CN101209682B - 电动汽车爬坡状态下电机输出转矩控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车的电机输出转矩控制系统及方法，包括：当电动汽车在爬坡状态时，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，速度传感器检测车辆前行的当前速度，油门深度传感器检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain；根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1；计算当前速度下电机输出的最大转矩T2；根据最小转矩T1、电机输出的最大转矩T2和油门深度Gain确定出控制电机输出转矩的转矩控制信号，使电机输出转矩大于抑制车辆倒退下滑的最小转矩T1，即使油门深度为零，也可以抑制车辆在上坡时倒退下滑。

Description

电动汽车爬坡状态下电机输出转矩控制系统及控制方法
【技术领域】
本发明涉及电动汽车的电机输出转矩控制系统及控制方法，尤其涉及电动汽车在爬坡状态下的电机输出转矩控制系统及控制方法，从而使电动汽车以安全速度爬坡。
【背景技术】
传统的燃油汽车采用发动机作为动力输出源，为了保证发动机不熄火，发动机运转的速度必须在一个怠速值以上。当处于上坡状况时，即使驾驶员不踩油门，发动机也会因为要运行在怠速以上而有一个向前的力矩，保证车辆不会倒退下滑。而电动汽车多是采用电机作为动力输出源，由CPU根据公式T＝T2*Gain，计算出电机输出转矩，并控制电机以该转矩带动车轮，使汽车达到所要求的速度，其中T为电机输出转矩，T2为当前车速下电机输出的最大转矩，Gain为油门深度，Gain的取值范围为0～1，油门踩压越深，Gain越大。所以电机不需要怠速来保证汽车运行，所以一般情况下，当驾驶员不踩油门时，电机是没有力矩输出的。但是当电动汽车在一个斜坡上时，如果驾驶员松开油门，由于电机无力矩输出，车辆倒退下滑可能会产生严重后果，所以希望能够抑制车辆在上坡过程中不希望发生的倒退下滑。
【发明内容】
本发明的主要目的是为了解决上述问题，提出一种电动汽车爬坡状态下电机输出转矩控制系统及控制方法，使电动汽车在爬坡时根据当时的车况控制电机输出转矩，抑制车辆在上坡过程中出现不希望发生的倒退下滑，从而增强车辆驾驶的安全性和舒适性。
为实现上述目的，本发明提供一种电动汽车爬坡状态下电机输出转矩控制方法，包括以下步骤：
A1、当电动汽车在爬坡状态时，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，速度传感器检测车辆前行的当前速度，油门深度传感器检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain；
B1、根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1；
C1、计算当前速度下电机输出的最大转矩T2；
D1、根据最小转矩T1、电机输出的最大转矩T2和油门深度Gain确定出控制电机输出转矩的转矩控制信号，使电机输出转矩大于抑制车辆倒退下滑的最小转矩T1，在该步骤中根据公式T＝T1+(T2-T1)*Gain计算电机输出转矩，其中T为电机输出转矩。
一种实施例中，所述步骤B1中的最小转矩T1为整车重量在当前速度和倾斜角度下在汽车倒退方向上的等效转矩。
另一种实施例中，所述步骤B1包括以下步骤：将车辆前行的当前速度V与设定的速度阈值V0进行比较，当V＞V0时，T1＝0；当V＜0时，T1为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩；当0≤V≤V0时，T1＝(1-(V-V0)/V0)*T0，其中，T0为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩。
在步骤A1中，判断电动汽车处于爬坡状态包括以下步骤：接收倾斜角度传感器输出的角度信号，对角度信号进行平滑处理，根据处理后的角度信号判断车辆是否处于爬坡状态。
在步骤C1之后、步骤D1之前还包括档位判断步骤：接收档位传感器的输出信号，判断当前档位是否位于前进档或空档，如果是则执行步骤D1。
为实现上述目的，本发明还提供一种电动汽车爬坡状态下电机输出转矩控制系统，包括：倾斜角度传感器，用于检测车辆的倾斜角度；速度传感器，用于检测车辆前行的当前速度；油门深度传感器，用于检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain；电机控制ECU，接收倾斜角度传感器、速度传感器和油门深度传感器的输出，用于根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1和计算当前速度下电机输出的最大转矩T2，根据最小转矩T1、电机输出的最大转矩T2和油门深度Gain确定出控制电机输出转矩的转矩控制信号，使电机输出转矩大于抑制车辆倒退下滑的最小转矩T1，电机输出转矩的计算公式为T＝T1+(T2-T1)*Gain，其中T为电机输出转矩。
