CN104802648A - 一种电动车制动回馈能量的自适应控制系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车制动回馈能量的自适应控制系统与控制方法，该控制系统包括车重传感器、整车控制器、制动传感器、动力电池组、电池管理系统、电机控制器、驱动电机；其中，该车重传感器具有触点，该触点的引线与该整车控制器的一个输入端相连；该制动传感器输出线与该整车控制器的另一输入端相连；该整车控制器同时与电池管理系统、电机控制器相连，该电池管理系统连接动力电池组并控制动力电池组供电，该动力电池组的高压直流输出与该电机控制器的高压直流输入相连；该电机控制器的高压交流输出与该驱动电机的输入电缆相连，根据该制动传感器发出的信号控制该驱动电机转换为发电机，实现能量回馈，并根据车辆空载或重载实现自适应控制。

Description

一种电动车制动回馈能量的自适应控制系统与控制方法

技术领域

本发明有关电动汽车领域的制动能量回馈，特别是指一种基于车辆质量在线辨识的电动矿用车制动回馈能量自适应控制系统与控制方法。

背景技术

目前，在全球石油资源日趋紧张、人类环保意识日益增强的今天，电动汽车得到日益广泛的应用。与传统的燃油矿用车相比，电动矿用车具有独特的“制动回馈能量”功能，在车辆制动过程中，驱动电机处于发电状态，将车辆的行驶动能部分地转化为电能，存储在车载动力电池组中，提供后续的车辆驱动能量，节能效果明显。但是，电动矿用车在工作过程中，具有“空载”和“重载”两种质量状态。在“空载”情况下，质量较轻；在“重载”情况下，质量较重，后者可以达到前者的三倍以上，在相同的行驶速度下，“重载”情况下的制动可回馈能量显著大于“空载”情况。因此，在车辆行驶过程中，通过在线辨识车辆质量状态，在“空载”情况下，采取较小的制动回馈强度；在“重载”情况下，采取较大的制动回馈强度，可以在保证车辆制动安全性的同时，根据车辆的质量状态对制动过程进行自适应调节，充分发挥电动矿用车的节能特性。

但在现有的电动汽车制动回馈功能设计中，都不涉及“车辆质量辨识”和“制动回馈能量的自适应控制”，因此无法对车辆回馈能量的大小进行有效调节控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于车辆质量在线辨识的电动矿用车制动回馈能量自适应控制系统与控制方法。

为达到上述目的，本发明提供一种电动车制动回馈能量的自适应控制系统，其包括车重传感器、整车控制器、制动传感器、动力电池组、电池管理系统、电机控制器、驱动电机；其中，该车重传感器具有触点，该触点随车辆负载质量的大小关闭或打开，该触点的引线与该整车控制器的一个输入端相连；该制动传感器输出线与该整车控制器的另一输入端相连；该整车控制器同时与电池管理系统、电机控制器相连，该电池管理系统连接动力电池组并控制动力电池组供电，该动力电池组的高压直流输出与该电机控制器的高压直流输入相连；该电机控制器的高压交流输出与该驱动电机的输入电缆相连并根据该制动传感器发出的信号控制该驱动电机转换为发电机。

该自适应控制系统更包含车重传感器连杆，该传感器连杆具有活动端，该活动端与该车重传感器连杆的一端点相接触，该车重传感器连杆的另一端点与车桥板簧相连并能随车辆负载质量相对车架向上运动，该车重传感器连杆位于两个端点之间的支撑点与车架上的支点相连，该车重传感器连杆能绕该支点旋转。

所述触点为常开触点，车辆处于重载情况下，所述车重传感器连杆的另一端点相对车架向上运动，所述车重传感器连杆绕支点顺时针旋转，所述车重传感器连杆的一端点带动所述车重传感器活动端向上运动，该常开触点闭合；车辆处于空载情况下，该常开触点打开。

