CN104276155A - 一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法，控制系统根据方向盘的转向判断驾驶员的转向意图，然后再判断车辆的加减速意图，车辆加速的情况下作为一种模式，根据转向角度的要求，对左右电机的电压进行分配，使得左右电动轮的转速达到其转向角度的要求；车辆减速的情况作为另一种模式，根据转向角度的要求，对左右电动轮所施加的制动力进行分配，在分配制动力时，又根据制动强度的不同，采用不同的制动模式，分别为电机磁场单独制动，电机磁场与液压制动系统共同制动以及液压制动系统单独制动。它具有保护制动片、减小动力消耗，获得能量回收，汽车运行平稳、节能环保、操作方便、节约成本等特征。

Description

一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法

  

技术领域

本发明涉及一种电动汽车，尤其是涉及一种电动汽车的控制方法。 

  

背景技术

近年来我国中东大部分地区持续出现大范围雾霾天气，中央气象台持续发布雾霾红色预警，节能减排早已成为全社会共识。电动汽车具有低噪声、零排放等优点完全符合当前倡导节能环保理念，是汽车工业发展的方向之一。 

随着各类底盘电子集成控制技术在燃油汽车上广泛应用，如牵引力控制系统 (Traction Control System, TCS)、车身电子稳定程序 (Electronic Stability Program, ESP)、电控液压助力转向 (Electro-Hydraulic Power Steering, EHPS)系统和防抱死制动系统 (Anti-locked Braking System, ABS)等，一般需要对发动机、传动系统、转向系和制动系等综合控制予以实现。因电动轮作为车轮直接驱动汽车，无须发动机、换档变速和传动轴等部件，简化传动系统和底盘结构，提高传动效率，是汽车底盘传动方式的更替；同时能独立控制电动轮的驱动力响应速度快，容易测得准确的转速、转矩值，有效精简底盘电子控制系统架构，更是汽车电控研发技术的革新。 

现有的电动汽车一般仍然采用传统汽车的制动方式，即液压制动，液压制动具有其特有的优势，如结构简单、适应性广、噪音低、制动可靠等，但其制动过程一方面要消耗较大量的能量，另一方面会逐渐消耗刹车片，更为重要的是，在制动过程中，汽车动能被转换成热能消耗。但研究表明，汽车在制动过程中的能量损耗，占汽车耗能的很大一部分，特别是在城市道路上，由于汽车频繁制动，这部分的能量损耗甚至成为汽车耗能的主要部分。 

现有技术中，ESP车身电子稳定系统不但控制驱动轮，而且可控制从动轮。如后轮驱动汽车常出现的转向过多情况，此时后轮失控而甩尾，ESP便会刹慢外侧的前轮来稳定车子；在转向过少时，为了校正循迹方向，ESP则会刹慢内后轮，从而校正行驶方向。 

ESP系统是汽车上一个重要的系统，通常是支援ABS及ASR的功能。它通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，然后向ABS、ASR发出纠偏指令，来帮助车辆维持动态平衡。ESP一般需要安装转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器等。 

ESP除用到了ABS和TCS的轮速传感器和液压调节器之外，还包含了一个集成有侧向加速传感器的横摆角速度传感器和方向传感器，这两只传感器主要负责测量汽车围绕其纵轴的回转运动和记录驾驶员的转向意图；轮速传感器用来测量车轮的即时转速；转向角传感器：用于记录驾驶员的转向意图；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器用来测量汽车围绕其纵轴的回转运动和离心力。 

但是，现有ESP系统是对汽车在转弯过程中，出现稳定性问题时进行修正的系统，并不是汽车转弯的主要系统，其在具体使用中，无法降低制动转弯过程中的能耗，并且对液压制动系统的刹车片也无明显的保护和减损的作用。 

  

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的电动汽车在制动时对制动片（刹车片）损耗过大，制动能耗过大，制动稳定性只能通过ESP系统进行后发的修正进行等技术问题，提供一种合理使用液压制动，使得制动片损耗减小，制动能耗降低，制动稳定性有较大提升的基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法。 

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法，左、右电动轮分别对应设有左、右电机，左、右电机的控制电路均与控制系统相连，其特征在于每个电机分别通过一个切换装置与一个供电电路和一个阻抗电路相连，方向盘设有角度感应器、油门踏板和制动踏板分别设有开度感应器，左、右电动轮还设有液压制动系统，其控制方法包括如下过程： 

