CN102556074A - 控制车辆的爬行扭矩的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于控制爬行扭矩以防止车辆在向上斜坡上向后滚动的技术。特别地，从传感器的测量值和车辆加速度实时计算出道路坡度。使用坡度和车辆信息计算用于防止由随坡度而变的重力引起的向后滚动的最大爬行扭矩。基于最大爬行扭矩和车辆速度来计算出第一爬行扭矩参考值。基于最大爬行扭矩和车辆加速度计算出第二爬行扭矩参考值。基于第一爬行扭矩参考值和第二爬行扭矩参考值以及坡度来计算随制动器的操作状态而变的扭矩命令值。作为响应，根据所计算的扭矩命令值来控制驱动电动机的扭矩输出。

Description

控制车辆的爬行扭矩的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制电动车的爬行扭矩的系统和方法。更特别地，本发明涉及一种用于控制爬行扭矩的方法，其能够有效防止使用电动机作为驱动源的车辆的初始斜坡回滚。
背景技术
现今，使用化石燃料燃烧的汽油和柴油发动机的车辆具有废气引起各种环境污染制约、CO2引起的全球变暖、臭氧产生引起的呼吸系统疾病和燃料资源的消耗。
为了帮助阻止这些影响，已经开发了包括纯电动车(pure electricvehicle，EV)(使用电池作为动力源和驱动电动机作为驱动源的车辆)，混合动力车(hybrid electric vehicle，HEV)(使用发动机和驱动电动机作为驱动源的车辆)和燃料电池电动车(fuel cell electric vehicle，FCEV)(使用燃料电池作为动力源和驱动电动机作为驱动源的车辆)的环保电动车。
在典型的汽油发动机车辆中，由于即使在没有压下加速器踏板或制动踏板时发动机的空转扭矩(idle torque)也会传送至变矩器和变送器，因此，即使在驾驶员没有压下加速器踏板时，车辆也可以低速向前缓行。
如图5所示，正在爬坡的车辆受到mgsinθ的坡度阻力以及滚动阻力。由于坡度阻力的原因，该车辆可以通过根据制动踏板的操作的摩擦制动力而停在斜坡。此后，如果驾驶员释放制动踏板，则该车辆可能在这样的情况下向后移动。在这种情况下，驾驶员可以通过踩下制动踏板或加速器踏板来阻止车辆向后滚动。
为了避免执行这样的用于防止车辆在向上的斜坡上向后滚动的操作，已经引入了爬行控制(creep control)技术。在这样的情况下，即使在未压下加速器踏板和制动踏板时，爬行控制技术也可以防止车辆的向后滚动，并且当驾驶员踩下加速器踏板时可以将车辆切换至正常驾驶状态。这是通过当检测到车辆在斜坡上时允许发动机的空转扭矩传递至变矩器和变送器来实现的。
由于电动车没有独立发动机而仅仅使用电动机驱动系统(即电动机、减速器和驱动轮)来驱动，因此，当电动车停止时，来自电动机的空转扭矩并不会自动产生。因此，像在汽油发动机车辆中那样的缓慢行进并不会发生。
因此，模仿缓慢行进的爬行功能(即，像那些具有汽油发动机的车辆那样)必须通过电动机扭矩控制在电动车中实现。
换言之，纯电动车，包括燃料电池车，需要用于产生类似于发动机空转扭矩的扭矩的爬行控制算法以提供类似于典型汽油车辆那样的驾驶感觉。正在进行许多研究以开发用于改善驾驶感觉并且当车辆在向上斜坡上从停止状态重新起动时防止车辆向后滚动的爬行控制算法。
