前言

汽車產(chǎn)業(yè)是世界上規(guī)模最大、最有價(jià)值的產(chǎn)業(yè)之一。由于其對(duì)國家GDP的增長具有巨大的貢獻(xiàn)，因此汽車產(chǎn)業(yè)的整體水平也體現(xiàn)了這個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)展?jié)摿Α＜冸妱?dòng)汽車的普及已經(jīng)是大勢(shì)所趨，其研發(fā)將是我國各大汽車廠商的重中之重。發(fā)展純電動(dòng)汽車需要在3個(gè)方面做出重大突破：電機(jī)及其控制系統(tǒng)、電池及其管理系統(tǒng)、整車控制器。整車控制策略是協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)相互工作的關(guān)鍵，其優(yōu)劣在一定程度上決定了整車的性能。一套完善高效的整車控制策略對(duì)整車動(dòng)力性、乘坐舒適性、使用方便性、經(jīng)濟(jì)性和通過性等主要性能有非常大的幫助，能夠使得車輛在各種復(fù)雜工況下行駛，讓純電動(dòng)汽車更加滿足消費(fèi)者的訴求。其中扭矩管理是電動(dòng)汽車行駛基礎(chǔ)之一，以下對(duì)扭矩管理中計(jì)算方法展開介紹。

Part.2

純電動(dòng)汽車扭矩管理介紹

整車在正常行駛時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，油門踏板開度，其他部件的扭矩限制等因素求得整車的當(dāng)前扭矩。在整車進(jìn)入Ready狀態(tài)，當(dāng)擋位為D擋或R擋，剎車踏板開度為0時(shí)，VCU會(huì)發(fā)送一個(gè)扭矩的請(qǐng)求。

1. VCU扭矩的請(qǐng)求值為電機(jī)外特性map中當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大扭矩值*油門踏板開度;

2. BMS最大允許放電電流*電壓*當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電機(jī)效率值;

3. MCU當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大扭矩值，三值取最小作為VCU的請(qǐng)求扭矩給MCU。

Part.3

扭矩管理功能劃分

扭矩控制是整車控制器的主要功能之一，由于純電動(dòng)汽車以車載動(dòng)力電池作為整車行駛的能源，為了最大限度提高純電動(dòng)汽車車載有限能源的利用效率，同時(shí)保證駕駛員對(duì)動(dòng)力性的需要，扭矩管理主要有兩部分內(nèi)容，一部分為扭矩解析，另一部分為扭矩限值。

1. 扭矩解析主要包括：

（1）前進(jìn)擋駕駛員油門踏板解析：根據(jù)電子油門幅值與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速通過查表計(jì)算獲得前進(jìn)擋位時(shí)的駕駛員扭矩需求百分比解析。

（2）倒擋駕駛員油門踏板解析：根據(jù)電子油門幅值與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速通過查表計(jì)算獲得倒擋時(shí)的駕駛員扭矩需求百分比解析。

（3）前進(jìn)擋需求扭矩計(jì)算：當(dāng)電子油門踏板信號(hào)有效且電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)有效時(shí)，前進(jìn)擋位的扭矩需求解析為：前進(jìn)擋駕駛員油門踏板解析值*（TMax – TMin）+TMin。否則，前進(jìn)擋需求扭矩設(shè)置為0 N·m。

（4）倒擋需求扭矩計(jì)算：當(dāng)電子油門踏板信號(hào)有效且電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)有效時(shí)，在滿足倒擋限車速需求的前提下，倒擋的扭矩需求解析為：倒擋駕駛員油門踏板解析值*（TMax – TMin）+TMin。否則，倒擋需求扭矩設(shè)置為0 N·m。