所述整车控制器同时通过CAN网络总线与所述电池管理系统、电机控制器相连，并根据该CAN网络总线上车速和扭矩的变化时间判定车辆是空载或重载。

本发明还提供一种利用电动车制动回馈能量的自适应控制系统的控制方法，该控制方法包括：

将车重传感器的触点的引线与整车控制器的一个输入端相连，该触点能随车辆负载质量的大小关闭或打开，将制动传感器的输出线与该整车控制器的另一输入端相连；该整车控制器同时与电池管理系统、电机控制器相连，将该电池管理系统连接动力电池组并控制动力电池组供电，将该动力电池组的高压直流输出与该电机控制器的高压直流输入相连；将该电机控制器的高压交流输出与驱动电机的输入电缆相连，该电机控制器根据该制动传感器发出的信号控制该驱动电机转换为发电机进行制动能量回馈，对该动力电池组充电。

所述车重传感器还包括一活动端，将该活动端连接一车重传感器连杆的一端点，将该车重传感器连杆的另一端点与车桥板簧相连并能随车辆负载质量相对车架向上运动，将该车重传感器连杆位于两个端点之间的支撑点与车架上的支点相连，并且该车重传感器连杆能绕该支点旋转。

所述整车控制器同时通过CAN网络总线与所述电池管理系统、电机控制器相连，根据该CAN网络总线上车速和扭矩的变化时间判定车辆是空载或重载以便对制动回馈能量实现自适应控制。

在制动回馈过程中，驱动电机处于发电状态，对动力电池组进行充电，充电电流由如下公式决定：

$I=\frac{T\·n}{9.55\·U}$

其中：I——制动回馈过程中驱动电机对动力电池组的充电电流，单位A

T——整车控制器输出的制动回馈力矩信号，单位Nm

n——当前车速下的驱动电机转速,单位rpm

U——动力电池组的端电压，单位V。

制动回馈力矩算法由如下公式决定：

T＝sgn(P_10.0)·k·U_b

其中，sgn(P10.0)为车辆载荷函数，车辆满载时，P10.0＝0，车辆空载时，P10.0＝1：

k是制动回馈强度，表征制动踏板输出单位电压时的制动回馈力矩；

Ub为根据踩制动踏板的深度，输入到整车控制器的电压值。

所述Ub的电压范围为0-4.88V。

本发明的自适应控制方法采用“车重传感器”直接判断电动矿用车的“空载”或“重载”状态。在制动过程中，根据制动踏板上的传感器信号，通过整车控制器控制驱动电机的制动力矩，将车辆的行驶动能通过驱动电机转化为电能，存储在动力电池组中，实现制动能量回馈功能。该自适应控制系统具有结构简单、控制可靠等特点。

附图说明

图1为本发明的电动车制动回馈能量的自适应控制系统的结构框图；

图2为本发明中的用于车辆质量在线辨识的电路原理图；

具体实施方式

为便于对本发明的结构及方法及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

如图1所示，本发明的用于电动矿用车制动回馈能量的自适应控制系统的结构图，其包括车重传感器1、车重传感器连杆2、整车控制器3、制动传感器4、动力电池组5、电池管理系统6、电机控制器7、驱动电机8；其中，该车重传感器1的活动端与车重传感器连杆2的一个端点A相接触，车重传感器1的常开触点引线与该整车控制器3的输入端Ua相连；车重传感器连杆2的另一端点C与车桥板簧相连，车重传感器连杆2位于两个端点之间的支撑点与车架上的支点B相连，车重传感器连杆2可以绕支点B旋转；制动传感器4输出线与整车控制器3的输入端Ub相连；整车控制器3通过CAN(Controller AreaNetwork，控制器局域网)网络总线同时与电池管理系统6、电机控制器7相连；动力电池组5的高压直流输出与电机控制器7的高压直流输入相连；电机控制器7的高压交流输出与驱动电机8的输入电缆相连，该电池管理系统6连接动力电池组5并控制动力电池组5供电，该动力电池组5供电输出的高压直流经电机控制器7转变为高压交流并为驱动电机8供电。

