CN107074115B - 基于电动马达的力矩的车轮稳定性控制 - Google Patents

基于电动马达的力矩的车轮稳定性控制 Download PDF

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Abstract

一种用于电动车辆的车轮稳定性控制系统包括电动马达、驱动变换器和电子控制单元（ECU），所述电子控制单元（ECU）包括计算机可读的非瞬态存储器（存储器）和电子处理单元（EPU）。存储器储存包括电动马达的最优加速度和减速度曲线以及电气特性的信息。EPU根据来自驱动变换器的输入和电动马达的电气特性计算电动马达的电气力矩。ECU将马达的电气力矩和角速度与最优加速度和减速度曲线相比较，且如果当与最优加速度和最优减速度相比较时电动马达的加速度或减速度偏离预定范围，则其减少由电动马达施加的电气力矩。

Description

基于电动马达的力矩的车轮稳定性控制
背景技术
在电动车辆中，如在传统车辆中那样，维持对车轮的角速度的控制对于维持与道路表面的附着摩擦力（traction）而言是关键的。能够由于过度的加速或减速（即，紧急制动）发生附着摩擦力的丧失。当加速时，车轮能够从电动马达接收过度的扭矩。这引起与道路表面的附着摩擦力的丧失和车轮自旋。类似地，当车轮接收过度的制动力时，车轮丧失与道路表面的附着摩擦力。现代车辆系统努力用车轮稳定性控制系统消除附着摩擦力的丧失和车轮自旋。这些系统包括例如防抱死制动、牵引力控制和稳定性控制。
车辆传感器确定车辆的行为的能力限制车轮稳定性控制系统的有效性。在一些状况中，车辆的传感器提供关于车辆的行为的不准确的或误导的信息。甚至当传感器正确且准确地执行其功能时，这种状况也能够出现。例如，车轮角速度传感器可正确地检测车轮的角速度，但是如果车轮未维持与道路表面的附着摩擦力，则该信息不准确地描述车辆的速度。关于该车辆的不准确的信息能够引起车轮稳定性控制系统表现不佳。因此，非常期望在现代控制系统中用于收集关于车辆的准确信息和使用该信息的系统和方法。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种车轮稳定性控制系统，其用于优化电动车辆的加速和减速，同时维持车轮稳定性。包括电动马达和驱动变换器的功率系统针对电动马达确定角速度、输入电流、输入电压以及输入电流和输入电压之间的相位角。电子控制单元（ECU）通过使用电动马达的输入电流、输入电压、相位角和在一些实施例中使用电气特性来计算电动马达的电气力矩。电动马达的电气力矩（electrical moment）是由输送到电动马达的有功功率形成的在电动马达上的机械扭矩。由液压制动系统施加额外的机械扭矩。
马达的角速度与车轮的角速度直接相关，且因此，用简单的计算，马达的角速度能够提供车轮的角速度的准确值。在正常驱动条件（即，非常低的轮胎滑移（slip））中，电子控制单元能够根据马达的角速度的角速度确定车辆的速度（即，车轮的切向速度）。因此，马达的角速度提供在没有车轮角速度传感器的情况下确定车辆的速度的方式。另外，根据马达的角速度确定马达的加速度。
电子控制单元预加载有关于车辆的性能的信息。能够通过测试来确定车辆的性能，所述测试能够揭示针对该车辆类型的最优加速度和减速度值。最优加速度和减速度值能够被绘制在曲线上且预加载到电子控制单元内。基于最优值，电子控制单元针对马达的当前角速度确定用于电动马达的最优加速度或减速度。ECU将用于电动马达的最优加速度或减速度与用于电动马达的计算出的加速度或减速度相比较。ECU通过调整输入电流或输入电压来调整通向电动马达的有功功率，使得电气力矩被改变，因此改变马达的加速度或减速度。ECU使马达的加速度和减速度与最优加速度或减速度匹配，以实现高性能，同时维持安全性。
在另一实施例中，本发明提供控制电动车辆的车轮稳定性的方法，所述方法包括确定电动马达的电气特性、输入电流、输入电压、输入电压和输入电流之间的相位角以及角速度。该信息储存在ECU中，且ECU基于电动马达的输入电流、输入电压、相位角、角速度和在一些实施例中基于电气特性来计算电动马达的电气力矩。基于电动马达的角速度计算电动马达的加速度或减速度。将用于加速度和减速度的最优值与实际加速度和减速度相比较，且当最优值被超过时，调整电气力矩以使实际加速度和减速度变成最优加速度和减速度值。
