CN108945089B - 一种基于功率需求的重型商用车eps复合电源的匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，试验采集方向盘转角、车速、时间，对数据处理得到完成单次转向的最长时间t_dmax及两次转向间隔的最短时间t_jmin；由转向阻力矩随车速变化的解析式求得临界车速与临界转向功率P_seps；根据原地转向阻力距求得转向助力电机所需输出的极限转向功率P_Mmax；综合t_dmax、t_jmin、P_seps、P_Mmax，基于放电需求计算得到超级电容组容值的范围，基于充电需求确定超级电容组的容值；再计算超级电容组的充、放电限制功率，结合整车电器最大用电负荷、临界转向功率匹配整车电源的输出功率。本发明有利于快速匹配重型商用车EPS复合电源中的整车电源与超级电容，在满足使用要求的前提下，功率分配更合理，从而提高复合电源的能源利用率。

Description

一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法

技术领域

本发明涉及汽车转向技术领域，具体是一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法。

背景技术

与液压助力转向系统(HPS)相比，电动助力转向系统(EPS)因其优良的性能和较低的能耗，已在轻型车辆上得到广泛应用。而重型商用车前轴载荷大，低速转向时转向系统所需克服的转向阻力矩大，使得整车电源系统不能满足低速转向EPS助力电机所需的功率，因此现有的EPS方案不适用于重型商用车。

尽管重型商用车在原地转向所需的转向功率很大，但是其大部分时间处于中、高速行驶状态，相应的转向阻力矩较小，若应用EPS，整车电源系统完全能满足转向功率需求。超级电容具备瞬时大功率充放电的特性，将超级电容与整车电源构成复合电源可以同时具备高的功率密度与能量密度，可以满足EPS的低速转向功率需求。日本专利(JP-A-2007-223510)公开了一种利用超级电容作为辅助电源的EPS系统，并给出了辅助电源介入工作的条件。中国专利(CN201180034669.7)公开了一种基于复合电源的EPS系统的故障检测电路，并给出了故障检测与处理方法。中国专利(CN201410080799.X)提出了一种基于超级电容器的汽车电子助力转向系统，并在恶劣路况转向时超级电容配合主电源提供驱动电流，提升助力功率。以上专利虽然提出了基于复合电源EPS的应用，但是对于复合电源中两类电源的匹配未做说明。

在重型商用车EPS复合电源系统中，整车电源增加了两个负载-EPS助力电机和超级电容，故整车电源的输出功率需重新匹配；超级电容组的容值一方面要满足使用需求，另一方面又影响整车电源的输出功率，故需要匹配超级电容组的容值。

发明内容

为了精确匹配重型商用车EPS复合电源中整车电源的输出功率以及超级电容组的容值，同时提高复合电源的利用率，本发明提供了一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源匹配方法。

一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，包括如下步骤：

步骤1：对重型商用车进行道路试验，采集数据并处理得到完成单次转向所需的最长时间t_dmax以及两次转向间隔的最短时间t_jmin；

道路试验采集数据并且处理数据的具体步骤如下：

步骤1.1：在选定的试验车辆上装备车速仪及测力方向盘，采集某一运营周期内的方向盘转角、车速、时间；

步骤1.2：根据转角-时间历程图，得出单次转向所需的时间t_d以及前一次转向完成至下一次转向开始的间隔时间t_j；

步骤1.3：根据车速-时间历程图，统计得出低于临界车速v_c下，单次转向所需的最长时间t_dmax，两次转向完成的最短间隔时间t_jmin，若间隔时间与其前后两次完成转向所需的时间相加之和小于t_dmax，则此间隔时间不予考虑。

步骤2：仿真与试验得出转向阻力矩随车速变化的解析式T＝f(v)，并根据该解析式求得临界转向车速v_c与临界转向功率P_seps；

临界车速v_c与临界转向功率P_seps通过以下步骤获得：

步骤2.1：结合原地转向阻力矩、前轮定位参数引起的回正力矩和轮胎/路面低速转向的摩擦力矩综合计算出汽车的低速转向阻力矩；针对某款小型车辆，搭建转向系统模型进行低速转向阻力矩的仿真，通过与实车试验对比，对模型进行验证与优化；

