CN103692926B - 一种基于数据冗余双控制器的纯电动车制动能量回馈系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于数据冗余双控制器的纯电动车制动能量回馈系统，其包括整车控制器，和由该整车控制器控制的能量管理系统、能量储存系统及数据冗余系统；所述数据冗余系统由ABS控制器、电机控制器组成，它们以数据交互通道CAN总线相连，并且同时与整车控制器通过CAN总线相连。本发明采用ABS控制器和电机控制器来运算制动过程中再生制动力与摩擦制动力的大小，然后双控制器之间进行数据的交互与优化来达到提高速度的目的，避免的数据从整车控制器传输到制动控制器和ABS控制器的过程，从而克服了以往制动过程的响应速度太低，往往错失了制动的最佳时机的弊病，改善了制动能量回收效果，提高了响应速度和纯电动车的续驶里程。

Description

一种基于数据冗余双控制器的纯电动车制动能量回馈系统

技术领域

本发明涉及一种电动车的制动系统，是一种电动汽车能量回馈制动系统，属于汽车制动系统技术领域。

背景技术

随着时代的发展，人们的经济水平和生活水平的逐步提高，汽车的使用已经越来越普及。在当下油价不断飙升、国际环保要求越来越严的形势下，电动车是汽车行业发展的必然趋势。但是电动汽车的动力电池容量有限，续航能力成为人们关注的焦点。当今市场上提供的电池的比能量都很低，导致带电动车的续驶里程无法与汽油车相比。要解决这一问题，除了要在电池这一瓶颈技术上有所突破之外，还应当优化汽车的总体设计和建立高效安全的能量管理系统，因此电动汽车在研发的过程中，如何合理和使用能源就成为了设计人员面临的一项重要课题。制动能量回馈技术室目前国内外电动汽车制造商广泛采用的一项先进技术。目前国外提出的具有回馈制动功能的先进制动系统包括：丰田-普锐斯制动控制系统、本田-EVplus制动控制系统，这两种系统代表着制动回馈功能发展的前沿，但是这两种系统均是对制动系统重新设计以实现能量回馈功能，其制动感觉跟传统的制动系统有一定的差异，制动响应迟钝，影响制动效果。此外，目前的电动车制动能量回馈系统控制器的微控制器处理信号作出控制的整个运算过程耗时15毫秒到20毫秒之间，整个控制系统反应迟钝就导致经常错失制动的最佳时机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于数据冗余双控制器的纯电动汽车制动能量回馈控制系统，该系统是双控制器数据冗余制动能量回馈系统，主要是解决数据在不同控制器上运算速度和传输速度迟钝的问题，改善了以往经常错失制动的最佳时机的问题，从而提高制动的响应速率和稳定性，提高了纯电动车的续航里程。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：提供一种基于数据冗余双控制器的纯电动车制动能量回馈系统，其包括整车控制器，和由该整车控制器控制的能量管理系统、能量储存系统及数据冗余系统；所述数据冗余系统由ABS控制器、电机控制器组成，它们以数据交互通道CAN总线相连，并且同时与整车控制器通过CAN总线相连。

所述的ABS控制器、电机控制器均可以包含一个处理单元和一个通讯单元，其中处理单元是执行应用程序、调度和重构任务的计算机，通讯单元是实现包括同步、数据交互和同步表决相关功能的硬件，该通讯单元可以包括异步串行通讯控制器和同步控制逻辑。

所述的两个控制器，每个控制器中可以有两个不同地址码和两个不同地址码的I/0模块通过CAN总线相连，所有CPU的数据状态自动保持同步；其中的任意两个控制器之间都可以进行数据交互，交互的数据包括通讯数据和同步数据，通讯数据的发送和接收均可采用缓冲区来实现，

所述的通讯单元可以分成处理单元/通讯单元接口部分、同步控制部分和通讯控制部分，其中：接口部分提供在处理单元和通讯单元之间有效和有序传递不同大小的信息，同时还提供处理单元和通讯单元间的流控制以保证不覆盖有效信息；同步控制部分提供通讯数据与同步数据的切换控制，以及同步交互控制处理能力，并提供两个通讯单元的同步机制；通讯控制部分提供本地通讯单元和另一个通讯单元交互途径，以及其自身回环交互的串行通讯转换与串行通道。

