纯电动汽车整车控制器能量管理策略研究与开发
文章来源：AI《汽车制造业》
发布时间：2021-11-29
本文研究整车控制器能量管理策略能有效提高纯电动汽车的能量使用效率。
在纯电动汽车电气系统中，整车控制器（VCU）可比作汽车的“大脑”，而能量管理是整车控制器最为重要的功能之一，VCU对整车能量监测、控制能量流动及优化能量利用率，其控制策略的优劣直接影响着车辆的经济性、动力性和安全性。本文研究整车控制器能量管理策略能有效提高纯电动汽车的能量使用效率。
随着汽车应用技术突飞猛进的发展，智能网联化、电气化是国家汽车行业发展战略方向。经过10余年的研发和示范运行，我国新能源汽车行业已经形成了从原材料供应、动力蓄电池及整车控制器等关键零部件研发生产，到整车设计制造，以及充电基础设施的配套建设等完整的产业链，具备了产业化基础。在政府配套政策的支持下，我国新能源汽车实现了产业化和规模化的飞跃式发展。从2011年至今，我国新能源汽车产量和销量快速增长。
销量的增加必然意味着市场占有率增加，造车新势力也纷纷展示其纯电动汽车设计理念和产品特点。当然，除了纯电动汽车的开发热情外，消费者也对新能源汽车的要求也越来越高。抛开智能网联先进配置之外，客户对纯电动车辆最大的担忧是续驶里程问题。电动车的动力能源是电池，要想提高续驶里程，除了选择大容量电池外，也需要对能量进行合理管控，提高能量使用效率。
在电动汽车中，整车控制器（VCU）是核心控制部件，其最重要的功能之一就是能量管理，优秀的能量管理策略通过监测车辆能量状态、控制能量流动及优化能量利用率，以提高车辆的经济性、动力性和安全性。根据加速踏板位置、档位、制动踏板力、驾驶员的操作意图和蓄电池的荷电状态，计算出运行所需要的电机输出转矩等参数，从而协调各个动力部件的运动，保障电动汽车的正常行驶。VCU可通过行车充电和制动能量的回收等实现较高的能量效率，在完成能量和动力控制部分控制的同时，还可以与智能化的车身系统一起控制车上的用电设备，以保证驾驶的及时性和安全性。
电动车是新能源汽车发展的主流，电动车控制技术也是未来发展的关键技术之一。VCU是控制系统的核心，它对整车的正常行驶、安全性、整车状态监控、故障诊断与处理等起着关键性作用。VCU主要功能如下：
1）整车通信网络管理。主要是基于AUTOSAR或者OSEK网络管理机制，管理控制器共同睡眠与唤醒，实现能耗最低。
2）整车工作模式控制。经济模式，充电/下电模式，起动/起步模式，故障模式等。
3）接收驾驶员指令，输出电机驱动转矩，实现驱动系统控制。
5）故障处理。诊断与软件刷写，对出现的异常情况进行诊断、提示和主动修复工作，必要时可以通过诊断功能对软件进行刷写来修复问题。
7）整车设备管理。监控各设备运行状态，及时进行动态调整。
8）系统控制。根据既定的操控程序对驾驶员的各项操作进行及时响应，实时与数据库进行比对，对各节点进行动态控制。
以上是VCU一般的功能，本文主要描述的能量分配和优化功能，即能量管理。
能量管理是VCU核心功能之一，VCU可以实现发动机、电机及发电机等之间的功率和转矩分配，从而有效提高整车动力性与经济性。
纯电动汽车整车能量的唯一来源为动力蓄电池组，通过电池管理系统（BMS）有序管理。VCU通过网络总线与BMS通信。
1）BMS能够向VCU上报剩余电量信息、电池箱总电压和总电流、电池系统温度信息及电池输出继电器状态等。
2）VCU根据能量管理控制策略以及来自总线上的电池状态和电机状态信息以闭合或者断开BMS的总正/总负继电器，完成高压回路的闭合和断开功能。
3）与传统燃油车相比，电动汽车能够实现制动能量回馈功能。当整车处于减速滑行或制动状态时，VCU控制汽车产生再生制动力矩，使电机发电，并将电机发出的电能回充到动力蓄电池中，以实现有效的制动能量回收。
所以控制策略起到了至关重要的作用，本文描述基于模糊性规则的策略在VCU能量优化控制中的应用。
