CN104192023B - 一种纯电动汽车起步时动力需求匹配和优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车起步时动力需求匹配和优化的方法，根据起步时加速踏板开度是否为0将纯电动汽车起步分为起车模式和驾驶员起步模式；本发明充分考虑到纯电动汽车起步可能遇到的每种状况，结合起步路面状况、最大驻坡度要求、转矩波动及起步安全节能等因素制定起车模式的优化控制策略，还根据加速踏板开度及其变化率所反映的驾驶员起步意图制定驾驶员起步模式的模糊控制策略，从而提高了汽车运行的可靠性、安全性、节能性。

Description

一种纯电动汽车起步时动力需求匹配和优化的方法

技术领域

本发明涉及纯电动汽车驱动系统控制技术领域，具体涉及纯电动汽车起步驱动控制策略的制定。

背景技术

实现整车动力系统控制的算法称为驱动控制策略，驱动控制策略是纯电动车控制系统的核心内容。由于纯电动汽车的电驱动控制系统包括电机、功率转换器、动力电池、蓄电池、离合器、变速器等，是一个集成电气、电子、化学、机械系统的非线性动态系统，如何使这些部件协调、有效地工作，就是一个值得关注的问题。此外，不同的驾驶员有不同的驾驶习惯和风格，从而对车辆有不同的需求，这些都给驾驶意图的判断和整车控制策略的设计增加了难度。

起步工况作为纯电动汽车驱动工况中一个重要的行驶工况，尤其是纯电动汽车在城市工况运行时，有近80％的时间是处于起步及加减速工况的。而起步工况不仅和路面状况相关，也与驾驶员的操作意图密切相关，如何综合分析起步路面状况和驾驶员起步意图来制定起步控制策略，对起步性能指标进行优化，是影响整车驱动控制系统控制效果的重要因素。故对起步工况下的动力需求进行优化是个具有现实意义的问题。

针对这一问题，国内外学者做了一些对起步工况的动力需求匹配及优化的研究。比如：上海交通大学2010年硕士学位毕业论文《纯电动车整车控制策略及控制器的研究》，重庆大学2012年硕士学位毕业论文《纯电动汽车起步控制策略研究》对起步工况单独分析，结合纯电动汽车起步时的坡道状况和驾驶员起步意图，制定出相应的起步控制策略。重庆大学2012年硕士学位毕业论文《电动汽车驱动工况下的整车控制策略研究》则通过坡道识别功能，分别制定上坡起步、平路起步和下坡起步的控制策略，但未对驾驶员起步作出研究。

以上方法的不足在于：没有充分考虑到纯电动汽车起步可能遇到的每种状况，仅从坡道起步或是仅从驾驶员加速意图来制定起步控制策略都是不完善的。需要综合分析起步路面状况、驾驶员起步意图制定起步控制策略，对起步性能指标进行优化。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种纯电动汽车起步时动力需求匹配及优化的方法，通过控制电机输出转矩的大小，充分反映驾驶员的起步意图并能很好地满足不同的起步路况要求。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种纯电动汽车起步时动力需求匹配和优化的方法，根据起步时加速踏板开度是否为0将纯电动汽车起步分为起车模式和驾驶员起步模式；

当加速踏板开度为0时，进入起车模式，根据起车最大稳定车速计算起车模式的基本转矩需求；

当加速踏板开度不为0时，进入驾驶员起步模式，根据电机输出转矩与加速踏板开度的关系曲线计算驾驶员起步模式的基本转矩需求。

进一步，所述起车模式根据坡道状况、最大驻坡度要求、转矩波动及起步安全节能因素对起车基本转矩需求进行优化：

当制动踏板开度减小到0.2后，电机应开始提供输出转矩Te，同时，该输出转矩应随制动踏板开度的减小而不断增大，当制动踏板完全松开时，电机输出转矩Te记为保持转矩；

当车辆在较大坡道起步时，需要判断电机转子转向，车辆需对大坡道起步做出自检，一旦电机转子转向为逆时针状态，此时电机传感器识别电机转速的变化率，即可得到车辆倒溜的加速度，识别其加速度后再根据插值法得到电机转矩，经电机控制器控制电机输出该加速度绝对值下的爬坡转矩，所述爬坡转矩可克服坡道阻力矩和滚动阻力矩使汽车停止倒溜。

