CN110758395A - 电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法及系统 - Google Patents

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CN110758395A CN201910957711.0A CN201910957711A CN110758395A CN 110758395 A CN110758395 A CN 110758395A CN 201910957711 A CN201910957711 A CN 201910957711A CN 110758395 A CN110758395 A CN 110758395A
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李华鑫
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Abstract

本发明涉及电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法及系统，包括以下步骤：采集电动汽车的油门信号、方向盘信号、左前轮轮速和右前轮轮速；根据油门信号和方向盘信号计算出电动汽车的目标车速和目标转弯半径；根据目标车速和目标转弯半径，同时结合电动汽车的转向模型计算出电动汽车的左前轮目标轮速和右前轮目标轮速；根据左前轮轮速、右前轮轮速、左前轮目标轮速以及右前轮目标轮速判断电动汽车的左前轮和右前轮的运行状态，从而计算电动汽车动力电池的补偿功率或储存功率。本发明的有益效果是有效判断电动汽车前轮毂的运行状态，从而决策是否加入再生制动系统，实现回馈制动能量的有效利用和回收，提高能量利用率，节能环保。

Description

电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆节能技术领域，具体涉及电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法及系统。
背景技术
随着新能源汽车的发展，轮毂电机被认为是解决能源和环境问题的一种有效手段。
目前，再生制动系统大多将产生的再生制动能量直接输送给动力电池中进行储存，没有考虑再生制动能量储存和能量释放过程中的流失，特别是在前轮毂电动汽车差速转向的工况中加入再生制动系统，由于再生制动能量有限，很容易在能量传递过程中损失，以致于降低了再生制动能量的利用率。
如何在前轮毂电动汽车差速转向的过程中，将制动轮毂的再生制动能量直接有效地利用，以补给驱动轮毂的需求能量，提高整车能量利用率，增加续驶里程，是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法及系统，旨在解决上述问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，包括以下步骤：
S1：采集电动汽车的油门信号、方向盘信号、左前轮轮速和右前轮轮速；
S2：根据所述油门信号和所述方向盘信号计算出所述电动汽车的目标车速和目标转弯半径；
S3：根据所述目标车速和所述目标转弯半径，同时结合所述电动汽车的转向模型计算出所述电动汽车的左前轮目标轮速和右前轮目标轮速；
S4：根据所述左前轮轮速、所述右前轮轮速、所述左前轮目标轮速以及所述右前轮目标轮速判断所述电动汽车的左前轮和右前轮的运行状态，并根据所述电动汽车的左前轮和右前轮的运行状态计算所述电动汽车动力电池的补偿功率和储存功率。
本发明的有益效果是：本发明一方面是在前轮毂电动汽车差速转向工况下，通过逻辑门电路实时判断出电动汽车的左前轮和右前轮的运行状态，并决策出左前轮和右前轮是否加入再生制动系统，实现回馈制动能量的回收；另一方面是在前轮毂电动汽车差速转向工况下，通过能量管理控制模块实现了回馈制动能量的直接有效利用，减少了能量的损失，提高了整车的能量利用率，节能环保。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在所述S1中，所述油门信号为油门开度信号。
采用上述进一步方案的有益效果是油门开度信号采集方便。
进一步，在所述S1中，所述方向盘信号为方向盘转角信号。
采用上述进一步方案的有益效果是方向盘转角信号采集方便。
进一步，在所述S3中，所述转向模型为Ackermann-Jeantand转向模型。
采用上述进一步方案的有益效果是该模型能够快速有效的计算出电动汽车的左前轮和右前轮的目标轮速。
进一步，所述S4具体包括以下步骤：
S41：计算所述左前轮轮速与所述左前轮目标轮速的偏差Δ1，以及计算所述右前轮轮速与所述右前轮目标轮速的偏差Δ2；
