CN111823879B - 新能源汽车防溜坡方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种新能源汽车防溜坡方法及系统，所述方法包括：步骤1：判断汽车的VCU通讯协议是否有防溜坡指令，若有，则执行防溜坡功能，若无，则由电机控制器独立判断溜坡状态；步骤2：实时采集档位信号、刹车信号、油门开度信号、运行命令指令和转子位置信号，计算溜坡距离；步骤3：判断汽车档位执行防溜坡功能；步骤4：计算电机转子加速度和积分系数；步骤5：根据闭环积分调节输出扭矩，控制整辆汽车。本发明可对接不同防溜坡策略的VCU，提高易用性，也提高汽车系统安全性；可自适应不同坡道坡度，既可以解决车辆大坡度溜坡距离长问题也可以解决小坡度车辆过冲问题，系统更安全，驾驶更舒适。

Description

新能源汽车防溜坡方法及系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种新能源汽车防溜坡方法及系统。
背景技术
随着世界范围内能源危机和环境污染问题的加剧，未来新能源汽车取代传统燃油车成为了一种发展趋势。因此人们对新能源汽车功能要求越来越高，其中防溜坡功能就是一个既影响舒适性又影响安全性的功能。防溜坡功能一般来说指的是车辆在坡道上不能后溜或者后溜距离太长，如果发生后溜可能会引起驾驶的不舒适感，甚至会引起撞车或者失控的风险。
现有防溜坡技术中，一些需要增加坡道传感器或者防溜坡控制装置成本比较高而且操作复杂，一些软件算法复杂产品化困难。例如申请公布号为[CN110450647A]的专利中公开了一种基于坡道传感器的防溜坡方法，利用坡道传感器采集坡道的坡度值对输出扭矩进行延时处理。例如申请公布号为[CN108275033B] 的专利中公开了一种纯电动汽车防溜坡控制装置及其控制方法，包括整车控制器、汽车电机控制器、汽车电机、制动踏板、加速踏板、档位开关、手刹开关、速度传感器和防溜装置；申请公布号为[CN109808506A] 的专利中公开了一种基于模糊自适应PID控制的防溜坡方法和系统；还有一些使用固定PI调节实现扭矩调节输出等。申请公布号为[CN110450647A] 的专利中增加了坡道传感器导致成本增加；申请公布号为[CN108275033B] 的专利中加入了防溜坡控制装置，增加了驾驶员操作的复杂性，降低了驾驶效率，也增加了成本；申请公布号为[CN109808506A]的专利中模糊PID算法对电机控制器主控芯片计算能力要求较高，产品化难度较大；固定PI调节扭矩输出会出现溜坡距离长的问题，坡度越大溜坡距离越长。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种新能源汽车防溜坡方法及系统，以使解决车辆大坡度溜坡距离长问题和小坡度车辆过冲问题，提升系统安全。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种新能源汽车防溜坡方法，包括：
步骤1：判断汽车的VCU通讯协议是否有防溜坡指令，若有，则按照VCU指令执行防溜坡功能，若无，则由电机控制器独立判断溜坡状态；
步骤2：实时采集档位信号、刹车信号、油门开度信号、运行命令指令和电机转子位置P(n) 的信号，利用电机转子位置P(n)、车轮外径半径r和电机车轮传动比K计算溜坡距离S，计算公式为：
Figure 766763DEST_PATH_IMAGE001
；式中P（0）为转子初始位置；
步骤3：判断汽车档位在D档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0或者汽车档位在R档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0，并且汽车系统没有刹车信号，并且汽车系统没有停机信号，汽车系统执行防溜坡功能，否则不执行防溜坡功能；
步骤4：采集电机转子速度信号F(n)，计算电机转子加速度ar，利用加速度ar以及预设的初始积分系数
Figure 635362DEST_PATH_IMAGE002
IInit和积分调节系数k计算积分系数KI，积分系数KI的计算公式为：
Figure 577035DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤5：根据设定溜坡距离S0和实际溜坡距离S闭环积分调节输出扭矩，控制整辆汽车静止在坡道上，其中，输出扭矩
Figure 240098DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 765757DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 438047DEST_PATH_IMAGE006
。
进一步地，所述步骤4中，电机转子加速度ar计算周期为转矩调节的四分之一，电机加速度计算公式为：
Figure 496876DEST_PATH_IMAGE007