例如，在仅由电动机驱动的车辆例如电动车或燃料电池车中，可以通过在没有附加系统的情况下控制电动机驱动力(例如，通过识别向上斜坡并且增加电动机驱动扭矩)来防止车辆在向上斜坡上的向后滚动。
即，如图6所示，燃料电池车或电动车可以使用倾角传感器(G-sensor)或向后滚动(rolling-back)确定算法来确定向上坡度，并且可根据上面的确定结果来增加电动机扭矩。然而，在典型的用于防止车辆在向上斜坡上向后滚动的爬行扭矩控制方法中，由于各种因素车辆频繁地向后移动或突然地向前冲，因而在灵敏度方面有许多改进的余地。此外，该方法受限于还没有应对传感器故障的对策。
在背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明背景技术的理解，并且因此包含了不构成现有技术但是在本国家已经为本领域技术人员所知的信息。
发明内容
本发明提供一种用于控制爬行扭矩的技术，其能够有效地防止当使用电动机作为驱动源的电动车上坡时的车辆的向后滚动。
一方面，本发明提供一种用于控制爬行扭矩以防止电动车在向上斜坡上向后滚动的系统和方法。更具体地，该技术从倾角传感器的检测值和车辆加速度实时计算行驶道路的坡度。接着使用坡度和车辆信息，根据坡度来计算用于防止由重力引起的向后滚动的最大爬行扭矩。在此情况下，基于最大爬行扭矩和车辆速度，根据车辆速度计算第一爬行扭矩参考，并且基于最大爬行扭矩和车辆加速度，根据车辆加速度计算第二爬行扭矩参考。然后，根据基于第一爬行扭矩参考值和第二爬行扭矩参考值的制动器操作状态以及所测量的坡度来计算扭矩命令值。基于这些计算，根据计算的扭矩命令值通过控制驱动电动机的扭矩输出来产生爬行扭矩。
以下讨论本发明的其它方面和优选实施方式。
附图说明
现将参照由下面仅以示例方式给出的附图示例性说明的特定典型的实施方式来详细说明本发明的以上和其它特征，因此，这些特征不限制本发明，并且其中：：
图1是例示了根据本发明示例性实施方式的控制爬行扭矩的过程的流程图；
图2至4是例示了在根据本发明的示例性实施方式的控制爬行扭矩的过程中所使用的示例性关系图；
图5是例示了典型的倾角传感器和向后滚动确定算法的示例性应用的图；以及
图6是例示了当车辆上坡时车辆受到斜坡阻力的图。
附图中涉及的附图标记包括后面将进一步讨论的下列部件：
11：倾角传感器    12：车辆速度计算单元
13：制动深度检测单元
应该理解的是，附图不必按比例绘制，仅简化示出说明本发明基本原理的各种优选特征。如本文所公开的包括例如具体尺寸、方向、位置和形状的本发明的具体设计特征，部分地由特定应用和使用环境确定。
在所有附图中，相同的附图标记表示本发明中相同或者等同的部件。
具体实施方式
下文将详细参照本发明的各个实施方式，在附图中示出并在下文中描述其实施例。尽管将结合示例性实施方式说明本发明，然而应该理解的是，本说明书不是要将本发明限制到这些典型的实施方式。相反地，本发明不仅要涵盖这些典型的实施方式，还涵盖包含在所附权利要求所限定的本发明的思想和范围内的各种替代、修改、等效物及其它实施方式。
在下文，参考附图详细描述本发明示例性实施方式，从而本领域技术人员可以很容易地实现本发明。