（5）前進(jìn)擋位整車最大驅(qū)動(dòng)扭矩TMax計(jì)算：在無需對(duì)TMax衰減時(shí)，整車TqMax使用電機(jī)峰值扭矩（使用峰值功率計(jì)算后的扭矩也視為峰值扭矩）；當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩達(dá)到峰值扭矩后20s，進(jìn)入TMax衰減狀態(tài)，將電機(jī)峰值扭矩根據(jù)進(jìn)入衰減狀態(tài)的時(shí)間逐漸衰減并作為整車TMax；進(jìn)入衰減狀態(tài)超過20s則應(yīng)該衰減為峰值扭矩的75%；當(dāng)電機(jī)實(shí)際扭矩小于峰值扭矩的75%之后將逐步恢復(fù)TMax至峰值扭矩；如果電機(jī)實(shí)際扭矩低于峰值扭矩的75%超過20s時(shí)，則TMax需要完全恢復(fù)至峰值扭矩。

（6）扭矩需求仲裁：當(dāng)位于前進(jìn)擋時(shí)，若有故障跛行請(qǐng)求，則使用跛行扭矩；無故障跛行請(qǐng)求：若在低速巡航狀態(tài)，使用巡航扭矩計(jì)算值，否則使用前進(jìn)擋扭矩需求計(jì)算值；當(dāng)位于空擋時(shí)，扭矩需求置0；位于倒擋時(shí)，使用倒擋扭矩需求計(jì)算值。
2. 扭矩限值主要包括：

（1）電機(jī)報(bào)送最大驅(qū)動(dòng)扭矩限值需求

整車控制器發(fā)送的電機(jī)扭矩指令應(yīng)受到電機(jī)報(bào)送的最大允許驅(qū)動(dòng)功率的限制，即按照下述公式計(jì)算：

式中，Tmax是最大驅(qū)動(dòng)扭矩；Pmax是電機(jī)最大允許功率；n是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

（2）電池最高允許放電電流對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩限值需求整車控制器發(fā)出的電機(jī)扭矩指令不得高于儲(chǔ)能系統(tǒng)最高允許放電功率（電池最大允許放電功率與整車高壓附件用電功率之差），按照下述公式對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩限值：

式中，η是電機(jī)效率；Pbat是電池最大允許放電功率；Paux是整車高壓附件用電功率。

（3）電池包SOC對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的限值。整車控制器發(fā)送的電機(jī)扭矩指令應(yīng)保護(hù)電池系統(tǒng)SOC不能過低。當(dāng)電池包SOC高于15%時(shí)使用電機(jī)峰值扭矩；當(dāng)電池包SOC低于10%時(shí)使用跛行扭矩；當(dāng)電池SOC位于上述兩個(gè)限值之間時(shí)，扭矩限值應(yīng)單調(diào)變化。電池包SOC對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的限值模型如圖3.8所示。

（4）整車超速保護(hù)對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的限值。整車控制器發(fā)送的電機(jī)扭矩指令應(yīng)保護(hù)整車不能超速，此時(shí)扭矩限值為：a.當(dāng)車輛位于D擋位時(shí)：電機(jī)轉(zhuǎn)速低于D擋轉(zhuǎn)速限值時(shí)使用電機(jī)峰值扭矩；電機(jī)轉(zhuǎn)速高于D擋轉(zhuǎn)速限值時(shí)使用零值；若電機(jī)轉(zhuǎn)速位于上述兩個(gè)限值之間時(shí)，扭矩限值單調(diào)變化。b.當(dāng)車輛為與R擋位時(shí)：電機(jī)轉(zhuǎn)速低于R擋轉(zhuǎn)速限值時(shí)使用電機(jī)峰值扭矩；電機(jī)轉(zhuǎn)速高于R擋轉(zhuǎn)速限值時(shí)使用零值；電機(jī)轉(zhuǎn)速位于上述兩個(gè)限值之間時(shí)，扭矩限值應(yīng)單調(diào)變化。

Part.4

不同運(yùn)行模式下的扭矩計(jì)算

根據(jù)整車工況的轉(zhuǎn)換和不同的駕駛需求，純電動(dòng)汽車可以分為以下幾種不同的運(yùn)行工況，分別為啟動(dòng)模式、起步模式、巡航模式（運(yùn)行）模式、制動(dòng)能量回收模式和跛行模式。其中啟動(dòng)模式即為當(dāng)要是插入，完成整車控制器、電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)的低壓上電檢測(cè)，若低壓無故障，則進(jìn)行高壓上電流程，并發(fā)送Ready信號(hào)，此時(shí)駐剎或剎車踩死，車輛仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，故此時(shí)的扭矩計(jì)算結(jié)果輸出為0。