所述的通讯单元可以通过多轮同步数据交互后，实现与对方单机通讯单元的紧密同步；ABS控制器和电机控制器的处理单元通过读取同步状态以及接收同步脉冲，实现较为松散的同步；处理单元通过处理通讯单元接口，把通讯单元看作存储器映射、带缓冲器的I/O设备，如果处理单元希望通过通讯单元与其它单机执行数据交互，它只需写数据到通讯单元的数据发送缓冲区，然后处理单元在一定时限内通过数据接收缓冲区读取对方单机的发送过来的相应通讯数据；通过多轮上述同步操作，ABS控制器和电机控制器可以实现数据内容和时序的相互一致。

所述的整车控制器可以由微处理器、模拟信号处理电路、频率信号处理电路组成，其中模拟信号处理电路输出处理油门踏板开度信号和制动踏板信号，频率信号处理电路输出处理车速信号。

所述的能量管理系统可以是直接对能量储存系统（电池组）进行管理的系统，其功能是对电池信息进行采集，准确采集电池组的充放电电流、电压、环境温度等数据，将电池组的信息通过CAN总线通信网络发送给整车控制器，整车控制器通过对能量储存系统的控制实现电池的充放电转换。

所述的能量储存系统即为电池组，其可以通过逆变器与纯电动车的电机相连，为整车系统的运行提供能量，并将整车制动时电机回馈的电能储存起来。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

目前的电动车制动能量回馈系统控制器的整个运算过程耗时15毫秒到20毫秒之间。本发明中的数据冗余双控制器同时完成关键算法的时间2毫秒到3毫秒之间，然后双控制器将各自运算的数据交互，整个数据传输过程通过CAN总线来完成。通过对某一电动汽车整车仿真数据与试验数据对比实验论证，通过电动汽车电机测试台架得到整个制动过程的响应时间为2毫秒，整车的能量回收效率增加13.6，续航里程为119公里。以往完全依靠整车控制器运算来自传感器传送的数据，导致整车控制器微处理器负荷过大，制动过程的响应速度太低，往往错失了制动的最佳时机。本发明在不改变传统的制动结构前提下，重新设计控制器的运算机制，采用双控制器替代整车控制器单独运算，弥补了现有的再生制动控制器的算法落后、响应迟钝的缺点，改善了以往经常错失制动的最佳时机的弊端，既能满足车辆在各种工况下的制动要求，又能保证车辆运行的平稳性和车辆制动减速的平滑性，改善了驾驶员在制动过程中的体验；同时又能使制动能量得到最有效的回收，提高整车能量的使用效率，提高了纯电动车的续航里程。

附图说明

图1为本发明的制动回馈控制策略示意图。

图2为本发明的双控制器制动能量回馈系统示意图。

图3为本发明的双控制器数据冗余系统

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的基于数据冗余双控制器的纯电动车制动能量回馈系统，其结构如图2所示，包括整车控制器、能量管理系统、ABS控制器、电机控制器、能量储存系统，其中：ABS控制器通过数据交互通道CAN总线与电机控制器相连，它们构成数据冗余系统。每个控制器中有两个不同地址码和两个不同地址码的I/0模块通过CAN总线相连，也就是说所有CPU的数据状态自动保持同步。

所述整车控制器的硬件结构组成有微处理器、模拟信号处理电路（处理油门踏板开度信号和制动踏板信号）、频率信号处理电路（处理车速信号）。整车控制器通过CAN总线与ABS控制器和电机控制器连接进行数据和控制指令的传递，在本发明中的主要功能是接受驾驶员的制动信号，判断驾驶员的制动意图是否达到制动能量回馈的条件，为双控制器工作提供初始命令，启动双控制器工作。

所述能量管理系统(BMS)是直接进行电池管理系统的重要组成部分。整车控制器通过CAN总线通信网络对电池管理系统进行控制，实现对电池进行有效管理。其功能是对电池信息进行采集，准确采集电池组的充放电电流、电压、环境温度等数据，将电池组的信息通过CAN总线通信网络发送给整车控制器，整车控制器通过对电池管理系统的控制实现电池的充放电转换。

所述ABS控制器和电机控制器为制动能量回馈控制系统的核心单元，ABS控制器和电机控制器同时与整车控制器通过CAN总线相连，并且两者有CAN总线数据交互通道相连，两者同时计算电机所需的制动力矩和机械制动系统所需的制动力，将处理的指令传递给执行机构（电机和液压硬件设备）。

