基于工作环境的电动汽车输出扭矩控制方案.pdf

年第 期基于工作环境的电动汽车输出扭矩控制方案王显贵,王铁(沈阳理工大学 汽车与交通学院,辽宁 沈阳 )摘要:本文主要针对汽车在不同的天气和路况中,汽车风阻系数、轮胎滚动阻尼系数不同问题,提出了一种基于汽车工作环境改变的电动汽车输出扭矩控制方案.该方案主要根据汽车的工作环境,将其定义为几种常见的工作模式.各模式主要对在不同环境中对应的阻尼系数进行研究,并将对应的模式下的阻尼系数反馈给电动汽车动力传递系统.并以冰雪环境为例,与无扭矩控制电动汽车进行比较,证明该方案具有一定的进步意义.关键词:工作环境;阻尼系数;工作模式;电动汽车;扭矩控制中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()E l e c t r i cV e h i c l eO u t p u tT o r q u eC o n t r o l S c h e m eB a s e do nW o r k i n gE n v i r o n m e n tW a n gX i a n g u i,W a n gT i e(S c h o o l o fA u t o m o b i l ea n dT r a n s p o r t a t i o n,S h e n y a n gL i g o n gU n i v e r s i t y,L i a o n i n gS h e n y a n g )A b s t r a c t:T h i sp a p e rm a i n l ya i m sa tt h ep r o b l e m so fd i f f e r e n tw i n dr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t sa n dt i r er o l l i n gd a m p i n gc o e f f i c i e n t s i nd i f f e r e n tw e a t h e r a n dr o a dc o n d i t i o n s,a n dp r o p o s e s a ne l e c t r i cv e h i c l eo u t p u t t o r q u e c o n t r o l s c h e m eb a s e do n t h e c h a n g eo f a u t o m o b i l ew o r k i n ge n v i r o n m e n t T h e s c h e m ed e f i n e s s e v e r a l c o mm o nw o r k i n gm o d e sm a i n l ya c c o r d i n gt ot h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to f t h ec a r E a c hm o d em a i n l ys t u d i e s t h ec o r r e s p o n d i n gd a m p i n gc o e f f i c i e n t i nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s,a n d f e e d s t h ed a m p i n gc o e f f i c i e n t i n t h e c o r r e s p o n d i n gm o d e t o t h ee l e c t r i cv e h i c l ep o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e mT a k i n gt h es n o we n v i r o n m e n ta sa ne x a m p l e,t h ec o m p a r i s o nw i t hn o r m a l e l e c t r i cv e h i c l e sp r o v e s t h a t t h es c h e m eh a sc e r t a i np r o g r e s s i v es i g n i f i c a n c e K e yw o r d s:W o r k i n ge n v i r o n m e n t;R e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t;W o r k i n gs t y l e;E l e c t r i cc a r s;T o r q u ec o n t r o l作者简介:王显贵():男,汉,硕士研究生,研究方向为车辆工程.通讯作者:王铁(),男,汉,教授,研究方向为车辆工程.