CN110562256B - 一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法 - Google Patents

一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，包括以下步骤：整车控制器VCU硬线采集档位信号、加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，判断驾驶员意图信号；VCU硬线采集当前车速信号和驾驶员意图信号，进行整车控制状态划分；根据驾驶员加速踏板开度信号、电机转速和档位信号查MAP表计算驾驶员需求扭矩；在驾驶员需求扭矩的基础上，分别计算不同整车控制状态对应的状态扭矩；比较状态扭矩、整车故障扭矩、部件保护扭矩，对三者取值最小的扭矩进行平滑处理，作为最终执行扭矩输出给驱动电机控制器MCU，从而控制电机工作；本发明基于状态机策略的扭矩模式划分和扭矩计算，使得动力输出更合理，提升能源利用效率和动力系统的可靠性。

Description

一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法
技术领域
本发明涉及汽车能量管理领域，更具体地说，涉及一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法。
背景技术
在节能减排的永恒主题下，具备绿色环保、续航里程长、能源转化效率高等诸多优点的氢能源汽车应运而生。
由于氢燃料电池系统输出响应慢、无法储存能量等缺点，氢能源汽车上动力系统至少包括氢燃料电池和动力电池或超级电容的组合，整车控制器作为控制中心，负责氢能源汽车动力系统的能量管理，而扭矩管理是能量管理中的核心内容，与传统汽车的整车控制器VCU扭矩管理策略相比，必须考虑氢能源汽车中氢燃料电池和动力电池的部件保护功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了层次分明、逻辑性强的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法。
本发明提供了一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：整车控制器VCU硬线采集档位信号、加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，判断驾驶员意图信号；
步骤2：VCU硬线采集当前车速信号和驾驶员意图信号，对整车控制状态进行划分；
步骤3：根据驾驶员加速踏板开度信号、电机转速和档位信号查MAP表计算驾驶员需求扭矩；
步骤4：不同整车控制状态下，在驾驶员需求扭矩的基础上计算对应的状态扭矩；
步骤5：比较状态扭矩、整车故障扭矩、部件保护扭矩的大小，对取值最小的扭矩进行平滑处理，将平滑处理后的扭矩作为最终执行扭矩输出给驱动电机控制器MCU，从而控制电机工作。
进一步地，所述步骤1中驾驶员意图信号的取值如下：0代表油门踏板和刹车踏板不激活，1代表油门踏板激活，2代表轻踩刹车，3代表深踩刹车。
进一步地，所述步骤2中整车控制状态划分为：蠕行Crawl、正常驾驶NormalDrive、刹车制动NormalBrake、滑行制动CoastBrake、最高车速限制SpeedLimit。
进一步地，所述步骤3中驾驶员需求扭矩的计算方法为：在整车驾驶员操作巡航功能的情况下，驾驶员需求扭矩等于驾驶性扭矩和巡航扭矩两者中值最大的一个，否则，驾驶员需求扭矩等于驾驶性扭矩。
进一步地，所述不同的整车控制状态对应的状态扭矩计算方式为：(1)Crawl状态下扭矩根据Crawl车速闭环调节，(2)NormalDrive状态下状态扭矩等于驾驶需求扭矩，(3)在NormalBrake状态下，若满足制动能量回收条件，其状态扭矩等于预先设定的制动电回馈扭矩，若不满足制动能量回收条件，其状态扭矩输出为零，(4)CoastBrake状态下，若满足滑行能量回收条件，其状态扭矩等于预先设定的滑行电回馈扭矩，若不满足滑行能量回收条件，其状态扭矩输出为零，(5)SpeedLimit状态下状态扭矩根据最高车速进行闭环调节，通过比较驾驶需求扭矩和车速限制扭矩的大小，其状态扭矩取两者的较小值。
进一步地，所述步骤5中整车故障扭矩计算方法为：(1)给整车故障等级取值，(2)根据整车故障等级及对应故障处理方式计算整车故障扭矩。
