CN105320011B - 一种电动汽车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车控制系统包括控制器、电动机和信号分析器，所述电动机、控制器、信号分析器通过CAN总线连接；控制决策模块与PID控制模块连接，PID控制模块和控制决策模块分别连接于CAN总线连接模块；信号分析器包括数据采集模块、滤波计算模块、阻力度计算模块、路网匹配模块、倾角传感器、坡度计算模块、CAN总线连接模块和无线通讯模块；数据采集模块、阻力度计算模块、路网匹配模块分别与CAN总线连接模块连接，滤波计算模块连接于数据采集模块和阻力度计算模块。本发明可以有效延长电动汽车的续航里程。

Description

一种电动汽车控制系统

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，特别是涉及一种电动汽车控制系统。

背景技术

现在电动汽车越来越普及，但电池续航问题是电动汽车推广中遭遇的最大阻碍，也是国内电动汽车技术难有大的突破。电动汽车拥有一套对电动机的工作状态进行控制的控制器，该控制器是根据司机踩踏加油踏板的操作而控制电动机转动的快慢。而蓄电池是电动机转动的动力源，但蓄电池的电压衰减是呈非线性的，当蓄电池充满电时电压缓慢降低，当蓄电池的电量消耗部分以后，电压衰减越来越快。专利号为：CN102765388A的现有专利，公开了《一种基于多信息融合的整车控制方法》，使整车动力性和经济性随路况和负载质量自适应调整。续航里程是衡量电动车性能的重要标志，而电动汽车的充电站并不普及，因此如何延长电动汽车的续航里程就成为大家亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车控制系统，用于延长电动汽车的续航里程。

本发明是这样实现的：

一种电动汽车控制系统，

包括控制器、电动机和信号分析器，所述电动机、控制器、信号分析器通过CAN总线连接；

所述控制器包括PID控制模块、控制决策模块和CAN总线连接模块，控制决策模块与PID控制模块连接，PID控制模块和控制决策模块分别连接于CAN总线连接模块；

所述电动机连接有电动机驱动模块和制动发电模块，制动发电模块连接于动力电池，动力电池连接有电池管理模块，电池管理模块连接汽车CAN总线；

信号分析器包括数据采集模块、滤波计算模块、阻力度计算模块、路网匹配模块、倾角传感器、坡度计算模块、CAN总线连接模块、热量管理模块和无线通讯模块；

数据采集模块、阻力度计算模块、路网匹配模块分别与CAN总线连接模块连接，滤波计算模块连接于数据采集模块和阻力度计算模块，所述路网匹配模块包括本地路网数据库、定位模块和MEMS传感器，所述倾角传感器、定位模块、数据采集模块和MEMS传感器分别连接于坡度计算模块；

数据采集模块用于从CAN总线上采集实时车辆信号；

滤波计算模块包括速度滤波器、加速度滤波器和扭矩滤波器，滤波计算模块用于对数据采集模块采集的车辆信号进行滤波；

阻力度计算模块用于根据滤波计算模块的输出数据计算车辆行驶时的阻力；

路网匹配模块用于运用卡尔曼滤波技术，并结合定位模块、本地路网数据库以及MEMS传感器的数据进行实时的线路匹配跟踪；

坡度计算模块用于根据倾角传感器、定位模块、车辆动力数据和MEMS传感器的检测数据计算车辆行驶道路的坡度，并通过无线通讯模块将计算得到的坡度数据传送至服务器；

所述热量管理模块包括两个以上温度传感器，所述温度传感器用于采集电动汽车中大功率器件的温度信息，热量管理模块用于根据所述温度信息调整电动机的功率和电动汽车冷却系统的功率，使所述大功率器件的温度维持在预设的温度区间内；

所述电池管理模块包括设置于动力电池正负电极间的可调电容器，所述电池管理模块根据汽车制动时的时速或CAN总线上汽车的加速度值调整可调电容器的容量。

进一步的，所述阻力度计算模块计算得到的车辆行驶时的阻力通过CAN总线发送给控制决策模块，控制决策模块根据所述阻力决策是否开启或关闭节能控制。

进一步的，所述滤波计算模块对数据采集模块采集到的车辆信号进行滤波、差分、再滤波操作；在滤波步骤中，滤波计算模块使用数字信号处理技术对所述车辆信号进行功率谱估计，得到车辆信号的截止频率，并通过设定滤波类型和滤波阶数进行滤波，得到光滑的曲线信号。