（1）  控制系统实时监控角度感应器，判断方向盘的转动角度δ_sw，进而判断驾驶员的转向意图；

（2）  根据油门踏板和制动踏板的开度感应器，判断油门踏板开度α_p和制动踏板开度k_α，进而判断驾驶员的加、减速意图；

（3）  当k_α=0，α_p≥0时，系统认为驾驶员有加速意图，则控制系统根据转动角度δ_sw分配左、右电机的驱动电压U_L和U_R，使得左、右电动轮获得ω_L和ω_R的角速度；

（4）  当k_α≥0，α_p =0时，系统认为驾驶员有减速意图，此时U_L和U_R均为0，控制系统通过汽车的加速度获得目标制动强度Z，并进行如下判断和操作，

ⅰ Z≤0.1为轻度制动，左右电机能提供的制动力矩T_m0大于或等于所需制动力矩T_total，控制系统根据转向意图控制切换装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统停止制动，由电机转动产生的磁场阻力分别完成对左、右电动轮的制动，相应电动轮的制动目标完成后，相应的切换装置随即动作，使得左右电机恢复与供电电路相连；

ⅱ 0.1＜Z为中度制动或紧急制动，左右电机能提供的制动力矩T_m0小于所需制动力矩T_total，液压制动系统继续工作，由液压制动系统单独作用，或切换接装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统接合电机转动产生的磁场阻力共同作用，分别完成对左、右电动轮的制动，相应电动轮的制动目标完成后，相应的切换装置随即动作，使得左右电机恢复与供电电路相连，液压制动系统同时停止对相应电动轮的制动。 

根据车辆纵向行驶速度为V，左右前轮的行驶速度分别为V_L和V_R， R为车轮滚动半径，a和b分别为前、后轴到质心的距离，L为车辆前后轴的轴距，W为车辆前轮轴的轮距，i为车辆的转向传动比，对应的转速分别为ω_L和ω_R；油门踏板开度α_p，方向盘转角δ_sw，左右轮的端电压值U_L和U_R，两者的分配百分比为k _α,转矩系数为k _β，h_g为车辆的质心高度。根据Ackerman理想转向模型要求四个车轮均绕一个瞬态圆心点做相同角速度的圆周滚动，左右前轮的转角应满足关系式： 

ω_L=V_L/R=V（1-W*tan(δ_sw/i)/L）/R      （1）

ω_R =V_R/R=V（1+W*tan(δ_sw/i)/L）/R     （2）

当k_α=0，α_p≥0时，即在加速状态下，要对电动轮电机进行控制，控制器根据理论转速和电动轮实际转速，调整控制器输出的不同PWM值（也就是左右轮的端电压值U_L和U_R），从而实时控制左右轮的电机目标转速。

ω_L= k _βU_L=k _βα_p（1-k _α）      （3） 

ω_R= k _βU_R=k _βα_p（1+k _α）     （4）

采用控制系统根据公式（3）和（4）电子差速的方式控制电动轮的目标转速，并对左右电机的电压进行分配控制。

在汽车的制动过程中，对电动轮的电磁制动力可以作为制动的一部分，从而有效分担部分主制动系统的制动负荷，能够有效的降低制动盘和制动钳的磨损。在传统的制动过程中依据目标制动强度Z分为轻度、中度和紧急制动三种： 

1） Z≤0.1   为轻度制动

2） 0.1<Z≤0.7   为中度制动

3） Z＞0.7    为紧急制动

ABS系统/ ESP系统的介入均需要有特定的行驶工况，所以轻度强度制动情况下，采用差动控制电动轮能够有效的调整车身的行驶姿态。首先采集制动踏板开度信号和制动主缸压力信号，并对当前制动工况进行判断，进行前后轴复合制动力的分配，依据车轮的转速和电池SOC信号计算当前状态电动轮能提供的电机制动力，并且考虑制动过程中的优先级，制动稳定性>制动效率>制动能量回收率。

电机在正常状态下能提供的制动力矩为T_m0，制动所需的制动力矩T_total，实际应分配的电动轮制动力矩为T_m，实际应分配的液压制动力矩为T_hy，单轮制动力矩T_dan，ABS介入制动力矩变化阈值为T_yz，kw为电磁转矩系数。 

第一种轻度制动情况T_m0≥T_total，电动轮未抱死，电动轮电机完全能承担制动扭矩的需求： 

T_total=Tm=2 T_dan

第二种中度制动情况，T_m0<T_total，电动轮未抱死，电动轮电机部分承担制动扭矩：

T_total=T_m+T_hy

第三种紧急制动高附着系数(φ≥0.3)情况下，T_m<<T_hy，表明主要有传统液压制动系统作用。

T_total=T_m+T_hy

作为优选，所述的阻抗电路为一个蓄电系统。在对电动进行制动，并且左、右电机实际与该阻抗电路相连时，该电机实际是作为一个发电机进行工作，其产生的电能通过该蓄电系统进行回收储存，有效的节约了电能。 