应当理解此处使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括，诸如包括运动用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、多种商用车辆的载客汽车的机动车辆，包括各种船和艇的水运工具，航行器等，并且包括混合动力车、电动车辆、插入式混合电动车辆、氢动力车辆和其它可选的燃料车辆(例如从除了石油以外的资源中获得的燃料)。参照此处所述，混合动力车为具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。
本发明涉及一种用于控制爬行扭矩的方法，其可以有效地防止使用电动机作为驱动源的燃料电池车和纯电动车的初始向后滚动(initialroll-back)。
图1是例示了根据本发明的实施方式的控制爬行扭矩的过程的流程图。图2至4是例示了根据本发明的实施方式的在控制爬行扭矩的过程中所使用的示例性关系的图。
优选地，本发明具有下列特征：1)通过利用使用倾角传感器的车辆坡度的实时估算并根据该坡度计算出合适的爬行扭矩命令值，从而即使在陡坡上也可以改善初始向后滚动；2)通过随车辆的速度而变的爬行扭矩的控制，当识别向后滚动时可以通过增加扭矩来有效地改善向后滚动；3)通过控制随车辆的加速度而变的爬行扭矩，可以防止由于过大的爬行扭矩导致的车辆的突然加速；以及4)通过确定倾角传感器的故障并且将该故障告知驾驶员，从而可以通过紧急操作来防止过大的爬行扭矩的产生。
示例性地，如图1所示，根据本发明的实施方式的控制爬行扭矩的过程中所使用的设备配置，可以包括：传感器11，安装在该车辆中；车辆速度计算单元12，用于计算该车辆的速度；制动深度检测单元13，用于根据制动踏板的操作来检测制动深度；控制器，用于基于传感器11和车辆速度计算单元12的检测值来计算实时坡度，计算最大爬行扭矩，根据该车辆的速度和加速度来计算爬行扭矩参考值，根据制动踏板的操作来计算扭矩命令值，并且使用所计算的扭矩命令值来控制驱动电动机的扭矩；以及警报单元(未示出)，用于当确定倾角传感器有故障时警告驾驶员倾角传感器的故障。
这里，车辆速度计算单元12被配置成从在驱动电动机一侧的电动机RPM(每分钟转数)传感器输出的电动机的传动比和每分钟转数来实时计算车辆的当前速度。此外，制动深度检测单元13可以被配置成根据电动车中所使用的典型电子制动器的制动深度来输出信号。
再次参考图1，根据本发明的实施方式的用于控制爬行扭矩的方法示例性地包括基于传感器(例如，倾角传感器)的检测值和车辆的加速度来实时计算行驶道路的坡度；使用实时计算的坡度和车辆信息来计算用于防止由对应该坡度的重力导致的向后滚动的最大爬行扭矩；基于最大爬行扭矩和车辆的速度来计算随车辆速度而变的第一爬行扭矩参考值；基于最大爬行扭矩和车辆的加速度(从车辆速度中获得)来计算随车辆加速度而变的第二爬行扭矩参考值；基于第一爬行扭矩参考值1，第二爬行扭矩参考值2和坡度来计算随制动器的操作状态而变的扭矩命令值；并且通过根据所计算的扭矩命令值来计算控制驱动电动机的扭矩输出，从而产生爬行扭矩。
在实时计算行驶道路的坡度的步骤中，行驶道路的坡度可以使用倾角传感器的检测值和车辆的加速度来实时地计算，并且该车辆的加速度可以通过对由车辆速度计算单元获得的车辆的速度进行微分(例如，通过使用微分器)来获得。
道路坡度可以表达为公式(1)。
Road_Gradient(％)＝100×tan(a sin(X))，X＝G_meter-Veh_accel/g...