引言汽车在正常行驶过程中,一般所受阻力主要包括加速阻力、爬坡阻力、迎风阻力、滚动阻力,其中迎风阻力与滚动阻力受外界环境变化的影响最为明显.传统汽车在动力研究方向,通常将空气与滚动阻尼系数进行常数化处理 ,忽视了汽车工作环境变化的同时,汽车所受的空气阻尼系数以及轮胎所受的滚动阻尼系数也随之变化这一问题.因此会增大汽车轮胎的不必要的磨损,此外降低了汽车的加速性.基于以上问题,本文提出了一种根据汽车工作环境,将汽车动力传递进行模式化分策略.该策略主要对汽车在不同的工作环境进行研究,从而确定汽车在相应的空气和滚动阻尼系数的大小.由于汽车工作环境改变,导致汽车所受的滚动阻尼系数与风阻系数也发生改变,故该策略将汽车工作模式划分为冰雪模式、沙漠模式、乡村模式、高速模式等,各模式下对应在相对应工作环境下的地表阻尼系数与风阻系数.驾驶员可以根据汽车实际工作环境的改变,自主选择驾驶模式.本文在前人对电机输出扭矩可控性 研究基础上,将电机输出扭矩可控性研究成果应用于电动汽车.根据汽车动力学方程,将已确定各模式下的轮胎滚动阻尼系数、风阻系数带入汽车动力学方程,从而得到动力源目标输出扭矩.本文提出了动力源输出扭矩控制策略.使电动汽车输出扭矩尽可能在满足最大加速的动力学性能的基础上,降低汽车轮胎与地面间的相对滑动距离,从而有效提高汽车轮胎的使用寿命.最后以冰雪模式为例,对电动汽车输出扭矩控制方案进行仿真验证.汽车动力学分析由所学的汽车动力学知识可知,在汽车正常行驶过程中,对应的动力学方程为:FFfFwFiFj()Fff m gc o s()FwCDA u ()Fim gs i n()Fjmd ud t m Rd d t()式中:Ff为滚动摩擦阻力;Fw为迎风阻力;Fi为爬坡阻力;Fj为加速阻力;f为滚动阻尼系数;m为汽车整车质量;CD为风阻系数;A为迎风面积;R为车轮半径;u为行车速度;为车轮转速;为汽车爬坡角度,为汽车质量旋转系数,取为.将汽车 各 部 件 的 转 动 惯 量 定 义 为.本 文 定 义 当R d/d tf gc o s时,汽车轮胎与地面不发生相对滑动;当且仅当R d/d tf gc o s时,汽车的加速度取最大值;同时当R d/d tf gc o s时,汽车轮胎与地面发生相对滑动.此时所需动力源输出的扭矩为:Tcmd ud tFfFwFiRit()内燃机与配件w w w n r j p j c n故可知当汽车所处的加速度取最大值时,所需动力源输出的目标扭矩为:Tc(f m gc o sCDA u/m gs i n)Rit()式中:Tc为动力源输出扭矩;i为主减速器减速比;t为动力传递效率.本文主要研究对象为在不同环境下对应的地表阻尼系数f与风阻系数CD.汽车相关动力学参数如表.表汽车动力学相关参数的选取参数数值汽车质量m/k g 迎风面积A/m爬坡度传动效率t车轮半径R/m 主减速器减速比i故可知动力源输出的目标扭矩为:Tc(f m gc o sCDA u/)Ri()驱动电机相关参数如表.表驱动电动力学参数参数数值额定功率/k W 最大输出功率/k W 额定转速/r/m i n 转动惯量/k gm 额定电压/V 最大起步扭矩/Nm 综合上文对汽车动力学分析,可知对应的汽车加速度最大为af g.构造电机输出扭矩P I D控制仿真模型 P I D控制原理介绍P I D控制是电机输出扭矩控制、调速控制等较为常见的控制策略.P I D控制主要包括增益环节、积分环节、微分环节等三个环节 .原理流程如图.图P I D控制原理流程简图根据以上流程简图可知U(t)Kpe(t)Kie(t)d tKdd e(t)d t()其中,Kp为比例增益调节常数,Ki为积分调节常数,Kd为微分调节常数.比例环节主要与系统恢复至目标值的时间有关,Kp值越大,系统至目标值所需时间就越短,但是该值过大会使系统出现超调等现象,相反若Kp取值过小会使系统恢复至目标值时间过长,在动态系统中,往往会降低系统相应的灵敏度;积分环节与系统超调量有关,Ki值越大,系统超调量越大,震动效果越强,系统震动频率越高.Ki取值越小系统的震动幅度越小,震动频率越低,系统恢复至目标状况下所用时间越长;微分环节与系统恢复至目标值有关,起到了阻尼作用.通过微分环节可有效降低系统的超调量与调节不足量,但是当系统误差e(t)为常数时,微分环节并不起作用.构建电机P I D输出扭矩控制仿真模型为了提高动力源输出扭矩控制的可靠性,需要对驱动电机进行选择确定.所构造的电机输出扭矩的P I D控制仿真模型如图:图直流驱动电机输出扭矩的P I D控制仿真模型如图以目标扭矩作为系统的输入,PWM脉冲宽度调节器为系统的执行环节,直流驱动电机为系统的作用对象,电机的实时输出扭矩为系统的输出.构建运动学仿真模型根据上文中汽车动力学分析以及各部件的动力学参数,首先需要根据汽车工作环境来确定驾驶员应该选择的汽车的工作模式.在此基础上分别构建汽车在在相应的模式下驱动电机输出扭矩控制的仿真实验模型,同时构建在相同的环境下以目标车速作为反馈条件的无扭矩控制的对比仿真实验模型.动力源输出扭矩控制策略下的仿真模型图为所构造的电动汽车中动力源输出扭矩控制仿真模型.