CN105835872A - 电动汽车网控电子同步换挡控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动汽车控制领域，具体为一种电动汽车网控电子同步自动换挡控制方法及系统。电动汽车的网控电子同步自动换挡控制方法及系统，其特征在于：包括第一CAN和第二CAN，车辆控制器、动力总成控制器和电机控制器，第一CAN用于实现动力总成控制器与车辆控制器、电池管理系统及其它车载控制器的互连，第二CAN用于动力总成控制器与电机控制器的互连，第一CAN和第二CAN之间的信息传递由动力总成控制器实现。本发明可以改善网控式电子同步换挡控制的动态性能和稳态精度，有利于提高换挡平顺性及快速性、减少动力中断时间并降低机械同步器元件磨损，实现电动汽车换挡品质提升、延长变速器寿命。

Description

电动汽车网控电子同步换挡控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电动汽车的控制领域，具体为一种电动汽车网控电子同步换挡控制方法及系统。

背景技术

近年来，电动汽车由于在技术原理上具有节能环保的突出优势获得了快速发展。电动汽车的动力性能和节能效果直接受制于电机驱动系统。当前电动汽车的电机驱动系统大多采用单电机加减速器的直接驱动型式。尽管相比传动内燃机系统，电机具有更加灵活的调速特性和较宽的高效率工作区域，但为了满足汽车动力性能的需要，采用电机加减速器的直接驱动型式对电机的力矩、转速以及功率能力提出了很高要求，给工程化带来了技术上和成本上的挑战。为了提高驱动效率、改进车辆性能，同时降低对驱动电机的要求，采用电机加变速器的驱动型式引起了国内外的重视。

目前驱动电机加2档或3档变速器的动力总成方案已经成为电机驱动系统发展的主流趋势。与传统内燃机通常需要5档甚至更多档变速器不同，电机具有较宽的调速特性，通常采用2档或3档变速器，就可满足汽车需求。同时相比传统内燃机，由于电机控制更加灵活、转动惯量相对较小，因此换挡过程中可以通过调节电机转速，实现预结合动力输入轴齿轮与输出轴齿轮转速的同步即所谓的电子同步，从而可以实现快速、平稳地换挡，甚至可以省去离合器以及机械式同步器。

Chyuan-Yow Tseng等在文献(Advanced shifting control of synchronizermechanisms for clutchless automatic manual transmission in an electric vehicle)中详细介绍了一种无离合器电子同步换挡控制技术，指出电子同步换挡可以有效提高换挡的平顺性、快速性，降低机械同步器元件磨损。但该文献中电子同步换挡控制的实现采用了传统的集中式控制方法及系统，即通过一个集中控制器直接实现电机与变速器的集成控制。这种集中式控制系统具有较差的开放性及配置灵活性，不利于模块化开发与并行设计，难以满足现代化电动汽车开发及工程化的需要。

针对集中式控制的问题，Xiaoyuan Zhu等在文献(Speed synchronizationcontrol for integrated automotive motor-transmission powertrain system with randomdelays)中研究了使用车载网络互连实现的电机加变速器电子同步换挡控制技术，即网控电子同步换挡控制技术。由于采用了基于标准车载网络接口的独立电机控制器和自动变速控制器，极大地提高了控制系统的模块化开发与并行设计能力。但该文献采用了使用一条CAN实现电机控制器、变速控制器、车辆控制器以及电池管理系统控制器互连的常规总线式拓扑方案，从而导致电子同步控制因网络资源竞争诱导的随机延时问题失去稳定性。该文献针对网络诱导延时的影响又进一步提出了鲁棒控制方法，改善了电子同步控制的稳定性。但由于网络诱导延时具有较强的随机性，所提鲁棒控制具有较大保守性，电子同步控制的动态性能和稳态精度问题并未有效改善，严重降低了换挡品质、加重了机械同步器元件磨损。

综上分析，在电子同步换挡控制方面，现有控制方法及系统，无论是集中式控制模式，还是常规总线式拓扑网控式控制模式，都不能有效满足电动汽车应用的需求。

而现有的其它改善电子同步换挡控制的方法，还有通过采用更高性能网络如FlexRay等的技术方案，但都不能很好的解决动力总成与车辆其它控制系统的集成问题。

综上，现有电动汽车网控电子同步换挡控制方法及系统都具有一定局限性，无法满足电动汽车工程化的需要。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种电动汽车用网控电子同步换挡控制方法及系统，该发明综合网络拓扑改进、不均匀采样和反馈式动态调度与控制协同方法多种手段，可以综合提高电子同步换挡的品质以及动力总成与车辆系统集成的能力。