所述电机控制ECU中包括比较单元，所述比较单元用于将车辆前行的当前速度V与设定的速度阈值V0进行比较，当V＞V0时，T1＝0；当V＜0时，T1为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩；当0≤V≤V0时，T1＝(1-(V-V0)/V0)*T0，其中，T0为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩。
还包括档位检测单元，所述档位检测单元接收档位传感器的输出信号，用于在当前档位位于前进档或空档时输出用于控制电机控制ECU开始计算的控制信号。
本发明的有益效果：本发明从倾斜角度传感器检测到车辆在上坡时，根据车辆当前速度V和车体重量计算出抑制车辆倒退下滑的最小转矩，并根据油门深度Gain对此力矩进行加成计算得出最后转矩，即使油门深度为零，电机输出的转矩也不会小于抑制车辆倒退下滑的最小转矩，因而可以抑制车辆在上坡时倒退下滑，从而增强车辆驾驶的安全性和舒适性。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是表示作为本发明的一个实施方式的电动汽车的电气驱动系统简要结构图；
图2是本发明一种实施例的流程图；
图3是实现本发明一种实施例的结构图。
【具体实施方式】
请参阅图1，作为本发明一个实施方式的电动汽车的电气驱动系统10的简要结构图。如图所示，实施例中的电动汽车电气驱动系统10包括：电池组1、油门踏板2、刹车踏板11、倾斜角度传感器3、电容组4、电机控制ECU 5、逆变器6、驱动隔离单元7、电机8、旋转变压器9。
其中，所述电池组1采用大功率的电池组，电压200V～330V，是整个电气驱动系统的能量源；所述油门踏板2和刹车踏板11固定在与传统汽车相同的地方，用于向电机控制ECU 5传递油门和刹车深度信号；所述倾斜角度传感器固定在整车底盘上，用于向电机控制ECU 5传递车辆倾斜角度信号；所述电容组4正极与所述电池组1的正极母线相连接，负极与所述电池组1的负极母线相连接，用于吸收高频冲击电压，平滑直流电压波形；所述电机控制ECU 5用于计算PWM信号，通过驱动隔离单元送入逆变器6；所述逆变器6由三个IPM(智能功率模块，也可用IGBT，晶体管等功率器件)组成，IPM分为上下桥臂，所述三个IPM的上桥臂的输入端与电池组1的正极母线相连接，下桥臂与电池组1的负极母线相连接，各IPM之间的各个连接点分别与所述电机8的三相线圈(U相、V相、W相)相连接；所述电机8是永磁型同步电动机，作为电动汽车的动力输出源；所述旋转变压器9与所述电机8的转子相连接，用于检测所述电机8的转子的旋转角度位置，并传递给所属电机控制ECU5。
本发明是基于与驾驶员对油门踏板2的踩压深度相对应的油门深度Gain和车速V来计算应向车轮输出的所需转矩T。所述电动汽车的电机控制ECU5根据所述倾斜角度传感器采集的整车倾斜角度信号，与整车的重量和车辆当前的速度V相结合，计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1，在所述最小转矩T1基础上根据油门深度Gain与当前电动机转速V计算出转矩加成项，两者加成得到最终输出转矩T。
如图2所示，为本发明的流程图，包括以下步骤：
在步骤S1，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，速度传感器检测车辆的当前速度，并将倾斜角度、车辆的当前速度V输入到电机控制ECU，然后执行步骤S2；
在步骤S2，电机控制ECU根据车辆的倾斜角度、当前速度V和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1，确定当前速度V下电机输出的最大转矩T2，然后执行步骤S3；
抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1为根据车辆整备质量的重力在坡度方向上对车辆向下的作用力，再根据此作用力换算到电机的对应扭矩，即整车重量在当前速度和倾斜角度下在汽车倒退方向上的等效转矩。
电机输出的最大转矩T2和电机的特性曲线有关系。在不同速度下，电机输出最大转矩不一样，根据电机输出的最大转矩T2和速度的函数关系，在一固定速度V下，电机输出的最大转矩T2也是一个固定值。电机输出的最大转矩T2可通过实验测出来。通常，电机输出的最大转矩T2大于抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1。