步骤2.2：由优化后的模型仿真得到重型商用车的低速转向阻力矩，并采用最小二乘法拟合得到转向阻力矩随车速变化的解析式

步骤2.3：对解析式T＝f(v)求导得出转向阻力矩随车速的变化率，以变化率极大值对应的车速作为临界转向车速v_c；

步骤2.4：根据转向阻力矩与车速的解析式T＝f(v)，得出临界车速v_c下的转向阻力矩

并计算临界转向功率

其中ω_m为助力电机的额定转速，η_r为转向器的传动效率，G_r为转向器传动比，η_m为电机及其减速机构的传动效率，G_m为电机传动比，F_z为前轴载荷，L为轮胎接地印记圆的直径，c为主销偏距，β为主销内倾角，θ_h为转向盘转角，G_s为转向系统的传动比。

步骤3：根据原地转向阻力距求得转向助力电机所需输出的极限转向功率P_Mmax；

极限转向功率P_Mmax的获取过程为：由原地转向半经验公式计算出原地转向阻力矩

此时转向电机所需输出的转矩最大，计算此工况下转向电机所需提供的功率，即为极限转向功率P_Mmax，

其中f为轮胎与地面的滑动摩擦系数，G₁为前轴载荷，p为轮胎胎压，ω_m为助力电机的额定转速，η_r为转向器的传动效率，G_r为转向器传动比，η_m为电机及其减速机构的传动效率，G_m为电机传动比。

步骤4：综合所求的t_dmax、t_jmin、P_seps、P_Mmax，基于放电需求计算得到超级电容组容值C的范围，基于充电需求确定超级电容组的容值；

超级电容组容值C，通过以下步骤获得：

步骤4.1基于放电需求计算得出超级电容组的容值C的范围：

其中N为超级电容组的单体个数，C_sc为超级电容单体的容值，U_scmax、U_scmin分别为超级电容单体高效放电区间的最高电压与最低电压；

步骤4.2确定超级电容组的容值C；

选取超级电容组容值范围内的最小值为初始值C₀，验证C₀是否满足充电需求，即：

其中R₀为超级电容组C₀的内阻；若上式成立，则证明该超级电容组可以在规定的时间内完成充电，因此该超级电容组满足EPS所需的充放电需求；若上式不成立，即该超级电容组不符合充放电需求，则在容值范围内重新选择超级电容组的容值。

步骤5：计算超级电容组的充电限制功率P_充limit、放电限制功率P_放limit，并结合整车电器最大用电负荷P_loadmax、临界转向功率P_seps匹配整车电源的输出功率P_S；

所述整车电源输出功率P_S通过以下步骤获得：

步骤5.1：计算超级电容组的充电限制电流I_充limit与放电限制电流I_放limit：

其中，U_scmid为超级电容单体电压区间的中值，

R_c为选定的超级电容组的电阻，η_充、η_放分别为所选定的超级电容组充、放电的效率；

步骤5.2：根据I_充limit、I_放limit计算超级电容组的充电限制功率P_充limit与放电限制功率P_放limit：

步骤5.3：匹配整车电源输出功率P_S：

即可求出整车电源输出功率P_S的范围，考虑成本因素，选择P_S范围内的最小值为所匹配的整车电源输出功率。

一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，所述复合电源包括整车电源、超级电容组以及DC/DC变换器，超级电容组与DC/DC变换器串联后再与整车电源并联，整车电源作为主要电源，超级电容器与双DC/DC变换器串联构成辅助电源；所述复合电源有两种供电模式：当车速低于临界车速v_c转向时，系统处于复合电源供电模式，整车电源和超级电容组共同为转向助力电机提供转向功率；当车速高于临界车速v_c时，系统处于整车电源供电模式，其中，转向工况下，整车电源单独为转向助力电机提供转向功率，直行工况下，整车电源给超级电容充电。

本发明的有益效果是：本发明根据道路试验与转向阻力矩试验所得的数据与结果，确定超级电容的容值，更具实际意义；而且在充分考虑了超级电容的充放电需求的基础上匹配整车电源的输出功率，使得所构成的复合电源在满足使用要求的前提下，功率分配更合理，从而提升复合电源的利用率。