1. 起步-蠕行狀態(tài)下的扭矩計(jì)算

純電動(dòng)汽車蠕行功能是指在整車處于Ready 狀態(tài)后駕駛員完全松開制動(dòng)踏板并未踩加速踏板時(shí)汽車由靜止?fàn)顟B(tài)平穩(wěn)加速到一定車速的過程。蠕行功能存在主要有兩方面原因：a.蠕行功能能提高整車的駕駛安全性。汽車在坡道起步時(shí)，蠕行功能可以有效防止汽車在坡道上溜車現(xiàn)象；倒車時(shí)，汽車有一較小的蠕行車速，駕駛員就可以只需把腳放在制動(dòng)踏板上，從而能有效的防止意外發(fā)生。b.當(dāng)駕駛員從傳統(tǒng)的自動(dòng)擋燃油車過渡到純電動(dòng)汽車時(shí)，蠕行功能可以更加符合駕駛員的駕駛習(xí)慣，防止因駕駛習(xí)慣而導(dǎo)致意外發(fā)生。

起步時(shí)按坡道不同可以分為上坡起步、平路起步及下坡起步。為保證汽車的乘坐舒適性及人員的安全性，上坡起步時(shí)，蠕行功能控制電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)能保證汽車不出現(xiàn)嚴(yán)重的溜車現(xiàn)象；下坡起步時(shí)，為避免“竄車”現(xiàn)象的發(fā)生，可利用坡道上汽車的重力作用使汽車向前行駛，只需控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出較小的扭矩或者不發(fā)出扭矩；平路起步時(shí)，蠕行功能控制電機(jī)的輸出扭矩需平緩，保證輸出扭矩的變化值對(duì)乘坐人員不會(huì)造成明顯的沖擊感。

設(shè)定倒擋時(shí)的蠕行目標(biāo)車速為3km/h，前進(jìn)擋的蠕行目標(biāo)車速為5km/h，且當(dāng)汽車蠕行車速達(dá)到蠕行目標(biāo)車速VCreep_ tar后不再繼續(xù)增加。

為當(dāng)下蠕行車速，為目標(biāo)蠕行車速，為需要增加或減少的車速，為上個(gè)計(jì)算周期車速。

蠕行的扭矩由兩部分組成，分別為初始扭矩和反饋控制扭矩。初始扭矩是根據(jù)當(dāng)前車速與當(dāng)前蠕行車速的差值查表來得到。該表體現(xiàn)了初始扭矩與當(dāng)前車速與當(dāng)前蠕行車速的差值對(duì)應(yīng)的一種關(guān)系；反饋控制扭矩是根據(jù)當(dāng)前車速與蠕行目標(biāo)車速的差來計(jì)算汽車蠕行時(shí)實(shí)時(shí)反饋控制扭矩。

2. 加速-基于加速踏板變化時(shí)的扭矩計(jì)算

在加速踏板驅(qū)動(dòng)扭矩控制模塊中，不同擋位狀態(tài)和駕駛模式下，根據(jù)加速踏板開度和當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算得到當(dāng)前整車的需求扭矩，不同擋位或駕駛模式下的輸出扭矩是不同的。P擋和N擋下的輸出扭矩為0；R擋下的輸出扭矩根據(jù)加速踏板開度和車速查表計(jì)算;擋位在D擋時(shí)，制定不同的驅(qū)動(dòng)模式以滿足駕駛員駕多樣的駕駛風(fēng)格要求。