所述能量储存系统（电池组）是通过逆变器与电机相连，为整车系统的运行提供能量，并将整车制动时电机回馈的电能储存起来。

所述的数据冗余系统由双控制器（ABS控制器和电机控制器）、数据交互通道CAN总线组成。两个控制器均包含一个处理单元(包括中央处理器、存储器等)和一个通讯单元(包括异步串行通讯控制器和同步控制逻辑)，其中处理单元是执行应用程序、调度和重构任务的计算机，通讯单元是实现同步、数据交互和同步表决等相关功能的硬件。两个控制器通过CAN总线实现全连接，其中的任意两个单机之间都进行数据交互，交互的数据包括通讯数据和同步数据，通讯数据的发送和接收均可采用缓冲区来实现。

通讯单元分成三个部分：处理单元/通讯单元接口部分、同步控制部分和通讯控制部分。其中接口部分提供在处理单元和通讯单元之间有效和有序传递不同大小的信息，同时还提供处理单元和通讯单元间的流控制以保证不覆盖有效信息，一般可以采用双端口存储器实现。同步控制部分提供通讯数据与同步数据的切换控制，以及同步交互控制处理能力，并提供两个通讯单元的同步机制。通讯控制部分提供本地通讯单元和另一个通讯单元交互途径，以及其自身回环交互的串行通讯转换与串行通道。

ABS控制器和电机控制器完成复位与初始化后，由于同步数据交互的起始不一致，因此它们是通过多次同步数据交互才能完成相互的渐近同步过程，达到较佳的同步状态。对于整个冗余系统而言，当系统中任意一对控制器之间都有较佳的同步状态后，整个系统也将处于较佳的同步状态。

通讯单元通过多轮同步数据交互后，可以实现与对方控制器通讯单元的紧密同步，ABS控制器和电机控制器的处理单元通过读取同步状态以及接收同步脉冲，可以实现较为松散的同步。处理单元通过处理通讯单元接口，把通讯单元看作存储器映射、带缓冲器的I/O设备；如果处理单元希望通过通讯单元与其它单机执行数据交互，它只需写数据到通讯单元的数据发送缓冲区，然后处理单元在一定时限内可以通过数据接收缓冲区读取对方控制器的发送过来的相应通讯数据；通过多轮上述同步操作，ABS控制器和电机控制器可以实现数据内容和时序的相互一致。

本发明采用电气制动和机械制动两种类型结合的方式实现车辆的制动，具体工作过程是：由油门及刹车信号采集电路采集油门深度、刹车深度的模拟信号，并将其转变为数字信号，信号采集电路将采集的信号传输给整车控制器，整车控制器判断该制动过程是否需要启动制动能量回馈系统，若制动条件不够就单独启动ABS控制器，ABS控制器接受经过整车控制器处理过的信号，根据图1的制动能量回馈的控制策略计算此过程中机械制动力的大小，发出控制指令给液压制动设备，完成机械制动过程。若条件成熟就启动双控制器，电气制动和机械制动同时工作，双控制器同时接受整车控制器处理过的信号，ABS控制器和电机控制器都采用图1的制动能量回馈控制策略其中电气制动同时计算得到电机制动力大小和机械制动力大小，经过数据冗余系统处理计算结果后，ABS控制器给液压制动设备发出指令控制机械制动过程，电机控制器给电机发出指令控制电力制动过程。其中电力制动是通过控制电机工作在发电状态来实现的，机械制动是通过机械摩擦的形式来实现。制动过程中应尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。

本发明用于前轴电驱动汽车的制动能量回馈的控制策略，包括以下步骤：

1.收到来自制动主缸的压力信号，（当驾驶员踩下制动踏板时产生的压力信号），制动开始；

2.采集制动主缸压力、制动踏板行程、电动机转矩、车辆行驶速度、电池SOC值；

3.如图1所示，当车辆速度V小于15km/h、电池SOC值大于0.85、制动强度Z大于0.15这三个条件中有一个满足的时候，直接由机械制动完成制动过程。否则，制动能量回馈控制系统将工作；

4.结合车辆的各项性能参数以及各个工况模式下的动力制动分配表（保证车辆在制动过程中制动稳定性），根据来自驾驶员的制动信号，得到前轴总制动力Ff和后轴总制动力Fr；

5.根据车辆实时的电动机的功率估算电动机能提供的制动力大小Freg；

6.当再生制动力Freg大于前轴总制动力Ff时，前轴制动力完全由再生制动力提供，机械摩擦制动不工作，否则，机械摩擦制动力将不足的那部分制动力；

以上步骤为控制器中的控制算法，由数据冗余双控制器系统控制，两控制器拥有同样的控制算法，同时运算提高工作效率，同时两控制器间有信号交互通道，将两控制器的计算结果进行交互比对，将有一套优化算法合理分配再生制动力和机械摩擦制动力，最后将机械摩擦制动力的数据传输给ABS控制器完成对液压硬件设备的控制，将再生制动力的数据传输给电机控制器完成对电机的控制。