进一步地，所述整车故障等级取以下系统故障等级最大值：动力电池控制器BMS系统故障等级、驱动电机控制器MCU系统故障等级、燃料电池控制器FCU系统故障等级和整车控制器VCU系统故障等级。
进一步地，所述整车故障等级及对应故障处理方式为：一级故障不限制动力，仅仪表提示，二级故障限制功率50％，三级故障跛行，同时限制车速和功率，四级故障零扭矩限制。
进一步地，所述步骤5中部件保护扭矩计算方法为：在驱动模式下，通过
Figure BDA0002171774990000031
转化最大功率P1为动力系统可提供最大保护扭矩,部件保护扭矩为电机外特性扭矩和动力系统可提供的最大保护扭矩中的较小值，在能量回收模式下，通过
Figure BDA0002171774990000032
转化P2为动力系统可回收的最大保护扭矩,部件保护扭矩为电机外特性扭矩和动力系统可回收的最大保护扭矩中的较小值，电机外特性扭矩由VCU查表计算，其中，n是驱动电机转速。
进一步地，动力系统可提供的最大功率P1为燃料电池高效区间提供的功率上限值加动力电池当前允许的最大放电功率减去附件总功率，在能量回收模式下，动力系统可回收的最大功率P2为动力电池当前允许的最大充电功率加上附件总功率减去燃料电池高效区间提供的功率下限值。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)基于状态机策略的扭矩模式划分和扭矩计算，扭矩控制结构层次分明、逻辑性强，具备较强的工程应用价值；(2)在故障扭矩计算和部件扭矩保护模块中综合考虑了氢燃料汽车中不同动力源的输出特性，动力输出更合理，提升能源利用效率和动力系统的可靠性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法的流程图；
图2是氢能汽车整车控制状态划分图；
图3是氢能汽车扭矩管理结构图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：整车控制器VCU硬线采集档位信号、加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，判断驾驶员意图信号；
本发明中，驾驶员意图信号的取值如下：0代表油门踏板和刹车踏板不激活，1代表油门踏板激活，2代表轻踩刹车，3代表深踩刹车，其中，刹车深度小于20％为轻踩刹车，刹车深度大于20％为深踩刹车，在前进挡和倒退档下的判断逻辑见表(1)，其判断阈值仅作为参考。
Figure BDA0002171774990000051
(1)
步骤2：VCU硬线采集当前车速信号和驾驶员意图信号，对整车控制状态进行划分；
本发明中采用Matlab/Simulink软件内置的Stateflow功能建立整车控制状态图，如图2所示，在前进挡(D)或后退档(R)，整车控制状态分为蠕行Crawl、正常驾驶NormalDrive、刹车制动NormalBrake、滑行制动CoastBrake、最高车速限制SpeedLimit。VCU控制系统初始化进入NormalBrake状态，进入NormalBrake状态的条件为刹车激活(In_StPedalFlag＝＝2或3)；进入Crawl状态的条件为CoastBrake状态和NormalDrive状态下车速小于V3或者NormalBrake状态下刹车不激活(In_StPedalFlag＝＝0或1)；进入CoastBrake状态的条件为NormalBrake状态下车速大于V1且油门不激活(In_StPedalFlag＝＝0)，或者Crawl状态下车速大于V2且油门不激活(In_StPedalFlag＝＝0)，或者NormalDriving状态下油门不激活(In_StPedalFlag＝＝0)，或者SpeedLimit状态下车速小于V5且油门不激活(In_StPedalFlag＝＝0)；进入NormalDriving状态的条件为Crawl状态下车速大于V2且油门激活(In_StPedalFlag＝＝1)，或者CoastBrake状态下油门激活(In_StPedalFlag＝＝1)，或者SpeedLimit状态下车速小于V5且油门激活(In_StPedalFlag＝＝1)；进入SpeedLimit状态的条件为NormalBrake状态、NormalBrake状态和CoastBrake状态下车速大于V4。
步骤3：根据驾驶员加速踏板开度信号、电机转速和档位信号查MAP表计算驾驶员需求扭矩；
本发明中，在整车驾驶员操作巡航功能的情况下，驾驶员需求扭矩等于驾驶性扭矩和巡航扭矩两者中值最大的一个，否则，驾驶员需求扭矩等于驾驶性扭矩。
