CN103072576B - 基于并行结构的驾驶员请求扭矩安全架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并行结构的驾驶员请求扭矩滤波安全架构，包括驾驶员请求扭矩滤波模块与驾驶员请求扭矩滤波监控模块，其中：驾驶员请求扭矩滤波模块用于对驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩进行滤波处理；驾驶员请求扭矩滤波监控模块用于监控驾驶员请求扭矩滤波模块滤波后的驱动动力源请求扭矩：通过将请求扭矩滤波模块滤波后的驱动动力源请求扭矩与滤波前的驱动动力源请求扭矩进行合理性检查，判别驾驶员请求扭矩滤波模块是否存在故障，来保证驾驶员请求扭矩滤波安全。可以避免由于整车控制器硬件故障导致对动力源的扭矩请求产生异常，进而引发非期望的车辆加速或减速的危险，从而保证整个驱动动力系统能够安全、可靠的工作。

Description

基于并行结构的驾驶员请求扭矩安全架构

技术领域

本发明属于汽车扭矩管理与控制领域，所提出的并行式驾驶员请求扭矩安全架构是一种通用的力矩解释解决方案，不仅适合于采用发动机作为动力源的传统汽车，也适合于纯电动汽车、混合动力汽车及燃料电池汽车等新能源汽车。

背景技术

汽车产业是我国的支柱产业，2010年全国汽车销量已经突破1700万辆。汽车作为一种交通工具，对我国的交通安全、能源安全和社会和谐发展起着越来越重要的作用。另一方面，随着汽车保有量的不断攀升，能源安全和环境保护问题越来越受到政府和社会的重视。发展新的清洁替代能源，通过混合动力汽车和纯电动汽车等新能源汽车，实现低排放和高效率，在有效减少车辆环境污染的同时缓解了交通对石油资源的过度消耗，是解决我国当前能源和环境问题的一项重要手段。

    传统汽车的动力系统由发动机本体、发动机管理系统(EMS)、变速箱本体、变速箱控制系统(TCU)组成。新能源汽车的动力系统主要由整车控制器(VCU)、驱动电机、电机控制器、高压电池组、电池管理系统、直流/直流变换器等部件组成。无论是传统汽车还是新能源汽车，控制器(EMS/VCU)是整个动力系统的核心，主要进行整个系统的扭矩管理、电源管理、空调等附件管理及动力系统故障诊断，其中扭矩管理是控制器最为重要的功能。

无论是传统汽车还是新能源汽车，从扭矩管理的角度来说，都是控制器根据加速踏板位置、制动踏板位置、换档杆位置等输入信号，将驾驶员的驾驶需求最终转化为对动力源的扭矩请求的决策过程。对于传统汽车而言，发动机管理系统对喷油、点火等进行控制，通过发动机做功将化学能转变为机械能，驱动车辆行驶；对于新能源汽车而言，除了发动机外，驱动电机也是可以提供动力的装置，辅助或者作为唯一动力源(对于纯电动汽车而言)来驱动车辆。

扭矩管理必须考虑扭矩安全问题。控制器(EMS/VCU)作为发出扭矩请求指令的控制单元，必须保证能够安全、可靠的工作。因此，必须设计一套完整的控制架构及监控机制，当其工作异常时（如由于内存等硬件故障，控制器发出的扭矩指令与当前的驾驶工况和驾驶员的扭矩请求意图出现严重偏差，引起过大的驾驶员非期望的加速度），能够及时的发现并采取相应的故障处理措施、保证行车安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出的一种因驱动动力源(发动机或者电机)的扭矩请求产生异常，进而引发非期望的车辆加速或减速的危险，从而保证整个驱动动力系统能够安全、可靠工作的基于并行结构的驾驶员请求扭矩安全架构。为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种基于并行结构的驾驶员请求扭矩安全架构，其特征在于：包括驾驶员请求扭矩解释与驾驶员请求扭矩监控模块，这两个模块为并行计算，并相互保持独立，其中：

