CN110203205A - 一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法，用以检测车辆的附着稳定性及准最优滑移率和准最优附着转矩，适用于电驱动车辆。该方法利用牵动电机转矩和轮速经负载扰动观测器观测轮胎‑地面附着转矩，利用牵引电机转矩变化量和附着转矩变化量，计算附着稳定因子δ，并根据附着稳定因子数值剧烈变化辨识准最优滑移率和准最优附着转矩。本发明易于实现，可靠性高，可广泛应用于电动汽车的牵引/制动的防滑控制过程。

Description

一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法

技术领域

本发明涉及车辆附着状态检测技术领域，具体涉及一种电动汽车附着稳定性及准最优滑移率检测方法。

背景技术

车辆ABS(anti-braking system)/TCS(Traction control System)系统用于保证车辆附着稳定性，提高驾驶安全和驾驶性能。但是高性能的ABS/TCS系统需要根据汽车轮胎-地面的最优滑移率进行控制。最优滑移率通常指当前轮胎-地面附着特性曲线峰值点或者斜率为1所对应的滑移率，此时纵向和横向附着力均较大。考虑到最优滑移率对应工作点通常是车辆运行中的一个暂态，很难准确捕获。这里把最大附着点附近的滑移率定义为准最优滑移率，并作为辨识目标。

目前最优滑移率判别方法主要包括基于专有设备测量的辨识方法，基于轮胎-路面特性曲线的辨识方法和基于车轮响应特性的路面特性辨识方法。基于专有设备的辨识方法利用光学传感器或者电磁波测量方法直接判断路面种类，确定车辆附着稳定性和最佳滑移率。但是需要额外加装传感器，成本较高且需要经过大量测试训练。基于轮胎-路面特性曲线的辨识方法是基于路面特性的斜率差异性辨识最优滑移率，但路面特性曲线拟合过程需要较多的数据点,实时性难以保证。基于车轮响应特性的路面特性辨识方法利用不同轮-地特性的共性特征辨识最优滑移率。如在最大附着点前后附着系数变化极性、力传递因子的变化等。利用附着力变化率极性改变作为车轮开始打滑的特征，在驾驶员操作不确定、轮-地特性不确定时附着力变化不足以表征车辆附着状态，容易出现误判。定义表征动力传递特性的传递因子，利用附着力在最大附着点前后跟随特性变化辨识最佳滑移率。但因力传递因子幅值较小(幅值<2)，易受噪声干扰，且变化缓慢，工程应用面临很大挑战。因此最优滑移率辨识问题至今没有很好解决。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术方法存在的成本较高、实时性和可靠性差缺陷，提出一种电动汽车附着稳定性及准最优滑移率检测方法，是一种基于附着稳定因子判别车辆轮胎与地面附着状态的方法，该附着稳定因子表征了车辆动力传递暂态特性，利用其在最大附着点附近的剧烈变化，可实时检测车辆准最优滑移率和准最优附着转矩，可靠性高。据此调节驱动防滑控制，保障车辆运行的安全性和动力性。

为达到上述目的，采用下述技术方案：

一种电动汽车附着稳定性及准最优滑移率检测方法，其特征在于操作步骤如下：

1)：获取牵引电机输出转矩T和车辆车轮转速ω，这里的牵引转矩T可以是给定转矩，也可以是观测的输出转矩；据牵引电机转矩T、车轮转速ω和惯量参数进行附着转矩T_d的闭环观测器在线观测；

2)：利用电动汽车牵引电机转矩T，实时计算电机转矩变化值ΔT，变化量ΔT＝T(t₂)-T(t₁)；根据估计的附着转矩T_d，实时计算附着转矩变化值ΔT_d，变化量ΔT_d＝T_d(t₂)-T_d(t₁)；其中t₁为第一检测时刻，t₂为第二检测时刻；

3)：利用所述电机转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔT_d计算附着稳定因子δ(k)，计算准则如下：

当ΔT(k)＝0时，所述附着稳定状态因子δ(k)＝ε/ΔT_d(k),其中ε为不为零的一个常数值；当ΔT(k)≠0时，所述附着稳定状态因子δ＝ΔT(k)/ΔT_d(k)。

4)：所述附着稳定状态因子δ(k-1)，δ(k))用来判定车辆附着稳定性，提取准最优滑移率，判断准则如下：

当δ(k-1)>0,δ(k)<0时，则车辆出现附着不稳定，把k-1时刻的滑移率和附着力作为最优滑移率和最大附着力。

当δ(k-1)<0,δ(k)<0时，车辆进入不稳定附着状态。

当δ(k-1)<0,δ(k)>0时，则车辆从不稳定附着区进入稳定附着状态，把k时刻的滑移率和附着力作为最优滑移率和最大附着力。

当δ(k-1)>0,δ(k)>0时，如果0<δ(k)<阈值，车辆稳定附着，如果δ(k)≥阈值，则车辆即将打滑，把k时刻附近的滑移率和附着力作为当前路面条件最优滑移率λ_opt和准最优附着转矩T_dmax。准最优滑移率λ_opt＝min{λ(k-1),λ(k)},准最优附着转矩T_dmax＝max{T_d(k-1),T_d(k)}。

