滑行过程中的电机控制对电动汽车行驶阻力的影响分析

龚来智，雷 志，罗 玮，陈文敏

（奇瑞汽车股份有限公司 节能环保性能开发部，安徽，芜湖 241000）

近年来，随着全球能源的不断短缺，温室效应的不断加剧，以石油、天然气为主要能源支柱的交通领域和汽车行业面临着巨大的变革压力，各国政府和汽车巨头都不惜重金研究新能源汽车，并出台了相应的发展政策、规划等[1-2]。纯电动汽车具有节能、零排放、低噪声等优点，成为了各国发展绿色汽车的重要方向。

纯电动汽车续驶里程作为衡量电动汽车经济性的核心指标，更是吸引用户购买电动汽车的条件之一。提升纯电动汽车续驶里程不仅是为了满足客户需求和节能要求，更是汽车企业可持续发展的必经之路[3]。当前，我国针对新能源汽车出台了各种政策、法规和要求，无形中也给企业带来了一定的压力。提升电动汽车续驶里程成为各大主机厂发展电动汽车的头等大事。本文旨在通过对核心部件电驱动系统的控制策略优化，降低整车行驶阻力，提升整车纯电续驶里程。

1 整车道路行驶阻力测试规范

依据GB 18352.5—2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法-中国第五阶段》[4]以及新发布的GB 18386—2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》，电动汽车必须在底盘测功机上模拟汽车道路载荷。而道路载荷必须通过对汽车道路行驶阻力进行测定，确定其大小[5]。本次利用滑行法测定的汽车道路行驶阻力，其测量原理，以及利用该原理对汽车行驶阻力进行校核的过程，包括对环境条件的控制、测量仪器的精度要求、测量数据处理等均符合国家标准和法规的要求。

2 纯电动汽车整车阻力分解

2.1 道路行驶阻力测试原理[6]

汽车在水平道路上行驶时其动力平衡方程式为：

式中：Ft汽车驱动力，N；Ff汽车滚动阻力，N；Fw汽车空气阻力，N；Fj汽车加速阻力，N。

根据汽车理论可知，当汽车处于滑行行驶状态下，其动力方程式为：

即：

式中：m为汽车整备质量，kg；mr为整车转动惯量引起的当量质量，kg。

因此，当能够测出汽车在水平路面上滑行行驶的减速度，就可测定汽车行驶时来自地面的滚动阻力Ff与空气阻力Fw之和，取∆V=5 km/h可近似认为：

综上所述，滑行过程中的行驶阻力测定即可按照单位车速之间的时间差进行测定，单位车速取5 km/h，车速及时间测试设备为GPS车速仪。

2.2 机械阻力分解

以某前驱纯电动轿车前后轴的CATIA数模为例（图1），整车的机械阻力可分为前轴机械阻力和后轴机械阻力。前轴机械阻力可分解为轮胎、制动系统、轴承系统、传动轴、主减速器、电机阻力等，而后轴的机械阻力可分解为轮胎、制动系统及轴承系统阻力。上述部件构成整车机械部分阻力贡献，从整车阻力分解角度出发，这些系统零部件阻力分解要求均属于整车阻力控制范畴。本次仅探讨电机阻力对整车阻力的影响。

图1 某前驱纯电动轿车前后轴简化数模图

3 优化电机控制策略

3.1 结构局限

根据电机的调速区间，目前大多数纯电动汽车只匹配单极速比减速器即可满足较宽的车速调速范围，但在结构上，所谓的电动汽车挂“空挡”并不能像传统汽油车匹配的变速器，如MT/CVT/DCT等实现对整车动力传输路径的断开，对于这种电动汽车所谓的“空挡”只是对电机请求置于“零位”，其传动系机械联接仍然存在。因此，在电机“零位”状态下的电机控制就会对整车空挡状态下的滑行阻力测试产生较大的影响。以某车型为例，整车主减速比7.28，轮胎型号205/55 R16，若在电机“零转矩”指令下的某个转速点产生-0.5～0 Nm的转矩波动，那么通过速比的放大，整车在该转速下的车速点阻力增大约0～12 N。

3.2 优化策略

基于上述局限，提出了一种“电机零转矩指令下偏正向转矩优化”的控制策略。电机转矩的控制精度由于相电流的零飘和工作电压的跃变，导致输出转矩不稳定。虽然整体进行了转矩滤波，但还是会出现电机转矩正负跳动的现象。因此，本文提出的优化策略是通过主动识别电机负向转矩，主动补偿相电流，使“零转矩”指令下的电机转矩偏正向转矩优化，避免了上述电机正负转矩跃变引起的行驶阻力突变和阻力曲线失真等不满足国标测试精度的问题。

4 电机标定与实车阻力测试分析

基于优化后的电机“零转矩”控制策略，分别通过对电机台架标定与整车阻力测试研究该优化策略对整车阻力的影响，并将分析结果与优化后的实测整车阻力曲线相结合输入到Cruise软件中进行仿真，评估分析该策略对NEDC循环工况下的续驶里程贡献。