当车速从0增大至最大稳定车速5km/h的过程中引起较大的转矩波动，影响乘坐舒适性，输出转矩Te应逐渐减小；当检测到车速在5km/h至8km/h之间时，电机输出转矩Te应该持续减小，当车速超过8km/h后电机输出转矩Te应逐渐减小为0。

进一步，所述爬坡转矩大于保持转矩的最大值Ts。

进一步，所述驾驶员起步模式下电机输出转矩Te应不小于起车模式下的保持转矩，且该输出转矩随着加速踏板开度的增大线性增加至电机的最大转矩。

进一步，所述电机输出转矩的优化采用模糊控制算法。

进一步，所述采用模糊控制算法的具体过程为：

A、引入加速踏板开度变化率结合加速踏板开度对起步的紧急程度进行区分；

B、建立模糊控制策略对驾驶员起步基本转矩进行修正；在驾驶员电机输出转矩Te的基础上乘以修正系数β来得到修正后的输出转矩需求T；

C、模糊控制器以加速踏板开度及其变化率为输入，修正系数β为输出，通过传感器采集加速踏板开度及其变化率信号，经过模糊化后转变为模糊量，在调节过程中，加速踏板开度及其变化率、修正系数β的语言变量选取为：NS，ZO，PS，其中NS、PS选取为半梯形函数，ZO选取为三角型隶属度函数。

本发明的有益效果是：本发明充分考虑到纯电动汽车起步可能遇到的每种状况，根据加速踏板开度的情况将起步工况分为起车模式和驾驶员起步模式，结合起步路面状况、最大驻坡度要求、转矩波动及起步安全节能等因素制定起车模式的优化控制策略，结合加速踏板开度及其变化率所反映的驾驶员起步意图制定驾驶员起步模式的优化控制策略，通过引入模糊控制算法对加速踏板开度和加速踏板开度变化率进行调节，使得输出转矩得到了进一步的优化，进而保证系统具有更高的应对非线性时变的能力，提高了对输出转矩调节的控制精度和响应速度，所选用的隶属度函数和模糊控制规则能够更好地提高系统控制的鲁棒性和自适应性。从而提高了汽车运行的可靠性、安全性、节能性。

附图说明

图1为起步工况下电机输出转矩控制算法流程图。

图2为电机输出转矩与制动踏板开度的关系曲线。

图3为起车模式下电机输出转矩与车速的关系曲线。

图4为驾驶员起步模式下转矩修正系数的模糊控制计算方法。

图5为加速踏板开度的隶属度函数。

图6为加速踏板开度变化率的隶属度函数。

图7为修正系数β的隶属函数。

图8为驾驶员起步模式下转矩修正系数的模糊推理规则。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是根据加速踏板开度的情况将起步工况分为起车模式和驾驶员起步模式，并且根据起车最大稳定车速和电机输出转矩与加速踏板开度的关系曲线分别计算起车模式和驾驶员起步模式的基本转矩需求。同时结合起步路面状况、最大驻坡度要求、转矩波动及起步安全节能等因素制定起车模式的优化控制策略，结合加速踏板开度及其变化率所反映的驾驶员起步意图制定驾驶员起步模式的优化控制策略。

如图1所示，当加速踏板开度为0时，进入起车模式；当加速踏板开度不为0时，进入驾驶员起步模式。起车模式下，车辆最终会以恒定速度行驶，该速度即为起车最大稳定车速，根据起车最大稳定车速计算起车模式的基本转矩需求，如公式1所示：

$Td=\frac{(mgf+\frac{C_D{\mathrm{Au}}^2}{21.15})\·r}{i\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\τ}}}---\left(1\right)$

式中：m为车辆空载质量，kg；g为重力加速度，m/s2；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；u为车辆行驶速度，m/s；i为减速比；r为车辆轮胎半径，m；ητ为系统效率。

驾驶员起步模式下，电机输出转矩与加速踏板开度实时相关，根据电机输出转矩与加速踏板开度的关系曲线计算驾驶员起步模式的电机的基本转矩需求，电机输出转矩Te如公式2所示：