所述的驾驶员请求扭矩解释模块，根据输入信号处理模块输出的当前加速踏板位置、制动踏板位置、车速以及换档杆位置信息，计算得到符合驾驶员需求的驱动动力源请求扭矩。

其中驱动动力源请求扭矩的计算方法如下：驾驶员请求扭矩解释模块包含前进工况下的驾驶员扭矩请求、倒档工况下的扭矩请求、再生制动扭矩请求以及扭矩仲裁模块。当车辆前进行驶时，根据加速踏板确定驾驶员的扭矩请求，并考虑系统扭矩输出能力及变速箱输入轴转速，扭矩指令不能超出系统中驱动动力源的外特性范围，变速箱的输入轴转速越高，扭矩值越小。当车辆倒车行驶时，根据加速踏板确定驾驶员的扭矩请求，并考虑系统扭矩输出能力及变速箱输入轴转速，扭矩指令不能超出驱系统中驱动动力源的外特性范围，变速箱的输入轴转速越高，扭矩值越小，起到对倒挡车速进行限制的作用。当驾驶员不踩加速踏板也不踩制动踏板，且车速较低时，则只有电爬扭矩。当驾驶员松开加速踏板时，根据车速及高压电池SOC来决定再生制动扭矩（根据驾驶员是否踩下制动踏板，又可分为滑行再生制动扭矩和制动再生制动扭矩），车速越高，滑行再生制动扭矩越大；制动踏板开度越大，制动再生制动扭矩越大。最后扭矩仲裁模块会根据制动踏板的开度，对发出的扭矩指令乘以相应的系数，制动踏板开度越大，系数越小，扭矩值相应的越小。当档位为D档时，输出前进档扭矩与再生制动扭矩之和（如果存在再生制动扭矩）；当档位为R档时，输出倒车档扭矩与再生制动扭之和（如果存在再生制动扭矩）；当档位为P或N档时，则无扭矩指令发出。

所述的驾驶员请求扭矩监控模块，包括简化的扭矩请求解释子模块和扭矩比较及故障识别子模块：

所述简化的扭矩请求解释子模块根据经过解耦处理的车速、加速踏板位置、换档杆位置信号以及制动踏板位置信号为输入，计算得到当前工况下的驾驶员请求扭矩，然后根据计算出的驾驶员请求扭矩，计算出扭矩请求的上下限；

所述的扭矩比较及故障识别子模块将驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩与扭矩请求的上下限进行比较，如果驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩大于计算出的扭矩请求的上限或小于计算出的扭矩请求的下限且持续时间超过设定时间t₁时，扭矩比较及故障识别子模块则对驱动动力源控制器发送紧急停机请求指令，同时在存储区记录相应的故障码和冻结帧；如果驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩，在计算出扭矩请求的上下限的范围之内，则认为请求扭矩解释模块工作正常。

其中驾驶员请求扭矩的计算方法如下：

简化的驾驶员请求扭矩解释子模块采用和驾驶员请求扭矩解释模块相同的扭矩结构，即前进挡的扭矩请求、倒挡的扭矩请求、再生制动力矩扭矩请求及扭矩仲裁模块：

简化的前进档扭矩请求结构中，助力工况下的驾驶员扭矩需求系数根据当前车速和加速踏板位置查表获得，而助力扭矩等于动力系统峰值扭矩能力乘以助力工况下的驾驶员需求系数。电爬扭矩则是车速的函数，根据当前的车速查表得到，车速越高，扭矩值越小。助力扭矩与电爬扭矩相加即可以得到前进档工况下的驾驶员扭矩请求。简化的倒挡请求扭矩，与简化的前进档驾驶员请求扭矩结构基本一致，其中电爬扭矩和扭矩需求系数也同应用层相同。简化的再生制动扭矩请求，则以应用层的再生制动请求扭矩作为输入，并且对其进行上下限限制，使再生制动扭矩保持在上下限的区间范围之内，上限值为0，下限值T₁(T₁<0)。扭矩仲裁模块同应用层的结构保持一致。扭矩仲裁模块首先将前进挡和倒挡情况下的驾驶员请求扭矩进行综合，然后根据制动踏板位置进行修正，制动踏板开度越大，扭矩指令越小。接着再对再生制动扭矩和动力系统扭矩限制情况进行仲裁，最后输出驾驶员需求的驱动轴扭矩原始值。