通过考虑具体实施方式和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1图示用于电动车辆的功率系统。
图2图示电子控制单元和通信系统。
图3是图示最优加速度和减速度曲线的图表。
图4图示包含差速器和两个驱动轮的实施例。
图5A和5B图示两个不同的制动配置随时间的电气力矩。
具体实施方式
在详细地解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明不在其应用方面限制于以下描述中所阐述或在以下附图中图示的部件的构造和布置的细节。本发明能够实现其它实施例，且能够以各种方式被实践或执行。
图1图示用于电动车辆的驱动系统的实施例。电池100电气地联接到驱动变换器102，驱动变换器102电气地联接到电动马达104。电动马达104包括马达轴106，马达轴106机械地联接到驱动轮108。电子控制单元110（ECU）连接到电池100、驱动变换器102和电动马达104。在一些实施例中，马达轴106也是驱动轴，且在其它实施例中，马达轴106通过传动装置联接到驱动轴。在图1中，马达轴106联接到驱动轮108。电动马达104能够是具有足够的马力以驱动车辆的任何类型的电动马达，包括例如同步马达。车辆的功率系统包括驱动变换器102和电动马达104。功率系统与ECU 110通信，且提供关于电动马达104的输入电流、输入电压、输入电流和输入电压之间的相位角、角速度以及在一些实施例中关于有功功率的信息。
在加速期间，电池100通过向驱动变换器102供应直流电流（DC）来向驱动变换器102提供功率。驱动变换器102将DC转换成交流电流（AC）以便在电动马达104中使用。电动马达104通过驱动马达轴106将电功率转换成机械功率。ECU 110与驱动变换器102和电池100通信，以管理输送向电动马达104和从电动马达104输送的功率。在制动期间，ECU 110控制从车辆的动量到电池100的功率转换过程。制动系统216通过由电动马达104和液压制动两者提供的电气力矩使车辆减速。优选地，电动马达104提供大部分或全部制动力矩，因为电动马达104和驱动变换器102取回车辆的动量中的一些，且将其转换回用于储存在电池100中的电能。
图2图示用于电动车辆的控制和通信系统。ECU 110包括电子处理单元202（EPU）、计算机可读的非瞬态存储器204（存储器）和输入/输出接口206。ECU 110能够包括多个且分离的部件，包括例如车辆稳定性模块、发动机控制模块、驱动控制模块和域控制单元。存储器204储存用于由电子处理单元202使用的信息和程序。电子处理单元202连接到存储器204和输入/输出接口206。输入/输出接口206发送和接收来自车辆的传感器的数据。数据在车辆通信总线208（例如，CAN总线或FlexRay总线）上传输，或者能够通过通向ECU 110的直接连接被传达。在一些实施例中，车轮角速度传感器210和车辆加速度传感器214为ECU 110提供关于车辆的信息。ECU 110还连接到制动系统216。诸如电动马达104的输入电流、输入电压和角速度的其它信息由驱动变换器102直接发送到ECU 110。图1中的实施例没有车轮角速度传感器210，因为根据电动马达104的角速度计算出驱动轮108的角速度。然而，在其中一个电动马达104向多个驱动轮供能的实施例中，车轮角速度传感器210是有用的。车辆加速度传感器214测量车辆沿行进的纵向方向（即，ax方向）的加速度。使用车辆加速度传感器214通过确定由于道路倾斜导致的加速度确定道路倾斜。也能够通过使用其它传感器和方法确定道路倾斜。
存储器204包含关于电动马达104的电气特性的信息，电子处理单元202使用该信息根据来自驱动变换器102的信号计算电气力矩。能够如下针对异步马达估计电气力矩：
Figure 39700DEST_PATH_IMAGE002
在该方程中，C表示马达专有常数，P电表示有功功率，且n表示马达的角速度。对于三相同步马达而言，电气力矩能够被计算如下：
Figure 956840DEST_PATH_IMAGE004
Figure 48162DEST_PATH_IMAGE006
在这些方程中，P电表示送至电动马达104的有功功率，U是电动马达104的电压，I是电动马达104的电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
