CN103935265A - 一种电动汽车的车身稳定控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车的车身稳定控制系统，该系统采用分层控制结构，上层控制器的目标是实现横摆稳定控制，需计算出整车运动过程中所需要的横摆力矩值，所需要的信号由传感器提供，根据这些信号，可以计算出所需要的横摆力矩值，并与实际值比较。下层控制器的控制目标是保证上层控制器发出的横摆力矩指令通过制动力的分配得以实现，下层控制器控制电机力矩分配以及车轮的滑移率，使得车辆获得所需要的横摆力矩，汽车可以稳定地行驶。

Description

一种电动汽车的车身稳定控制系统

技术领域

本发明涉及新能源车辆及其控制技术领域，尤其涉及一种电动汽车的车身稳定控制系统。

背景技术

在能源紧缺日益加剧、环境污染日益严重的今天，电动汽车的发展大势所趋，后轮驱动电动汽车也成为研究的热点。

单列前后座窄长型电动车是一种新型的电动车造型，它具备快、灵、小的特点，既适宜城市出行、高通过性、方便停车又具备传统车的高速和续航能力，成为一种新型电动车趋势。

整车稳定控制系统对于后轮驱动电动汽车非常重要，其作用主要是，保证汽车在转弯、制动和驱动时的稳定性与可控性，协助驾驶员在极限操纵情况下控制车辆，防止车辆出现过多或不足转向，将车辆的横摆角速度控制在驾驶员能够掌握的范围内。

目前，并没有较为有效的方法对电动汽车的车身稳定进行控制的方法，因而存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动汽车的车身稳定控制系统，使得车辆获得所需要的横摆力矩，确保车辆可以稳定地行驶。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电动汽车的车身稳定控制系统，该系统包括：传感器单元、车辆电子控制单元ECU、加速单元、制动单元、电机控制器与轮毂电机；

其中，所述传感器单元，用于采集车辆的车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度与方向盘转角信息；

所述加速模块、用于发出加速信号控制所述车辆加速行驶；

所述制动模块，用于发出制动信号控制所述车辆慢速行驶；

所述车辆ECU单元，用于根据所述传感器单元采集到的信息，以及加速单元与制动单元发出的信号，并基于二自由度转向动力学模型来计算预期的横摆角速度；再根据所述预期的横摆角速度与传感器单元采集到的实际横摆角速度之间的差值来计算车辆当前时刻所需要的横摆力矩；

所述电机控制器，用于根据所述车辆ECU单元计算到的横摆力矩来对所述轮毂电机进行控制，从而控制各个车轮的滑移率。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，系统采用分层控制结构，上层控制器的目标是实现横摆稳定控制，需计算出整车运动过程中所需要的横摆力矩值，所需要的信号由传感器提供，根据这些信号，可以计算出所需要的横摆力矩值，并与实际值比较。下层控制器的控制目标是保证上层控制器发出的横摆力矩指令通过制动力的分配得以实现，下层控制器控制电机力矩分配以及车轮的滑移率，使得车辆获得所需要的横摆力矩，汽车可以稳定地行驶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种电动汽车的车身稳定控制系统的示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种车身稳定控制系统的功能模型图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种电动汽车的车身稳定控制系统的示意图。如图1所示，其主要包括：

传感器单元100、车辆电子控制单元ECU111、加速单元106、制动单元107、电机控制器109与轮毂电机110；

其中，所述传感器单元100，用于采集车辆的车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度与方向盘转角信息；

所述加速模块106、用于发出加速信号控制所述车辆加速行驶；

所述制动模块107，用于发出制动信号控制所述车辆慢速行驶；

所述车辆ECU单元111，用于根据所述传感器单元100采集到的信息，以及加速单元106与制动单元107发出的信号，并基于二自由度转向动力学模型来计算预期的横摆角速度；再根据所述预期的横摆角速度与传感器单元采集到的实际横摆角速度之间的差值来计算车辆当前时刻所需要的横摆力矩；