基于附着稳定因子检测电动汽车附着稳定性及准最优滑移率的原理分析如下。

大量实践经验表明车辆轮胎-地面之间的关系呈现出非线性特征，在同一路面上车辆随着车辆滑移率λ的不断增加，车辆运行状态将从稳定区域将进入非稳定性运行。结合车辆纵向动力学相关理论，可建立车辆动力学的简化单轮车辆数学模型。设车辆质量M，垂直载荷为N，车辆轮胎有效半径是r，车轮的等效旋转惯量是J；车轮旋转角速度是ω。F_d是经轮胎-路面接触作用产生的摩擦力，该力是驱动车辆运动的激励力F_dr是车辆运动的总阻力，主要为空气阻力、坡度阻力与滚动阻力；M是整车质量；V是车辆行驶速度。

根据以上车辆动力学方程，可见建立附着转矩闭环的闭环扰动观测器(DOB)状态方程如下：

本发明中提出的该DOB观测器，对于负载转矩观测器的观测是以比例+积分的形式进行的，可以有效提高辨识收敛速度，可改善辨识的精确性和准确性。

轮胎-地面关系的附着斜率为a，可表征车辆的车辆运行状态。利用局限线性化分析的方法，若忽略风阻等扰动，可得近似的附着转矩响应函数如下：

其中，τ_v为转矩响应时间常数车辆附着斜率a、滑移率λ及车辆参数相关。

不难看出，当车辆处于临界稳定区时，即a＝0，附着转矩响应时间常数τ_v趋向无穷大，则此时附着转矩不再响应牵引转矩，车辆即将失稳，ΔT_d＝0；当车辆处于稳定附着区时，即a>0，附着转矩跟随牵引转矩的响应，ΔT_d>0；当车辆处于不稳定打滑区时，即a<0，附着转矩不但不会跟随牵引转矩的响应，反而会不断较小，ΔT_d>0。

利用闭环DOB获得的轮胎-地面附着转矩T_d，可计算其变化量ΔT_d＝T_d(t₂)-T_d(t₁)；利用电动汽车牵引电机转矩T计算其变化值ΔT＝T(t₂)-T(t₁)；t₁为第一检测时刻，t₂为第二检测时刻，这里的牵引转矩T可以是给定转矩，也可以是观测的输出转矩。

本发明定义附着稳定因子δ，当ΔT＝0时，所述附着稳定状态因子δ＝ε/ΔT_d,其中ε为不为零的一个常数值；当ΔT≠0时，所述附着稳定状态因子δ＝ΔT/ΔT_d。

所述附着稳定因子δ＝ΔT/ΔT_d，在车辆运行在稳定附着区大于零，在车辆运行在稳定附着区小于零。在车辆由稳定区逐渐靠近临界稳定区打滑时，此时附着稳定因子δ为正值且急剧增加，经过临界稳定点后，逐渐出现急剧减小，然后进入不稳定打滑区。所述附着稳定因子δ的值在即将打滑区域急剧增加，可设置适当的阈值，作为即将打滑的特征提取点。因此，不难看出：

当δ>0时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；

当δ<0时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状；

当T＞＞0时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于准打滑状态，设置适当的阈值，可作为预测控制的特征提取点。

据此可设计进行车辆稳定性判定及准最优滑移率和准最优附着转矩的获取估计准则如下：

当δ(k-1)>0,δ(k)<0时，则车辆出现附着不稳定；

当δ(k-1)<0,δ(k)<0时,则车辆进入不稳定附着状态；

当δ(k-1)<0,δ(k)>0时，则车辆从不稳定附着区进入稳定附着状态；

当δ(k-1)>0,δ(k)>0时，如果0<δ(k)<阈值，车辆稳定附着，如果δ(k)≥阈值，则车辆即将打滑，把k时刻附近的滑移率和附着力作为当前路面条件最优滑移率λ_opt和准最优附着转矩T_dmax。准最优滑移率λ_opt≈min{λ(k-1),λ(k)},准最优附着转矩T_dmax≈max{T_d(k-1),T_d(k)}。