所述计算出扭矩请求的上下限值的计算方法为：

当驾驶员请求扭矩为正扭矩时，扭矩请求的上限为请求扭矩值与让车辆产生设定加速度a₁的扭矩值之和，扭矩请求的下限为让车辆产生设定减速度a₂的扭矩值；

当驾驶员请求扭矩为负扭矩时，扭矩请求的上限为让车辆产生设定加速度a₂的扭矩值。扭矩请求的下限为请求扭矩值与让车辆产生设定减速度a₁的扭矩值之和。

监控层的扭矩比较及故障识别模块通过将应用层的驾驶员请求扭矩值与计算得出的扭矩请求上下限值进行扭矩比较，如果扭矩比较及故障识别模块判断请求扭矩解释工作正常，则驾驶员扭矩请求的数值应等于应用层的请求扭矩解释模块输出的扭矩值，否则上报故障。通过这样来控制整车控制器能够正确的解释驾驶员的扭矩请求，其普遍适用于各种汽车的并行式力矩安全架构。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

本发明采用监控层对应用层的数据运行进行监控，因此，可以避免由于整车控制器硬件故障导致对动力源(发动机或者电机)的扭矩请求产生异常，进而引发非期望的车辆加速或减速的危险，从而保证整个驱动动力系统能够安全、可靠的工作。

附图说明

图1 本发明的并行式力矩安全架构示意图。

图2 纯电动汽车驱动系统组成示意图。

附图标记说明：

1、整车控制器； 2、驱动电机；  3、主减速器；  4、12伏蓄电池；   5、直流-交流逆变器；6、直流-直流变换器； 7、驱动电机控制器； 8、高压电池管理系统； 9、高压动力电池； 10、挡位控制器； 11、加速踏板位置传感器/制动踏板位置传感器。

图3 驾驶员请求扭矩解释及监控模块示意图。

图4 监控层前进档工况下的扭矩结构。

图5 监控层扭矩仲裁结构。

图6 监控层驾驶员扭矩请求上下界示意图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图。以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明所述的基于并行结构的汽车力矩安全架构，应用层与监控层以及并行结构的说明请参考公开的的发明申请：基于并行结构的汽车力矩安全架构(苏州力久新能源科技有限公司 January 2012: CN 201110186798.X)，包括整车控制器，所述整车上层控制器包括主芯片以及辅助芯片，主芯片上集成有存储区、力矩安全故障处理模块以及相互并行计算的应用层和监控层，且应用层和监控层的相关数据均分别存储于存储区的相应位置，而辅助芯片上则集成有硬件监控层，其中：所述应用层，根据驾驶员的请求输入信号以及各下层控制器通过CAN总线输入的反馈信息，计算当前工况下对驱动动力源的扭矩请求；所述监控层，对应于应用层的各功能模块设置相应的功能模块，以监控应用层每一功能模块数据运行；所述硬件监控层，用于检测主芯片的存储区、力矩安全故障处理模块、应用层以及监控层工作状况；所述力矩安全故障处理模块，根据监控层的各功能模块对应用层相应功能模块的监控结果，控制驱动动力源的运行。

    如图1所示，整车控制器1由主芯片和辅助芯片两部分组成，应用层软件和监控层软件运行于主芯片上，辅助芯片对主芯片的运行进行监控。通过问答机制检测主芯片的存储区及运算逻辑单元是否正常工作。

    如图1所示，应用层主要由输入信号处理、驾驶员请求扭矩解释、请求扭矩滤波、请求扭矩限制及输出信号处理等5个功能模块组成，其输入为加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器11提供的模拟信号，以及直流-直流变换器6、驱动电机控制器7、高压电池管理系统8、挡位控制器10通过CAN总线发送的相应信号。其输出为对驱动电机的扭矩请求，以及该扭矩请求的有效标志位及承载该信号信息帧的校验位。

    如图1所示，监控层与应用层的控制结构相对应，主要由输入信号监控、驾驶员请求扭矩监控、请求扭矩滤波监控、请求扭矩限制监控、驱动电机扭矩监控、程序完整性监控及输出信号监控等7个功能模块组成。当应用层的某一功能模块运行时出现故障，发出异常的电机扭矩请求时，相应的监控层的功能模块便会触发力矩安全故障处理模块，并请求驱动电机紧急停机。