具体的技术方案为：

电动汽车的网控电子同步自动换挡控制方法及系统，其特征在于：包括第一CAN和第二CAN，车辆控制器、动力总成控制器和电机控制器，第一CAN用于实现动力总成控制器与车辆控制器、电池管理系统及其它车载控制器的互连，第二CAN用于动力总成控制器与电机控制器的互连，第一CAN和第二CAN之间的信息传递由动力总成控制器实现。

车辆控制器，负责收集处理驾驶员指令和整车状态信息，并实现驾驶需求识别。

动力总成控制器，负责实现动力总成系统的管理和自动换挡过程控制，并实现动力总成系统与车辆其它系统的集成，包括动力总成管理模块和换挡过程控制模块，其中动力总成管理模块包括换挡决策模块和不均匀采样模块；

换挡决策模块，负责根据驾驶需求和动力系统状态参数以及换挡控制策略，实现换挡决策管理。

不均匀采样模块，负责管理第一CAN和第二CAN之间的相关信息传递。

换挡过程控制模块，负责实现变速器系统与电机系统的自动换挡过程控制，换挡过程采用电子同步技术，电子同步技术的实现采用反馈式动态调度与控制协同方法；

电机控制器负责实现电机的运动控制和状态反馈，电机运动控制包括转速控制和力矩控制两种模式。

第一CAN和第二CAN之间的信息传递由动力总成控制器采用不均匀采样模块实现，其中不均匀采样技术原理如公式(1)所示：

公式(1)

其中为接收信息的采样周期，为发送信息的采样周期，n表示整倍数关系。

换挡过程中电子同步的实现采用反馈式动态调度与控制协同方法，换挡过程中电子同步的实现采用反馈式动态调度与控制协同方法,其原理为：由换挡过程控制模块负责收集处理状态反馈信息、监测电子同步的性能状态，并依据该性能状态计算产生动态的调度与控制命令，通过第二CAN发送给电机控制器；电机控制器则接收并执行调度和控制命令，并通过第二CAN向动力总成控制器反馈状态数据，由此形成调度与控制协同的电子同步换挡过程闭环控制回路。

换挡过程控制模块中包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块：比较模块用于处理状态反馈参数与目标参数差值；控制器模块则依据预置的控制策略计算产生相应的控制命令；调度器模块则依据预置的调度策略计算产生相应的调度命令；综合模块用于实现控制命令和调度命令的综合，并将该命令信息发送给电机控制器。

本发明采用两条CAN通过动力总成控制器互连的拓扑方案，同时综合采用不均匀采样技术、反馈式动态调度与控制协同方法，综合解决网控电子同步换挡品质的优化以及动力总成与车辆其它控制系统的集成问题。该发明可以有效改善网控式电子同步换挡控制的动态性能和稳态精度，有利于提高换挡平顺性及快速性、减少动力中断时间，并降低机械同步器元件磨损，实现电动汽车换挡品质的提升、延长变速器寿命。

附图说明

图1为本发明的控制结构与控制功能示意图；

图2为实施例动力总成系统结构示意图；

图3为实施例换挡决策简略示意图；

图4为实施例换挡过程控制示意图；

图5为实施例电子同步控制示意图；

图6为实施例不均匀采样和动态网控执行过程解析图；

图7为实施例反馈式动态调度和控制协同方法实施示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明具体实施方式。

如图1和图2所示，某电动汽车配置了无离合器式电机和2档自动变速器的集成动力系统，采用电子同步技术实现换挡控制。如图1所示，该电动汽车的动力总成相关控制系统包括两条CAN，即第一CAN 1和第二CAN 2，车辆控制器4、动力总成控制器3和电机控制器7以及相关传感器开关等，其中车辆控制器4负责收集驾驶员操作指令和来自CAN的整车状态信息，识别驾驶意识并计算产生控制命令，如综合电池状态和加速踏板变化以及当前电机转速、车速和挡位信息，计算产生电机转矩，或者在巡航开光闭合后，根据巡航需求计算产生电机驱动转矩及电能回馈制动转矩命令等。动力总成控制器3则根据车辆控制器命令和驱动电机转速、车速以及挡位等信息，负责实现换挡决策和自动换挡过程控制。电机控制器7则根据动力总成控制器命令负责电机力矩的控制，并反馈电机转速信息。传统的CAN互连方案中，通常通过一条CAN将车辆控制器、动力总成控制器、电机控制器、电池管理系统控制器以及其它底盘车载控制器如EPS等互连，组成底盘动力CAN系统。此种网络拓扑将导致两个方面的问题：1)电子同步控制动态性能下降及失稳问题：在动力总成控制器和电机控制器执行电子同步换挡过程中，控制回路将不可避免地受到网络中其它大量信息传输诱导延时的影响，从而导致电子同步控制动态性能下降甚至失稳；2)电子同步控制难以实现高频率控制问题：在换挡过程中的电子同步期间，车辆处于空挡，此时电机及传动系的负载及惯性都远小于非空挡正常行驶时，可以通过更高频率的采样及反馈控制有效缩短换挡时间、减少动力中断间隔，提高换挡品质，但提高采样与控制频率会导致网络信息暴增，产生更加严重的通信竞争行为，甚至造成网络阻塞，因此传统网络拓扑很难实现这种变频率控制。为此，本方案采用了改进的网络拓扑：用一条CAN互连车辆控制器4、动力总成控制器3、电池管理控制器5以及其它底盘车载控制器6等，另一条CAN仅用于动力总成控制器3与电机控制器7的连接，两条CAN之间的信息传递由动力总成控制器3实现。如图1所示，本发明采用了改进型网络拓扑方案，使电子同步换挡过程控制使用专用的第二CAN 2实现，一方面避免了第一CAN 1中其它信息通信行为对电子同步控制的影响，另一方面通过采用反馈式动态调度与控制协同方法并结合不均匀采样技术，既可实现电子同步换挡的变频率控制，又可避免信息暴增对第一CAN 1通信行为及其互连控制系统性能的影响。