在该模型中驾驶员首先根据汽车所处的工作环境,来选取相应的电动汽车工作模式,从而确定汽车轮胎所受的滚动阻尼系数、风阻系数;然后根据汽车动力学传递方程,将电动汽车在任意速度下,满足最大加速度的要求时所需的动力源输出扭矩.并将该情况下的动力源输出扭矩作为目标输出扭矩传递给驱动电机输出扭矩控制系统.最后记录汽车加速至百公里车时速时所需时长,以及轮胎加速至百公里时速时轮胎与地面相对滑动的距离.图动力源输出扭矩控制仿真模型 正常控制策略下的仿真模型图为所构造的对比试验模型.该对比实验主要以目标车速作为反馈信号传递给电机输出转速控制系统来逐渐调节汽车行驶速度,从而实现电动汽车尽快加速至目标车速的目的.同时记录汽车加速至百公里时速时所需时间以及轮胎与地面的相对滑动距离.图正常控制策略下的仿真模型 年第 期结果根据所构建的仿真模型,以冰雪模式为例(对应的风阻系数为 ,轮胎与地面间的滚动系数为 ),对两模型进行对比仿真,仿真结果如下:如图、可知在冰雪模式下,有输出扭矩控制策略下,电动汽车加速至百公里时速所需时长约为 s;同时在无输出扭矩控制策略下,电动汽车加速至百公里时速,所需时长约 s.根据仿真对比试验,有动力源输出扭矩控制策略下的电动汽车加速至百公里时速所需时间要明显比无扭矩控制策略下的电动汽车要短.故可知前者的加速性能优于后者,故该策略对提高汽车的加速动力性能具有一定的借鉴意义.图冰雪模式扭矩控制下百公里加速图冰雪工况无扭矩控制百公里加速如图、可知,在冰雪模式下,有动力源输出扭矩控制策略下,电动汽车加速至百公里时速时,轮胎与地面相对滑动距离约为 m;而对于无动力源输出扭矩控制策略下,电动汽车轮胎与地面相对滑动距离约为 m.综上所述,在电动汽车中,有动力源输出扭矩控制策略与无动力源输出扭矩控制策略相比,前者加速至百公里时速时与地面相对滑动的距离要明显小于后者.故该动力源输出扭矩控制策略可明显减小汽车轮胎与地面的相对滑动距离.从而可以有效降低汽车轮胎的磨损,故该策略对提高汽车轮胎使用寿命具有一定的借鉴意义.图冰雪工况有扭矩控制轮胎地面相对滑动距离图冰雪工况无扭矩控制轮胎地面相对滑动距离结论本文主要对汽车工作环境改变的同时,汽车车身所受的空气阻尼系数以及轮胎所受的滚动阻尼系数改变这一问题,而提出了一种汽车工作环境模式化策略.根据所处工作模式以及汽车动力学方程,提出了动力源输出扭矩控制策略.根据仿真实验,得到结论如下:)通过汽车工作环境模式化处理,可以更加准确的得到汽车所处环境的动力学传递方程.在该过程中一方面避免了一般对滚动阻尼系数、风阻系数的定量处理的数据误差;另一方面提高了目标输出输出扭矩的准确性.)通过电动汽车输出扭矩控制,一方面可以根据汽车实际工作环境以及汽车动力学方程,可以更加有效提高汽车加速性能,降低因阻尼系数常数化处理,而造成的动力不足;另一方面有效降低了轮胎与地面间的相对滑动距离,降低轮胎磨损,有效提高了动力源输出能量的使用效率.综上所述,本文所提出的基于汽车工作环境的动力源输出扭矩控制策略一方面可有效提高汽车的加速动力学性能;另一方面可明显降低汽车轮胎与地面的相对滑动距离,从而大大降低了轮胎磨损.故该策略对提高汽车的加速性能、降低汽车轮胎与地面间的摩擦磨损,从而提高轮胎使用寿命具有借鉴作用.故该控制策略具有一定的可行性.参考文献:朱成伟汽车轮胎稳态滚动阻力建模及实验分析D吉林大学,王博汽车车身造型与风阻特性优化研究D西安理工大学,E n g l e r tT,G r a i c h e nK N o n l i n e a rm o d e l p r e d i c t i v e t o r q u ec o n t r o la n ds e t p o i n tc o m p u t a t i o no f i n d u c t i o nm a c h i n e sf o rh i g hp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n sJC o n t r o lE n g i n e e r i n gP r a c t i c e,():B a kA,G e l e nA S e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s e do ns e v e n l e v e lt o r q u eh y s t e r e s i sc o n t r o l l e rf o rf i v e p h a s eI PM S M u s i n gas l i d i n g m o d eo b s e r v e rJ E n g i n e e r i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,a nI n t e r n a t i o n a l J o u r n a l,():刘星宇,潘盛辉,丁修乘,王蕤兴分布式驱动电动汽车直线工况电机同步控制策略J广西科技大学学报,():吴文辉永磁同步电机电流分配策略研究D湖南大学,