所述电机控制器109，用于根据所述车辆ECU单元111计算到的横摆力矩来对所述轮毂电机110进行控制，从而控制各个车轮的滑移率。

进一步的，所述传感器单元100包括：方向盘转角传感器103、轮速传感器101、车速传感器102、横摆角速度传感器105及侧向加速度传感器104。

进一步的，所述二自由度转向动力学模型包括：

$\begin{array}{c}m({\stackrel{\·}{V}}_y+V_x\stackrel{\·}{\mathrm{\Ψ}})=\frac{C_{\mathrm{af}}}{C_{\mathrm{\λf}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lf}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}}})\cos {\mathrm{\δ}}_w({\mathrm{\δ}}_w-{\mathrm{\β}}_f)+\frac{C_{\mathrm{ar}}}{C_{\mathrm{\λr}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lr}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lr}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rr}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rr}}}){\mathrm{\β}}_r\\ -({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}+{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}})\sin {\mathrm{\δ}}_w\end{array};$

$\begin{array}{c}{J}_v\stackrel{\·\·}{\mathrm{\Ψ}}=-[\frac{C_{\mathrm{af}}}{C_{\mathrm{\λf}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lf}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}}})L_f\cos {\mathrm{\δ}}_w-\frac{C_{\mathrm{af}}}{C_{\mathrm{\λf}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lf}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rf}}})L_s\sin {\mathrm{\δ}}_w]({\mathrm{\δ}}_w-{\mathrm{\β}}_f)\\ +\frac{C_{\mathrm{ar}}}{C_{\mathrm{\λr}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lr}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{lr}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rr}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rr}}})L_r{\mathrm{\β}}_r+({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}+{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}})L_f\sin {\mathrm{\δ}}_w\\ +({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}-{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}})L_s\cos {\mathrm{\δ}}_w+({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lr}}-{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rr}})L_s\end{array};$

其中，m为车辆的质量，V_y是车辆的横向速度，为车辆的横向加速度，V_x为车辆的纵向速度，为车辆的横摆角速度，Fb_lf、Fb_rf、Fb_lr、Fb_rr分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮制动力的大小，λ_lf、λ_rf、λ_lr、λ_rr分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮滑移率的大小，C_af、C_ar分别为前后车轮的侧偏刚度，C_λf、C_λr分别为前轮和后轮的纵向刚度，δ_w为车轮的转向角，J_v为车辆的转动惯量，为车辆的横摆角加速度，β_f、β_r分别为前轮和后轮的轮胎侧偏角，L_f、L_r分别为车辆前后车轮的轴距，L_s为车辆轮距的一半。

进一步的，汽车的横摆力矩由汽车的制动力与横向力决定，制动力与横向力的大小可通过二自由度转向动力学模型计算得到，具体来说，二自由度转向动力学模型决定了四个车轮滑移率的大小，制动力与横向力可由车轮的滑移率计算得出，而汽车的制动力与横向力由四个轮胎提供，轮胎的模型HSRI轮胎模型，模型如下：

定义：

$H=\frac{\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2{C}_{\mathrm{\λ}}^2+C_a^2{\left(\tan \mathrm{\α}\right)}^2}}{(1-\mathrm{\λ})\mathrm{\μ}{F}_N}$

当H≥0.5时

$F_s=\frac{C_a}{1-\mathrm{\λ}}(\frac{1}{H}-\frac{1}{{4H}^2})\tan \mathrm{\α}$ $F_B=\frac{{\mathrm{\λC}}_{\mathrm{\λ}}}{1-\mathrm{\λ}}(\frac{1}{H}-\frac{1}{{4H}^2})$

当H<0.5时

$F_s=\frac{C_a\tan \mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&lambda;}}$ $F_B=\frac{{\mathrm{\&lambda;C}}_{\mathrm{\&lambda;}}}{1-\mathrm{\&lambda;}}$

其中，F_s、F_B分别为轮胎的横向力与制动力，λ为轮胎的滑移率，C_a、C_λ分别为轮胎的侧偏刚度和滑移刚度，F_N为轮胎受到的法向压力，μ为轮胎与地面之间的摩擦系数，α为轮胎的侧偏角。

进一步的，依据其上二自由度转向动力学模型以及HSRI轮胎模型，即可实施横摆稳定控制策略。

进一步的，所述电机控制器109，还用于根据所述车辆ECU单元111的指令，当车辆转向不足时，增加内侧后轮轮毂电机110的制动力；当车辆转向过度，增加外侧前轮轮毂电机110的制动力；以及当车辆在在附着系数低于阈值的路面上行驶时，减小制动力较大一侧轮毂电机110的制动力。