因此，据综上所述，可利用定义并计算电动汽车的附着稳定因子δ，可对车辆附着稳定状态进行判定，进而设定准则触发估计出在当前轮胎-路面的接触条件，精确的准最优滑移率λ_opt和准最优附着转矩T_dmax。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1.本发明中的实时最准最优滑移率检测方法，降低了车辆稳定性检测的成本，并且检测过程简单易于实现，可靠性强，可广泛应用于电动汽车的牵引/制动的防滑控制过程。

2.本发明中的一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法中设计的附着转矩闭环观测器，相对于传统开环的附着转矩观测器，观测准确度高，可有效的增加车辆稳定性控制效果。

3.本发明中的电动汽车准最优滑移率检测方法，对于车辆附着稳定性的预测控制奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是本发明方法采用的系统结构示意图；

图2是是一种准滑移率检测方法的流程图；

图3是车辆轮胎地面附着转矩观测器；

图4是车辆轮胎-路面附着系数和滑移率关系图；

图5是附着稳定因子与传统力传递因子比较图。

具体实施方式

下面是本发明优选实施例结合附图对本发明进行详细的描绘。附图的提供仅为了更好地理解本发明，他们不应该理解成对本发明的限制。

实施例一：

参见图1和图2，本电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法，其特征在于操作步骤如下：

(1)建立闭环扰动观测器DOB，观测轮胎-地面附着转矩_Td；

(2)利用观测的轮胎地面附着转矩T_d计算其变化量ΔT_d＝T_d(t₂)-T_d(t₁)，利用电动汽车牵引电机转矩T计算其变化值ΔT＝T(t₂)-T(t₁)；t₁为第一检测时刻，t₂为第二检测时刻，这里的牵引转矩T是给定转矩，或者是牵引电机实际输出的转矩值；

(3)利用ΔT_d和ΔT的比值计算附着稳定因子δ，当ΔT为0时，分母设置为常数；

(4)分析附着稳定因子变化规律，当附着稳定因子δ出现由正到负、由负到正的剧烈变化或者超过某一阈值时，可判断车辆经由最大附着点或者即将进入不稳定区域，据此提取得到准最优滑移率及准最优附着转矩。

实施例二：

如图1所示，一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法，其特征在于，包括相互关联的车辆牵引电机模块、附着转矩观测模块、附着稳定因子计算单元、准最优滑移率及准附着转矩判别单元和车辆轮地系统模块等。

所述车辆牵引电机模块，用于获取牵引电机输出转矩T和车辆车轮转速ω，并实时计算牵引转矩的变化量ΔT。通过测量驱动电机电枢电流参数等可估算牵引转矩T，也可以是通过驾驶员输入踏板的给定指令来获取牵引转矩；并实时计算电机转矩变化值ΔT＝T(t₂)-T(t₁)；t₁为第一检测时刻，t₂为第二检测时刻。

所述附着转矩观测模块，用于根据牵引电机转矩T、车轮转速ω和惯量参数进行附着转矩T_d的观测；并实时计算电机转矩变化值ΔT_d＝T_d(t₂)-T_d(t₁)；其中t₁为第一检测时刻，t₂为第二检测时刻。

所述附着定因子计算单元，用于利用所述电机转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔT_d计算附着稳定因子δ。当ΔT＝0时，所述附着稳定状态因子δ＝ε/ΔT_d,其中ε为不为零的一个常数值；当ΔT≠0时，所述附着稳定状态因子δ＝ΔT/ΔT_d。

所述准最优滑移率及准最优附着转矩判别单元，用于根据附着稳定状态因子计算结果δ，进行准最优滑移率和准最优附着转矩的触发获取。

所述车辆轮地系统模块，用于根据车辆转速传感器检测获得的轮速和车速信息，计算获得车辆滑移率λ的模块。

一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法，如图2所述，具体步骤包括：

步骤S1：获取牵引电机输出转矩T和车辆车轮转速ω，这里的牵引转矩T可以是给定转矩，也可以是观测的输出转矩。

以直流电机为例分析，通过电流传感器测量驱动电机电枢电流I_a参数等可估算牵引转矩T，即

T＝k_mI_a

其中，k_m是电流系数，与牵引电机相关。同理，对于交流电机也可以通过坐标变换的方法实现利用电机电流参数进行估计电机输出转矩。牵引电机输出转矩T也可以是通过驾驶员输入踏板的给定指令来获取。

步骤S2：据牵引电机转矩T、车轮转速ω和惯量参数进行附着转矩T_d的估计。

结合车辆纵向动力学相关理论，可建立车辆纵向动力学数学模型。设车辆质量M，垂直载荷为N，车辆轮胎有效半径是r，车轮的等效旋转惯量是J；车轮旋转角速度是ω。F_d是经轮胎-路面接触作用产生的摩擦力，该力是驱动车辆运动的激励力F_dr是车辆运动的总阻力，主要为空气阻力、坡度阻力与滚动阻力；M是整车质量；V是车辆行驶速度。

