TCS功能標定工況電驅總成故障問題研究

陳珍穎　高曉辰　賴聰　金元麗　任超男　辛慶鋒

摘 要：針對現有TCS功能標定造成電驅總成故障的問題，結合故障工況及故障件拆解分析了其故障機理，提出在采用基于門限值的驅動輪輪速差控制算法來進行差速器保護。根據標定工況下路面附著系數及整車參數，建立了對開路面TCS觸發工況下，包括驅動電機模型、ESC控制模型在內的整車多體動力學模型。利用Matlab-Simulink和Carsim開展聯合仿真，并根據仿真對比結果，制定了基于門限值的驅動輪速差控制算法開發策略，最后通過整車標定試驗驗證了模型仿真結果。

關鍵詞：TCS標定 Carsim聯合仿真 電驅故障 差速器保護

1 前言

TCS是ESC系統中用于防止車輛在加速過程中出現打滑，實現車輛加速性能和穩定性能的提升的功能，根據路面附著系數的變化，TCS控制主要是控制車輪的輪速和扭矩。一般來說，TCS主要通過兩種形式對驅動輪的滑轉率進行控制，一是降低驅動扭矩以防止車輛側滑，二是通過增加打滑輪一側的制動力以提高車輛的加速性能。

TCS功能通常需要在急彎道或高低附著系數的路面上進行標定和性能驗證，最典型的是在對開坡道（坡度分別為10%、15%、20%）上面，高附側車輪轉速小，低附側車輪由于打滑車輪轉速大，同時由于爬坡時驅動扭矩需求大，在這種測試條件下，對驅動系統差速器半軸齒輪承載能力的考驗也非?？量?，尤其是在TCS開始標定時， 由于標定參數不完全，標定過程也會出現差速器故障的問題。

本文通過以某一車型在TCS標定過程中出現電驅總成故障為案例，詳細剖析電驅故障產生原理，建立對開坡道下的TCS控制模型，對整車標定時的左右車輪轉速及扭矩控制設置保護閾值，以避免電驅故障的產生，最后通過實車測試驗證了模型的準確性。

2 故障工況分析

2.1 故障電驅拆解分析

該前驅車型在標定過程中發現電驅總成漏油及異響的故障。通過故障件進行拆解分析，發現電驅減速器殼體多處與差速器接觸面有磨損現象，差速器定位銷斷裂，中間軸脫出，殼體內殘留大量鐵屑。因此可推測，電驅故障原因是差速器中間軸脫出后，與電機殼體間產生了磨削和碰撞，導致了電驅外殼體產生裂縫，潤滑油由裂縫中漏出。

進一步拆解差速器后，發現差速殼體軸孔擴張，卷邊，并且突出軸表面有嚴重的磨損痕跡，中間軸與無銷釘側齒輪燒結在一起（如圖3），無法旋轉，中間軸有0.414mm的磨損，另一側齒輪可正常旋轉。

結合以上分析，推測故障原因是差速器受到極大扭矩作用，且差速率過大，導致錐齒輪在中間軸上快速摩擦后燒結在一起，導致一側錐齒輪無法在中間軸上旋轉（原本可正?；剞D）；當車輛再次差速時，扭矩導致中間軸定位銷斷裂，致使中間軸在沒有定位銷的定位后脫出，與電驅殼體摩擦和切削，從而導致電驅殼體產生裂紋漏油。

2.2 故障機理分析

目前按照汽車行業標準QC/T1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》[2]，對差速器可靠性驗證試驗，主要包括兩種試驗工況：

1.高速低扭試驗。即把差速器一端固定，另一端輸入軸為最高輸入轉速的50%（高速），輸入扭矩為最大輸入轉矩的25%—35%，試驗時間不少于30分鐘。

2.低速高扭試驗。即保持差速器一端輸入轉速為的最高輸入轉速的20%左右（低速），差速率保持在12%—15%，輸入轉矩為最大扭矩的75%左右（高扭），總循環不少于200次。

然而TCS標定時車輛的工況一般為高轉速差，高扭矩差，行業標準的試驗無法覆蓋這一工況，如果TCS負載工況超過差速器的承載能力，就會引起差速器失效。因此，為了探清電驅差速器故障的具體扭矩工況，需要根據具體車型參數建立動力學模型進行分析。

