TCS功能标定工况电驱总成故障问题研究

陈珍颖　高晓辰　赖聪　金元丽　任超男　辛庆锋

摘 要：针对现有TCS功能标定造成电驱总成故障的问题，结合故障工况及故障件拆解分析了其故障机理，提出在采用基于门限值的驱动轮轮速差控制算法来进行差速器保护。根据标定工况下路面附着系数及整车参数，建立了对开路面TCS触发工况下，包括驱动电机模型、ESC控制模型在内的整车多体动力学模型。利用Matlab-Simulink和Carsim开展联合仿真，并根据仿真对比结果，制定了基于门限值的驱动轮速差控制算法开发策略，最后通过整车标定试验验证了模型仿真结果。

关键词：TCS标定 Carsim联合仿真 电驱故障 差速器保护

1 前言

TCS是ESC系统中用于防止车辆在加速过程中出现打滑，实现车辆加速性能和稳定性能的提升的功能，根据路面附着系数的变化，TCS控制主要是控制车轮的轮速和扭矩。一般来说，TCS主要通过两种形式对驱动轮的滑转率进行控制，一是降低驱动扭矩以防止车辆侧滑，二是通过增加打滑轮一侧的制动力以提高车辆的加速性能。

TCS功能通常需要在急弯道或高低附着系数的路面上进行标定和性能验证，最典型的是在对开坡道（坡度分别为10%、15%、20%）上面，高附侧车轮转速小，低附侧车轮由于打滑车轮转速大，同时由于爬坡时驱动扭矩需求大，在这种测试条件下，对驱动系统差速器半轴齿轮承载能力的考验也非常苛刻，尤其是在TCS开始标定时， 由于标定参数不完全，标定过程也会出现差速器故障的问题。

本文通过以某一车型在TCS标定过程中出现电驱总成故障为案例，详细剖析电驱故障产生原理，建立对开坡道下的TCS控制模型，对整车标定时的左右车轮转速及扭矩控制设置保护阈值，以避免电驱故障的产生，最后通过实车测试验证了模型的准确性。

2 故障工况分析

2.1 故障电驱拆解分析

该前驱车型在标定过程中发现电驱总成漏油及异响的故障。通过故障件进行拆解分析，发现电驱减速器壳体多处与差速器接触面有磨损現象，差速器定位销断裂，中间轴脱出，壳体内残留大量铁屑。因此可推测，电驱故障原因是差速器中间轴脱出后，与电机壳体间产生了磨削和碰撞，导致了电驱外壳体产生裂缝，润滑油由裂缝中漏出。

进一步拆解差速器后，发现差速壳体轴孔扩张，卷边，并且突出轴表面有严重的磨损痕迹，中间轴与无销钉侧齿轮烧结在一起（如图3），无法旋转，中间轴有0.414mm的磨损，另一侧齿轮可正常旋转。

结合以上分析，推测故障原因是差速器受到极大扭矩作用，且差速率过大，导致锥齿轮在中间轴上快速摩擦后烧结在一起，导致一侧锥齿轮无法在中间轴上旋转（原本可正常回转）；当车辆再次差速时，扭矩导致中间轴定位销断裂，致使中间轴在没有定位销的定位后脱出，与电驱壳体摩擦和切削，从而导致电驱壳体产生裂纹漏油。

2.2 故障机理分析

目前按照汽车行业标准QC/T1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》[2]，对差速器可靠性验证试验，主要包括两种试验工况：

1.高速低扭试验。即把差速器一端固定，另一端输入轴为最高输入转速的50%（高速），输入扭矩为最大输入转矩的25%—35%，试验时间不少于30分钟。

2.低速高扭试验。即保持差速器一端输入转速为的最高输入转速的20%左右（低速），差速率保持在12%—15%，输入转矩为最大扭矩的75%左右（高扭），总循环不少于200次。

然而TCS标定时车辆的工况一般为高转速差，高扭矩差，行业标准的试验无法覆盖这一工况，如果TCS负载工况超过差速器的承载能力，就会引起差速器失效。因此，为了探清电驱差速器故障的具体扭矩工况，需要根据具体车型参数建立动力学模型进行分析。