本发明的电动车制动回馈能量的自适应控制系统的工作原理为：

车重传感器1的活动端与车重传感器连杆2的A端相接触；车重传感器连杆2的支撑点与车架上的支点B相连，车重传感器连杆2可以绕B点旋转，车重传感器连杆2的C端与车桥板簧相连。当车辆处于重载情况下，车辆悬架钢板弹簧受压，带动车重传感器连杆2的C端相对车架向上运动(C端实际相对支点B向下运动)，车重传感器连杆2绕支点B顺时针旋转，车重传感器连杆2的A端带动车重传感器1活动端向上运动，导致车重传感器1常开触点闭合。当车辆处于空载情况下，车重传感器1常开触点不闭合。车重传感器1的常开触点引线与整车控制器3的输入端Ua相连，整车控制器3根据车重传感器1常开触点状态，同时根据CAN网络总线上车速和扭矩的变化时间来判定车辆是空载还是重载，来实现对制动回馈能量实现自适应控制。

如图2所示，该电路的实施例分别说明如下：

车辆为载重量为50吨的宽体自卸车，空载质量为23吨，满载质量为70吨。车重传感器采用德力西LXK3-20S/T行程，车重传感器活动端行程40mm(可调)，常开触点一端接车辆底盘(车载蓄电池24V电源地)、常开触点另一端接到整车控制器输入Ua。车辆质量在线辨识的电路原理图如图2所示，24V电源通过电阻R1(20kΩ)和电阻R2(5.1kΩ)接到电源地。在车辆空载状态下，车重传感器常开触点不闭合，输入端Ua处的电压为4.88V，该电压接到单片机(整车控制器的一部分)的数字输入端P10.0，这时，输入端P10.0为高电平。在车辆重载状态下，车重传感器常开触点闭合，输入端Ua通过闭合触点与车辆底盘(24V电源地)实现电气相连，输入端Ua处的电压为0V，该电压接到单片机的数字输入端P10.0，这时，输入端P10.0为低电平。

制动踏板上的制动传感器等效电路如图2中所示，24V电源通过电阻R3(20kΩ)和滑动电位器W(5.1kΩ)接到电源地。根据司机踩制动踏板的深度，电位器滑动端输出电压范围为0-4.88V，该电压Ub输入到单片机的AD转化接口P5.0。单片机根据电压Ub的大小决定制动回馈力矩值。

制动回馈力矩算法由公式(1)决定：

T＝sgn(P_10.0)·k·U_b           (1)

其中，sgn(P10.0)为车辆载荷函数，如公式(2)所示。车辆满载时，P10.0＝0，车辆空载时，P10.0＝1：

k是制动回馈强度，表征制动踏板输出单位电压时的制动回馈力矩，如公式(3)所示：

k＝140Nm/V              (3)

在制动回馈过程中，驱动电机处于发电状态，对动力电池组进行充电。充电电流由公式(4)决定：

$I=\frac{T\·n}{9.55\·U}---\left(4\right)$

其中：I——制动回馈过程中驱动电机对动力电池组的充电电流，A

T——整车控制器输出的制动力矩信号，由公式(1)决定，Nm

n——当前车速下的驱动电机转速,rpm

U——动力电池组的端电压，V

单片机采用Infenion公司的16位单片机XC2267M；单片机的控制电路为常规电路。

本发明基于车重传感器自动辨识车辆“空载”或“重载”状态。在车辆重载状态下，整车控制器增加制动回馈强度，将更多的车辆动能转化为电能；在车辆空载状态下，整车控制器降低制动回馈强度，保证车辆制动安全性。本发明适用于电动矿用车等车辆载荷变化较大的场合。