是U和I之间的角度，且f是电动马达104的频率。ECU 110通过使用上文所示的方程计算电气力矩。另外，ECU 110根据电动马达104的电气力矩和角速度通过计算角速度的微分确定电动马达104的加速度或减速度。ECU 110能够通过包括额外的项以补偿非线性影响（例如，热影响或摩擦）来增大这些计算的精确度。
存储器204还包含关于用于如图3中所示的车辆的最优加速度和减速度曲线300的信息。ECU 110使用最优加速度和减速度曲线300将电动马达104的电气力矩和角速度与最优值相比较，且ECU 110调整驱动变换器102和电动马达104以匹配最优加速度和减速度曲线300。
图3中所示的最优加速度和减速度曲线300允许基于预定的范围计算最优加速度和减速度。每一种类型的车辆具有取决于车辆特性（例如，重量、马力、制动器和轮胎）的最大加速度和减速度。最优加速度和减速度曲线300描绘针对给定车辆及最优滑移的给定值的最大可靠的加速度和减速度。图3中的图表在相同线上图示加速度曲线和减速度曲线；然而，这些曲线能够是不同的，且被独立地使用。横轴线表示如上文所述由电动马达104施加的电气力矩。电气力矩是正的，且朝向右侧强度增大。在图3的左侧上，电气力矩沿相对方向被施加，且朝向左侧强度增大。左侧图示用于制动的电气力矩。图表上的竖轴线表示驱动轮108沿向前方向的加速度。随电动马达104增大电动马达104上的电气力矩，驱动轮108的加速度和速度增大。如果电动马达104形成大于最优加速度的电动马达104的加速度，则驱动轮108将丧失附着摩擦力，且增大轮胎滑移。这由上部分离点（breakaway point）302示出。从上部分离点302延伸的线的弯曲部分表示当电气力矩增大时驱动轮108的增大的滑移。上部分离点302能够沿加速度曲线发生在任何地方。如果车辆达到上部分离点302，且因此进入不稳定的上部区域306，则车辆变得不稳定。不同地，低于最优加速度曲线的区域表示其中不需要最大加速度的通常驱动状况。
在制动期间，如果电动马达104形成大于最优减速的电气力矩，则驱动轮108将丧失附着摩擦力并滑移。这由下部分离点304示出。从下部分离点304延伸的线的弯曲部分表示当电气力矩的强度增大时驱动轮108的增大的滑移。下部分离点304能够沿减速度曲线在任何地方发生。如果车辆达到下部分离点304，且因此进入不稳定的下部区域308，则车辆变得不稳定。这发生在当施加过度的制动力矩时。最优减速度曲线上方的区域描绘驱动轮108的更慢的减速度（且因此正常制动）的区。
电动车辆的实际加速度和减速度通过由电动马达104输送的电气力矩和角速度控制。如上文中所阐述的，过度的电气力矩引起与道路表面的附着摩擦力的丧失。在车辆的操作期间，由ECU 110防止上部分离点302和下部分离点304出现。ECU 110将电动马达104限制为驱动轮108的加速度恰好低于由上部分离点302表示的加速度。类似地，ECU 110将电动马达104限制为驱动轮108的减速度恰好低于由下部分离点304表示的减速度。这实现高性能的加速度和减速度，同时维持与道路表面的良好附着摩擦。
最优加速度和减速度曲线300储存在ECU 110的存储器204中。能够在将车辆交付给消费者之前将最优加速度和减速度曲线300预加载到ECU 110内。如上文所述，ECU 110使用最优加速度和减速度曲线300控制车辆的稳定性。ECU 110通过将电动马达104的角速度与基于最优加速度和减速度曲线300的最优角速度相比较来实现这一点。当加速时，如果电动马达104的角速度大于由电子处理单元202计算出的最优角速度，则ECU 110减少向电动马达104的供能。当减速时，如果电动马达104的角速度小于最优角速度，则ECU 110减少由电动马达104生成的用于制动的电气力矩。当车辆处于运动中时，ECU 110连续地执行该过程。这允许ECU 110使电动马达104的角速度严密地匹配由最优加速度和减速度曲线300确定的最优角速度。