3 控制模型分析

3.1 模型推导

3.1.1 控制模式推导

TCS系统主要是对车辆的纵向力进行控制，以获得最佳滑移率为目标，而汽车的纵向力包括驱动力和制动力。其中驱动力是由驱动电机输出的扭矩经过传动系传递到驱动轮之后，由轮胎与路面之间正向的相互作用而产生；制动力是由制动力矩引起的轮胎与路面之间逆向互相作用而产生的。因此在进行汽车的TCS标定故障工况分析时，需要建立动力传动系模型、制动系统控制模型和整车模型[3]。

从电机输出的扭矩为油门开度，为电机转速，为驾驶员动态扭矩需求，为ESC计算的额外电机扭矩值，

电机动态扭矩特性可简化为带滞后的一阶惯性系统，即：

式中，为对应油门开度下的电机稳态工作扭矩，为系统滞后时间常数，为系统时间常数。

若TCS功能触发时，ESC要求电机降低输出扭矩，电机目标扭矩为，ESC需求目标扭矩为

若DTC功能触发时，ESC要求电机提高输出扭矩，

若TCS/DTC功能都不触发时，

电机扭矩控制为PI控制，为P值，为I值，

假设汽车坐标原点与汽车重心重合，忽略车辆垂直运动，车辆绕Y轴俯仰角及绕X轴侧倾角为零，方向盘转角与前轮转角成比例关系，可得如下动力学方程：

则整车力学特性可简化为如上图所示，图中为转向轮转向角；为纵向力；为侧向力；为迎风阻力；为滚动阻力; a、b分别为重心至前后轴的距离；d为轮距；为车体在固定坐标系下的纵向车速；为车体在固定坐标系下的侧向车速；为车辆重心处的侧偏角；为车辆横摆角速度。

选取对开路面坡道典型工况对汽车可能出现打滑的工况进行分析，由于当驱动轮驱动力矩大于路面最大附着系数是，才可能出现打滑现象。

驱动轮驱动力为：

变速器传动比；分动器传动比;主变速器传动比；为传动系效率。

根据电机转速与车速的关系可得，

为汽车行驶速度（m/s），Ｒ为车轮半径（m），为电机转速（r/min）。

忽略其他阻力，令为滚动阻力系数，W为车轮载荷，为路面附着系数。可得：

滚动阻力

路面最大附着力

3.1.2 基于门限值的驱动轮速差控制算法开发策略

在对开路面上的TCS控制，一般采用基于门限的控制方法，即根据车轮滑转率和车轮减速度是否达到某一设定门限，判断是触发TCS功能及TCS功能触发后是否增加制动压力或者减小驱动扭矩。因此门限值控制选取是门限值控制效果的关键，而在门限值中除了考虑路面条件下车轮的滑移率外，也需要设置差速器保护条件。

对差速器的保护，主要是通过对驱动轮的独立制动控制，保证两侧车轮轮速差保持在一定范围内，即对车轮的轮速差和车轮加速度[1]作为辅助门限。

对单电机驱动的车辆，实际车速通常通过两非驱动轮轮速平均值作为实际车速，即参考车速为：

其中为非驱动轮左轮，为非驱动轮左轮。

首先判断车辆车速条件，设置TCS功能退出车速为V，若车速大于V时，TCS退出，然后对驱动轮两侧车轮轮速（、）进行判断，并选取高转速车轮轮速进行控制，并以考虑到驱动车轮车速变化过程，设高速轮轮速门限轮速差门限控制如图5所示。考虑到在车辆加速度不大时，如果施加制动压力，往往会出现加压过度导致车轮抱死的情况，所以本文TCS系统同时设置轮速加速度门限施加制动控制。对开路面TCS控制策略逻辑框图如下，

驱动轮两轮的差速率为：

车辆驱动车轮的受力关系为：

式中为车轮的转动惯量，为轮端驱动转矩。

通过对轮速差门限值的调整，可以使两侧车轮之间的轮速差控制在一定范围内，低附侧车轮（高速轮）也不会发生过度滑转。因此，通过对轮速差的门限的设置可以将该工况下的差速器差速率控制在一定范围内，从而达到差速器保护的目的。

通过分析可知，加速度门限会影响控制系统的控制效果，过小，则接近轮速差门限控制的效果，可能导致过度制动；过大，则会滞后驱动轮的滑转的判断，使非驱动轮的轮速变化幅度增大，增大传动系统的振动扭矩，从而影响包括差速器在内的驱动系统传动部件的使用寿命。可以看出加速度受路面附着系数、车轮转动惯量的影响，因此在选取加速度门限值时，需要根据路面附着系数及实际轮端的输出转矩来进行选取。