(1)
其中，Road_Gradient(％)表示行驶道路的坡度，G_meter表示倾角传感器的检测值。此外，Veh_accel表示从车辆的速度获得的车辆加速度，g表示重力加速度。
在计算坡度的步骤中，车辆的X-Z方向的加速度可以使用安装在车辆中的倾角传感器来测量。行驶道路的坡度Road_Gradient(％)可以通过使用倾角传感器的检测值G_meter和车辆的加速度Veh_accel的公式(1)来实时计算。
接着，在计算最大爬行扭矩的步骤中，可以使用实时计算的坡度和车辆信息。该车辆信息可以包括例如轮胎动态半径、传动比和整车重量。
在该情况下，最大爬行扭矩可以表达为公式(2)。
Creep_Trq_Max(Nm)＝(Rad_tire/gear_ratio)×Mg sinθ，
θ＝a tan(Road_Gradient/100)     ...(2)
其中，Creep_Trq_Max表示最大爬行扭矩，Rad_tire表示轮胎动态半径。此外，gear_ratio表示传动比，M表示整车重量。
当计算最大爬行扭矩Creep_Trq_Max时，第一爬行扭矩参考值Creep_Trq_Ref1可以根据车辆的速度Veh_speed来计算。在该情况下，可以使用如附图2中所示的爬行扭矩-车辆速度关系图。
即，随车辆的速度而变的第一爬行扭矩参考值1可以使用最大爬行扭矩和车辆速度的输入而从附图2的爬行扭矩-车辆速度提取。附图2所示的关系图例示了表示在特定最大爬行扭矩下随车辆的速度而变的爬行扭矩参考值1的线。
在图2中，当向后滚动没有发生时，爬行扭矩参考值1可以沿着线1来确定。然而，当向后滚动发生(车辆速度＜向后移动基本速度)时，爬行扭矩参考值1可以沿着线2来确定。在该情况下，关系图被设置成根据最大爬行扭矩和车辆速度来反映爬行扭矩增量Creep_Trq_Increment。这里，向后移动基本速度是为了区别反映了爬行扭矩增量Creep_Trq_Increment的速度部分。在(-)车辆速度(向后滚动状态)小于后移基本速度的状态下，爬行扭矩增量可以发生。
此外，从图2中的关系图获得的爬行扭矩增量(根据最大爬行扭矩和车辆速度而确定的值)可以用来计算如图1所描述的第二爬行扭矩参考值2。
当车辆的加速度变为正值时，第一爬行扭矩参考值1可以沿着线3来确定，在线3中反映爬行扭矩增量的当前值在达到爬行中间速度(creep medium speed)之前保持不变。
在线2和线3之间的部分中，最大爬行扭矩和爬行扭矩增量之和成为第一爬行扭矩参考值1。
在图2的关系图中，随着车辆速度从爬行中间速度增加，第一爬行扭矩参考值1被设置得越来越小。
当算得第一爬行扭矩参考值1时，第二爬行扭矩参考值Creep_Trq_Ref2可以根据车辆速度Veh_accel来计算。在该步骤中，可以使用如图3所示的爬行扭矩-加速度关系图。图3例示了表示在特定最大爬行扭矩的第二爬行扭矩参考值2的线。
即，随车辆的加速度而变的第二爬行扭矩参考值2可以通过从附图2的关系图获得的最大爬行扭矩、车辆加速度和爬行扭矩增量的输入而从图3的爬行扭矩-车辆加速度关系图提取。
由于在计算第一爬行扭矩参考值1的步骤中反映爬行扭矩增量的部分(图2的关系图中的线3部分)存在于图3的爬行扭矩-车辆加速度关系图中，因此，第二爬行扭矩参考值2可以这样被确定从而爬行扭矩增量Creep_Trq_Increment在对应上述部分的部分(加速度＜中间加速度)中被反映为相同的值。在该部分中，最大爬行扭矩和爬行扭矩增量之和可以成为第二爬行扭矩参考值2。
在图3的关系图中车辆加速度大于或等于中间加速度的状态下，随着车辆加速度的增加，第二爬行扭矩参考值2可以变得越来越小。
