CN112277943B - 一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，该方法根据分层控制思想，将控制器分为三层。上层控制器输入量为前车车速、本车车速、实际车距、目标车距；输出为车辆目标加速度。中层控制器输入量为车辆目标加速度、车辆实际加速度；输出为车辆设定扭矩。下层控制器输入量为车辆设定扭矩，输出量为燃料电池系统功率、氢燃料电池发动机功率和制动系统ESP输出功率；其中上层控制采用滑膜变结构控制算法，实现对ACC系统在低速下跟车距离和舒适性的控制；本发明提供的有益效果是：相对现有技术而言，实现了燃料电池汽车全速的自适应巡航控制，在汽车速度小于等于25km/h，也能完成自适应巡航，鲁棒性强、满足市区通行频繁刹车起步的情况。

Description

一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法

技术领域

本发明涉及车辆控制领域，尤其涉及一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法。

背景技术

自适应巡航控制功能是一种燃料电池汽车智能化的自动控制系统，简称ACC系统，相比较传统的定速巡航功能，ACC系统可以通过毫米波雷达、前视摄像头等实时监控前方道路交通环境，根据驾驶员设定的跟车距离或设定车速，完成对燃料电池汽车动力系统驱动力和制动系统制动力的控制。目前市场上自适应控制系统功能要求车速大于25km/h，低速下需要驾驶者进行人工控制。主流ACC系统对扭矩的控制基于传统的PID算法，鲁棒性较差，难以满足城市行驶时频繁的刹车和起步情况。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的控制鲁棒性不足的问题，本申请提出了一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，该方法根据分层控制思想，将控制器分为三层。上层控制器输入量为前车车速、本车车速、实际车距、目标车距；输出为车辆目标加速度。中层控制器输入量为车辆目标加速度、车辆实际加速度；输出为车辆设定扭矩。下层控制器输入量为车辆设定扭矩，输出量为燃料电池系统功率、氢燃料电池发动机功率和制动系统ESP输出功率；其中上层控制采用滑膜变结构控制算法，实现对ACC系统在低速下跟车距离和舒适性的控制。

本发明提供的一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，具体包括以下步骤：

S101：将燃料电池汽车自动控制系统控制器分为上层控制器、中层控制器和下层控制器；

S102：利用安装于燃料电池汽车前端的毫米波雷达传感器获取燃料电池汽车与前车的相对距离D_sen和相对速度V_ref；利用安装于燃料电池汽车ABS系统的轮速传感器获取燃料电池汽车车速V；

S103：将D_sen、V_ref、V以及驾驶员输入的期望跟车距离D_des，作为所述上层控制器的输入量；所述上层控制器采用基于滑膜变结构控制方法，得到输出量燃料电池汽车整车加速度目标值a_des；

S104：所述燃料电池汽车整车加速度目标值a_des和整车加速度传感器实际测量得到的车辆纵向加速度a_sen、作为所述中层控制器的输入量；所述中层控制器采用前馈补偿T_ff和PID控制方法，得到输出量燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq；

S105：将所述燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq作为所述下层控制器的输入量；所述下层控制器根据减速齿轮比值r计算电机目标设定扭矩T_M，最终输出燃料电池系统输出功率P_FCS、镍氢动力电池输出功率P_batt完成燃料电池汽车控制系统能量分配，实现氢能燃料电池汽车全速自适应巡航。

本发明提供的有益效果是：相对现有技术而言，实现了燃料电池汽车全速的自适应巡航控制，在汽车速度小于等于25km/h，也能完成自适应巡航，鲁棒性强、能够满足市区通行频繁刹车和起步的情况。

附图说明

图1是本发明一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法结构图；

图2是本发明下层控制器能量分配管理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，包括以下：

S101：将燃料电池汽车自动控制系统控制器分为上层控制器、中层控制器和下层控制器；

S102：利用安装于燃料电池汽车前端的毫米波雷达传感器获取燃料电池汽车与前车的相对距离D_sen和相对速度V_ref；利用安装于燃料电池汽车ABS系统的轮速传感器获取燃料电池汽车车速V；