本实施中动力总成系统的组成如图2所示，其机械系统部分主要包括驱动电机8、2挡变速齿轮箱9、传动机构10以及驱动车轮11；其控制系统部分主要包括电机控制器7、动力总成控制器3、换挡电机、换挡传动机构、机械同步器以及输入轴转速传感器、输出轴传感器等。工程中，可以使用电机转速传感器代替输入轴转速传感器，电机转速传感器信息由电机控制器处理；输出轴传感器通常也被称为车数传感器，可由动力总成控制器3直接采集，也可以使用专门的控制器处理。

换挡决策由动力总成控制器3中的换挡决策模块完成，换挡决策模块综合车辆控制器命令、电机转速、车速及档位信息等，基于预置的策略如经济性优先或者动力性优先等，计算产生换挡策略，如图3所示，实线表示升挡策略，虚线表示降挡，本方案中仅给出简略的换挡策略。

换挡过程控制由动力总成控制器3中的换挡过程控制模块完成，换挡过程控制如图4所示，从控制决策模块发出换挡请求，整个换挡过程将经历8个阶段：接收换挡请求——命令驱动电机力矩为零，命令换挡电机分离当前齿轮组——位于空挡时，命令选挡电机选挡(在多于2挡的变速器中还配置有选挡电机)——命令驱动电机执行电子同步——命令驱动电机力矩为零，命令换挡电机驱动机械同步器工作——命令换挡电机执行换挡，实现齿轮组结合——命令驱动电机恢复力矩加载——完成换挡过程。对于无离合器式电机+自动变速器集成动力系统，换挡过程中的电子同步是影响换档平顺性、快速性以及机械同步器元件磨损的关键环节，电子同步控制的动态性能、稳定性和快速性，直接决定换挡品质与变速器寿命，因此需要深入开展相关优化控制技术研究。

电子同步控制由动力总成控制器3中的换挡过程控制模块联合电机控制器实现，其控制回路结构如图5所示。电子同步控制的具体功能为：如图2和图3所示，以升挡控制为例，为了分析方面，此处暂不考虑传动系中齿轮的传动效率影响，并定义1挡和2挡时电机输出轴到变速器输出轴的传动比分别为和，且，电机转速定义为，输出轴转速(车速传感器信号)定义为。电机转速与输出轴转速之间的关系，如公式(2)所示。当车辆从1挡预升入2挡时，换挡时间通常较短，由于车辆本身具有很大的质量惯性，车速在很短时间内的变化很小，可以假定车速不变。由公式(2)可知，在升挡过程中，传动比从变为了，且，因此电机转速应从降为才能保证2挡预结合齿轮组的转速同步，因此，此时电子同步问题就转化为如图5所示的以为目标值的网络化控制电机调速问题，且。

公式(2)