駕駛模式選擇是駕駛員主動(dòng)通過控制模式開關(guān)按鈕選擇不同的駕駛模式來實(shí)現(xiàn)，駕駛模式可以分為:一般模式（normal）、運(yùn)動(dòng)模式（sport）和經(jīng)濟(jì)模式（eco）。一般模式綜合考慮車輛動(dòng)力性跟經(jīng)濟(jì)性通過限制電機(jī)的最大功率、扭矩變化率、空調(diào)輸出功率、最高車速等，結(jié)合對(duì)加速踏板扭矩需求的不同解析方案，平衡車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)動(dòng)模式主要考慮車輛動(dòng)力性，通過限制空調(diào)等電器負(fù)載的功率，結(jié)合對(duì)加速踏板扭矩需求的不同解析方案，充分保障車輛動(dòng)力性輸出。經(jīng)濟(jì)模式主要考慮車輛的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)電機(jī)功率、空調(diào)輸出功率、最高車速等進(jìn)一步進(jìn)行限制，結(jié)合對(duì)加速踏板扭矩需求的不同解析方案，同時(shí)增大能量回收強(qiáng)度，獲得更好的經(jīng)濟(jì)性，延長車輛續(xù)駛里程。不同的駕駛模式下，扭矩控制采用不同的加速踏板特性。

加速踏板特性體現(xiàn)了輸出扭矩與加速踏板開度、當(dāng)前車速之間對(duì)應(yīng)關(guān)系。加速踏板扭矩輸出主要分為三個(gè)部分：基礎(chǔ)扭矩計(jì)算、扭矩系數(shù)計(jì)算以及補(bǔ)償扭矩計(jì)算。加速踏板扭矩輸出的控制原理圖如下圖所示。

加速踏板特性主要是依據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性曲線來制定，根據(jù)當(dāng)前車輛的車速和加速踏板開度計(jì)算得到基礎(chǔ)扭矩，再乘以當(dāng)前駕駛模式下的扭矩系數(shù)計(jì)算的到初始加速踏板扭矩。在一定的車速下，基礎(chǔ)扭矩的表達(dá)式為：

其中，為基礎(chǔ)扭矩；為當(dāng)前車速下電機(jī)對(duì)應(yīng)的最大扭矩；為加速踏板開度。

其中，為初始踏板扭矩；為扭矩系數(shù)；為踏板扭矩；為補(bǔ)償扭矩；為需求扭矩；為電機(jī)最大輸出扭矩。其中扭矩系數(shù)可以根據(jù)加速踏板開度和駕駛模式的查表獲得。補(bǔ)償扭矩是根據(jù)實(shí)際車速在加速踏板扭矩的基礎(chǔ)上再補(bǔ)償一部分扭矩，適度提高動(dòng)力輸出，以實(shí)現(xiàn)駕駛員在急加速的情況下的駕駛意圖。

3. 減速-制動(dòng)能量回收時(shí)的扭矩計(jì)算

當(dāng)加速踏板開度小于0時(shí)，認(rèn)為此時(shí)不需要扭矩輸出并將扭矩輸出斷開，此時(shí)扭矩輸出為0；當(dāng)下處于D擋并踩下制動(dòng)踏板時(shí)，為提高整車的經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收。此時(shí)扭矩計(jì)算值大多使用查表的方法，查表的輸入為制動(dòng)踏板的開度與電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出值為電機(jī)的扭矩值，不過此時(shí)由于電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，因此扭矩輸出需乘-1。

4. 跛行模式-出現(xiàn)故障時(shí)的扭矩計(jì)算

跛行模式下，整車控制器會(huì)控制驅(qū)動(dòng)扭矩采用固定值替代運(yùn)行的處理方式對(duì)車速及輸出扭矩進(jìn)行限制。在整車進(jìn)入跛行模式后，整車車速限制為20km/h，且跛行模式下電機(jī)的最大輸出扭矩為60Nm。在加速踏板系統(tǒng)中（油門踏板信號(hào)是兩路位置傳感器的電壓采樣 AD 值，將兩路 AD 值分別進(jìn)行濾波后，各自采取線性算法計(jì)算開度（%）后，取平均值）,如果兩路加速踏板傳感器都出現(xiàn)了不可自動(dòng)恢復(fù)的故障，此時(shí)整車控制器決策后會(huì)以10%的加速踏板開度值來輸出驅(qū)動(dòng)扭矩，以保證汽車能以較低的車速繼續(xù)驅(qū)駛，“跛行回家”。