本发明采用双控制器（ABS控制器和电机控制器）来运算制动过程中再生制动力与摩擦制动力的大小，然后双控制器之间进行数据的交互与优化来达到提高速度的目的，避免的数据从整车控制器传输到制动控制器和ABS控制器的过程，以往完全依靠整车控制器运算来自传感器传送的数据，导致整车控制器微处理器负荷过大，制动过程的响应速度太低，往往错失了制动的最佳时机。本发明基于数据冗余双控制器的纯电动车制动能量回馈系统大大提高了响应速度，改善了制动能量回收效果，提高了纯电动车的续驶里程。

Claims (8)

1.一种纯电动车制动能量回馈系统，其特征是一种基于数据冗余双控制器的纯电动车制动能量回馈系统，其包括整车控制器，和由该整车控制器控制的能量管理系统、能量储存系统及数据冗余系统；所述数据冗余系统由ABS控制器、电机控制器组成，它们以数据交互通道CAN总线相连，并且同时与整车控制器通过CAN总线相连。

2.根据权利要求1所述的纯电动车制动能量回馈系统，其特征是所述的ABS控制器、电机控制器均包含一个处理单元和一个通讯单元，其中处理单元是执行应用程序、调度和重构任务的计算机，通讯单元是实现包括同步、数据交互和同步表决相关功能的硬件，该通讯单元包括异步串行通讯控制器和同步控制逻辑。

3.根据权利要求2所述的纯电动车制动能量回馈系统，其特征是所述的ABS控制器、电机控制器，每个控制器中有两个不同地址码和两个不同地址码的I/0模块通过CAN总线相连，即所有CPU的数据状态自动保持同步；其中的任意两个控制器之间都进行数据交互，交互的数据包括通讯数据和同步数据，通讯数据的发送和接收均可采用缓冲区来实现。

4.根据权利要求2所述的纯电动车制动能量回馈系统，其特征是所述的通讯单元分成处理单元/通讯单元接口部分、同步控制部分和通讯控制部分，其中：接口部分提供在处理单元和通讯单元之间有效和有序传递不同大小的信息，同时还提供处理单元和通讯单元间的流控制以保证不覆盖有效信息；同步控制部分提供通讯数据与同步数据的切换控制，以及同步交互控制处理能力，并提供两个通讯单元的同步机制；通讯控制部分提供本地通讯单元和另一个通讯单元交互途径，以及其自身回环交互的串行通讯转换与串行通道。

5.根据权利要求4所述的纯电动车制动能量回馈系统，其特征是所述的通讯单元通过多轮同步数据交互后，实现与对方单机通讯单元的紧密同步；ABS控制器和电机控制器的处理单元通过读取同步状态以及接收同步脉冲，实现较为松散的同步；处理单元通过处理通讯单元接口，把通讯单元看作存储器映射、带缓冲器的I/O设备，如果处理单元希望通过通讯单元与其它单机执行数据交互，它只需写数据到通讯单元的数据发送缓冲区，然后处理单元在一定时限内通过数据接收缓冲区读取对方单机的发送过来的相应通讯数据；通过多轮上述同步操作，ABS控制器和电机控制器可以实现数据内容和时序的相互一致。

6.根据权利要求1所述的纯电动车制动能量回馈系统，其特征是所述的整车控制器由微处理器、模拟信号处理电路、频率信号处理电路组成，其中模拟信号处理电路输出处理油门踏板开度信号和制动踏板信号，频率信号处理电路输出处理车速信号。

7.根据权利要求1所述的纯电动车制动能量回馈系统，其特征是所述的能量管理系统是直接对能量储存系统进行管理的系统，其功能是对电池信息进行采集，准确采集电池组的充放电电流、电压、环境温度数据，将电池组的信息通过CAN总线通信网络发送给整车控制器，整车控制器通过对能量储存系统的控制实现电池的充放电转换。

8.根据权利要求1所述的纯电动车制动能量回馈系统，其特征是所述的能量储存系统即为电池组，其通过逆变器与纯电动车的电机相连，为整车系统的运行提供能量，并将整车制动时电机回馈的电能储存起来。