S42：将所述偏差Δ1、偏差Δ2以及预设的偏差Δ临界进行比较，判断出所述左前轮和所述右前轮的运行状态；
S43：根据所述左前轮和所述右前轮的运行状态计算所述电动汽车动力电池的补偿功率或储存功率。
采用上述进一步方案的有益效果是方法简单，能够快速判断出左前轮和右前轮运行的状态，从而计算出电动汽车的动力电池的补偿功率或储存功率。
进一步，所述偏差Δ临界的范围为2-4r/min。
电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理系统，包括信号采集装置、控制单元、动力电池、左前轮毂电机和右前轮毂电机，所述信号采集装置、所述控制单元和所述动力电池通过线路依次连接，所述左前轮毂电机和所述右前轮毂电机分别通过线路与所述动力电池连接。
采用上述进一步方案的有益效果是通过信号采集装置采集电动汽车的相关信号并发送给控制单元，控制单元接收对应的信号并判断电动汽车前轮毂的运行状态，从而判断是否启动再生制动系统；动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机补偿能量或回收能量，提高整个电动汽车的能量利用率，节能环保。
进一步，所述信号采集装置包括分别通过线路与所述控制单元连接的油门传感器、方向盘转角传感器、左前轮速传感器和右前轮速传感器，所述油门传感器安装在所述电动汽车的油门踏板上，并用于检测所述油门踏板的开度；所述方向盘转角传感器安装在所述方向盘下方的转向柱上，并用于检测所述方向盘转动的角度；所述左前轮速传感器和所述右前轮速传感器分别安装在所述电动汽车的左前轮毂和右前轮毂上，并分别用于检测所述左前轮和所述右前轮的转速。
采用上述进一步方案的有益效果是利用各个传感器采集相应的信号，并发送给控制单元，采集方便快捷。
进一步，所述控制单元包括通过线路依次连接的信息采集模块、电子控制模块和能量管理控制器，所述信息采集模块通过线路分别与所述油门传感器、所述方向盘转角传感器、所述左前轮速传感器和所述右前轮速传感器连接，所述能量管理控制器通过线路与所述动力电池连接。
采用上述进一步方案的有益效果是通过信息采集模块采集电动汽车的相应信号，并发送给电子控制模块，电子控制模块接收对应的信号并判断分析，并根据分析的结果发送轮毂电机控制器驱动或制动指令，以及控制能量管理控制器控制动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机补偿能量或回收能量，提高整个电动汽车的能量利用率，节能环保。
进一步，所述动力电池和所述左前轮毂电机之间、所述动力电池和所述右前轮毂电机之间以及所述左前轮毂电机和所述右前轮毂电机之间分别连接有功率转换器。
采用上述进一步方案的有益效果是通过功率转换器实现直流功率和交流功率的变换，不仅可以实现动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机补偿能量或者回收能量，还可以实现左前轮毂电机和右前轮毂电机之间的能量传递。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明电动汽车的前轮毂电机的驱动状态和能量管理控制逻辑图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明提供电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，包括以下步骤：
S1：采集电动汽车的油门开度信号、方向盘转角信号、左前轮轮速和右前轮轮速；
S2：根据所述油门开度信号和所述方向盘转角信号计算出所述电动汽车的目标车速和目标转弯半径；
S3：根据所述目标车速和所述目标转弯半径，同时结合所述电动汽车的Ackermann-Jeantand转向模型计算出所述电动汽车的左前轮目标轮速和右前轮目标轮速；
S4：根据所述左前轮轮速、所述右前轮轮速、所述左前轮目标轮速以及所述右前轮目标轮速，计算所述左前轮轮速与所述左前轮目标轮速的偏差Δ1以及计算所述右前轮轮速与所述右前轮目标轮速的偏差Δ2；将偏差Δ1、偏差Δ2以及偏差Δ临界进行比较，判断出所述左前轮和所述右前轮的运行状态；根据所述左前轮和所述右前轮的运行状态，计算所述电动汽车动力电池的补偿功率和储存功率。
需要说明的是，上述Δ临界的范围值为2-4r/min，优选为3r/min。
另外，当偏差Δ1>偏差Δ2，电动汽车差速左转向；当偏差Δ1<偏差Δ2，汽车差速右转向。
本发明一方面是在前轮毂电动汽车差速转向工况下，通过逻辑门电路实时判断出电动汽车的左前轮和右前轮的运行状态，并决策出左前轮和右前轮是否加入再生制动系统，实现回馈制动能量的回收；另一方面是在前轮毂电动汽车差速转向工况下，通过能量管理控制器实现了回馈制动能量的直接有效利用，减少了能量的损失，提高了整车的能量利用率，节能环保。