图4图示带有驱动轮108a和108b的实施例。在该实施例中，马达轴106联接到差速器406。差速器406将功率传递到驱动轮108a和108b，这允许驱动轮108a和108b具有不同的角速度。该实施例包括定位成接近每一个驱动轮的多个车轮角速度传感器210a和210b，其测量驱动轮108a和108b中的每一个的角速度。驱动轮108a和108b中的每一个的角速度传输到ECU 110，ECU 110将驱动轮108a和108b中的每一个的角速度与电动马达104的最优角速度相比较。由于差速器406以已知的比率应用电动马达104的电气力矩和角速度，因此ECU110确定针对驱动轮108a和108b的速度的范围。基于驱动轮108a和108b的测得的角速度，ECU 110确定驱动轮108a和108b的轮胎滑移。如本文中所述，ECU 110在执行电子稳定性控制中使用轮胎滑移。其它实施例包括由多个电动马达独立地驱动的驱动轮108a和108b。
图5A和5B是在减速期间的电子稳定性控制的应用的图示。在竖直轴线上，示出来自制动系统216的驱动轮108上的力矩。时间在水平轴线上示出。图5A图示电协作制动模式500。这是其中液压制动器和电动马达104协作工作以使车辆减速的模式。图5A展示针对在最优减速度下的电协作制动模式500的本发明的效果。在电动马达104的角速度接近和满足由最优减速度曲线确定的最优角速度时，ECU 110施加调制的电气力矩504A。图5B图示电动补偿制动模式502。在该模式中，ECU 110施加调制的电气力矩504B，以补偿不成比例的液压制动扭矩。调制的电气力矩504B被图示为维持电动马达104的有效电气力矩508恰好在稳定区内。
因此，除了其它特征之外，本发明提供用于基于最优加速度和减速度曲线300和电动马达104的电气力矩的确定控制车辆的稳定性的车轮稳定性控制系统。在所附权利要求中阐述本发明的各种特征和优点。

Claims (16)

1.一种用于电动车辆的车轮稳定性控制系统，所述系统包括：
功率系统，所述功率系统包括具有电气特性的电动马达，所述功率系统配置成为所述电动马达确定角速度、输入电流、输入电压和所述输入电流和所述输入电压之间的相位角；
电子控制单元ECU，其包括计算机可读的非瞬态存储器和电子处理单元EPU，所述存储器储存包括所述车辆的最优加速度和减速度曲线及所述电动马达的电气特性的信息，最优加速度和减速度曲线基于测试车辆来确定并且表示取决于施加的加速和减速力矩的针对车辆和针对最优滑移的给定值的最大可靠的加速度和减速度，最优加速度和减速度曲线呈现最大加速和减速力矩的加速度和减速度分离点，超出分离点则车辆变得不稳定，其中，所述ECU被配置成：
基于由所述功率系统提供的所述电动马达的角速度、输入电流、输入电压和相位角以及基于所述电动马达的电气特性计算所述电动马达的电气力矩，
根据电气力矩和所述电动马达的角速度确定所述电动马达的加速度或减速度，
基于所述电动马达的角速度以及基于所述最优加速度和减速度曲线计算所述电动马达的最优加速度和最优减速度，
确定所述电动马达的加速度或减速度是否超过所述电动马达的所述最优加速度或所述最优减速度，以及
当所述电动马达的加速度或减速度超过所述最优加速度或所述最优减速度时，减少所述电动马达的电气力矩直到所述电动马达的加速度或减速度低于由加速度和减速度分离点所表示的加速度和减速度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述ECU被配置成确定所述电动马达的加速度或减速度是否超过所述电动马达的所述最优加速度或所述最优减速度还包括将所述ECU配置成：
当加速时，确定所述电动马达的角速度是否超过预定范围，其中，最优加速度曲线确定所述预定范围，以及
当减速时，确定所述电动马达的角速度是否低于预定范围，其中，最优减速度曲线确定所述预定范围。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车轮稳定性控制系统没有车轮角速度传感器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括加速度传感器，其确定所述车辆的加速度且向所述ECU提供所述车辆的加速度的值，其中，所述ECU响应于来自所述加速度传感器的信息调整所述最优加速度和减速度曲线。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电动马达包括同步马达。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述最优加速度和减速度曲线在所述车辆交付给消费者之前被确定和预加载到所述存储器内。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第二电动马达，其中，所述电动马达联接到第一驱动轮并向所述第一驱动轮供能，并且所述第二电动马达联接到第二驱动轮并向所述第二驱动轮供能。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
