特斯拉驱动电机控制系统
发布日期: 2020-11-05来源: 汽车电子与软件
能量再生对于电动车来说,是非常核心的技术——车辆减速会使车辆的驱动电机充当发电机,为蓄电池充电。充电对于提高续航里程而言是必不可少的。
再生需要获得减速,减速一般需要踩制动踏板。但是如果再生仅由制动踏板控制,则将效率低下。因为相比油门踏板来说,制动踏板的使用频率很低,单靠踩踏制动踏板带来能量回收,远远无法达到延长续航里程的目的。如果刻意地踩踏制动踏板回收能量,则显得不够自然,而且驾驶员很容易疲劳并给道路交通制造危险。
于是,特斯拉的驱动电机系统,就被设计成单踏板驱动(OPD,one pedal driving)的形式。所谓的单踏板驱动,是指通过改变油门踏板的开度,同时控制加速和能量再生。
这张彩图清晰地显示了,特斯拉的单踏板驱动系统是如何工作的。这里大体有四种情况:
当油门踏板踩到地板上时(所谓的地板油),驾驶员将获得100%的加速度
油门踏板逐渐放开,驾驶员获得的加速度将变小
油门踏板进一步松开,有一个加速和减速平衡点,即车辆"滑行"的“最佳位置”
油门踏板完全松开时,驾驶员将获得最大的减速度和最大的电池充电水平,实现"最大"再生。
老款特斯拉的最大再生减速值约为0.2g,较新的特斯拉约为0.3g。
0.3g的减速水平让人感觉像带换挡杆的内燃机车在一档减速的感觉。
而单踏板驾驶的特点,让驾驶特斯拉与驾驶传统的燃油车的感受完全不同——只要保持把脚放在油门踏板上,扭矩可以在最大正扭矩和一定水平的负制动扭矩之间连续调节。如此一来,制动踏板将只有两种情况才用得到:
让汽车完全停下来
高于0.3g的水平进行紧急制动
上图显示了特斯拉驱动电机控制系统的第一步——通过这张标定好的踏板的Map图,将驾驶员设置的油门踏板位置转换为请求的电机扭矩值,在未标出数值的空白区域,扭矩值将通过插值的方法获得。系统内踏板的map图包括有一个二维查找表,可利用油门踏板位置信号来访问。
油门踏板位置信号,是通过双路油门踏板位置传感器得到的8-bit符号带大小整数。
扭矩值在特斯拉Model 3中是8-bit符号带大小整数,在特斯拉Model S和Model X中是16-bit符号带大小整数。扭矩值每100毫秒产生一次。
上图显示了,特斯拉驱动电机控制系统所执行的第二步骤:在这一步中给出的是驱动电机的扭矩Map图(即扭矩-转速TN图),它将所请求的扭矩值从踏板Map图转换成扭矩和"磁场磁通量命令",来驱动电机。该Map图也包括一个二维查找表,并通过踏板Map扭矩图和车辆速度进行访问。未标出数值的区域,可以通过二维插值得到。
加速"正象限"中的正向电机转矩命令可使车辆在向前行驶的同时从蓄电池中获取动力。在100%的电机转矩下,加速度的大小可能从0g到1g不等。绿色区域中的虚线显示了加速象限里的一个典型的加速度曲线,更一般地,它可以是任意的复合曲线。
制动"负象限"中的负电机转矩指令可通过为驱动电池充电来启用再生制动。这里受到多个因素的制约,只会用到红色区域,负象限的红色区域之外将不被采用。图上红色部分的虚线显示了制动象限中典型的制动再生路径。
将扭矩-转速图的红色部分放大,我们得到上面的图形。这里的限制因素有多个:
考虑到在路面摩擦系数下降时突然介入能量再生时,为了避免车辆不稳定,最大制动扭矩将受到-0.2g~-0.3g的最大减速度水平的限制。(左下方块构成的直线)
考虑到电机内部反向电动势back emf(反向电动势的大小与转速成正比,它的增大会逆转母线电压,当母线电流被截断时,电机将达到速度极限)的存在,电机受到最大速度的约束,尾部是截断的。为了进一步提高最大速度,可以采用诸如弱磁控制的技术,通过牺牲扭矩来换取高转速。(右侧的转速截断)
由于电机功率的限制,扭矩和转速的乘积受到约束,功率在弱磁控制区域保持恒定。(右侧方块构成的曲线)
在任何给定扭矩低于最大制动扭矩时,再生功率和制动扭矩跟随电机转速成比例减小。这里受最大再生功率的限制——最大再生功率必须保持在由蓄电池充电电路确定的某些最大值之内。(圆点构成的直线)
如果最大再生功率得到优化不再成为问题,最终将受到电动势emf的限制——保持在电池有效充电的某个最小值以上。(三角形构成的直线)