进一步的，所述路网匹配模块根据数字地图与GPS信号定位技术，并结合MEMS传感器检测到的方位数据，提高道路匹配精度。

进一步的，所述数据采集模块采集的车辆信号包括车速、转速、扭矩。

进一步的，所述PID控制模块计算预期的电动机转速控制值r(t)与电动机的实际输出转速c(t)的差值e(t)，将所述差值e(t)的比例计算(P)、积分计算(I)和微分计算(D)通过线性组合得到控制量，并根据得到的控制量来控制电动机，使电动机的实际转速c(t)向电动机转速控制值r(t)靠近。

进一步的，所述控制决策模块根据车辆的速度、阻力度决策是否开启或关闭节能控制；

节能控制启动的条件为：

(1)40km/h<车辆速度<120km/h，并且

(2)阻力度绝对值<设定阈值；

节能控制停止条件：

(1)阻力度绝对值>设定阈值；

(2)检测到司机刹车信号时；或

(3)司机油门开度变化率超过阈值时。

进一步的，所述控制决策模块还用于进行行驶耗电经济区计算，控制决策模块存储测量得到的在空载、半载和满载状态下，车辆平稳行驶时的扭矩输出曲线，将扭矩输出曲线划分成多个连续的速度区间，并根据当前的车辆控制预期速度，控制电动机转速，使车辆以当前速度区间内最节能的速度行驶。

本发明的有益效果为：本发明电动汽车控制系统包括电动机、控制器、信号分析器，控制器包括PID控制模块、控制决策模块和CAN总线连接模块，信号分析器包括数据采集模块、滤波计算模块、阻力度计算模块、路网匹配模块、倾角传感器、坡度计算模块、CAN总线连接模块和无线通讯模块；本发明结合路网匹配计算、信号滤波、节能控制、坡度计算、PID控制以及行驶经济区间控制技术，大大延长了电动汽车的续航里程。

附图说明

图1为本发明实施方式电动汽车控制系统的模块框图；

图2为本发明实施方式中滤波前的车辆信号；

图3为图2所示车辆信号经滤波模块滤波后得到的信号；

图4为PID控制模块的原理示意图；

图5为平路行驶时的车辆负载特性。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本发明电动汽车控制系统包括控制器、电动机和信号分析器，所述电动机、控制器、信号分析器通过CAN总线连接；

所述控制器包括PID控制模块、控制决策模块和CAN总线连接模块，控制决策模块与PID控制模块连接，PID控制模块和控制决策模块分别连接于CAN总线连接模块；

所述电动机连接有电动机驱动模块和制动发电模块，制动发电模块连接于动力电池，动力电池连接有电池管理模块，电池管理模块通过汽车CAN总线；

信号分析器包括数据采集模块、滤波计算模块、阻力度计算模块、路网匹配模块、倾角传感器、坡度计算模块、CAN总线连接模块和无线通讯模块(即2G、3G通讯模块)；

数据采集模块、阻力度计算模块、路网匹配模块分别与CAN总线连接模块连接，滤波计算模块连接于数据采集模块和阻力度计算模块，所述路网匹配模块包括本地路网数据库、定位模块和MEMS传感器，所述倾角传感器、定位模块、数据采集模块和MEMS传感器分别连接于坡度计算模块。

电动汽车控制系统各模块的功能请参阅表一：

表一

所述电池管理模块包括设置于动力电池正负极之间的可调电容器，所述可调电容器可以由两个以上可调电容并且而成，电池管理模块连接于汽车的CAN总线，并从中获取汽车的运动状态，即是加速状态还是制动状态，同时从CAN总线中获取加速状态时的加速度值，以及制动状态时的汽车时速，电池管理模块根据所述加速度值或制动状态时的汽车时速控制所述可调电容器，防止大电流对动力电池的冲击。当制动状态时，调整可调电容器的容量，使可调电容器的容量与制动时速成正比，从而使制动发电模块所产生的电流经所述可调电容器缓冲后再输给动力电池；当加速状态时，调整可调电容器的容量，使可调电容器的容量与所述加速度值成反比，先释放可调电容器中的电能，使可调电容器与动力电池一起向电动机供电。因此，通过所述电池管理模块可有效防止急加速和快速制动时的大电流对动力电池的直接冲击，有效延长动力电池的使用寿命，同时，所述电池管理模块可有效避免动力电池急放电情况的发生，使动力电池的电能有效转化成电动机的动能，从而延长电动汽车的续航里程。