本发明还提供了电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理系统，包括用于采集电动汽车信号的信号采集装置、控制单元、动力电池、左前轮毂电机和右前轮毂电机，所述信号采集装置、所述控制单元和所述动力电池通过线路依次连接，所述左前轮毂电机和所述右前轮毂电机分别通过线路与所述动力电池连接。判断过程中，通过信号采集装置采用电动汽车的相关信号并发送给控制单元，控制单元接收对应的信号并判断电动汽车前轮毂的运行状态，从而判断是否启动再生制动系统；动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机补偿能量或回收能量，提高整个电动汽车的能量利用率，节能环保。
本发明中，所述信号采集装置包括分别通过线路与所述控制单元连接的油门传感器、方向盘转角传感器、左前轮速传感器和右前轮速传感器，所述油门传感器安装在所述电动汽车的油门踏板上，并用于检测所述油门踏板的开度；所述方向盘转角传感器安装在所述方向盘下方的转向柱上，并用于检测所述方向盘转动的角度；所述左前轮速传感器和所述右前轮速传感器分别安装在所述电动汽车的左前轮毂和右前轮毂上，并分别用于检测所述左前轮和所述右前轮的转速，所述左前轮速传感器通过线路与所述左前轮毂电机连接，所述右前轮速传感器通过线路与右前轮毂电机连接。信号采集的过程中，利用各个传感器采集相应的信号，并发送给控制单元，采集方便快捷。
本发明中，所述控制单元包括通过线路依次连接的信息采集模块、电子控制模块和能量管理控制器，所述信息采集模块通过线路分别与所述油门传感器、所述方向盘转角传感器、所述左前轮速传感器和所述右前轮速传感器连接，所述能量管理控制器通过线路与所述动力电池连接。通过信息采集模块采集电动汽车的相应信号，并发送给电子控制模块，电子控制模块接收对应的信号并判断分析，电子控制模块根据分析结果向轮毂电机控制器发送驱动或制动信号，并根据分析的结果控制能量管理控制器控制动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机补偿能量或回收能量，提高整个电动汽车的能量利用率，节能环保。
另外，上述能量管理控制芯片选取TI公司的TMS320F28335 DSP控制器，具有150MHz的高速处理能力、32位浮点处理单元、6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF、2路CAN、多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC、一路SPI、88个通用I/O等，丰富的片上外设资源可以满足本系统所有控制需求。
本发明中，所述动力电池和所述左前轮毂电机之间、所述动力电池和所述右前轮毂电机之间以及所述左前轮毂电机和所述右前轮毂电机之间分别连接有功率转换器，功率转换器用于左前轮毂电机、右前轮毂电机与动力电池三者之间的功率转换。通过功率转换器实现直流功率和交流功率的变换，不仅可以实现动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机补偿能量或者回收能量，还可以实现左前轮毂电机和右前轮毂电机之间的能量传递。
需要说明的是，轮毂电机采用的是永磁无刷直流电机，左前轮毂电机控制器和右前轮毂电机控制器与动力电池之间通过功率转换器双向连接，功率转换器既可以把再生制动功率转换成轮毂电机需求的功率形式，也可转换成动力电池储存的功率形式。
能量管理控制器根据偏差Δ1和偏差Δ2，计算出再生制动功率或需求功率，然后根据再生制动功率补给需求功率的情况，向动力电池发送补偿能量信号或储存能量信号；能量管理控制器以需求功率和再生制动功率为输入量，根据再生制动功率补给需求功率的情况，以动力电池补能信号和储能信号为输出量。
本发明还包括与左前轮毂电机连接的左前轮毂电机控制器和与右前轮毂电机连接的右前轮毂电机控制器，左前轮毂电机控制器和右前轮毂电机控制器分别用于控制左前轮毂电机和右前轮毂电机加速驱动、减速驱动和再生制动等运行状态。
如图2所示，左前轮轮速与左前轮目标轮速为偏差Δ1，右前轮轮速与右前轮目标轮速为偏差Δ2，当Δ1<Δ2时，此时电动汽车实现前轮毂差速右转向，动力电池的工作状态、左前轮毂电机和右前轮毂电机各自运动状态、以及功率转换器1、功率转换器2和功率转换器3各自的工作状态如下：
当Δ1<0<Δ2且Δ2≥Δ临界时，右前轮毂电机再生制动，左前轮毂电机加速驱动，动力电池给左前轮毂电机补偿能量，功率转换器1将动力电池的补偿能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2不工作，功率转换器3将再生制动功率进行交流功率变换输送给左前轮毂电机控制器；