3 控制模型分析

3.1 模型推導

3.1.1 控制模式推導

TCS系統主要是對車輛的縱向力進行控制，以獲得最佳滑移率為目標，而汽車的縱向力包括驅動力和制動力。其中驅動力是由驅動電機輸出的扭矩經過傳動系傳遞到驅動輪之后，由輪胎與路面之間正向的相互作用而產生；制動力是由制動力矩引起的輪胎與路面之間逆向互相作用而產生的。因此在進行汽車的TCS標定故障工況分析時，需要建立動力傳動系模型、制動系統控制模型和整車模型[3]。

從電機輸出的扭矩為油門開度，為電機轉速，為駕駛員動態扭矩需求，為ESC計算的額外電機扭矩值，

電機動態扭矩特性可簡化為帶滯后的一階慣性系統，即：

式中，為對應油門開度下的電機穩態工作扭矩，為系統滯后時間常數，為系統時間常數。

若TCS功能觸發時，ESC要求電機降低輸出扭矩，電機目標扭矩為，ESC需求目標扭矩為

若DTC功能觸發時，ESC要求電機提高輸出扭矩，

若TCS/DTC功能都不觸發時，

電機扭矩控制為PI控制，為P值，為I值，

假設汽車坐標原點與汽車重心重合，忽略車輛垂直運動，車輛繞Y軸俯仰角及繞X軸側傾角為零，方向盤轉角與前輪轉角成比例關系，可得如下動力學方程：

則整車力學特性可簡化為如上圖所示，圖中為轉向輪轉向角；為縱向力；為側向力；為迎風阻力；為滾動阻力; a、b分別為重心至前后軸的距離；d為輪距；為車體在固定坐標系下的縱向車速；為車體在固定坐標系下的側向車速；為車輛重心處的側偏角；為車輛橫擺角速度。

選取對開路面坡道典型工況對汽車可能出現打滑的工況進行分析，由于當驅動輪驅動力矩大于路面最大附著系數是，才可能出現打滑現象。

驅動輪驅動力為：

變速器傳動比；分動器傳動比;主變速器傳動比；為傳動系效率。

根據電機轉速與車速的關系可得，

為汽車行駛速度（m/s），Ｒ為車輪半徑（m），為電機轉速（r/min）。

忽略其他阻力，令為滾動阻力系數，W為車輪載荷，為路面附著系數?？傻茫?/p>

滾動阻力

路面最大附著力

3.1.2 基于門限值的驅動輪速差控制算法開發策略

在對開路面上的TCS控制，一般采用基于門限的控制方法，即根據車輪滑轉率和車輪減速度是否達到某一設定門限，判斷是觸發TCS功能及TCS功能觸發后是否增加制動壓力或者減小驅動扭矩。因此門限值控制選取是門限值控制效果的關鍵，而在門限值中除了考慮路面條件下車輪的滑移率外，也需要設置差速器保護條件。

對差速器的保護，主要是通過對驅動輪的獨立制動控制，保證兩側車輪輪速差保持在一定范圍內，即對車輪的輪速差和車輪加速度[1]作為輔助門限。

對單電機驅動的車輛，實際車速通常通過兩非驅動輪輪速平均值作為實際車速，即參考車速為：

其中為非驅動輪左輪，為非驅動輪左輪。

首先判斷車輛車速條件，設置TCS功能退出車速為V，若車速大于V時，TCS退出，然后對驅動輪兩側車輪輪速（、）進行判斷，并選取高轉速車輪輪速進行控制，并以考慮到驅動車輪車速變化過程，設高速輪輪速門限輪速差門限控制如圖5所示?？紤]到在車輛加速度不大時，如果施加制動壓力，往往會出現加壓過度導致車輪抱死的情況，所以本文TCS系統同時設置輪速加速度門限施加制動控制。對開路面TCS控制策略邏輯框圖如下，

驅動輪兩輪的差速率為：

車輛驅動車輪的受力關系為：

式中為車輪的轉動慣量，為輪端驅動轉矩。

通過對輪速差門限值的調整，可以使兩側車輪之間的輪速差控制在一定范圍內，低附側車輪（高速輪）也不會發生過度滑轉。因此，通過對輪速差的門限的設置可以將該工況下的差速器差速率控制在一定范圍內，從而達到差速器保護的目的。

通過分析可知，加速度門限會影響控制系統的控制效果，過小，則接近輪速差門限控制的效果，可能導致過度制動；過大，則會滯后驅動輪的滑轉的判斷，使非驅動輪的輪速變化幅度增大，增大傳動系統的振動扭矩，從而影響包括差速器在內的驅動系統傳動部件的使用壽命?？梢钥闯黾铀俣仁苈访娓街禂?、車輪轉動慣量的影響，因此在選取加速度門限值時，需要根據路面附著系數及實際輪端的輸出轉矩來進行選取。