；其中，F(n)为当前拍转速，F(n-1)为前一拍转速，TSamp为计算周期。
进一步地，所述步骤4中，根据实时采样的溜坡距离调整积分调节系数k，调整公式为：
Figure 65261DEST_PATH_IMAGE008
，k（n）就是第n次的k的值，
Figure 343795DEST_PATH_IMAGE009
为预设的积分调节系数k的初始值，
Figure 288618DEST_PATH_IMAGE010
为第n次采样的溜坡距离，
Figure 844364DEST_PATH_IMAGE011
为第n-1次采样的溜坡距离。
进一步地，所述步骤5中，根据由电机控制器和电机外特性决定的最大堵转扭矩TL对输出扭矩做限幅处理。
进一步地，在防溜坡功能执行过程中，若汽车系统接收到刹车信号或停机信号，退出防溜坡状态进入停机模式；若系统接收到换挡信号或当前油门踏板开度大于当前溜坡扭矩退出防溜坡状态进入扭矩控制模式。
相应地，本发明实施例还提供了一种新能源汽车防溜坡系统，包括：
接收判断模块：判断汽车的VCU通讯协议是否有防溜坡指令，若有，则按照VCU指令执行防溜坡功能；
防溜坡功能模块：实时采集档位信号、刹车信号、油门开度信号、运行命令指令和电机转子位置P(n) 的信号，利用电机转子位置P(n)、车轮外径半径r和电机车轮传动比K计算溜坡距离S，计算公式为：
Figure 85115DEST_PATH_IMAGE001
；式中P（0）为转子初始位置；
执行判断模块：判断汽车档位在D档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0或者汽车档位在R档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0，并且汽车系统没有刹车信号，并且汽车系统没有停机信号，汽车系统执行防溜坡功能，否则不执行防溜坡功能；
防溜坡模块：采集电机转子速度信号F(n)，计算电机转子加速度ar，利用加速度ar以及预设的初始积分系数
Figure 850945DEST_PATH_IMAGE002
IInit和积分调节系数k计算积分系数KI，积分系数KI的计算公式为：
Figure 599458DEST_PATH_IMAGE012
；
溜坡距离闭环积分控制模块：根据设定溜坡距离S0和实际溜坡距离S闭环积分调节输出扭矩，控制整辆汽车静止在坡道上，其中，输出扭矩
Figure 134345DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 74226DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 202719DEST_PATH_IMAGE014
。
进一步地，防溜坡模块中，电机转子加速度ar计算周期为转矩调节的四分之一，电机加速度计算公式为：
Figure 489344DEST_PATH_IMAGE007
；其中，F(n)为当前拍转速，F(n-1)为前一拍转速，TSamp为计算周期。
进一步地，防溜坡模块中，根据实时采样的溜坡距离调整积分调节系数k，调整公式为：
Figure 144316DEST_PATH_IMAGE015
，k（n）就是第n次的k的值，
Figure 490984DEST_PATH_IMAGE016
为预设的积分调节系数k的初始值，
Figure 467292DEST_PATH_IMAGE017
为第n次采样的溜坡距离，
Figure 823187DEST_PATH_IMAGE018
为第n-1次采样的溜坡距离。
进一步地，溜坡距离闭环积分控制模块根据由电机控制器和电机外特性决定的最大堵转扭矩TL对输出扭矩做限幅处理。
进一步地，在防溜坡功能执行过程中，若汽车系统接收到刹车信号或停机信号，退出防溜坡状态进入停机模式；若系统接收到换挡信号或当前油门踏板开度大于当前溜坡扭矩退出防溜坡状态进入扭矩控制模式。
本发明的有益效果为：
1）使用本发明的新能源汽车防溜坡方法及系统的电机控制器可对接不同防溜坡策略的VCU，提高易用性，也可作为VCU防溜坡策略的冗余控制策略，提高汽车系统安全性；
2）可减少新能源汽车上的坡道传感器和防溜坡装置，节约成本，提高驾驶员驾驶效率；
3）本发明根据溜坡距离闭环积分实时调节输出扭矩，系统响应更快，更安全；
4）本发明根据电机加速度调节防溜坡功能积分系数，可自适应不同坡道坡度，既可以解决车辆大坡度溜坡距离长问题也可以解决小坡度车辆过冲问题，系统更安全，驾驶更舒适；
5）本发明实现简单可靠，不增加电机控制器主控芯片额外负担，易于产品化。
附图说明
图1是本发明实施例的新能源汽车防溜坡方法的流程示意图。
图2是本发明实施例的防溜坡指令判断的流程示意图。
图3是本发明实施例的防溜坡功能转矩仲裁流程图。
图4是本发明实施例的新能源汽车防溜坡系统的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图1～图3，本发明实施例的新能源汽车防溜坡方法，应用于新能源汽车的电机控制器中，包括：