作为优选，当0.1＜Z≤0.7为中度制动，切换接装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统和电机转动产生的磁场阻力共同作用，分别完成对左、右电动轮的制动， 

当Z＞0.7为紧急制动，切换接装置不动作由液压制动系统单独作用，完成对左、右电动轮的制动。

作为优选，方向盘的转动角度δ_sw，为0时，方向盘处于初始角度，当k_α≥0，α_p =0时，方向盘的转动角度与左、右电动轮的目标转速ω_L、ω_R的关系为： 

ω_L= V（1-W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k_{α w}   （13）

ω_R= V（1+W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k_{α w}   （14）

当k_α=0，α_p≥0时，方向盘的转动角度与左、右电动轮的目标转速ω_L、ω_R的关系为：

ω_L= V（1-W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k _βα_p（1-k _α） 

ω_R= V（1+W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k _βα_p（1+k _α）

本发明的带来的有益效果是，解决了现有技术所存在的电动汽车在制动时对制动片（刹车片）损耗过大，制动能耗过大，制动稳定性只能通过ESP系统进行后发的修正进行等技术问题，实现了一种合理使用液压制动，使得制动片损耗减小，制动能耗降低，制动稳定性有较大提升的基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法。

  

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 

实施例： 

一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法，左、右电动轮分别对应设有左、右电机，左、右电机的控制电路均与控制系统相连，每个电机分别通过一个切换装置与一个供电电路和一个蓄电系统相连，左、右电机在非制动情况下，通过切换装置实际与供电电路相连，与蓄电系统处于实际断开状态，方向盘设有角度感应器、油门踏板和制动踏板分别设有开度感应器，左、右电动轮还设有液压制动系统，其控制方法包括如下过程：

（1）  控制系统实时监控角度感应器，判断方向盘的转动角度δ_sw，进而判断驾驶员的转向意图，方向盘的转动角度δ_sw为0时，方向盘处于初始角度，不转向，方向盘的转动角度δ_sw为正值或负值时，分别具有向两个方向转向的意图；

（2）  根据油门踏板和制动踏板的开度感应器，判断油门踏板开度α_p和制动踏板开度k_α，进而判断驾驶员的加、减速意图；

（3）  当k_α=0，α_p≥0时，系统认为驾驶员有加速意图，则控制系统根据转动角度δ_sw分配左、右电机的驱动电压U_L和U_R，使得左、右电动轮获得ω_L和ω_R的角速度，方向盘的转动角度与左、右电动轮的目标转速ω_L、ω_R的关系为：

ω_L= V（1-W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k _βα_p（1-k _α）

ω_R= V（1+W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k _βα_p（1+k _α）

（4）  当k_α≥0，α_p =0时，系统认为驾驶员有减速意图，此时U_L和U_R均为0，方向盘的转动角度与左、右电动轮的目标转速ω_L、ω_R的关系为：

ω_L= V（1-W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k_{α w}

ω_R= V（1+W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k_{α w}

其中，车辆纵向行驶速度为V， R为车轮滚动半径，a和b分别为前、后轴到质心的距离，L为车辆前后轴的轴距，W为车辆前轮轴的轮距，i为车辆的转向传动比，左、右电动轮的转速分别为ω_L和ω_R；油门踏板开度α_p，方向盘转角δ_sw，左右轮的端电压值U_L和U_R，两者的分配百分比为k_α,转矩系数为k_β。

控制系统通过汽车的加速度获得目标制动强度Z，并进行如下判断和操作： 

ⅰ Z≤0.1为轻度制动，左右电机能提供的制动力矩T_m0大于或等于所需制动力矩T_total，控制系统根据转向意图控制切换装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统停止制动，由电机转动产生的磁场阻力分别完成对左、右电动轮的制动，相应电动轮的制动目标完成后，相应的切换装置随即动作，使得左右电机恢复与供电电路相连；

ⅱ 0.1＜Z为中度制，左右电机能提供的制动力矩T_m0小于所需制动力矩T_total，液压制动系统继续工作，切换接装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统接合电机转动产生的磁场阻力共同作用，分别完成对左、右电动轮的制动，相应电动轮的制动目标完成后，相应的切换装置随即动作，使得左右电机恢复与供电电路相连，液压制动系统同时停止对相应电动轮的制动；