根据以上车辆动力学方程，可见建立附着转矩闭环的闭环扰动观测器(DOB)状态方程如下：

本发明中提出的该DOB观测器，对于负载转矩观测器的观测是以比例+积分的形式进行的，可以有效提高辨识收敛速度，可改善辨识的精确性和准确性。

步骤S3：根据获取的牵引电机转矩T，实时计算电机转矩变化值ΔT，变化量ΔT＝T(t₂)-T(t₁)；同理，根据估计的附着转矩T_d，实时计算附着转矩变化值ΔT_d，变化量ΔT_d＝T_d(t₂)-T_d(t₁)；其中t₁为第一检测时刻，t₂为第二检测时刻，该检测时间间隔取决于车辆控制采样频率。

步骤S4：利用所述电机转矩变化值ΔT和附着转矩变化值ΔT_d计算附着稳定因子δ。当ΔT＝0时，所述附着稳定状态因子δ＝ε/ΔT_d,其中ε为不为零的一个常数值；当ΔT≠0时，所述附着稳定状态因子δ＝ΔT/ΔT_d。

步骤S5：根据代入附着稳定因子δ为变量的附着稳定函数计算结果，判别汽车轮胎-地面附着稳定状态；

若忽略风阻等扰动，可得近似的附着转矩响应函数如下：

其中，τ_v为转矩响应时间常数车辆附着斜率a、滑移率λ及车辆参数相关。

车辆轮胎-地面之间的关系呈现出非线性特征，如图4所示，在同一路面上车辆随着车辆滑移率λ的不断增加，车辆运行状态将从稳定区域将进入非稳定性运行。

在稳定工作区，当前滑移率在临界最优滑移率之前，纵向附着系数随着滑移率的增加而增加，a>0。随着牵引转矩T的增加，附着转矩T_d也在不断增加，δ>0，车辆可保持稳定运行。

在不稳定打滑区，随着滑移率的持续增加，附着系数显著减小，a<0。随着牵引转矩T的增加，附着转矩T_d也在不再增加，反而减小，δ<0，因此车辆不能稳定运行将进入不稳定的打滑状态。

因此，当δ>0时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于稳定附着状态；当δ<0时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于非稳定打滑状态；当δ＞＞0时，则当前状态下的轮胎与地面附着状态处于准打滑状态，设置适当的阈值，作为预测控制的特征提取点。

步骤S6：利用附着稳定状态因子当δ＞＞0时(可设定固定阈值)，进行准最优滑移率和准最优附着转矩的获取。如图5所示，可设计进行准最优滑移率和准最优附着转矩的获取估计准则如下：

当δ(k-1)>0,δ(k)<0时，则车辆出现附着不稳定；

当δ(k-1)<0,δ(k)<0时，则车辆进入不稳定附着状态；

当δ(k-1)<0,δ(k)>0时，则车辆从不稳定附着区进入稳定附着状态；

当δ(k-1)>0,δ(k)>0时，如果0<δ(k)<阈值，车辆稳定附着。如果δ(k)≥阈值，则车辆即将打滑，把k时刻附近的滑移率和附着力作为当前路面条件最优滑移率λ_opt和准最优附着转矩T_dmax。准最优滑移率λ_opt≈min{λ(k-1),λ(k)}，准最优附着转矩T_dmax≈max{T_d(k-1),T_d(k)}。

综上所述，本专利提出的一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法，是利用设定车辆的附着稳定因子δ，并根据附着稳定因子δ的计算结果，进行判断车辆附着稳定状态，进而触发估计出当前轮胎-路面的接触条件，精确的获取当前路面条件下的准最优滑移率λ_opt和准最优附着转矩T_dmax。

上述各实施实例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种电动汽车附着稳定性和准最优滑移率检测方法，其特征在于操作步骤如下：

(1)建立闭环扰动观测器(Disturbance Observer，DOB)，观测轮胎-地面附着转矩T_d；

(2)利用观测的轮胎地面附着转矩T_d计算其变化量ΔT_d＝T_d(t₂)-T_d(t₁)，利用电动汽车牵引电机转矩T计算其变化值ΔT＝T(t₂)-T(t₁)；t₁为第一检测时刻，t₂为第二检测时刻，这里的牵引转矩T是给定转矩，或者是牵引电机实际输出的转矩值；

(3)利用ΔT_d和ΔT的比值计算附着稳定因子δ，当ΔT为0时，分母设置为常数；

(4)分析附着稳定因子变化规律，当附着稳定因子δ出现由正到负、由负到正的剧烈变化或者超过某一阈值时，可判断车辆经由最大附着点或者即将进入不稳定区域，据此提取得到准最优滑移率及准最优附着转矩。