步骤1：判断汽车的VCU通讯协议是否有防溜坡指令，若有，则按照VCU指令执行防溜坡功能，若无，则由电机控制器独立判断溜坡状态；
步骤2：实时采集档位信号、刹车信号、油门开度信号、运行命令指令和电机转子位置P(n) 的信号，利用电机转子位置P(n)、车轮外径半径r和电机车轮传动比K计算溜坡距离S，计算公式为：
Figure 67087DEST_PATH_IMAGE001
；式中P（0）为转子初始位置；
步骤3：判断汽车档位在D档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0或者汽车档位在R档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0，并且汽车系统没有刹车信号，并且汽车系统没有停机信号，汽车系统执行防溜坡功能，否则不执行防溜坡功能；
步骤4：采集电机转子速度信号F(n)，计算电机转子加速度ar，利用加速度ar以及预设的初始积分系数
Figure 725601DEST_PATH_IMAGE002
IInit和积分调节系数k（初始积分系数
Figure 953320DEST_PATH_IMAGE002
IInit和积分调节系数k可根据不同车型设置）计算积分系数KI；
步骤5：根据设定溜坡距离S0和实际溜坡距离S闭环积分调节输出扭矩，控制整辆汽车静止在坡道上，如图3所示，输出扭矩
Figure 345862DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 709847DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 539263DEST_PATH_IMAGE020
。
本发明实施例根据溜坡过程电机加速度从预设积分系数基础增加或者减小积分系数，采用不用强度的积分系数调节电机输出扭矩自适应不同道路坡度。
作为一种实施方式，所述步骤4中，电机转子加速度ar计算周期为转矩调节的四分之一，因此一个转矩调节周期取四次加速度平均值，剔除干扰信号。电机加速度计算公式为：
Figure 723120DEST_PATH_IMAGE007
；其中，F(n)为当前拍转速，F(n-1)为前一拍转速，TSamp为计算周期。本发明实施例通过对加速度采用平均值滤波方式去除干扰。
作为一种实施方式，所述步骤4中，积分系数KI的计算公式为：
Figure 420817DEST_PATH_IMAGE012
。
作为一种实施方式，根据实时采样的溜坡距离调整积分调节系数k，调整公式为：
Figure 406353DEST_PATH_IMAGE021
，k（n）就是第n次的k的值，
Figure 531304DEST_PATH_IMAGE022
为预设的积分调节系数k的初始值，
Figure 202457DEST_PATH_IMAGE023
为第n次采样的溜坡距离，
Figure 313632DEST_PATH_IMAGE024
为第n-1次采样的溜坡距离。本发明为了解决积分超调和动态响应的问题，积分系数KI在根据加速度变化的基础上再采用变积分方案，变积分方案通过KI计算积分调节系数k来实现，通过变积分可以有效的解决陡坡或者重负载导致溜坡距离大的问题。
作为一种实施方式，所述步骤5中，根据由电机控制器和电机外特性决定的最大堵转扭矩TL对输出扭矩做限幅处理，保护电机控制器安全。本发明实施例执行防溜坡策略，电机控制器由扭矩控制切换为防溜坡控制模式，根据溜坡距离和油门踏板开度实时输出与溜坡方向相反扭矩使车辆处于静止状态，为保护控制器安全，防溜坡最大扭矩为最大堵转扭矩。
请参照图3，图3中Fset为速度给定，Ffb为速度反馈，车辆正常行驶使用转速闭环输出扭矩Tset；进入防溜坡功能之后经过仲裁模块选择使用溜坡距离闭环积分输出扭矩Tset，最终经过转矩限幅TL（TL为最大堵转扭矩，由电机控制器特性决定）输出转矩指令使车辆处于静止状态，防止下溜。
作为一种实施方式，请参照图2，电机控制器在防溜坡功能执行过程中，若汽车系统接收到刹车信号或停机信号，退出防溜坡状态进入停机模式；若系统接收到换挡信号或当前油门踏板开度大于当前溜坡扭矩退出防溜坡状态进入扭矩控制模式。
请参照图4，本发明实施例的新能源汽车防溜坡系统包括接收判断模块、防溜坡功能模块、执行判断模块、防溜坡模块及溜坡距离闭环积分控制模块。
接收判断模块：判断汽车的VCU通讯协议是否有防溜坡指令，若有，则按照VCU指令执行防溜坡功能，若无，则独立判断溜坡状态。
防溜坡功能模块：实时采集档位信号、刹车信号、油门开度信号、运行命令指令和电机转子位置P(n) 的信号，利用电机转子位置P(n)、车轮外径半径r和电机车轮传动比K计算溜坡距离S，计算公式为：
Figure 652209DEST_PATH_IMAGE001
。式中P（0）为转子初始位置。