当Δ1<0<Δ2且Δ2＜Δ临界时，右前轮毂电机减速驱动，左前轮毂电机加速驱动，动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当Δ1<0且Δ2＝0时，右前轮毂电机保持不变状态，左前轮毂电机加速驱动，动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当Δ1<Δ2<0时，右前轮毂电机加速驱动，左前轮毂电机加速驱动，动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当Δ1＝0且0＜Δ2＜Δ临界时，右前轮毂电机减速驱动，左前轮毂电机保持不变，动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当Δ1＝0且Δ2≥Δ临界时，右前轮毂电机再生制动，左前轮毂电机保持不变，动力电池给左前轮毂电机补偿能量，功率转换器1将动力电池的补偿能量进行直流功率转换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2不工作，功率转换器3将再生制动功率进行交流功率变换输送给左前轮毂电机控制器；
当0＜Δ1＜Δ2<Δ临界时，右前轮毂电机减速驱动；左前轮毂电机减速驱动，动力电池给左前轮毂电机和右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当0＜Δ1<Δ临界＜Δ2时，右前轮毂电机再生制动，左前轮毂电机减速驱动，动力电池给左前轮毂电机补偿能量，功率转换器1将动力电池的补偿能量进行直流功率转换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2不工作，功率转换器3将再生制动功率进行交流功率变换输送给左前轮毂电机控制器；
当Δ临界<Δ1<Δ2，右前轮毂电机再生制动，左前轮毂电机再生制动，动力电池储存能量，功率转换器1将再生制动功率进行交流功率变换输送给动力电池储存，功率转换器2将再生制动功率进行交流功率变换输送给动力电池储存，功率转换器3不工作。
需要说明的是，附图2中的SOC表示的是动力电池的剩余电量。
如图2所示，左前轮轮速与左前轮目标轮速为偏差Δ1，右前轮轮速与右前轮目标轮速为偏差Δ2，电动汽车左转向当Δ1>Δ2时，此时电动汽车实现前轮毂差速左转向，动力电池的工作状态、左前轮毂电机和右前轮毂电机各自运动状态、以及功率转换器1,2,3各自的工作状态如下：
当Δ1>0>Δ2且Δ1≥Δ临界时，左前轮毂电机再生制动，右前轮毂电机加速驱动，动力电池给右前轮毂电机补偿能量，功率转换器1不工作，功率转换器2将动力电池的补偿能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3将再生制动功率进行交流功率变换输送给右前轮毂电机控制器；
当Δ1>0>Δ2且Δ1＜Δ临界时，左前轮毂电机减速驱动，右前轮毂电机加速驱动，动力电池给左、右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当Δ1＝0且Δ2＜0时，左前轮毂电机保持不变状态，右前轮毂电机加速驱动，动力电池给左、右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当0>Δ1>Δ2时，左前轮毂电机加速驱动，右前轮毂电机加速驱动，动力电池给左、右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当Δ2＝0且0＜Δ1＜Δ临界时，左前轮毂电机减速驱动，右前轮毂电机保持状态不变，动力电池给左、右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当Δ2＝0且Δ1≥Δ临界时，左前轮毂电机再生制动，右前轮毂电机保持状态不变，动力电池给右前轮毂电机补偿能量，功率转换器1不工作，功率转换器2将动力电池的补偿能量进行直流功率转换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3将再生制动功率进行交流功率变换输送给右前轮毂电机控制器；
当0＜Δ2＜Δ1＜Δ临界时，左前轮毂电机减速驱动，右前轮毂电机减速驱动，动力电池给左、右前轮毂电机供电，功率转换器1将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给左前轮毂电机控制器，功率转换器2将动力电池的供电能量进行直流功率变换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3不工作；