$Te=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\θ}\left(k\right)\·T\max & n\left(k\right)\≤ne\\ \mathrm{\θ}\left(k\right)\·\frac{9550P\max }{n\left(k\right)}& n\left(k\right)>ne\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：θ(k)为加速踏板开度；Tmax为电机最大输出转矩，kw；Pmax为电机最大输出功率，kw；n(k)为电机实际转速，r/min；ne为电机基转速，r/min。

在传统控制策略的基础上对起步性能指标进行优化，其中起车模式下，根据坡道状况、最大驻坡度要求、转矩波动及起步安全节能等因素对起车基本转矩需求进行优化；驾驶员起步模式下，根据加速踏板开度及其变化率所反映的驾驶员起步意图对驾驶员起步基本转矩需求进行优化。最终确定驾驶员的转矩需求并向电机驱动系统发出转矩控制指令。

如图2所示，在有制动踏板信号的坡道保持阶段，车辆处在坡道上，重力作用将使车辆有溜坡的趋势，随着制动踏板的释放，制动力会进一步减小，车辆将发生溜坡的现象。为了防止坡道溜车现象的发生，当制动踏板开度减小到一定值β₀(一般为0.2)后，电机应开始输出转矩，同时，该扭矩应随制动踏板开度的减小而不断增大，当制动踏板完全松开时，电机输出转矩即为保持转矩。在制定策略时该保持扭矩与制动踏板的开度是线性相关的。当制动踏板完全松开后，该保持转矩将达到最大值Ts，该最大值是由最大驻坡度要求决定的，如公式3所示：

$Ts=\frac{(mgf+mgi)\·r}{i\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\τ}}}---\left(3\right)$

式中：m为车辆空载质量，kg；g为重力加速度，m/s2；f为滚动阻力系数；i为坡度；ητ为系统效率。

如图3所示，车辆起车模式下的最大稳定车速为5km/h，起车基本转矩Td即依据起车最大稳定车速计算而得，显然该转矩小于车速为0时的保持转矩，所以为了防止车速从0增大至5km/h的过程中引起较大的转矩波动，影响乘坐舒适性，输出转矩应逐渐减小。另外，为了防止下坡起步时电机所发出的转矩使车辆产生过快的加速而造成危险，当检测到车速在5km/h至8km/h之间时，电机转矩应该逐渐减小，当车速超过8km/h后电机不再工作，这样的控制方式也能节约能量。

如图4所示，为使输出转矩充分反映驾驶员起步意图，在基本输出转矩Te的基础上，根据加速踏板开度及其变化率确定驾驶员的起步意图，通过模糊控制算法对基本输出转矩进行优化。采用模糊控制算法开发以加速度踏板开度及其变化率为输入，修正系数为输出的电机输出转矩修正控制器。通过传感器采集加速踏板开度及其变化率信号，经过模糊化后转变为模糊量，通过模糊控制规则进行模糊决策，再经过模糊判决后，清晰化为精确量。

采用附图5-8所示的模糊控制方法。仅仅驾驶员起步模式下的基本转矩需求来控制电机输出转矩是不准确的，当驾驶员控制车辆平缓起步时不需要很大的输出转矩，因此上述方法得到的需求转矩实际上是偏大的，需要乘以一个系数来修正需求转矩。修正转矩的模糊控制算法以加速踏板开度及其变化率为输入，修正系数为输出，通过模糊化、模糊控制、解模糊等相关运算，求解修正系数β，加速踏板开度和加速踏板开度变化率的隶属度函数如图5和图6所示，修正系数β的隶属函数如图7所示，模糊推理规则如图8所示。将基本转矩需求与修正系数相乘β，可得到修正后的输出转矩需求，向电机驱动系统发出转矩控制指令，从而实现对纯电动汽车驾驶员起步模式的动力需求进行优化控制。