信号分析器实现方式：

阻力度计算

阻力度计算用于决策何时开启节能控制，何时需要关闭节能控制。当汽车处于平稳行驶状态下开启节能控制，在汽车行驶状态稳定，因此可以尽量多的控制电池输出的而不影响司机的操作；关闭节能控制的时机为：1、处于坡度时刻，这时候司机往往需要降档并拉高转速度来保证车辆的上坡力矩，如果进行节能控制会导航车辆上坡无力甚至无法上坡；2、刹车时刻，此时需要由司机完全主导动力系统，不可进行额外干预否则会引起安全问题；3、怠速下坡时刻，此时额外控制反而省电。

车辆阻力度定义，是指汽车空载在没有阻力(没有滚动、坡度、刹车阻力、空气阻力以及其它阻力)情况下直线行驶的加速度与汽车实际加速度之差。车辆阻力度作用是可综合反映客车载荷重量、道路坡度和行驶阻力，可依据车辆阻力度进行电动机节能控制。

滤波计算

在阻力度计算模块中，用到的速度、加速度、扭矩信号都需要进行滤波处理。因为汽车的输出轴上通常都有转速传感器，可以很容易地将其采集到的转速信号转化为汽车的车速.如果对车速信号直接差分，虽然可以得到汽车的加速度，但由于这样获得的加速度信号噪声很大，很难应用于汽车的控制系统。如图2所示，为原始车辆信号。需要对车速信号进行滤波、差分、再滤波的方法获得良好实时性和精度的汽车纵向加速度。滤波算法模块需要借助数字信号处理算法，首先进行车辆信号功率谱估计，得到截止频率，并设计相应的滤波类型、滤波阶数。滤波器计算实质为一个长序列的浮点乘法求合运算，因此在产品设计选型时需要注意核心处理器的浮点运算能力。计算之后处理效果理想情况下应该为一光滑曲线。如图3所示为滤波计算后得到的车辆信号。同理，还需要对扭矩等信号进行滤波处理，得到处理后的信号再送入阻力度计算模块中。

热量管理

在长时间行驶过程中，电动汽车中的大功率器件的温度都比较高，而其中大多数的大功率器件的工作效率都与其温度有关，当温度过高或过低时，都会降低其工作效率，影响有效续航里程。热量管理设置有多个温度传感器，用于检测大功率器件的温度，并根据所述温度信息调整电动机的功率和电动汽车冷却系统的功率，使所述大功率器件的温度维持在预设的温度区间内。例如，电动机的理想温度区间为70°～95°，动力电池的理想温度区间为45°～65°，当所述电动机与动力电池的温度超过其所对应的温度区间时，则所述热量管理模块就会介入，降低电动机的输出功率，同时提高冷却系统的功率，从而使电动机与动力电池的温度维持在理想区间内，从而有效延长电动汽车的续航里程。

地图匹配计算

能够准确区分高速、国省道、市区、其它道路。这将涉及到GPS与地图匹配技术，需要利用地图数据和一些方向传感量实现高精度道路匹配。预期达到项目的相关功能要求如下：

(1)垂直于道路误差低于5％(即道路匹配准确率95％以上)。可能存在的困难是对平行道路的处理能不能达到理想效果。

(2)实现GPS信号无效区域道路位置的估算与保持。

这方面的高精度匹配功能需要借助方向与加速度传感器，融合GPS位置和地图路网来实现。其具体技术是利用卡尔曼滤波，进行数据融合，以实现高精度定位。具体融合算法还在研究中。

地理坡度计算

融合GPS位置、倾角传感器、汽车动力数据测量道路坡度，目前跟据汽车动力数据测量道路坡度的方法如下：

匀速行驶的汽车电动机总功率Pe消耗在：滚动阻力消耗功率Pf；坡度阻力消耗功率Pi；风阻消耗功率Pw。其它：空调与车载电器耗功率Pk。由于空调与电器功率消耗相对于滚动阻力、风阻、坡阻较小，因此在考虑影响车辆行驶主要因素时可以暂时忽略，等速行驶时功率计算公式原理如下：

$P_e=\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_T}(P_f+P_w+P_i)=\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_T}(\frac{{\mathrm{Gfu}}_a}{3600}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}_a^3}{76140}+\frac{{\mathrm{Gu}}_a}{3600}sin\mathrm{\&alpha;})$