步骤4：不同整车控制状态下，在驾驶员需求扭矩的基础上计算对应的状态扭矩；
每一个状态都是互斥的，在蠕行Crawl状态下扭矩根据蠕行车速闭环调节；在NormalDrive状态下扭矩等于驾驶需求扭矩；在NormalBrake状态下，若满足制动能量回收条件，状态扭矩等于预先设定的制动电回馈扭矩，制动电回馈扭矩根据制动踏板开度、电机转速信号查MAP计算。若不满足制动能量回收条件，状态扭矩输出为零；在CoastBrake状态下，若满足滑行能量回收条件，状态扭矩等于预先设定的滑行电回馈扭矩，滑行电回馈扭矩根据车速信号查Curve计算。若不满足滑行能量回收条件，状态扭矩输出为零；在SpeedLimit状态下扭矩根据最高车速进行闭环调节，状态扭矩取Min{驾驶需求扭矩，车速限制扭矩}。
步骤5：比较状态扭矩、整车故障扭矩、部件保护扭矩，对取值最小的扭矩进行平滑处理，作为最终执行扭矩输出给驱动电机控制器MCU，从而控制电机运行。
本发明中，整车故障等级取以下系统故障等级最大值：BMS(动力电池控制器)系统故障等级、MCU(驱动电机控制器)系统故障等级、FCU(燃料电池控制器)系统故障等级和VCU(整车控制器)系统故障等级；一级故障不限制动力，仅仪表提示；二级故障限制功率50％；三级故障跛行，同时限制车速20km/h和限制功率25％；四级故障零扭矩限制；根据整车故障等级及对应故障处理方式计算故障扭矩，车速限制、功率限制必须最终转化为扭矩形式，其中车速限制扭矩根据当前车速和目标限制车速PID闭环计算，功率限制扭矩根据
Figure BDA0002171774990000071
计算获取，p为电机能输出的最大功率，n是驱动电机转速。
部件保护扭矩根据电机外特性扭矩(当前电机转速下能提供的最大扭矩)、燃料电池高效区间提供的功率上下限、动力电池当前允许的最大充电功率和放电功率、附件总功率(主要为空调、水泵等大功率附件)综合计算；在驱动模式下，动力系统可提供的最大功率P1为燃料电池高效区间提供的功率上限值加动力电池当前允许的最大放电功率减去附件总功率；通过
Figure BDA0002171774990000072
转化最大功率P1为动力系统可提供最大保护扭矩,部件保护扭矩为电机外特性扭矩和动力系统可提供的最大保护扭矩中的较小值，在能量回收模式下，动力系统可回收的最大功率P2为动力电池当前允许的最大充电功率加上附件总功率减去燃料电池高效区间提供的功率下限值，通过
Figure BDA0002171774990000073
转化P2为动力系统可回收的最大保护扭矩,部件保护扭矩为电机外特性扭矩和动力系统可回收的最大保护扭矩中的较小值，电机外特性扭矩由VCU查电机外特性实验测量得到表计算，功率限制必须最终转化为扭矩形式，n是驱动电机转速。
如图3所示，分别计算出状态扭矩、整车故障扭矩、部件保护扭矩后，取最小的扭矩进行平滑处理，平滑处理后的扭矩作为执行扭矩发给驱动电机控制器。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：整车控制器VCU硬线采集档位信号、加速踏板开度信号和制动踏板开度信号，判断驾驶员意图信号；
步骤2：VCU硬线采集当前车速信号和驾驶员意图信号，对整车控制状态进行划分；
步骤3：根据驾驶员加速踏板开度信号、电机转速和档位信号查MAP表计算驾驶员需求扭矩；
步骤4：不同整车控制状态下，在驾驶员需求扭矩的基础上计算对应的状态扭矩；
步骤5：比较状态扭矩、整车故障扭矩、部件保护扭矩的大小，对取值最小的扭矩进行平滑处理，将平滑处理后的扭矩作为最终执行扭矩输出给驱动电机控制器MCU，从而控制电机工作；
所述步骤1中判断驾驶员意图信号逻辑见下表：
Figure FDA0002682969060000011
所述步骤2中在前进挡或后退档，整车控制状态分为蠕行Crawl、正常驾驶NormalDrive、刹车制动NormalBrake、滑行制动CoastBrake、最高车速限制SpeedLimit，VCU控制系统初始化进入NormalBrake状态，进入NormalBrake状态的条件为刹车激活，In_StPedalFlag＝＝2或3；进入Crawl状态的条件为CoastBrake状态和NormalDrive状态下车速小于V3或者NormalBrake状态下刹车不激活，In_StPedalFlag＝＝0或1；进入CoastBrake状态的条件为NormalBrake状态下车速大于V1且油门不激活，In_StPedalFlag＝＝0，或者Crawl状态下车速大于V2且油门不激活，In_StPedalFlag