差速器，其中，所述差速器将来自所述电动马达的功率传输到第一驱动轮和第二驱动轮；以及
定位成接近所述第一驱动轮的第一车轮角速度传感器，和定位成接近所述第二驱动轮的第二车轮角速度传感器，其中，所述第一车轮角速度传感器和所述第二车轮角速度传感器向所述ECU传输信息，并且其中，所述ECU基于所述第一车轮角速度传感器和所述第二车轮角速度传感器确定所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的轮胎滑移。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率系统包括驱动变换器，其被配置成为所述电动马达确定角速度、输入电流、输入电压和所述输入电流和所述输入电压之间的相位角。
10.一种用于在由电动马达供能的车辆中控制驱动轮稳定性的方法，所述方法包括：
确定所述电动马达的电气特性；
确定所述电动马达的输入电流、输入电压、所述输入电压和所述输入电流之间的相位角和角速度；和
将关于所述电动马达的输入电流、输入电压、相位角、角速度和电气特性的信息储存到计算机可读的非瞬态存储器内以便由电子控制单元ECU使用，从而：
基于所述电动马达的输入电流、输入电压、相位角、角速度和电气特性计算所述电动马达的电气力矩，
基于电气力矩和所述电动马达的角速度计算所述电动马达的加速度或减速度，
基于所述电动马达的最优加速度和减速度曲线及角速度确定所述电动马达的最优加速度或最优减速度，最优加速度和减速度曲线基于测试车辆来确定并且表示取决于施加的加速和减速力矩的针对车辆和针对最优滑移的给定值的最大可靠的加速度和减速度，最优加速度和减速度曲线呈现最大加速和减速力矩的加速度和减速度分离点，超出分离点则车辆变得不稳定，
将所述电动马达的加速度或减速度和所述最优加速度或所述最优减速度相比较，以及
当所述电动马达的加速度或减速度超过所述最优加速度或所述最优减速度时，减小所述电动马达的电气力矩直到所述电动马达的加速度或减速度低于由加速度和减速度分离点所表示的加速度和减速度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
当加速时，确定所述电动马达的角速度是否超过预定范围，其中，最优加速度曲线确定所述预定范围，以及
当减速时，确定所述电动马达的角速度是否低于预定范围，其中，最优减速度曲线确定所述预定范围。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法没有车轮角速度传感器。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征于，还包括以下步骤：
通过使用车辆加速度传感器确定所述车辆的加速度
和
将信息从所述车辆加速度传感器传输到所述ECU，其中，所述ECU响应于所述车辆加速度传感器调整所述最优加速度和减速度曲线。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电动马达是同步马达。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在将所述车辆交付给消费者之前，所述最优加速度和减速度曲线被确定和预加载到计算机可读的非瞬态存储器内。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
经由差速器将功率从所述电动马达传递到两个驱动轮；
通过使用定位成接近所述两个驱动轮中的每一个的车轮角速度传感器确定针对所述两个驱动轮中的每一个的角速度；和
将信息从每个车轮角速度传感器传输到所述ECU，其中，所述ECU确定所述两个驱动轮中的每一个的轮胎滑移。
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