如图1所示，首先对应用层和监控层的决定扭矩安全的关键输入信号进行解耦处理，解耦处理指的是采用相互独立的程序代码对同一个信号分别进行计算，计算方法可以相同，也可以不同，然后得到两个独立的、互不干扰的输出信号。一个信号用于应用层的逻辑计算，另一个信号用于监控层的逻辑计算。从结构上，应用层和监控层采用并行的结构，即应用层的计算和监控层的计算是相互独立、互不影响的。决定扭矩安全的关键信号至少包括驱动电机转速信号以及加速踏板位置信号、档位信号。这是因为驱动电机转速、加速踏板位置和档位信号直接决定电机请求扭矩的大小和方向，因此出于扭矩安全的考虑，需要对这几个信号在监控层进行冗余计算。加速踏板位置信号的处理逻辑与应用层一致，但采用和应用层完全不同的存储空间来存放运算过程中的变量、常量和程序代码。驱动电机转速信号经过和应用层相同的工程量转换、变化率限制和平均值滤波处理逻辑，但同样的，运算过程中的变量、常量和程序代码存放于和应用层完全不同的存储空间。分别比较应用层和监控层计算得到的驱动电机转速和加速踏板位置，当其中任意一个信号的偏差超过预先设定的标定值时，监控层上报力矩安全故障处理模块，经防抖处理且该故障被确认后，对电机控制器发送紧急停机请求指令。监控层计算得出的驱动电机转速和加速踏板位置信号将用于监控层其他功能模块的计算。

本发明提出的并行式力矩安全架构是一种适合于各种车辆的驾驶员请求扭矩安全架构。为了更好的说明其应用方式，现以纯电动汽车为应用对象，通过使用本发明提出的并行式的驾驶员请求力矩安全架构，来实现纯电动汽汽车的力矩安全。

在本例中，驱动动力源为驱动电机。图2为某纯电动汽车的驱动系统架构示意图，整车控制器1通过CAN总线和直流-直流变换器6、驱动电机控制器7、高压电池管理系统8、挡位控制器10相连。加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器通过低压线束和整车控制器1的模拟输入端相连。高压动力电池9通过高压线束为驱动电机2提供电流，由驱动电机控制器7通过直流-交流变换器5控制驱动电机2工作，并通过主减速器3和差速器将电机发出的扭矩传递到2个前轮。同时高压动力电池9通过直流-直流变换器6对12伏蓄电池4进行充电。

如图3所示应用层的驾驶员请求扭矩解释模块包含前进工况下的驾驶员扭矩请求、倒档工况下的扭矩请求、再生制动扭矩请求以及扭矩仲裁模块。当车辆前进行驶时，根据加速踏板确定驾驶员的扭矩请求，并考虑系统扭矩输出能力及变速箱输入轴转速，扭矩指令不能超出系统中驱动动力源的外特性范围，变速箱的输入轴转速越高，扭矩值越小。当车辆倒车行驶时，根据加速踏板确定驾驶员的扭矩请求，并考虑系统扭矩输出能力及变速箱输入轴转速，扭矩指令不能超出驱系统中驱动动力源的外特性范围，变速箱的输入轴转速越高，扭矩值越小，起到对倒挡车速进行限制的作用。当驾驶员不踩加速踏板也不踩制动踏板，且车速较低时，则只有电爬扭矩。当驾驶员松开加速踏板时，根据车速及高压电池SOC来决定再生制动扭矩（根据驾驶员是否踩下制动踏板，又可分为滑行再生制动扭矩和制动再生制动扭矩），车速越高，滑行再生制动扭矩越大；制动踏板开度越大，制动再生制动扭矩越大。最后扭矩仲裁模块会根据制动踏板的开度，对发出的扭矩指令乘以相应的系数，制动踏板开度越大，系数越小，扭矩值相应的越小。当档位为D档时，输出前进档扭矩与再生制动扭矩之和（如果存在再生制动扭矩）；当档位为R档时，输出倒车档扭矩与再生制动扭之和（如果存在再生制动扭矩）；当档位为P或N档时，则无扭矩指令发出。

图3中的监控层的请求扭矩监控模块，以输入信号监控模块输出的经过解耦处理过的车速信号、加速踏板位置信号、档位信号以及输入信号模块输出的制动踏板位置及系统能力限制作为输入，通过简化的驾驶员请求扭矩解释算法计算得到当前工况下的驾驶员扭矩请求。简化的驾驶员请求扭矩解释采用和应用层相同的扭矩结构，即前进挡的扭矩请求、倒挡的扭矩请求、再生制动力矩扭矩请求及扭矩仲裁。简化的前进档扭矩请求结构如图4所示，助力工况下的驾驶员扭矩需求系数根据当前车速和加速踏板位置查表获得，而助力扭矩等于动力系统峰值扭矩能力乘以助力工况下的驾驶员需求系数。电爬扭矩则是车速的函数，根据当前的车速查表得到，车速越高，扭矩值越小。助力扭矩与电爬扭矩相加即可以得到前进档工况下的驾驶员扭矩请求。简化的倒挡请求扭矩，与简化的前进档驾驶员请求扭矩结构基本一致，其中电爬扭矩和扭矩需求系数也采用同应用层相同的数值。简化的再生制动扭矩请求，则以应用层的再生制动请求扭矩作为输入，并且对其进行上下限限制，使再生制动扭矩保持在上下限的区间范围之内，上限值为0，下限值T₁(T₁<0，如T₁ = -20 Nm)。扭矩仲裁模块同应用层的结构一致，结构如图5所示。扭矩仲裁模块首先将前进挡和倒挡情况下的驾驶员请求扭矩进行综合，然后根据制动踏板位置进行修正，制动踏板开度越大，扭矩指令越小。接着再对再生制动扭矩和动力系统扭矩限制情况进行仲裁，最后输出驾驶员需求的驱动轴扭矩原始值。