在算得第一爬行扭矩参考值1和第二爬行扭矩参考值2的状态下，当车辆加速度大于或等于预定限制加速度Limit Accel并且通过从第一爬行扭矩参考值1减去第二爬行扭矩参考值2所得到的值大于或等于预定参考值Trq_Ref_Diff((Creep_Trq_Ref1-Creep_Trq_Ref2)≥Trq_Ref_Diff)时，可以确定倾角传感器有故障。
即，由于最大爬行扭矩可以基于倾角传感器的检测值来计算，并且第一爬行扭矩参考值1和第二爬行扭矩参考值2均可以基于最大爬行扭矩来计算，因此，如果这两个值之间的差大于或等于预定参考值Trq_Ref_Diff，则可以确定倾角传感器有故障。在该情况下，控制器可以操作警报单元以告知驾驶员倾角传感器的故障状态。
当倾角传感器有故障时，可以执行不依赖坡度的紧急操作。在该情况下，驱动电动机可以被控制成，使用被认为是平地并且通过将坡度看作约为0％而不反映坡度的爬行扭矩值作为扭矩命令值来输出与在平地上相同的爬行扭矩。当倾角传感器有故障时，紧急操作可防止过大的爬行扭矩产生。
如上所述，算得第一爬行扭矩参考值1和第二爬行扭矩参考值2，并且接着将两个参考值1和2的最小值最终设为爬行扭矩参考值Creep_Trq_Ref。接着，通过爬行扭矩参考值、制动深度(即制动值)和道路坡度的输入，随制动深度而变的扭矩命令值Trq_Cmd可以从图4的制动深度-扭矩关系图(例示了表示在特定爬行扭矩参考值的扭矩命令值的线)计算得到。
在图4的制动深度-扭矩关系图中，当压下制动踏板时释放爬行扭矩时的制动操作深度(Brake_Lim_Zro)可以被设置成随着道路坡度的变化而变化。因此，当在向上斜坡上压下制动踏板时，可以防止因爬行扭矩的提早释放而导致的车辆向后滚动。例如，释放爬行扭矩的制动深度可以被设置成随着道路坡度从大约0％增加到大约20％而变得越来越大。接着，控制器可以根据所计算的扭矩命令值来控制驱动电动机的扭矩输出以产生爬行扭矩。
根据本发明的实施方式，可以实时计算行驶道路的坡度，并且可以从所计算的坡度计算最大爬行扭矩。此外，可以计算出随车辆速度而变的第一爬行扭矩参考值1和随车辆加速度而变的第二爬行扭矩参考值2，并且接着可以根据作为两个参考值1和2的最小值的爬行扭矩参考值和制动深度来计算扭矩命令值以继续进行产生爬行扭矩的步骤。因此，可以有效地防止电动车的初始向后滚动。
此外，通过将随车辆速度而变的第一爬行扭矩参考值1与第二爬行扭矩参考值2进行对比的步骤，可以确定倾角传感器是否有故障。如果倾角传感器有故障，则通过紧急操作(将爬行扭矩调整至大约0％的坡度)可以防止过大的爬行扭矩的产生。
根据用于控制爬行扭矩以防止在向上斜坡上车辆向后滚动的方法，可以有效地防止当车辆爬坡时车辆的初始向后滚动。此外，提高了整个系统的灵敏度，从而防止由于过大的爬行扭矩而导致的车辆的突然加速。
此外，可以检测倾角传感器的故障并且告知驾驶员其故障状态，并且通过紧急操作来防止过大的爬行扭矩的产生。
上面已参考本发明的优选实施方式对本发明进行详细说明。然而，可以理解，本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以对本发明进行变型，本发明的范围由所附的权利要求及其等价形式限定。

Claims (13)

1.一种用于控制爬行扭矩以防止车辆在向上斜坡上向后滚动的方法，所述方法包括：
通过控制器从传感器的检测值和车辆加速度实时计算出行驶道路的坡度；
通过所述控制器使用所述坡度和车辆信息来计算用于防止由随所述坡度而变的重力引起的向后滚动的最大爬行扭矩；
通过所述控制器基于所述最大爬行扭矩和车辆速度来计算随所述车辆速度而变的第一爬行扭矩参考值；
通过所述控制器基于所述最大爬行扭矩和所述车辆加速度来计算随所述车辆加速度而变的第二爬行扭矩参考值；
通过所述控制器基于所述第一爬行扭矩参考值和所述第二爬行扭矩参考值以及坡度来计算随制动器的操作状态而变的扭矩命令值；并且
通过控制器，通过根据所计算的扭矩命令值来控制驱动电动机的扭矩输出，从而产生爬行扭矩。