按公式计算汽车匀速平稳行驶时的功率变化。其中G＝mg为重力，f为路面摩擦系数(或称滚动阻力系数)，ua为当前速度，CD为风阻系数，A为车辆迎风面积，η_T为传动系机械效率。从一个较短的时间窗来看，匀速行驶的汽车的滚动阻力、风阻、空调消耗功率近似恒定，而总功率消耗主要取决于道路坡度大小。

在现实条件下，不可能一辆车始终保持匀速行驶。因此需要许多车辆的行驶数据进行挖掘，从每辆车经过一段路线的匀速片段中挖掘出整个线路的坡度变化曲线。再按照数据清洗、整体融合步聚挖掘出整个路段的坡度变化曲线。

数据清洗后保留的数据是所有车辆近似匀速行驶的片段，这样做的目的是排除加速度对功率变化的影响，并且由于在匀速片段上车辆的速度质量不变因此道路摩擦阻力消耗功率相等、风阻消耗功率近似相等，这样汽车功率变化主要受坡度因素影响。

本发明只需对做为初始参考片段A车进行载重与功耗的标定，而不需要其它车辆的具体载重数据，即可预计通过数据清洗与中心数据融合得到整个路段的坡度变化数据。

因此选择初始参考片段时需要对A车进行标定，这在实际研发项目过程也是容易实现的(例如对A车进行重量标定，或让A车空载载重就是标准整车质量)。利用标定车在平路上的行驶功耗反推相对坡度变化序列为绝对坡度变化序列，利用大数据量的车联网中心，结合一些标定测量，预计可进行大范围的地理坡度环境测量，建立完备的地理坡度数据库。

控制器实现技术

PID控制

在实际电动机控制中，为了使汽车电动机达到车速控制的要求，需要根据实际运行情况与控制预期的差别进行动态PID控制，PID控制是一种比较常见的的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用。常规PID控制系统原理框图如图4所示。

控制系统由模拟PID控制器和被控对象组成，PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)即预期的电动机转速控制值与实际输出值c(t)即实际的转速值构成控制偏差

e(t)＝r(t)-c(t)

将偏差的比例计算(P)、积分计算(I)和微分计算(D)通过线性组合构成控制量，将被控对象进行控制,使实际结果不断向预期控制结果靠近，故称PID控制器。

在整定PID控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系。为了减少需要整定的参数，先可以采用PI控制器。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

节能控制启停控制决策

节能控制启动条件为：

(1)40km/h<汽车速度<120km/h，此时认为汽车可以平稳驾驶，满足开启节能控制条件。

(2)阻力度绝对值<设定阈值，此时认为汽车所处环境平稳，无上坡、下坡、急加速的应用条件，满足开启节能控制条件。

以上两个条件必须同时满足，才可开启节能控制功能。

节能控制停止条件：

(1)阻力度绝对值>设定阈值，此时汽车可能遇到需要大动力的特殊情况，如拉高转速上陡坡，或者遇到大阻力消耗情况，如司机进行制动，或者遇到负阻力度情况，如车辆长下坡时用电动机反拖制动。

(2)检测到司机刹车信号时。

(3)司机油门开度变化率超过阈值时。

以上三个条件满足一个，即要关闭节能控制功能。

经济区间计算

首先需要测量所控制车辆的空满载扭矩特性，如下图所示，测量得到在空、半载、满载状态下汽车平稳行驶的扭矩输出曲线：

扭矩输出曲线是指某一汽车以某个负载、某个档位、某个坡度行驶时，电动机需要输出的力矩曲线。图5为平路行驶时的扭矩输出曲线示例。

横坐标为电动机转速，纵坐标为电输出转矩，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等罗马数字代表手动档位的1，2，3，4，5，6档；实线为满载扭矩输出曲线，横虚线为半载扭矩输出曲线，点虚线为空载力矩输出曲线。

档位一定，电动机转速一定，如果车轮没有出现打滑，那车速是一定的。由于车速是车辆行驶中司机最主要的操作因素也是决定行驶时间的主要因素，而转速对应万有特性表中的油耗率参数，因此画出车速转速对应曲线对统计百公里油耗和控制汽车工作状态是十分重要的。在知道汽车主减速比和传动比参数的情况下可以计算出他们的关系曲线，也可通过实际测量得出他们的关系曲线。在微巡航的时候，根据所设定速度值，尽量在一个小区间上将速度往最节能的方向调整。同时根据阻力度变化，实时估算车辆的空满载状态，及时切换负载曲线，寻找正确的节能区间。