整车控制系统监控车辆能量的释放和存储过程，进行能量优先级分配和满足各种性能要求的能量最小化控制，其涉及的车辆系统有驱动系统、动力辅助系统、仪表系统和常用的低压电气系统。本文主要描述的是基于模糊性规则用于VCU对整车能量的控制策略。
基于模糊性规则的控制策略特点：该策略并不是固定单一门限，而是对难以用已有规律描述的复杂系统，采用自然语言加以描述，借助定性的、不精确的或模糊的条件来表达（图1）。需要通过隶属函数与规则构建模糊控制器，各参数对相应子集的隶属函数分别由不同的函数决定，参数的相应子集指该参数被人为地划分成的等级所构成的一组模糊集合，相应子集的多少，由控制精度决定。
图 1 模糊控制示意
优点：鲁棒性较好，不需要依赖精确的数学模型并具有很强的适应性，比常规的基于确定性规则的控制算法优化潜力大，尤其适用于非线性、时变及滞后系统，抗干扰能力强及响应速度快，其特点正好适用于整车复杂的能量管控。
缺点：需要设计者，也就是VCU产品开发者对整车能量控制与原理十分了解，用以确定隶属函数和模糊规则。
将测量得到的被控对象的状态经过模糊化接口转换为用人类自然语言描述的模糊量，而后根据人力的预研控制规则，经过模糊推理得到输出控制量的模糊取值，该取值再经过清晰化接口转化为执行机构能够接受的精确量。把各自传感器测出的和控制器在通信总线上传递的精确数值转换成为适于模糊运算的模糊量，然后将这些量在模糊控制器中加以运算，最后将运算结果中的模糊量转为精确量，以便对各执行器进行具体的操作控制（图2）。
图 2 控制原理示意
（1）模糊化接口。在控制器的输入和输出论域上定义语言变量，将精确的输入和输入转换为模糊的语言值，表1中数据均为示意，可清楚地解释控制策略。
（2）建立模糊规则库。模糊规则库由若干控制规则组成，这些控制规则根据人类专家的经验总结得出，按照一定的形式表达，是模糊推理系统的核心部分。
（3）模糊推理。根据模糊输入和规则库中蕴含的输入输出关系，利用一定的模糊推理方法得到模糊控制器的模糊输出值。
（4）清晰化接口。由模糊推理得到的模糊输出量是输出论域上的模式子集，需要将其转化为精确控制量，以施加于对象。利用加权平均法（重心法）进行输出结果清晰化，通过模糊输出值计算精确输出值。
最后是模糊查询。总结一下模糊过程：①确定模糊控制器的输入变量和输出变量；②确定输入和输出的论域；③确定各变量的语言取值及其隶属函数；④总结专家控制规则及其蕴含的模糊关系；⑤选择模糊推理算法；⑥确定清晰化的方法；⑦总结模糊查询表。以上就是整个控制策略的分析应用的过程，即便输入参数很多，但是原理与策略不变。
下面举例说明几个工况下纯电动汽车能量管控策略的状态，仅描述一般情况，而在复杂系统下可能需要更为复杂的逻辑。
（1）常规工况优先级：①DCDC＞电池制热/制冷＞乘员舱制冷＞乘员舱制热＞电机功率；②特殊情况，需通过调整乘员舱空调功率来满足动力性要求。
急加速工况，优先满足动力需求。关闭乘员舱制冷和制热30s，如果30s内再次急加速时，重新计时。①判断到驾驶员有紧急加速意图；②加速踏板需求功率＞分配给电机的可用功率；③电机最大可用电功率＞分配给电机的可用功率；④空调不在除霜除雾状态；⑤考虑驾驶模式。
动力蓄电池馈电情况下，优先满足基本驾驶需求。①电池允许放电功率－DCDC实际功率－电池热管理功率，不满足驾驶员基本行驶；②空调不在除霜除雾状态。
在纯电动汽车中，VCU所执行的能量管理功能的本质就是在一定约束条件下使整车的能量消耗最小，并且驾驶员操作与行驶路况具有随机性，决定了能量管理问题成为一个随机动态系统的最优控制问题，而优化控制问题的方法就是转化成一个基于时间历程的数学函数优化问题，确定函数目标、约束条件与计算方法。本文介绍的模糊控制原理正好适用于VCU控制策略，用以管理整车能量。
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