执行判断模块：判断汽车档位在D档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0或者汽车档位在R档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0，并且汽车系统没有刹车信号，并且汽车系统没有停机信号，汽车系统执行防溜坡功能，否则不执行防溜坡功能。
防溜坡模块：采集电机转子速度信号F(n)，计算电机转子加速度ar，利用加速度ar、初始积分系数
Figure 774493DEST_PATH_IMAGE002
IInit和积分调节系数k计算积分系数KI。
溜坡距离闭环积分控制模块：根据设定溜坡距离S0和实际溜坡距离S闭环积分调节输出扭矩，控制整辆汽车静止在坡道上，如图3所示，输出扭矩
Figure 73887DEST_PATH_IMAGE025
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 175704DEST_PATH_IMAGE027
。本发明实施例根据溜坡过程电机加速度从预设积分系数基础增加或者减小积分系数，采用不用强度的积分系数调节电机输出扭矩自适应不同道路坡度。
作为一种实施方式，防溜坡模块中，电机转子加速度ar计算周期为转矩调节的四分之一，因此一个转矩调节周期取四次加速度平均值，剔除干扰信号。电机加速度计算公式为：
Figure 870253DEST_PATH_IMAGE007
；其中，F(n)为当前拍转速，F(n-1)为前一拍转速，TSamp为计算周期。
作为一种实施方式，防溜坡模块中，积分系数KI的计算公式为：
Figure 71427DEST_PATH_IMAGE012
。
作为一种实施方式，还根据实时采样的溜坡距离调整积分调节系数k，调整公式为：
Figure 717172DEST_PATH_IMAGE028
，k（n）就是第n次的k的值，
Figure 560363DEST_PATH_IMAGE029
为预设的积分调节系数k的初始值，
Figure 748899DEST_PATH_IMAGE030
为第n次采样的溜坡距离，
Figure 642947DEST_PATH_IMAGE031
为第n-1次采样的溜坡距离。本发明为了解决积分超调和动态响应的问题，积分系数KI在根据加速度变化的基础上再采用变积分方案，变积分方案通过KI计算积分调节系数k来实现，通过变积分可以有效的解决陡坡或者重负载导致溜坡距离大的问题。
作为一种实施方式，溜坡距离闭环积分控制模块根据由电机控制器和电机外特性决定的最大堵转扭矩TL对输出扭矩做限幅处理。本发明实施例执行防溜坡策略，电机控制器由扭矩控制切换为防溜坡控制模式，根据溜坡距离和油门踏板开度实时输出与溜坡方向相反扭矩使车辆处于静止状态，为保护控制器安全，防溜坡最大扭矩为最大堵转扭矩。
作为一种实施方式，在防溜坡功能执行过程中，若汽车系统接收到刹车信号或停机信号，退出防溜坡状态进入停机模式；若系统接收到换挡信号或当前油门踏板开度大于当前溜坡扭矩退出防溜坡状态进入扭矩控制模式。
本发明可匹配不同防溜坡策略的VCU实现防溜坡功能，如果VCU包含溜坡检测策略，电机控制器接收VCU防溜坡指令进行防溜坡控制，如果VCU不包含溜坡检测策略，电机控制器独立判断溜坡状态，进入防溜坡控制模式，同时将防溜坡状态反馈给VCU。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种新能源汽车防溜坡方法，其特征在于，包括：
步骤1：判断汽车的VCU通讯协议是否有防溜坡指令，若有，则按照VCU指令执行防溜坡功能，若无，则由电机控制器独立判断溜坡状态；
步骤2：实时采集档位信号、刹车信号、油门开度信号、运行命令指令和电机转子位置P(n) 的信号，利用电机转子位置P(n)、车轮外径半径r和电机车轮传动比K计算溜坡距离S，计算公式为：
Figure 66675DEST_PATH_IMAGE001
；式中P（0）为转子初始位置；
步骤3：判断汽车档位在D档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0或者汽车档位在R档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0，并且汽车系统没有刹车信号，并且汽车系统没有停机信号，汽车系统执行防溜坡功能，否则不执行防溜坡功能；
步骤4：采集电机转子速度信号F(n)，计算电机转子加速度ar，利用加速度ar以及预设的初始积分系数
Figure 173171DEST_PATH_IMAGE002
IInit和积分调节系数k计算积分系数KI，积分系数KI的计算公式为：
Figure 666732DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤5：根据设定溜坡距离S0和实际溜坡距离S闭环积分调节输出扭矩，控制整辆汽车静止在坡道上，其中，输出扭矩