进一步的，该系统还包括：驾驶控制台108，用于在所述电机控制器109对轮毂电机110进行控制时，所述车辆ECU单元111通过所述驾驶控制台108告知驾驶员正进行车身稳定控制。

本发明实施例的系统采用分层控制结构，上层控制器的目标是实现横摆稳定控制，需计算出整车运动过程中所需要的横摆力矩值，所需要的信号由传感器提供，根据这些信号，可以计算出所需要的横摆力矩值，并与实际值比较。下层控制器的控制目标是保证上层控制器发出的横摆力矩指令通过制动力的分配得以实现，下层控制器控制电机力矩分配以及车轮的滑移率，使得车辆获得所需要的横摆力矩，汽车可以稳定地行驶。

实施例二

为了便于理解本发明，下面结合附图2对本发明做进一步的说明。

本发明实施例中，车辆稳定控制系统由车辆ECU单元、四个车轮的轮速传感器、车辆横摆加速度传感器、车辆侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、加速单元、制动单元以及轮毂电机及其控制器组成，传感器主要负责提供整车运动的实际状态信号，车辆ECU单元进行模型的计算，负责发出车辆稳定控制系统的控制指令信号，轮毂电机与电机控制器主要负责控制车轮的转速、力矩的控制以及滑移率的控制，进行主动制动控制，来确保汽车可以稳定地行驶。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种车身稳定控制系统的功能模型图。

首先，根据车辆传感器采集到的信息计算预期的横摆角速度；然后，将预期的横摆角速度与实际的横摆角速度（车辆横摆加速度传感器采集得到）进行比较，根据其差值，计算出所需的横摆力矩之后，将分配的横摆力矩值输入到电机控制器109中，由电机控制器109对车轮的制动力矩、滑移率进行控制。

进一步的，在车辆行驶过程中，车辆ECU单元111首先读取方向盘转角传感器103的值，判断车辆并未直线行驶之后，车辆ECU111分别读取四个轮速传感器101、车速传感器102、侧向加速度传感器104、横摆角速度传感器105、加速单元106的信号和制动单元107的信号等数据，依据二自由度转向动力学模型，车辆ECU单元111进行预期的横摆角速度等期望值的计算，并与汽车行驶过程中实际的信号作比较，当实际值与期望值之间有偏差时，对汽车实施横摆稳定控制策略。

如果需要实施横摆稳定控制策略，则根据预期横摆角速度与横摆角速度传感器105测量所得的实际横摆角速度的差值，计算出汽车该时刻所需要的横摆力矩，然后通过电机控制器109，对轮毂电机110进行控制，为四个车轮分配相应的制动力，从而控制各个车轮的滑移率，产生合适的横摆力矩，使得汽车能够稳定行驶。另外，此时车辆ECU111会与驾驶控制台108进行通信，告知司机正在进行车身的稳定控制。

当转向不足时，主动制动控制可以通过电机控制器109，增加内侧后轮轮毂电机110的制动力，此时由于横摆力矩的变化，汽车可以回到司机预期的行驶路线上，当汽车转向过度时，主动制动控制可以通过电机控制器109，增加外侧前轮轮毂电机110的制动力，并减小汽车的速度，改变横摆力矩，从而纠正错误的转向姿态，使汽车回到司机预期的行驶路线上。

汽车在低附着系数的路面上行驶时（如结冰的道路），如果每个车轮与地面之间的附着力不一致，直线刹车时，车辆会向制动力较大的一侧跑偏，此时，该主动控制系统可以通过电机控制器109，适当减小制动力较大一侧轮毂电机110的制动力，使汽车行驶在预期的线路上。