当0＜Δ2≤Δ临界＜Δ1时，左前轮毂电机再生制动，右前轮毂电机减速驱动，动力电池给右前轮毂电机补偿能量，功率转换器1不工作，功率转换器2将动力电池的补偿能量进行直流功率转换输送给右前轮毂电机控制器，功率转换器3将再生制动功率进行交流功率变换输送给右前轮毂电机控制器；
当Δ临界≤Δ2＜Δ1时，左前轮毂电机再生制动，右前轮毂电机再生制动，动力电池储存能量，功率转换器1将再生制动功率进行交流功率变换输送给动力电池储存，功率转换器2将再生制动功率进行交流功率变换输送给动力电池储存，功率转换器3不工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集电动汽车的油门信号、方向盘信号、左前轮轮速和右前轮轮速；
S2：根据所述油门信号和所述方向盘信号计算出所述电动汽车的目标车速和目标转弯半径；
S3：根据所述目标车速和所述目标转弯半径，同时结合所述电动汽车的转向模型计算出所述电动汽车的左前轮目标轮速和右前轮目标轮速；
S4：根据所述左前轮轮速、所述右前轮轮速、所述左前轮目标轮速以及所述右前轮目标轮速判断所述电动汽车的左前轮和右前轮的运行状态，并根据所述电动汽车的左前轮和右前轮的运行状态计算所述电动汽车动力电池的补偿功率或储存功率。
2.根据权利要求1所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，其特征在于：在所述S1中，所述油门信号为油门开度信号。
3.根据权利要求1所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，其特征在于：在所述S1中，所述方向盘信号为方向盘转角信号。
4.根据权利要求1所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，其特征在于：在所述S3中的所述转向模型为Ackermann-Jeantand转向模型。
5.根据权利要求1所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，其特征在于，所述S4具体包括以下步骤：
S41：计算所述左前轮轮速与所述左前轮目标轮速的偏差Δ1，以及计算所述右前轮轮速与所述右前轮目标轮速的偏差Δ2；
S42：将所述偏差Δ1、所述偏差Δ2以及预设的偏差Δ临界进行比较，判断出所述左前轮和所述右前轮的运行状态；
S43：根据所述左前轮和所述右前轮的运行状态计算所述电动汽车动力电池的补偿功率或储存功率。
6.根据权利要求5所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理方法，其特征在于：所述偏差Δ临界的范围为2-4r/min。
7.电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理系统，其特征在于：包括信号采集装置、控制单元、动力电池、左前轮毂电机和右前轮毂电机，所述信号采集装置、所述控制单元和所述动力电池通过线路依次连接，所述左前轮毂电机和所述右前轮毂电机分别通过线路与所述动力电池连接。
8.根据权利要求7所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理系统，其特征在于：所述信号采集装置包括分别通过线路与所述控制单元连接的油门传感器、方向盘转角传感器、左前轮速传感器和右前轮速传感器，所述油门传感器安装在所述电动汽车的油门踏板上，并用于检测所述油门踏板的开度；所述方向盘转角传感器安装在所述方向盘下方的转向柱上，并用于检测所述方向盘转动的角度；所述左前轮速传感器和所述右前轮速传感器分别安装在所述电动汽车的左前轮毂和右前轮毂上，并分别用于检测所述左前轮和所述右前轮的转速。
9.根据权利要求8所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理系统，其特征在于：所述控制单元包括通过线路依次连接的信息采集模块、电子控制模块和能量管理控制器，所述信息采集模块通过线路分别与所述油门传感器、所述方向盘转角传感器、所述左前轮速传感器和所述右前轮速传感器连接，所述能量管理控制器通过线路与所述动力电池连接。
10.根据权利要求6所述的电动汽车前轮毂差速转向再生制动能量管理系统，其特征在于：所述动力电池和所述左前轮毂电机之间、所述动力电池和所述右前轮毂电机之间以及所述左前轮毂电机和所述右前轮毂电机之间分别连接有功率转换器。
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