进一步，本发明将模糊控制用于驾驶员起步意图的推理。设计驾驶员起步意图模糊控制器，控制器系统通过传感器采集加速踏板开度及其变化率信号，经过模糊化后转变为模糊量，通过模糊控制规则进行模糊决策，再经过模糊判决后，清晰化为精确量，控制器输入变量为加速踏板开度α及其变化率dα/dt，输出变量为转矩修正系数β。如图5-7所示，其中：加速踏板开度及其变化率、修正系数的语言变量为：NS，ZO，PS；论域分别为0到1，0到8，0.8到1.2，隶属度函数在选取过程中，图5至图7的NS、PS选取为半梯形函数，ZO选取为三角型隶属度函数，加速踏板开度和加速踏板开度变化率的隶属度函数如图5和图6所示，修正系数β的隶属函数如图7所示。根据驾驶员的操作经验和实际起步过程对转矩的需求，制定模糊规则如图8所示。将电机输出转矩Te与修正系数β相乘，根据公式(4)，可得到修正后的输出转矩需求T，向电机驱动系统发出转矩控制指令，从而实现对纯电动汽车驾驶员起步模式的动力需求进行优化控制。

T＝β·Te (4)

通过引入模糊控制算法对加速踏板开度和加速踏板开度变化率进行调节，使得输出转矩得到了进一步的优化，进而保证系统具有更高的应对非线性时变的能力，提高了对输出转矩调节的控制精度和响应速度，所选用的隶属度函数和模糊控制规则能够更好地提高系统控制的鲁棒性和自适应性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种纯电动汽车起步时动力需求匹配和优化的方法，其特征在于：根据起步时加速踏板开度是否为0将纯电动汽车起步分为起车模式和驾驶员起步模式；

当加速踏板开度为0时，进入起车模式，根据起车最大稳定车速计算起车模式的基本转矩需求Td；

当加速踏板开度不为0时，进入驾驶员起步模式，根据电机输出转矩Te与加速踏板开度的关系曲线计算驾驶员起步模式的基本转矩需求；

所述起车模式根据坡道状况、最大驻坡度要求、转矩波动及起步安全节能因素对起车基本转矩需求进行优化：

当制动踏板开度β₀减小到0.2后，电机应开始提供输出转矩Te，同时，该输出转矩Te应随制动踏板开度β₀的减小而不断增大，当制动踏板完全松开时，电机输出转矩Te记为保持转矩；

当车辆在较大坡道起步时，需要判断电机转子转向，车辆需对大坡道起步做出自检，一旦电机转子转向为逆时针状态，此时电机传感器识别电机转速的变化率，即可得到车辆倒溜的加速度，识别其加速度后再根据插值法得到电机转矩，经电机控制器控制电机输出该加速度绝对值下的爬坡转矩，所述爬坡转矩可克服坡道阻力矩和滚动阻力矩使汽车停止倒溜；

当车速从0增大至最大稳定车速5km/h的过程中引起较大的转矩波动，影响乘坐舒适性，输出转矩Te应逐渐减小；当检测到车速在5km/h至8km/h之间时，电机输出转矩Te应该持续减小，当车速超过8km/h后电机输出转矩Te应逐渐减小为0；

所述电机输出转矩Te的优化采用模糊控制算法；

所述采用模糊控制算法的具体过程为：

A、引入加速踏板开度变化率结合加速踏板开度对起步的紧急程度进行区分；

B、建立模糊控制策略对驾驶员起步基本转矩进行修正；在驾驶员电机输出转矩Te的基础上乘以修正系数β来得到修正后的输出转矩需求T；

C、模糊控制器以加速踏板开度及其变化率为输入，修正系数β为输出，通过传感器采集加速踏板开度及其变化率信号，经过模糊化后转变为模糊量，在调节过程中，加速踏板开度及其变化率、修正系数β的语言变量选取为：NS，ZO，PS，其中NS、PS选取为半梯形函数，ZO选取为三角型隶属度函数。

2.根据权利要求1所述的纯电动汽车起步时动力需求匹配和优化的方法，其特征在于：所述爬坡转矩大于保持转矩的最大值Ts。

3.根据权利要求1所述的纯电动汽车起步时动力需求匹配和优化的方法，其特征在于，所述驾驶员起步模式下电机输出转矩Te应不小于起车模式下的保持转矩，且该输出转矩Te随着加速踏板开度的增大线性增加至电机的最大转矩。