附图说明

图1为复合电源电动助力转向组成原理图；

图2复合电源电动助力转向系统的供电模式图；

图3基于功率需求的重型商用车EPS复合电源匹配流程图。

图4为车速/转角随时间的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为复合电源电动助力转向系统组成原理图，复合电源电动助力转向系统主要包括复合电源、转向控制器、方向盘转矩/转角传感器、转向助力电机和循环球转向器；方向盘转矩/转角传感器与循环球转向器连接，循环球转向器与转向助力电机相连，方向盘转矩/转角传感器和转向助力电机均与转向控制器相连，转向控制器由复合电源供电；复合电源由整车电源、超级电容组和DC/DC变换器组成，超级电容组通过DC/DC变换器与整车电源匹配工作。复合电源电动助力转向系统的工作原理为：驾驶员转动方向盘时，转矩/转角传感器采集方向盘的转矩和转角信号并发送到转向控制器，转向控制器同时会采集车速信号，通过对上述信号的判定，并基于预先设定的转向控制策略，计算得到超级电容和整车电源的功率分配，转向控制器对DC-DC变换器进行调节，使复合电源工作于不同的电源模式，为转向助力电机提供功率并产生相应的助力转矩，从而推动循环球转向器工作。

图2为复合电源电动助力转向系统的供电模式，包含两种：复合电源供电模式(图2(a))、整车电源供电模式(图2(b))。转向控制器根据采集到的车速、方向盘转矩转角，判定转向系统所处的供电模式以及整车电源和超级电容组功率分配的方式和比例。当车速低于临界转向车速v_c转向时，系统处于复合电源供电模式，整车电源和超级电容组共同为转向助力电机提供转向功率。当车速高于临界转向车速v_c时，系统处于整车电源供电模式。其中，转向工况下，整车电源单独为转向助力电机提供转向功率，直行工况下，整车电源给超级电容组充电。

图3为重型商用车EPS复合电源匹配流程图。以大客车为试验对象，分别进行道路试验与转向阻力矩试验，道路试验中采集方向盘转角、车速、时间等数据，对数据处理得到完成单次转向所需的最长时间t_dmax以及两次转向间隔的最短时间t_jmin；通过仿真与试验相结合的方式得出转向阻力矩随车速变化的解析式T＝f(v)，并根据该解析式求得临界转向车速v_c与临界转向功率P_seps；根据原地转向阻力距求得转向助力电机所需输出的极限转向功率P_Mmax；综合所求的t_dmax、t_jmin、P_seps、P_Mmax，基于放电需求计算得到超级电容组容值C的范围，基于充电需求确定超级电容组的容值；最后计算超级电容组的充电限制功率P_充limit、放电限制功率P_放limit，并结合整车电器最大用电负荷P_loadmax、临界转向功率P_seps匹配整车电源的输出功率P_S。

道路试验采集并处理数据包括以下步骤：

步骤一：在选定的试验车辆上装备车速仪及测力方向盘，采集某一运营周期内的方向盘转角、车速、时间等数据；

步骤二：根据转角-时间历程图，得出单次转向所需的时间t_d以及前一次转向完成至下一次转向开始的间隔时间t_j；

步骤三：根据车速-时间历程图，统计得出低于临界车速v_c下，单次转向所需的最长时间t_dmax，两次转向完成的最短间隔时间t_jmin，若间隔时间与其前后两次完成转向所需的时间相加之和小于t_dmax，则此时间不予考虑。车速/转角随时间的变化曲线如图4所示。

极限转向功率P_Mmax、临界车速v_c和临界转向功率P_seps计算包括以下步骤：

步骤一：由原地转向半经验公式计算出原地转向阻力矩Tr_max，此时转向电机所需输出的转矩最大，计算此工况下转向电机所需提供的功率，即为极限转向功率P_Mmax；

式中，f为轮胎与地面的滑动摩擦系数，G₁为前轴载荷，p为轮胎胎压，ω_m为助力电机的额定转速，η_r为转向器的传动效率，G_r为转向器传动比，η_m为电机及其减速机构的传动效率，G_m为电机传动比；

式(2)是根据功率与力矩、转速之间的关系得到的。原地转向阻力矩与转向器传动比相除得到此时转向所需的转向力矩，进而再除以助力电机的传动比可得此时助力电机需提供的力矩，同时考虑转向器以及电机的传动效率，最后乘以电机的转速即可得到所求的极限转向功率。

步骤二：建立汽车轮胎/地面之间摩擦力的有限元模型，仿真分析摩擦力随轮胎滚动速度、轮胎偏转角度、垂直载荷、路面摩擦系数的变化关系，拟合得到摩擦力的关系式：F_f＝0.7121F_z·e^-0.048v，其中F_z为前轴载荷，v为车速，计算摩擦力引起的转向阻力距：