本发明实施例的系统采用分层控制结构，上层控制器的目标是实现横摆稳定控制，需计算出整车运动过程中所需要的横摆力矩值，所需要的信号由传感器提供，根据这些信号，可以计算出所需要的横摆力矩值，并与实际值比较。下层控制器的控制目标是保证上层控制器发出的横摆力矩指令通过制动力的分配得以实现，下层控制器控制电机力矩分配以及车轮的滑移率，使得车辆获得所需要的横摆力矩，汽车可以稳定地行驶。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种电动汽车的车身稳定控制系统，其特征在于，该系统包括：传感器单元、车辆电子控制单元ECU、加速单元、制动单元、电机控制器与轮毂电机；

其中，所述传感器单元，用于采集车辆的车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度与方向盘转角信息；

所述加速模块、用于发出加速信号控制所述车辆加速行驶；

所述制动模块，用于发出制动信号控制所述车辆慢速行驶；

所述车辆ECU单元，用于根据所述传感器单元采集到的信息，以及加速单元与制动单元发出的信号，并基于二自由度转向动力学模型来计算预期的横摆角速度；再根据所述预期的横摆角速度与传感器单元采集到的实际横摆角速度之间的差值来计算车辆当前时刻所需要的横摆力矩；

所述电机控制器，用于根据所述车辆ECU单元计算到的横摆力矩来对所述轮毂电机进行控制，从而控制各个车轮的滑移率。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器单元包括：

方向盘转角传感器、轮速传感器、车速传感器、横摆角速度传感器及侧向加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二自由度转向动力学模型包括：

$\begin{array}{c}m({\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_y+V_x\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&Psi;}})=\frac{C_{\mathrm{af}}}{C_{\mathrm{\&lambda;f}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{lf}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{rf}}})\cos {\mathrm{\&delta;}}_w({\mathrm{\&delta;}}_w-{\mathrm{\&beta;}}_f)+\frac{C_{\mathrm{ar}}}{C_{\mathrm{\&lambda;r}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lr}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{lr}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rr}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{rr}}}){\mathrm{\&beta;}}_r\\ -({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}+{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}})\sin {\mathrm{\&delta;}}_w\end{array};$

$\begin{array}{c}{J}_v\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&Psi;}}=-[\frac{C_{\mathrm{af}}}{C_{\mathrm{\&lambda;f}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{lf}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{rf}}})L_f\cos {\mathrm{\&delta;}}_w-\frac{C_{\mathrm{af}}}{C_{\mathrm{\&lambda;f}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{lf}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{rf}}})L_s\sin {\mathrm{\&delta;}}_w]({\mathrm{\&delta;}}_w-{\mathrm{\&beta;}}_f)\\ +\frac{C_{\mathrm{ar}}}{C_{\mathrm{\&lambda;r}}}(\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lr}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{lr}}}+\frac{{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rr}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{rr}}})L_r{\mathrm{\&beta;}}_r+({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}+{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}})L_f\sin {\mathrm{\&delta;}}_w\\ +({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lf}}-{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rf}})L_s\cos {\mathrm{\&delta;}}_w+({\mathrm{Fb}}_{\mathrm{lr}}-{\mathrm{Fb}}_{\mathrm{rr}})L_s\end{array};$

其中，m为车辆的质量，V_y是车辆的横向速度，为车辆的横向加速度，V_x为车辆的纵向速度，为车辆的横摆角速度，Fb_lf、Fb_rf、Fb_lr、Fb_rr分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮制动力的大小，λ_lf、λ_rf、λ_lr、λ_rr分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮滑移率的大小，C_af、C_ar分别为前后车轮的侧偏刚度，C_λf、C_λr分别为前轮和后轮的纵向刚度，δ_w为车轮的转向角，J_v为车辆的转动惯量，为车辆的横摆角加速度，β_f、β_r分别为前轮和后轮的轮胎侧偏角，L_f、L_r分别为车辆前后车轮的轴距，L_s为车辆轮距的一半。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述电机控制器，还用于根据所述车辆ECU单元的指令，当车辆转向不足时，增加内侧后轮轮毂电机的制动力；当车辆转向过度，增加外侧前轮轮毂电机的制动力并减小汽车的速度；以及当车辆在在附着系数低于阈值的路面上行驶时，减小制动力较大一侧轮毂电机的制动力。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

驾驶控制台，用于在所述电机控制器对轮毂电机进行控制时，所述车辆ECU单元通过所述驾驶控制台告知驾驶员正进行车身稳定控制。