在步骤S3，油门深度传感器检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain，并将油门深度Gain输入到电机控制ECU，然后执行步骤S4；
在步骤S4，判断当前的档位是否位于前进档或空档，如果是，则执行步骤S5，如果不是则执行步骤S6；
在步骤S5，电机控制ECU根据油门深度Gain、最小转矩T1、电机输出的最大转矩T2计算出电机的最终输出转矩T，然后执行步骤S7；
电机的最终输出转矩T的具体加成计算方法如下：
以所述最小转矩T1为起点，以当前电动机转速V下油门深度Gain为最大值时计算出的转矩T2为终点，做一条纵轴为输出转矩，横轴为油门深度Gain的线性曲线。此曲线上的输出转矩最小值为上述所说的抑制车辆倒退所需的最小转矩T1，最大值为在此速度下油门深度Gain为最大时计算出的向车轮输出的所需转矩T2。输出转矩随着油门深度Gain的增大而线性地变大，当油门深度Gain达到最大值时，输出转矩T达到最大值T2。
具体计算公式如下：
T＝T1+(T2-T1)*Gain……………………………(1)
在步骤S6，电机控制ECU根据正常的转矩计算公式T＝T2*Gain，计算出电机输出转矩T，然后执行步骤S7；
在步骤S7，电机控制ECU根据计算的电机输出转矩T输出相应的PWM控制信号，并输出到电机控制器，由电机控制器控制电机输出相应力矩。
上述步骤中，抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1的一种计算方法是：直接将重力在汽车倒退方向上产生的转矩作为抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1，重力在汽车倒退方向上产生的转矩可以通过以下公式计算得到：
T0＝m1*g*sin θ*r/k
其中，m1是汽车的整备质量，g是重力加速度，θ是车辆倾斜角度传感器测得的倾斜角，r为车轮半径，k为变速箱的减速比。
一种计算方法是：
首先计算重力在汽车倒退方向上产生的转矩T0：
T0＝m1*g*sin θ*r/k
然后将车辆前行的当前速度V与设定的速度阈值V0进行比较，判断当前速度V是否低于速度阈值V0，如果低于此速度阈值V0，认为此时的爬坡状态将会导致车辆倒退下滑，此时电机输出转矩控制系统根据速度大小计算出应该给出的力矩，有以下三种情况：
当V＞V0时，T1＝0，则电机实际输出的转矩为T＝T2*Gain，即在有足够的速度时，不需要电机额外输出转矩，只是根据驾驶员的控制，按照油门深度信号输出转矩即可防止车辆在爬坡状态下下滑；
当0≤V≤V0时，T1＝(1-(V-V0)/V0)*T0，其中，T0为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩，此时T＝T1+(T2-T1)*Gain；
当V＜0时，T1为整车重量在汽车倒退方向上产生的转矩，即T1＝T0，此时T＝T1+(T2-T1)*Gain，但由于T0＞(1-(V-V0)/V0)*T0，所以为克服车辆在爬坡时重力产生的使车辆下滑的转矩，当车辆具有一个合适的爬坡速度时电机需要输出的转矩较小，而车辆下滑时，电机需要输出的力矩较大。
其中，所述速度阈值V0为10km/h。速度阈值V0是根据实验来确定的，设为10km/h较佳，小于10km/h则速度太低，此时爬坡助手的力矩注入可能会导致车辆的力矩冲击，大于10km/h则速度较高，此时注入爬坡助手的力矩会导致爬坡速度始终不会低，只能以较高速度爬坡。
在步骤S1之前，系统首先对车辆是否处于爬坡(上坡)状态进行判断，判断步骤如下：
接收倾斜角度传感器输出的角度信号，对角度信号进行平滑处理，根据处理后的角度信号判断车辆是否处于爬坡状态，例如如果处理后的角度信号仍然是大于一定值的正角度信号，则认为车辆处于爬坡状态。
实现以上控制方法的系统的结构如图3所示，包括倾斜角度传感器、速度传感器、油门深度传感器(相当于油门踏板)、电机控制ECU。倾斜角度传感器用于检测车辆的倾斜角度，速度传感器用于检测车辆前行的当前速度，油门深度传感器用于检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain，电机控制ECU接收倾斜角度传感器、速度传感器和油门深度传感器的输出，用于根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1和计算当前速度下电机输出的最大转矩T2，根据最小转矩T1、电机输出的最大转矩T2和油门深度Gain确定出控制电机输出转矩的转矩控制信号，使电机输出转矩大于抑制车辆倒退下滑的最小转矩T1。电机输出转矩的具体计算公式是：
T＝T1+(T2-T1)*Gain。
其中，所述电机控制ECU中优选包括比较单元，所述比较单元用于将车辆前行的当前速度V与设定的速度阈值V0进行比较，当V＞V0时，T1＝0；当V＜0时，T1为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩；当0≤V≤V0时，T1＝(1-(V-V0)/V0)*T0，其中，T0为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩。