其中L为轮胎接地印记圆的直径，θ、r为极坐标积分的中间变量；计算主销内倾引起的转向阻力距：

其中δ为前轮转角，c为主销偏距，β为主销内倾角，将摩擦力引起的转向阻力距与主销内倾引起的转向阻力距相加得到综合的低速转向阻力矩。针对某款小型车辆，在Matlab/Simulink平台上搭建转向系统模型进行低速转向阻力矩的仿真，并通过与实车试验对比，对模型进行验证与优化；

步骤三：由验证后的模型仿真得到重型商用车的低速转向阻力矩，并采用最小二乘法拟合得到转向阻力矩随车速变化的解析式

θ_h为转向盘转角，G_s为转向系统的传动比。

步骤四：对解析式T＝f(v)求导得出转向阻力矩随车速的变化率，以变化率极大值对应的车速作为临界转向车速v_c；

步骤五：根据转向阻力矩与车速的解析式T＝f(v)，得出临界车速v_c下的转向阻力矩

并计算临界转向功率P_seps；

超级电容组容值的匹配方法如下：

步骤一：基于放电需求计算得出超级电容组的容值C的范围；

式中，N为超级电容的单体个数；C_sc为超级电容单体的容值；U_scmax、U_scmin分别为超级电容单体高效放电区间的最高电压与最低电压。

步骤二：基于充电需求对超级电容组的容值C₀进行验证

由于转向行驶工况与直线行驶工况交替进行，而且直线行驶工况的占比高于转向行驶工况，故设定直线行驶时整车电源为超级电容组充电，此时超级电容组必须要在直行时间内完成充电，即充电时间小于或等于t_jmin。

选取超级电容组容值范围内的最小值为初始值C₀，验证C₀是否满足充电需求，如下式所示：

式中，R₀为超级电容组C₀的内阻。若上式成立，则证明该超级电容组可以在规定的时间内完成充电，因此该超级电容组满足EPS所需的充放电需求；若上式不成立，即该超级电容组不符合充放电需求，则在容值范围内重新选择超级电容组。

整车电源输出功率P_S的匹配，包括以下步骤：

步骤一：计算超级电容组的充电限制电流I_充limit与放电限制电流I_放limit，如下式所示：

式中，U_scmid为超级电容单体电压区间的中值，

R_c为选定的超级电容组的电阻，η_充、η_放分别为所选定的超级电容组充、放电的效率；

步骤二：根据I_充limit、I_放limit计算超级电容组的充电限制功率P_充limit与放电限制功率P_放limit，如下式所示：

步骤三：匹配整车电源输出功率P_S，过程如下：

复合电源中的整车电源输出功率要同时满足任何工况下整车用电器的负荷需求，高于临界车速v_c的转向工况下转向电机的全部功率需求，低于临界车速v_c的转向工况下转向电机的部分功率需求，直行工况下超级电容的充电功率需求，如下式所示：

根据上式即可求出整车电源输出功率P_S的范围，考虑成本因素，选择P_S范围内的最小值为所匹配的整车电源输出功率。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施。本发明的保护范围并不限于上述实施例，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对重型商用车进行道路试验，采集数据并处理得到完成单次转向所需的最长时间t_dmax以及两次转向间隔的最短时间t_jmin；

步骤2：仿真与试验得出转向阻力矩随车速变化的解析式T＝f(v)，并根据该解析式求得临界转向车速v_c与临界转向功率P_seps；

所述临界车速v_c与临界转向功率P_seps通过以下步骤获得：

步骤2.1：结合原地转向阻力矩、前轮定位参数引起的回正力矩和轮胎/路面低速转向的摩擦力矩综合计算出汽车的低速转向阻力矩；针对小型车辆，搭建转向系统模型进行低速转向阻力矩的仿真，通过与实车试验对比，对模型进行验证与优化；

步骤2.2：由优化后的模型仿真得到重型商用车的低速转向阻力矩，并采用最小二乘法拟合得到转向阻力矩随车速变化的解析式

步骤2.3：对解析式T＝f(v)求导得出转向阻力矩随车速的变化率，以变化率极大值对应的车速作为临界转向车速v_c；

步骤2.4：根据转向阻力矩与车速的解析式T＝f(v)，得出临界车速v_c下的转向阻力矩

并计算临界转向功率

其中ω_m为助力电机的额定转速，η_r为转向器的传动效率，G_r为转向器传动比，η_m为电机及其减速机构的传动效率，G_m为电机传动比，F_z为前轴载荷，L为轮胎接地印记圆的直径，c为主销偏距，β为主销内倾角，θ_h为转向盘转角，G_s为转向系统的传动比；