Figure 516876DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 418973DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 194906DEST_PATH_IMAGE006
。
2.如权利要求1所述的新能源汽车防溜坡方法，其特征在于，所述步骤4中，电机转子加速度ar计算周期为转矩调节的四分之一，电机加速度计算公式为：
Figure 549664DEST_PATH_IMAGE007
；其中，F(n)为当前拍转速，F(n-1)为前一拍转速，TSamp为计算周期。
3.如权利要求1所述的新能源汽车防溜坡方法，其特征在于，所述步骤4中，根据实时采样的溜坡距离调整积分调节系数k，调整公式为：
Figure 469078DEST_PATH_IMAGE008
，k（n）就是第n次的k的值，
Figure 225681DEST_PATH_IMAGE009
为预设的积分调节系数k的初始值，
Figure 441024DEST_PATH_IMAGE010
为第n次采样的溜坡距离，
Figure 548658DEST_PATH_IMAGE011
为第n-1次采样的溜坡距离。
4.如权利要求1所述的新能源汽车防溜坡方法，其特征在于，所述步骤5中，根据由电机控制器和电机外特性决定的最大堵转扭矩TL对输出扭矩做限幅处理。
5.如权利要求1所述的新能源汽车防溜坡方法，其特征在于，在防溜坡功能执行过程中，若汽车系统接收到刹车信号或停机信号，退出防溜坡状态进入停机模式；若系统接收到换挡信号或当前油门踏板开度大于当前溜坡扭矩退出防溜坡状态进入扭矩控制模式。
6.一种新能源汽车防溜坡系统，其特征在于，包括：
接收判断模块：判断汽车的VCU通讯协议是否有防溜坡指令，若有，则按照VCU指令执行防溜坡功能；
防溜坡功能模块：实时采集档位信号、刹车信号、油门开度信号、运行命令指令和电机转子位置P(n) 的信号，利用电机转子位置P(n)、车轮外径半径r和电机车轮传动比K计算溜坡距离S，计算公式为:
Figure 271763DEST_PATH_IMAGE001
；式中P（0）为转子初始位置；
执行判断模块：判断汽车档位在D档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0或者汽车档位在R档并且溜坡距离S大于溜坡距离设定值S0，并且汽车系统没有刹车信号，并且汽车系统没有停机信号，汽车系统执行防溜坡功能，否则不执行防溜坡功能；
防溜坡模块：采集电机转子速度信号F(n)，计算电机转子加速度ar，利用加速度ar以及预设的初始积分系数
Figure 882873DEST_PATH_IMAGE002
IInit和积分调节系数k计算积分系数KI，积分系数KI的计算公式为：
Figure 531767DEST_PATH_IMAGE012
；
溜坡距离闭环积分控制模块：根据设定溜坡距离S0和实际溜坡距离S闭环积分调节输出扭矩，控制整辆汽车静止在坡道上，其中，输出扭矩
Figure 126696DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为：
Figure 122334DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 994475DEST_PATH_IMAGE014
。
7.如权利要求6所述的新能源汽车防溜坡系统，其特征在于，防溜坡模块中，电机转子加速度ar计算周期为转矩调节的四分之一，电机加速度计算公式为：
Figure 315735DEST_PATH_IMAGE015
；其中，F(n)为当前拍转速，F(n-1)为前一拍转速，TSamp为计算周期。
8.如权利要求6所述的新能源汽车防溜坡系统，其特征在于，防溜坡模块中，根据实时采样的溜坡距离调整积分调节系数k，调整公式为：
Figure 633846DEST_PATH_IMAGE016
，k（n）就是第n次的k的值，
Figure 698754DEST_PATH_IMAGE017
为预设的积分调节系数k的初始值，
Figure 550035DEST_PATH_IMAGE018
为第n次采样的溜坡距离，
Figure 776617DEST_PATH_IMAGE019
为第n-1次采样的溜坡距离。
9.如权利要求6所述的新能源汽车防溜坡系统，其特征在于，溜坡距离闭环积分控制模块根据由电机控制器和电机外特性决定的最大堵转扭矩TL对输出扭矩做限幅处理。
10.如权利要求6所述的新能源汽车防溜坡系统，其特征在于，在防溜坡功能执行过程中，若汽车系统接收到刹车信号或停机信号，退出防溜坡状态进入停机模式；若系统接收到换挡信号或当前油门踏板开度大于当前溜坡扭矩退出防溜坡状态进入扭矩控制模式。
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