当Z＞0.7为紧急制动，切换接装置不动作由液压制动系统单独作用，完成对左、右电动轮的制动。由于在紧急制动情况下，制动过程所需要的制动力远远大于电动机磁场所能提供的阻力，因此，单独由液压制动系统进行制动，而不使用电机制动，一方面减小了系统控制时间，另一方面也可以对电机进行保护。

本发明的控制系统根据方向盘的转向判断驾驶员的转向意图，然后再判断车辆的加减速意图，车辆加速的情况下作为一种模式，根据转向角度的要求，对左右电机的电压进行分配，使得左右电动轮的转速达到其转向角度的要求；车辆减速的情况作为另一种模式，根据转向角度的要求，对左右电动轮所施加的制动力进行分配，在分配制动力时，又根据制动强度的不同，采用不同的制动模式，分别为电机磁场单独制动，电机磁场与液压制动系统共同制动以及液压制动系统单独制动。其目的是为了保护制动片、减小动力消耗，获得能量回收，并最终实现汽车运行平稳、节能环保、操作方便、节约成本等特征。 

Claims (4)

1.一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法，左、右电动轮分别对应设有左、右电机，左、右电机的控制电路均与控制系统相连，其特征在于每个电机分别通过一个切换装置与一个供电电路和一个阻抗电路相连，方向盘设有角度感应器、油门踏板和制动踏板分别设有开度感应器，左、右电动轮还设有液压制动系统，其控制方法包括如下过程：

(1)控制系统实时监控角度感应器，判断方向盘的转动角度δ_sw，进而判断驾驶员的转向意图；

(2)根据油门踏板和制动踏板的开度感应器，判断油门踏板开度α_p和制动踏板开度k_α，进而判断驾驶员的加、减速意图；

(3)当k_α=0，α_p≥0时，系统认为驾驶员有加速意图，则控制系统根据转动角度δ_sw分配左、右电机的驱动电压U_L和U_R，使得左、右电动轮获得ω_L和ω_R的角速度；

(4)当k_α≥0，α_p =0时，系统认为驾驶员有减速意图，此时U_L和U_R均为0，控制系统通过汽车的加速度获得目标制动强度Z，并进行如下判断和操作，

ⅰ Z≤0.1为轻度制动，左右电机能提供的制动力矩T_m0大于或等于所需制动力矩T_total，控制系统根据转向意图控制切换装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统停止制动，由电机转动产生的磁场阻力分别完成对左、右电动轮的制动，相应电动轮的制动目标完成后，相应的切换装置随即动作，使得左右电机恢复与供电电路相连；

ⅱ 0.1＜Z为中度制动或紧急制动，左右电机能提供的制动力矩T_m0小于所需制动力矩T_total，液压制动系统继续工作，由液压制动系统单独作用，或切换接装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统接合电机转动产生的磁场阻力共同作用，分别完成对左、右电动轮的制动，相应电动轮的制动目标完成后，相应的切换装置随即动作，使得左右电机恢复与供电电路相连，液压制动系统同时停止对相应电动轮的制动。

2.根据权利要求1所述的一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法，其特征在于所述的阻抗电路为一个蓄电系统。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法，其特征在于

当0.1＜Z≤0.7为中度制动，切换接装置动作，使左右电机分别与阻抗电路实际相连，液压制动系统和电机转动产生的磁场阻力共同作用，分别完成对左、右电动轮的制动，

当Z＞0.7为紧急制动，切换接装置不动作由液压制动系统单独作用，完成对左、右电动轮的制动。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于左右电动轮差动\制动控制的电动汽车控制方法，其特征在于方向盘的转动角度δ_sw，为0时，方向盘处于初始角度，当k_α≥0，α_p =0时，方向盘的转动角度与左、右电动轮的目标转速ω_L、ω_R的关系为：

ω_L= V（1-W×tan(δ_sw/i)/L）/R+kα                                                 _w   

ω_R= V（1+W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k_{α w}   

当k_α=0，α_p≥0时，方向盘的转动角度与左、右电动轮的目标转速ω_L、ω_R的关系为：

ω_L= V（1-W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k _βα_p（1-k _α） 

ω_R= V（1+W×tan(δ_sw/i)/L）/R+k _βα_p（1+k _α）

其中，车辆纵向行驶速度为V， R为车轮滚动半径，a和b分别为前、后轴到质心的距离，L为车辆前后轴的轴距，W为车辆前轮轴的轮距，i为车辆的转向传动比，左、右电动轮的转速分别为ω_L和ω_R；油门踏板开度α_p，方向盘转角δ_sw，左右轮的端电压值U_L和U_R，两者的分配百分比为k_α,转矩系数为k_β。