4.1 电机台架标定

采用两台电机，其参数见表1，搭建了对拖试验台架（图2）。台架试验中采用的转矩传感器型号为德国HBM TB1A 500，测量精度可达0.1%，额定转速为15000 r/min。为了避免传感器变形而产生的附加弯矩，安装时必须使被测电机、传感器、对拖电机三者具有较好的同轴度，同时两个半联轴器间应留有一定的间距[5]。

表1 PMSM电机参数

图2 电机试验对拖台架

4.2 电机台架数据分析

通过对对拖电机转速、转矩施加控制实现对被测电机的测试是常见的电机台架测试手段[7]。转矩传感器与功率分析仪之间采用电气连接，通过测试被测电机所反馈的转速、转矩信息，即可得到被测电机零转矩指令下所反馈的转矩值，以此为依据，对电机负向转矩进行补偿优化，通过对优化后的电机转矩值进行测试发现，该优化策略实现了预期效果。优化前后电机零转矩指令下所反馈的转矩值对比如图3所示。

图3 优化前后电机零转矩指令下所反馈的转矩值对比

对比分析发现，所提出的“电机零转矩指令下偏正向转矩优化”控制策略能够实现电机在不同转速下电机转矩为正值输出，且维持一定的稳定性。

4.3 整车机械阻力测试[8]

对优化前后的整车进行不同车速下的前后轴机械阻力测试，测试工况分为整车上电和整车下电两种测试工况。测试设备为底盘测功机，整车刚性水平固定在底盘测功机上，通过AVL转毂软件的设定实现不同车速下前后轴的阻力测试。

4.4 整车机械阻力数据对比分析

分别测试优化前后整车上电状态下的前后轴机械阻力和整车下电状态的机械阻力，试验测试结果见表2、表3和表4，阻力对比图如图4所示。

表2 整车下电状态下的前后轴阻力测试结果

表3 整车上电状态下的前后轴阻力测试结果

表4 体现优化策略后的前后轴阻力测试结果

图4 不同工况下的阻力测试结果对比图

从不同工况下的整车机械阻力测试结果来看，后轴阻力较为稳定，数据一致性较好。而前轴上电与下电状态下所测得的阻力存在较大差异，优化后的前轴阻力平顺性更好，无突变现象，且通过优化后的前轴阻力均小于下电状态。从数据上看，120-10 km/h前轴平均阻力降低36 N。

综上所述，本研究针对电机零转矩指令下的转矩控制优化对降低整车机械阻力有明显的作用，理论上对整车道路行驶滑行阻力曲线也有相同的阻力贡献。为验证虚实，按照GB 18352.5—2013标准进行道路行驶阻力测试 ，测试结果显示优化前后该车型120-5 km/h道路行驶阻力平均值降低约33 N（由于道路阻力测试受环境因素影响，与台架试验结果存在一定误差，实测阻力偏差3 Nm，为可接受范围），道路行驶阻力曲线测试结果对比如图5所示。

图5 该车型基准质量下的行驶阻力测试结果对比

5 针对续驶里程CAE评估影响分析

将该车型优化前后所测得的道路行驶阻力曲线输入Cruise软件，进行整车NEDC续驶里程仿真分析，整车参数输入见表5。

表5 某电动汽车整车参数

根据输入的整车参数与边界，在Cruise软件中搭建CAE动力学仿真模型（图6a）及过程数据分析（图6b和6c）。分别将优化前后的整车阻力曲线作为整车仿真边界进行NEDC工况法的续驶里程仿真，并结合整车续驶里程与整车平均阻力的灵敏度分析，最终评估优化后的整车NEDC工况下的续驶里程提升约15 km。

图6 CAE动力学仿真模型及过程数据分析

优化前后的整车仿真边界与NEDC续驶里程仿真结果对比见表6。

表6 整车输入边界与NEDC续驶里程仿真结果

6 结论

针对某纯电动轿车，在开展整车阻力测试及阻力分解研究的过程中，提出了在原有电机控制策略的基础上实行“电机零转矩指令下偏正向转矩优化”的控制策略。该策略实施后在降低该车型的整车行驶阻力方面产生了较为明显的效果，在满足国标测试标准的情况下，测试结果显示优化后的整车平均行驶阻力降低33 N。

基于Cruise软件对该车型进行动力学CAE仿真分析，分别输入优化前后的阻力曲线作为整车的仿真边界，其它边界条件不变，仿真结果显示该车型在NEDC工况下的纯电续驶里程提升约15 km。

综上所述，电机零转矩指令下的转矩控制优化对整车空挡滑行过程中的阻力产生了较大影响，同时对电机在空挡滑行过程中，即在零转矩指令下施加偏正向转矩优化的策略可降低整车行驶阻力。该策略在其它车型上的应用在此不作详细说明。