3.2 模型仿真分析

3.2.1 仿真条件

选取某一车型在Matlab/Simulink环境和Carsim环境中进行整车动力性仿真模拟，进行坡道对开路面控制逻辑和算法研究，并进行对开路面基于门限值的驱动轮控制进行仿真研究。由于该车型为两驱单速比变速器，对车辆最大油门的情况下，可选择路面附着系数μ=0.1/0.5、坡度为15%的对开路面。仿真时将该算法与一般滑移率控制算法的控制模型进行了仿真结果对比，以判断该算法的控制效果。

仿真时整车及电驱主要参数如表1所示。

3.2.2 仿真模型搭建

根据TCS控制逻辑搭建系统控制模型如图所示，由Carsim整车模型、制动执行器模型和制动模式估算模型组成，如图7所示。

其中制动模式估算模型包含对基于门限值的驱动轮的轮速差控制模型及对非驱动轮基于滑移率控制模型，如图8所示。

3.2.3 仿真结果与分析

在仿真时使用AB两种方式进行对比仿真分析：即A策略是采用一般滑移率控制算法，对四轮均采用基于滑移率的PID控制，B策略是对驱动轮采用基于门限值的轮速差控制，对非驱动轮仍采用基于滑移率的PID控制。从静止开始以驾驶员最大油门进行加速的情况进行仿真。

通过仿真对比，选取门限值参数如表2。

差速器输入转矩仿真结果如图9所示。

从图中可以看出，低速时（车速小于3kph）A策略的差速器最大输入转矩为400Nm，B策略的最大输入转矩为350Nm，且起步时扭矩振荡幅度降低12.5%。

车速仿真结果如图10所示，从仿真结果可以看出，在車速小于7.5kph时，B策略起步车速比A策略起步车速高，当车速大于7.5kph时，B策略车速明显低于A策略车速。因此可知，基于门限值的驱动轮轮速差控制策略适用于在低速阶段提升车辆的起步加速性能。

如图11轮速控制效果可知，可使驱动轮在1.8s时驱动轮轮速差控制在20%内。

综合以上仿真结果对比可知，B策略即基于门限值的驱动轮门速差控制策略可在车辆起步的低速阶段对驱动轮的轮速差施加控制，同时一定程度上降低差速器的输入扭矩控制，使其控制在合理范围内。

3.3 测试数据验证

在该车上测试时TCS功能触发时整车动力性能，获得电驱输出力矩和轮速测试数据，与仿真结果进行了对比分析，结果如表3所示。

从测试数据可值，采用基于门限值的驱动轮轮速差控制策略明显减低了驱动轮轮速差最大值，即电驱差速率得到了有效控制，同时驱动轮扭矩振荡最大幅值也降低了。由此可证明此控制策略的有效性。

4 结束语

本文基于某前驱纯电动车TCS标定过程中驱动电机出现故障漏油问题进行了研究，阐述了其产生机理，并进行TCS控制模型建模，通过基于Matlab-Simulink与Carsim联合仿真，得到了TCS标定极端工况下差速器扭矩特性的仿真结果，采用差速器保护优化控制策略后，差速器扭矩差和转速差值明显降低，差速器负载工况得到优化，且满足整车动力性能，结果表明在低速范围内，该控制策略可有效降低差速器负载，对驱动电机有一定保护作用。

本仿真中驱动电机模块模型采用通用电驱基础数据搭建电驱模型，与实际可能存在差距，后续应结合整车驱动扭矩测试对电驱模仿真模型进行优化，进一步提高TCS控制模型仿真准确性。

参考文献：

[1]赵健，李静，宋大凤，张加才，李幼德. 基于车轮加速度门限的牵引力控制系统制动控制算法[J]. 吉林大学学报（工学版），1671-5497.2007.02.004.

[2]纯电动乘用车用减速器总成技术条件[s]，6.2.4.6 P7，QC/T1022-2015.

[3]冯勇.TCS控制逻辑算法研究及NJ2045动力性换挡规律制定[D]，吉林：吉林大学硕士论文，2004.5.

[4]李亮，康铭鑫，宋健，李红志，韩宗奇，杨财.汽车牵引力控制系统的变参数自适应PID控制[J]，机械工程学报，2011.12.