表得到峰值扭矩。扭矩解析模塊在扭矩仲裁過程中，參考電池實時溫度對扭矩值進行限制，給出扭矩限制系數(shù)通過試驗不斷細化，優(yōu)化扭矩最終輸出值。根據(jù)扭矩值與電池溫度對應(yīng)關(guān)系，溫度降低，扭矩限制系數(shù)越大，則扭矩指令值越小。如圖5所示，以電機最大扭矩值（Max）為基準，電池溫度為-40～0 ℃，對應(yīng)分別為0.9、0.8、0.7、0.6、0.5，會根據(jù)電池類型不同、模組形式不同進行調(diào)整，

圖4 電機扭矩和功率曲線圖

圖5 扭矩限值與溫度對應(yīng)圖[楊娜5]

現(xiàn)實中會在不同環(huán)境溫度下進行大量轉(zhuǎn)鼓試驗，不斷標定優(yōu)化得到最優(yōu)值。扭矩被限制后，整車動力性會受到一定影響，但可以保證整車正常行駛。

5 結(jié) 論

進行高寒試驗時，將扭矩限制系數(shù)加入扭矩解析模塊，試驗結(jié)果為：

（1）-20℃時，限制扭矩為峰值扭矩的60%，車輛可以正常行駛，不再出現(xiàn)下電故障，但動力性有所減弱；

（2）-15℃時，限制扭矩為峰值扭矩的70%，車輛可以正常行駛，不再出現(xiàn)下電故障，此時動力性幾乎不受影響；

（3）自然條件下，因為無法準確模擬其他溫度點，所以不能給出準確結(jié)果，但從以上結(jié)果可以確定改變扭矩控制策略可行。

在低溫環(huán)境下，純電動汽車受電池化學性能影響，動力性、續(xù)航里程等都會受到較大影響，暫時沒有好的解決方法，但可以從整車控制策略方面進行優(yōu)化。扭矩控制是電機功率輸出的核心控制模塊，對其進行安全冗余設(shè)計，能夠很好地保證車輛安全，減少對電池及電機的沖擊。

[1]梁欣. 電動汽車鋰離子電池低溫性能研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2020（8）：118-121.

[2]徐愛琴，秦李偉，趙久志，等. 動力電池低溫使用適應(yīng)性分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（1）：83-86.

[3]孫慶，楊秀金，代云飛，等.溫度對磷酸鐵鋰電池性能的影響[J]. 中國自行車，2012（7）：42-49.

[4]楊佼源，宋偉，葉進，等. 低溫對純電動汽車動力電池系統(tǒng)性能的影響分析[J]. 上海汽車，2020（2）：7-9.

U469.72

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.004

1002-4581（2021）02-0013-03

2020-12-10