＝＝0，或者NormalDriving状态下油门不激活，In_StPedalFlag＝＝0，或者SpeedLimit状态下车速小于V5且油门不激活，In_StPedalFlag＝＝0；进入NormalDriving状态的条件为Crawl状态下车速大于V2且油门激活，In_StPedalFlag＝＝1，或者CoastBrake状态下油门激活，In_StPedalFlag＝＝1，或者SpeedLimit状态下车速小于V5且油门激活，In_StPedalFlag＝＝1；进入SpeedLimit状态的条件为NormalBrake状态、NormalBrake状态和CoastBrake状态下车速大于V4；
所述步骤5中部件保护扭矩计算方法为：在驱动模式下，通过
Figure FDA0002682969060000021
转化最大功率P1为动力系统可提供最大保护扭矩,部件保护扭矩为电机外特性扭矩和动力系统可提供的最大保护扭矩中的较小值，在能量回收模式下，通过
Figure FDA0002682969060000022
转化P2为动力系统可回收的最大保护扭矩,部件保护扭矩为电机外特性扭矩和动力系统可回收的最大保护扭矩中的较小值，其中，n是驱动电机转速,电机外特性扭矩由VCU查表计算。
2.如权利要求1所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1中驾驶员意图信号的取值如下：0代表油门踏板和刹车踏板不激活，1代表油门踏板激活，2代表轻踩刹车，3代表深踩刹车。
3.如权利要求1所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2中整车控制状态划分为：蠕行Crawl、正常驾驶NormalDrive、刹车制动NormalBrake、滑行制动CoastBrake、最高车速限制SpeedLimit。
4.如权利要求1所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中驾驶员需求扭矩的计算方法为：在整车驾驶员操作巡航功能的情况下，驾驶员需求扭矩等于驾驶性扭矩和巡航扭矩两者中值最大的一个，否则，驾驶员需求扭矩等于驾驶性扭矩。
5.如权利要求3所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：所述不同的整车控制状态对应的状态扭矩计算方式为：(1)Crawl状态下扭矩根据Crawl车速闭环调节，(2)NormalDrive状态下状态扭矩等于驾驶需求扭矩，(3)在NormalBrake状态下，若满足制动能量回收条件，其状态扭矩等于预先设定的制动电回馈扭矩，若不满足制动能量回收条件，其状态扭矩输出为零，(4)CoastBrake状态下，若满足滑行能量回收条件，其状态扭矩等于预先设定的滑行电回馈扭矩，若不满足滑行能量回收条件，其状态扭矩输出为零，(5)SpeedLimit状态下状态扭矩根据最高车速进行闭环调节，通过比较驾驶需求扭矩和车速限制扭矩的大小，其状态扭矩取两者的较小值。
6.如权利要求1所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：所述步骤5中整车故障扭矩计算方法为：(1)给整车故障等级取值，(2)根据整车故障等级及对应故障处理方式计算整车故障扭矩。
7.如权利要求6所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：所述整车故障等级取以下系统故障等级最大值：动力电池控制器BMS系统故障等级、驱动电机控制器MCU系统故障等级、燃料电池控制器FCU系统故障等级和整车控制器VCU系统故障等级。
8.如权利要求6所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：所述整车故障等级及对应故障处理方式为：一级故障不限制动力，仅仪表提示，二级故障限制功率50％，三级故障跛行，同时限制车速和功率，四级故障零扭矩限制。
9.如权利要求1所述的一种氢能汽车扭矩管理系统的控制方法，其特征在于：在驱动模式下，动力系统可提供的最大功率P1为燃料电池高效区间提供的功率上限值加动力电池当前允许的最大放电功率减去附件总功率，在能量回收模式下，动力系统可回收的最大功率P2为动力电池当前允许的最大充电功率加上附件总功率减去燃料电池高效区间提供的功率下限值。
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