3.2 模型仿真分析

3.2.1 仿真條件

選取某一車型在Matlab/Simulink環境和Carsim環境中進行整車動力性仿真模擬，進行坡道對開路面控制邏輯和算法研究，并進行對開路面基于門限值的驅動輪控制進行仿真研究。由于該車型為兩驅單速比變速器，對車輛最大油門的情況下，可選擇路面附著系數μ=0.1/0.5、坡度為15%的對開路面。仿真時將該算法與一般滑移率控制算法的控制模型進行了仿真結果對比，以判斷該算法的控制效果。

仿真時整車及電驅主要參數如表1所示。

3.2.2 仿真模型搭建

根據TCS控制邏輯搭建系統控制模型如圖所示，由Carsim整車模型、制動執行器模型和制動模式估算模型組成，如圖7所示。

其中制動模式估算模型包含對基于門限值的驅動輪的輪速差控制模型及對非驅動輪基于滑移率控制模型，如圖8所示。

3.2.3 仿真結果與分析

在仿真時使用AB兩種方式進行對比仿真分析：即A策略是采用一般滑移率控制算法，對四輪均采用基于滑移率的PID控制，B策略是對驅動輪采用基于門限值的輪速差控制，對非驅動輪仍采用基于滑移率的PID控制。從靜止開始以駕駛員最大油門進行加速的情況進行仿真。

通過仿真對比，選取門限值參數如表2。

差速器輸入轉矩仿真結果如圖9所示。

從圖中可以看出，低速時（車速小于3kph）A策略的差速器最大輸入轉矩為400Nm，B策略的最大輸入轉矩為350Nm，且起步時扭矩振蕩幅度降低12.5%。

車速仿真結果如圖10所示，從仿真結果可以看出，在車速小于7.5kph時，B策略起步車速比A策略起步車速高，當車速大于7.5kph時，B策略車速明顯低于A策略車速。因此可知，基于門限值的驅動輪輪速差控制策略適用于在低速階段提升車輛的起步加速性能。

如圖11輪速控制效果可知，可使驅動輪在1.8s時驅動輪輪速差控制在20%內。

綜合以上仿真結果對比可知，B策略即基于門限值的驅動輪門速差控制策略可在車輛起步的低速階段對驅動輪的輪速差施加控制，同時一定程度上降低差速器的輸入扭矩控制，使其控制在合理范圍內。

3.3 測試數據驗證

在該車上測試時TCS功能觸發時整車動力性能，獲得電驅輸出力矩和輪速測試數據，與仿真結果進行了對比分析，結果如表3所示。

從測試數據可值，采用基于門限值的驅動輪輪速差控制策略明顯減低了驅動輪輪速差最大值，即電驅差速率得到了有效控制，同時驅動輪扭矩振蕩最大幅值也降低了。由此可證明此控制策略的有效性。

4 結束語

本文基于某前驅純電動車TCS標定過程中驅動電機出現故障漏油問題進行了研究，闡述了其產生機理，并進行TCS控制模型建模，通過基于Matlab-Simulink與Carsim聯合仿真，得到了TCS標定極端工況下差速器扭矩特性的仿真結果，采用差速器保護優化控制策略后，差速器扭矩差和轉速差值明顯降低，差速器負載工況得到優化，且滿足整車動力性能，結果表明在低速范圍內，該控制策略可有效降低差速器負載，對驅動電機有一定保護作用。

本仿真中驅動電機模塊模型采用通用電驅基礎數據搭建電驅模型，與實際可能存在差距，后續應結合整車驅動扭矩測試對電驅模仿真模型進行優化，進一步提高TCS控制模型仿真準確性。

參考文獻：

[1]趙健，李靜，宋大鳳，張加才，李幼德. 基于車輪加速度門限的牽引力控制系統制動控制算法[J]. 吉林大學學報（工學版），1671-5497.2007.02.004.

[2]純電動乘用車用減速器總成技術條件[s]，6.2.4.6 P7，QC/T1022-2015.

[3]馮勇.TCS控制邏輯算法研究及NJ2045動力性換擋規律制定[D]，吉林：吉林大學碩士論文，2004.5.

[4]李亮，康銘鑫，宋健，李紅志，韓宗奇，楊財.汽車牽引力控制系統的變參數自適應PID控制[J]，機械工程學報，2011.12.