由上述分析可知，在非换挡期间正常行驶情况下，由于汽车具有很大的质量惯性，对电机无法也没有必要采用过高频率的采样及反馈控制干预，工程中一般将此阶段的电机采样及控制周期设置为20ms即可满足需要。而在换挡过程中的电子同步期间，车辆处于空挡状态，此时可通过提高采样及控制频率的方法优化电子同步的控制性能、节省电子同步的时间，本实施例中将此阶段的电子同步的采样及控制周期设置为更小的10ms和5ms，且采样及控制频率根据电子同步控制的动态性能参数反馈式动态调节。同时由于采样频率的提高将导致采样数据暴增，为了避免采样数据通过动力总成控制器3向第一CAN 1传递时影响甚至阻塞第一CAN 1系统，本发明采用不均匀采样技术实现动力总成系统采样数据的网络间传递。具体的网控执行过程如图6所示，电子同步换挡过程从时刻启动，至时刻结束，整个过程以传感器采样周期划分，具体为：5个20ms周期——10个10ms周期——80个5ms周期——10个10ms周期——1个20ms周期，总历时720ms。如图6所示，在[,]期间，电子同步尚未开始，此时系统的采样与控制周期以及网络间传递周期仍采用20ms，此阶段的控制延时和控制周期分别为，其中约为20ms，同时由于第二CAN 2中仅有动力系统控制信息故值很小，对系统的影响可以忽略；在[,]期间，此时系统的采样及控制周期采用10ms，但网络间传递周期仍保留为20ms即，此阶段的控制延时和控制周期分别为和，其中约为10ms，同理值很小，对系统的影响可以忽略，此期间电子同步控制的处理频率变快，控制性能得到优化和提速；在[,]期间，此时系统的采样及控制周期采用5ms，但网络间传递周期仍保留为20ms即，此阶段的控制延时和控制周期分别为和，其中约为5ms，同理值很小，对系统的影响可以忽略，此期间电子同步控制的处理频率提到最高，控制性能可进一步优化和提速，从而可以进一步减少机械同步器的摩擦同步时间，在提高换挡快速性的同时降低了机械磨损；在[,]期间，系统的采样及控制周期又变回为10ms，网络间传递周期仍保留为20ms即，此期间电子同步已经完成，开启机械同步；在[,]期间，系统的采样及控制周期又恢复为20ms，网络间传递周期仍为20ms即，此时换挡控制已经完成，并实现驱动电机转矩的重新加载。综上可见反馈式动态调度与控制协同方法结合不均匀采样技术，既提高了电子同步换挡的品质，又避免了信息增加对其它系统的影响。可见本发明所提方法及系统可以实现换挡品质、同步器寿命提升以及集成能力的综合优化。

为了实现基于控制性能反馈的动态调度和控制协同方法，可以基于经验查表或者模糊推理等思想，分别设计转速控制策略及算法以及周期调度策略及算法。反馈式动态调度与控制协同方法的具体实现参见图7。

以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则上所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.电动汽车的网控电子同步自动换挡控制方法及系统，其特征在于：包括第一CAN和第二CAN、车辆控制器、动力总成控制器和电机控制器：动力总成控制器通过第一CAN与车辆控制器、电池管理系统控制器和其它底盘车载控制器连接；动力总成控制器通过第二CAN与电机控制器连接，第一CAN和第二CAN之间的信息传递由动力总成控制器实现；

车辆控制器，负责收集处理驾驶员指令和整车状态信息，并实现驾驶需求识别；

动力总成控制器，负责实现动力总成系统的管理和自动换挡过程控制，并实现动力总成系统与车辆其它系统的集成，包括动力总成管理模块和换挡过程控制模块；

其中动力总成管理模块包括换挡决策模块和不均匀采样模块；换挡决策模块，负责根据驾驶需求和动力系统状态参数以及换挡控制策略，实现换挡决策管理；不均匀采样模块，负责管理第一CAN和第二CAN之间的相关信息传递；

换挡过程控制模块，负责实现变速器系统与电机系统的自动换挡过程控制，换挡过程采用电子同步技术，电子同步技术的实现采用反馈式动态调度与控制协同方法；

电机控制器负责实现电机的运动控制和状态反馈，电机运动控制包括转速控制和力矩控制两种模式。

2.根据权利要求1所述的电动汽车网控电子同步换挡控制方法及系统，其特征在于：第一CAN和第二CAN之间的信息传递由动力总成控制器采用不均匀采样模块实现，其中不均匀采样技术原理如下公式所示：

其中为接收信息的采样周期，为发送信息的采样周期，n表示整倍数关系。

3.根据权利1所述的电动汽车网控电子同步换挡控制方法及系统，其特征在于：换挡过程中电子同步的实现采用反馈式动态调度与控制协同方法，其原理为：由换挡过程控制模块负责收集处理状态反馈信息、监测电子同步的性能状态，并依据该性能状态计算产生动态的调度与控制命令，通过第二CAN发送给电机控制器；电机控制器则接收并执行调度和控制命令，并通过第二CAN向动力总成控制器反馈状态数据，由此形成调度与控制协同的电子同步换挡过程闭环控制回路，其中换挡过程控制模块中包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块：比较模块用于处理状态反馈参数与目标参数差值；控制器模块则依据预置的控制策略计算产生相应的控制命令；调度器模块则依据预置的调度策略计算产生相应的调度命令；综合模块用于实现控制命令和调度命令的综合，并将该命令信息发送给电机控制器。