2.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述第一爬行扭矩参考值的步骤包括，从表示最大爬行扭矩和车辆速度之间的关系的爬行扭矩-车辆速度关系图计算出所述第一爬行扭矩参考值。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述爬行扭矩-车辆速度关系图中，将爬行扭矩增量应用到发生车辆的向后滚动的车辆速度部分，并且根据所述最大爬行扭矩和所述车辆速度，将直至处于所述车辆加速度变为正(+)值的状态的预定爬行中间速度的车辆速度部分设定为一个值。
4.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述第二爬行扭矩参考值的步骤包括，根据来自表示所述最大爬行扭矩和所述车辆加速度的关系的爬行扭矩-车辆加速度关系图的所述车辆加速度来计算所述第二爬行扭矩参考值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在所述爬行扭矩-车辆加速度关系图中，设定将要应用到所述车辆加速度小于预定中间加速度的部分的爬行扭矩增量，并且在所述车辆加速度小于所述预定中间加速度的部分中，从所述最大爬行扭矩和所述爬行扭矩增量之和获得所述第二爬行扭矩参考值。
6.如权利要求5所述的方法，其中，根据来自所述爬行扭矩-车辆速度关系图的所述最大爬行扭矩和所述车辆速度来获得所述爬行扭矩增量，所述爬行扭矩-车辆速度关系图用于计算所述第一爬行扭矩参考值。
7.如权利要求1所述的方法，还包括，基于所述第一爬行扭矩参考值和所述第二爬行扭矩参考值以及车辆加速度来确定倾角传感器是否有故障，并且操作报警器单元以告知故障状态。
8.如权利要求7所述的方法，其中，如果所述车辆加速度大于或等于预定限制值，并且所述第一爬行扭矩参考值和所述第二爬行扭矩参考值的差值大于或等于预定参考值，则所述倾角传感器被确定为有故障。
9.如权利要求8所述的方法，其中，当所述倾角传感器有故障时，使用被认为是具有大约百分之零的坡度的平地的爬行扭矩值作为扭矩命令值，并执行产生所述驱动电动机的爬行扭矩的紧急操作。
10.如权利要求1所述的方法，其中，计算所述扭矩命令值的步骤包括，最终将所述第一爬行扭矩参考值和所述第二爬行扭矩参考值的最小值确定为爬行扭矩参考值，并且根据来自表示所述爬行扭矩参考值、制动深度和坡度之间的关系的制动深度-扭矩关系图的制动深度来计算扭矩命令值。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述制动深度-扭矩关系图被设置成，在制动踏板被压下时释放所述爬行扭矩(爬行扭矩等于0)时的制动深度随所述坡度的变化而变化。
12.如权利要求11所述的方法，其中，释放所述爬行扭矩时的所述制动深度被设置成随着所述坡度的增加而增大。
13.一种控制爬行扭矩以防止车辆在向上斜坡上向后滚动的系统，所述系统包括：
传感器，被配置成检测车辆正在行驶的行驶道路的坡度；
第一单元，被配置成计算所述车辆的速度；
第二单元，被配置成根据制动踏板的操作来检测制动深度；以及
控制器，被配置成，从传感器的检测值和车辆加速度实时计算出所述行驶道路的坡度，使用所述坡度和所述车辆信息计算用于防止由随坡度而变的重力引起的向后滚动的最大爬行扭矩，基于所述最大爬行扭矩和所计算的车辆速度来计算第一爬行扭矩参考值，基于所述最大爬行扭矩和所述车辆加速度来计算第二爬行扭矩参考值，基于所述第一爬行扭矩参考值和所述第二爬行扭矩参考值以及所述坡度来计算随制动器的操作状态而变的扭矩命令值，并且通过根据所计算的扭矩命令值来控制驱动电动机的扭矩输出从而产生爬行扭矩。
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