步骤3：根据原地转向阻力距求得转向助力电机所需输出的极限转向功率P_Mmax；

步骤4：综合所求的t_dmax、t_jmin、P_seps、P_Mmax，基于放电需求计算得到超级电容组容值C的范围，基于充电需求确定超级电容组的容值；

步骤5：计算超级电容组的充电限制功率P_充limit、放电限制功率P_放limit，并结合整车电器最大用电负荷P_loadmax、临界转向功率P_seps匹配整车电源的输出功率P_S。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，其特征在于，所述步骤1中道路试验采集数据并且处理数据的具体步骤如下：

步骤1.1：在选定的试验车辆上装备车速仪及测力方向盘，采集某一运营周期内的方向盘转角、车速、时间；

步骤1.2：根据转角-时间历程图，得出单次转向所需的时间t_d以及前一次转向完成至下一次转向开始的间隔时间t_j；

步骤1.3：根据车速-时间历程图，统计得出低于临界车速v_c下，单次转向所需的最长时间t_dmax，两次转向完成的最短间隔时间t_jmin，若间隔时间与其前后两次完成转向所需的时间相加之和小于t_dmax，则此间隔时间不予考虑。

3.根据权利要求1所述的一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，其特征在于，所述步骤3中极限转向功率P_Mmax的获取过程为：由原地转向半经验公式计算出原地转向阻力矩

此时转向电机所需输出的转矩最大，计算此工况下转向电机所需提供的功率，即为极限转向功率P_Mmax，

其中f为轮胎与地面的滑动摩擦系数，G₁为前轴载荷，p为轮胎胎压，ω_m为助力电机的额定转速，η_r为转向器的传动效率，G_r为转向器传动比，η_m为电机及其减速机构的传动效率，G_m为电机传动比。

4.根据权利要求1所述的一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，其特征在于，所述步骤4中超级电容组容值C，通过以下步骤获得：

步骤4.1基于放电需求计算得出超级电容组的容值C的范围：

其中N为超级电容组的单体个数，C_sc为超级电容单体的容值，U_scmax、U_scmin分别为超级电容单体高效放电区间的最高电压与最低电压；

步骤4.2确定超级电容组的容值C；

选取超级电容组容值范围内的最小值为初始值C₀，验证C₀是否满足充电需求，即：

其中R₀为超级电容组C₀的内阻；若上式成立，则证明该超级电容组可以在规定的时间内完成充电，因此该超级电容组满足EPS所需的充放电需求；若上式不成立，即该超级电容组不符合充放电需求，则在容值范围内重新选择超级电容组的容值。

5.根据权利要求1所述的一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，其特征在于，所述整车电源的输出功率P_S通过以下步骤获得：

步骤5.1：计算超级电容组的充电限制电流I_充limit与放电限制电流I_放limit：

其中，U_scmid为超级电容单体电压区间的中值，

U_scmax、U_scmin分别为超级电容单体高效放电区间的最高电压与最低电压；R_c为选定的超级电容组的电阻，η_充、η_放分别为所选定的超级电容组充、放电的效率；

步骤5.2：根据I_充limit、I_放limit计算超级电容组的充电限制功率P_充limit与放电限制功率P_放limit：

步骤5.3：匹配整车电源的输出功率P_S：

即可求出整车电源的输出功率P_S的范围，考虑成本因素，选择P_S范围内的最小值为所匹配整车电源的输出功率。

6.根据权利要求1所述一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，其特征在于，所述复合电源包括整车电源、超级电容组以及DC/DC变换器，超级电容组与DC/DC变换器串联后再与整车电源并联，整车电源作为主要电源，超级电容器与双DC/DC变换器串联构成辅助电源。

7.根据权利要求6所述一种基于功率需求的重型商用车EPS复合电源的匹配方法，其特征在于，所述复合电源有两种供电模式：当车速低于临界车速v_c转向时，系统处于复合电源供电模式，整车电源和超级电容组共同为转向助力电机提供转向功率；当车速高于临界车速v_c时，系统处于整车电源供电模式，其中，转向工况下，整车电源单独为转向助力电机提供转向功率，直行工况下，整车电源给超级电容充电。

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