本发明通过所述的信号分析器不断的自主学习、记忆存储和积累优化，能够寻找到最节能的驾驶方法，例如车主固定的上下班路线通过上述发明的信号分析器对路径的学习、积累和分析后，给出一种最节能的驾驶控制方法。车主采取这种驾驶控制方法可以将误操作引起不必要的电能用于更长时间的驾驶，延长电动车的续航里程。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种电动汽车控制系统，包括控制器、电动机和信号分析器，所述电动机、控制器、信号分析器通过CAN总线连接；

所述控制器包括PID控制模块、控制决策模块和CAN总线连接模块，控制决策模块与PID控制模块连接，PID控制模块和控制决策模块分别连接于CAN总线连接模块；

所述电动机连接有电动机驱动模块和制动发电模块，制动发电模块连接于动力电池，动力电池连接有电池管理模块，电池管理模块连接汽车CAN总线；

其特征在于，信号分析器包括数据采集模块、滤波计算模块、阻力度计算模块、路网匹配模块、倾角传感器、坡度计算模块、CAN总线连接模块、热量管理模块和无线通讯模块；

数据采集模块、阻力度计算模块、路网匹配模块、热量管理模块分别与CAN总线连接模块连接，滤波计算模块连接于数据采集模块和阻力度计算模块，所述路网匹配模块包括本地路网数据库、定位模块和MEMS传感器，所述倾角传感器、定位模块、数据采集模块和MEMS传感器分别连接于坡度计算模块；

数据采集模块用于从CAN总线上采集实时车辆信号；

滤波计算模块包括速度滤波器、加速度滤波器和扭矩滤波器，滤波计算模块用于对数据采集模块采集的车辆信号进行滤波；

阻力度计算模块用于根据滤波计算模块的输出数据计算车辆行驶时的阻力；

路网匹配模块用于运用卡尔曼滤波技术，并结合定位模块、本地路网数据库以及MEMS传感器的数据进行实时的线路匹配跟踪；

坡度计算模块用于根据倾角传感器、定位模块、车辆动力数据和MEMS传感器的检测数据计算车辆行驶道路的坡度，并通过无线通讯模块将计算得到的坡度数据传送至服务器；

所述热量管理模块包括两个以上温度传感器，所述温度传感器用于采集电动汽车中大功率器件的温度信息，热量管理模块用于根据所述温度信息调整电动机的功率和电动汽车冷却系统的功率，使所述大功率器件的温度维持在预设的温度区间内；

所述电池管理模块包括设置于动力电池正负电极间的可调电容器，所述电池管理模块根据汽车制动时的时速或CAN总线上汽车的加速度值调整可调电容器的容量。

2.根据权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述阻力度计算模块计算得到的车辆行驶时的阻力通过CAN总线发送给控制决策模块，控制决策模块根据所述阻力决策是否开启或关闭节能控制。

3.根据权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述滤波计算模块对数据采集模块采集到的车辆信号进行滤波、差分、再滤波操作；在滤波步骤中，滤波计算模块使用数字信号处理技术对所述车辆信号进行功率谱估计，得到车辆信号的截止频率，并通过设定滤波类型和滤波阶数进行滤波，得到光滑的曲线信号。

4.根据权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述路网匹配模块根据数字地图与GPS信号定位技术，并结合MEMS传感器检测到的方位数据，提高道路匹配精度。

5.根据权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述数据采集模块采集的车辆信号包括车速、转速、扭矩。

6.根据权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述PID控制模块计算预期的电动机转速控制值r(t)与电动机的实际输出转速c(t)的差值e(t)，将所述差值e(t)的比例计算(P)、积分计算(I)和微分计算(D)通过线性组合得到控制量，并根据得到的控制量来控制电动机，使电动机的实际转速c(t)向电动机转速控制值r(t)靠近。

7.根据权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述控制决策模块根据车辆的速度、阻力度决策是否开启或关闭节能控制；

节能控制启动的条件为：

(1)40km/h<车辆速度<120km/h，并且

(2)阻力度绝对值<设定阈值；

节能控制停止条件：

(1)阻力度绝对值>设定阈值；

(2)检测到司机刹车信号时；或

(3)司机油门开度变化率超过阈值时。

8.根据权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述控制决策模块还用于进行行驶耗电经济区计算，控制决策模块存储测量得到的在空载、半载和满载状态下，车辆平稳行驶时的扭矩输出曲线，将扭矩输出曲线划分成多个连续的速度区间，并根据当前的车辆控制预期速度，控制电动机转速，使车辆以当前速度区间内最节能的速度行驶。