图3中的监控层的扭矩比较及故障识别模块，根据监控层的驾驶员请求扭矩，计算出扭矩请求的上下限值。请求扭矩的上下界示意图如图6所示，该上下限值的计算方法为：当监控层的驾驶员请求扭矩为正扭矩时，扭矩请求的上限为监控层请求扭矩值与让车辆产生设定加速度a₁的扭矩值之和，扭矩请求的下限为让车辆产生设定减速度a₂的扭矩值；当监控层的驾驶员请求扭矩为负扭矩时，扭矩请求的上限是让车辆产生设定加速度a₂的扭矩值，扭矩请求的下限是监控层请求扭矩值与让车辆产生设定减速度a₁的扭矩值之和，其中让车辆产生预先约定的加速度的扭矩值是可标定的，例如标定值a₁和a₂可以是让车辆产生 0.15g或0.2g的加速度的扭矩值。监控层计算出扭矩请求的上下限值即包络线后，将应用层的驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩与其进行比较。当驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩没有处在包络线之内持续时间超过设定时间t₁时，如200 ms，监控层将此信息反馈至力矩安全故障处理模块对驱动动力源控制器发送紧急停机请求指令，同时在存储区记录相应的故障码和冻结帧。如果应用层驾驶员请求扭矩的输出，在监控层请求扭矩的包络线之内，则认为应用层请求扭矩解释模块工作正常，将应用层请求扭矩解释模块计算得到的请求扭矩，作为监控层请求扭矩限制监控模块的输出。这样也保证了驾驶员扭矩请求的唯一性。

Claims (1)

1.一种基于并行结构的驾驶员请求扭矩安全架构，其特征在于：包括驾驶员请求扭矩解释与驾驶员请求扭矩监控模块，这两个模块为并行计算，并相互保持独立；

所述的驾驶员请求扭矩解释模块，根据输入信号处理模块输出的当前加速踏板位置、制动踏板位置、车速以及换档杆位置信息，计算得到符合驾驶员需求的驱动动力源请求扭矩；

所述的驾驶员请求扭矩监控模块，包括简化的扭矩请求解释子模块和扭矩比较及故障识别子模块：

所述简化的扭矩请求解释子模块根据经过解耦处理的车速、加速踏板位置、换档杆位置信号以及制动踏板位置信号为输入，计算得到当前工况下的驾驶员请求扭矩，然后根据计算出的驾驶员请求扭矩，计算出扭矩请求的上下限；所述的扭矩比较及故障识别子模块将驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩与扭矩请求的上下限进行比较，如果驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩大于计算出的扭矩请求的上限或小于计算出的扭矩请求的下限且持续时间超过设定时间t1时，扭矩比较及故障识别子模块则对驱动动力源控制器发送紧急停机请求指令，同时在存储区记录相应的故障码和冻结帧；如果驾驶员请求扭矩解释模块输出的驱动动力源请求扭矩，在计算出扭矩请求的上下限的范围之内，则认为请求扭矩解释模块工作正常；

所述扭矩请求的上下限值的计算方法为：

当驾驶员请求扭矩为正扭矩时，扭矩请求的上限为请求扭矩值与让车辆产生设定加速度a1的扭矩值之和，扭矩请求的下限为让车辆产生设定减速度a2的扭矩值；

当驾驶员请求扭矩为负扭矩时，扭矩请求的上限为让车辆产生设定加速度a2的扭矩值，扭矩请求的下限为请求扭矩值与让车辆产生设定减速度a1的扭矩值之和。