该自适应控制系统结构简单，车重辨识方法可靠。在车辆制动过程中，能够将更多的车辆动能转化为电能，节能效果明显。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电动车制动回馈能量的自适应控制系统，其特征在于，其包括车重传感器、整车控制器、制动传感器、动力电池组、电池管理系统、电机控制器、驱动电机；其中，该车重传感器具有触点，该触点随车辆负载质量的大小关闭或打开，该触点的引线与该整车控制器的一个输入端相连；该制动传感器输出线与该整车控制器的另一输入端相连；该整车控制器同时与电池管理系统、电机控制器相连，该电池管理系统连接动力电池组并控制动力电池组供电，该动力电池组的高压直流输出与该电机控制器的高压直流输入相连；该电机控制器的高压交流输出与该驱动电机的输入电缆相连并根据该制动传感器发出的信号控制该驱动电机转换为发电机。

2.如权利要求1所述的电动车制动回馈能量的自适应控制系统，其特征在于，该自适应控制系统更包含车重传感器连杆，该传感器连杆具有活动端，该活动端与该车重传感器连杆的一端点相接触，该车重传感器连杆的另一端点与车桥板簧相连并能随车辆负载质量相对车架向上运动，该车重传感器连杆位于两个端点之间的支撑点与车架上的支点相连，该车重传感器连杆能绕该支点旋转。

3.如权利要求2所述的电动车制动回馈能量的自适应控制系统，其特征在于，所述触点为常开触点，车辆处于重载情况下，所述车重传感器连杆的另一端点相对车架向上运动，所述车重传感器连杆绕支点顺时针旋转，所述车重传感器连杆的一端点带动所述车重传感器活动端向上运动，该常开触点闭合；车辆处于空载情况下，该常开触点打开。

4.如权利要求1所述的电动车制动回馈能量的自适应控制系统，其特征在于，所述整车控制器同时通过CAN网络总线与所述电池管理系统、电机控制器相连，并根据该CAN网络总线上车速和扭矩的变化时间判定车辆是空载或重载。

5.一种利用权利要求1所述的电动车制动回馈能量的自适应控制系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

将车重传感器的触点的引线与整车控制器的一个输入端相连，该触点能随车辆负载质量的大小关闭或打开，将制动传感器的输出线与该整车控制器的另一输入端相连；该整车控制器同时与电池管理系统、电机控制器相连，将该电池管理系统连接动力电池组并控制动力电池组供电，将该动力电池组的高压直流输出与该电机控制器的高压直流输入相连；将该电机控制器的高压交流输出与驱动电机的输入电缆相连，该电机控制器根据该制动传感器发出的信号控制该驱动电机转换为发电机进行制动能量回馈，对该动力电池组充电。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述车重传感器还包括一活动端，将该活动端连接一车重传感器连杆的一端点，将该车重传感器连杆的另一端点与车桥板簧相连并能随车辆负载质量相对车架向上运动，将该车重传感器连杆位于两个端点之间的支撑点与车架上的支点相连，并且该车重传感器连杆能绕该支点旋转。

7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述整车控制器同时通过CAN网络总线与所述电池管理系统、电机控制器相连，根据该CAN网络总线上车速和扭矩的变化时间判定车辆是空载或重载以便对制动回馈能量实现自适应控制。

8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在制动回馈过程中，驱动电机处于发电状态，对动力电池组进行充电，充电电流由如下公式决定：

$I=\frac{T\·n}{9.55\·U}$

其中：I——制动回馈过程中驱动电机对动力电池组的充电电流，单位A

T——整车控制器输出的制动回馈力矩信号，单位Nm

n——当前车速下的驱动电机转速,单位rpm

U——动力电池组的端电压，单位V。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，制动回馈力矩算法由如下公式决定：

T＝sgn(P_10.0)·k·U_b

其中，sgn(P10.0)为车辆载荷函数，车辆满载时，P10.0＝0，车辆空载时，P10.0＝1：

k是制动回馈强度，表征制动踏板输出单位电压时的制动回馈力矩；

Ub为根据踩制动踏板的深度，输入到整车控制器的电压值。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述Ub的电压范围为0-4.88V。