还进一步包括档位检测单元，所述档位检测单元接收档位传感器的输出信号，用于在当前档位位于前进档或空档时输出用于控制电机控制ECU开始计算的控制信号。所以电机控制ECU是在爬坡控制信号和档位检测单元输出的控制信号都有效时才开始计算。
根据以上说明的电动汽车，当挂着前进档处于坡上时，即使驾驶员完全松掉油门，此时系统已计算出抑制车辆倒退的最小转矩，电机会根据此最小转矩对车轮输出转矩，此转矩能抑制电动汽车下滑。当驾驶员踩油门时，通过油门深度Gain在上述(转矩-油门深度)曲线中的位置计算得到此时的输出转矩，此输出转矩应大于所述防止电动汽车下滑的最小输出转矩T1，且小于等于此速度V下油门深度Gain为最大时的输出转矩T2。

Claims (9)

1.电动汽车爬坡状态下电机输出转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A1、当电动汽车在爬坡状态时，倾斜角度传感器检测车辆的倾斜角度，速度传感器检测车辆前行的当前速度，油门深度传感器检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain；
B1、根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1；
C1、计算当前速度下电机输出的最大转矩T2；
D1、根据最小转矩T1、电机输出的最大转矩T2和油门深度Gain确定出控制电机输出转矩的转矩控制信号，使电机输出转矩大于抑制车辆倒退下滑的最小转矩T1，在该步骤中根据公式T＝T1+(T2-T1)*Gain计算电机输出转矩，其中T为电机输出转矩。
2.如权利要求1所述的电机输出转矩控制方法，其特征在于：所述步骤B1中的最小转矩T1为整车重量在当前速度和倾斜角度下在汽车倒退方向上的等效转矩。
3.如权利要求1所述的电机输出转矩控制方法，其特征在于：所述步骤B1包括以下步骤：将车辆前行的当前速度V与设定的速度阈值V0进行比较，当V＞V0时，T1＝0；当V＜0时，T1为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩；当0≤V≤V0时，T1＝(1-(V-V0)/V0)*T0，其中，T0为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩。
4.如权利要求3所述的电机输出转矩控制方法，其特征在于：所述速度阈值V0为10km/h。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电机输出转矩控制方法，其特征在于：在步骤A1中，判断电动汽车处于爬坡状态包括以下步骤：
接收倾斜角度传感器输出的角度信号，对角度信号进行平滑处理，根据处理后的角度信号判断车辆是否处于爬坡状态。
6.如权利要求5所述的电机输出转矩控制方法，其特征在于：在步骤C1之后、步骤D1之前还包括档位判断步骤：接收档位传感器的输出信号，判断当前档位是否位于前进档或空档，如果是则执行步骤D1。
7.电动汽车爬坡状态下电机输出转矩控制系统，其特征在于包括：
倾斜角度传感器，用于检测车辆的倾斜角度；
速度传感器，用于检测车辆前行的当前速度；
油门深度传感器，用于检测油门被踩压深度所对应的油门深度Gain；
电机控制ECU，接收倾斜角度传感器、速度传感器和油门深度传感器的输出，用于根据车辆的倾斜角度、当前速度和整车的重量计算出抑制车辆在此倾斜角度下倒退下滑所需的最小转矩T1和计算当前速度下电机输出的最大转矩T2，根据最小转矩T1、电机输出的最大转矩T2和油门深度Gain确定出控制电机输出转矩的转矩控制信号，使电机输出转矩大于抑制车辆倒退下滑的最小转矩T1，电机输出转矩的计算公式为T＝T1+(T2-T1)*Gain，其中T为电机输出转矩。
8.如权利要求7所述的电机输出转矩控制系统，其特征在于：所述电机控制ECU中包括比较单元，所述比较单元用于将车辆前行的当前速度V与设定的速度阈值V0进行比较，当V＞V0时，T1＝0；当V＜0时，T1为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩；当0≤V≤V0时，T1＝(1-(V-V0)/V0)*T0，其中，T0为整车重量在汽车倒退方向上的产生的转矩。
9.如权利要求7或8所述的电机输出转矩控制系统，其特征在于：还包括档位检测单元，所述档位检测单元接收档位传感器的输出信号，用于在当前档位位于前进档或空档时输出用于控制电机控制ECU开始计算的控制信号。
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