本车车速V通过ABS轮速传感器信号获取，Dsen通过毫米波雷达传感器获取，工作频率范围76～77GHz，有4束雷达波，对由前车反射的雷达波波程传播时间，多普勒频移和幅值进行分析，可推算出本车与前面车辆的距离，相对速度和角度位置；图1中，V_f通过本车车速V和相对速度V_ref间接获取，V_f＝V+V_ref。

驾驶员设定跟车距离模型采用恒时距策略，如式(1)：

D_des＝D_s+V*t_h (1)

式(1)中，D_s表示两车之间最小安全车距；t_h为由驾驶员设定的恒时距，本实施例中一般取值范围为1.4s～3s。

S103：将D_sen、V_ref、V以及驾驶员输入的期望跟车距离D_des，作为所述上层控制器的输入量；所述上层控制器采用基于滑膜变结构控制方法，得到输出量燃料电池汽车整车加速度目标值a_des；

系统控制目标为本车和前车相对速度为0和驾驶员设定跟车距离和雷达探测到的车距相等，即V_ref＝0和D_des＝D_sen；基于滑膜理论，为了同时保证速度和距离同时趋向滑膜面，系统的切换函数表达式如式(2)：

S＝c(D_des-D_sen)+(V-V_f) (2)

采用如式(3)的等速趋近率方法，使控制系统以适当先急后缓的速率趋近切换面，最终得到输出量燃料电池汽车整车加速度目标值a_des，如式(4)；

S&＝-ηsgn(S)-kS (3)

式(2)、(3)、(4)中，c、η为预设的权重参数；sat(S)的取值如式(5)，

式(5)中，φ为预设阈值；abs(·)为取绝对值函数，sgn(·)为符号函数；

S104：所述燃料电池汽车整车加速度目标值a_des和整车加速度传感器实际测量得到的车辆纵向加速度a_sen、作为所述中层控制器的输入量；所述中层控制器采用前馈补偿T_ff和PID控制方法，得到输出量燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq；上层控制器控制率即整车加速度目标值a_des，整车加速度传感器实际测量的车辆纵向加速度为a_sen，基于整车的加速度响应闭环，采用前馈补偿T_ff和PID控制方法计算目标设定扭矩T_tq，所述前馈补偿值T_ff的计算式如式(6)所示：

T_ff＝k_w*V² (6)

所述输出量燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq的计算式如式(7)所示：

T_tq＝T_ff(t)+k_p*e(t)+k_i*∫e(t)dt (7)

式(6)、(7)中，k_w通过整车动力学方程中风阻计算公式获取，k_p和k_i分别为PID控制器设计的比例系数和积分系数，通过整车试验标定获取，e(t)＝D_des(t)-D_sen(t)。

S105：将所述燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq作为所述下层控制器的输入量；所述下层控制器根据减速齿轮比值r计算电机目标设定扭矩T_M，最终输出燃料电池系统输出功率P_FCS、镍氢动力电池输出功率P_batt完成燃料电池汽车控制系统能量分配，实现氢能燃料电池汽车全速自适应巡航。

中层控制器计算得到的目标扭矩T_tq进入下层控制器中进行能量分配管理，燃料电池汽车采用动力源为氢燃料电池发动机和镍氢动力电池。下层控制器的工作流程请参考图2所示。

具体实施步骤：

首先下层控制器获取由中层控制器输出的整车目标设定扭矩(轮边扭矩)T_tq，根据减速齿轮比值_r并实时计算电机目标设定扭矩T_M；

判断T_tq的正负号，若为正，则整车控制模式为驱动状态，否则为制动状态；

在驱动状态下，当电机驱动扭矩P_M＝T_M*n/9550，其中n为驱动电机转速。当镍氢动力电池SOC>40％，镍氢动力电池输出功率P_batt＝P_M；

否则继续判断，若P_min≤P_M，其中P_min为燃料电池系统最小输出功率，燃料电池系统输出功率为P_FCS＝P_M；

否则若P_min>P_M，燃料电池系统输出功率为P_FCS＝P_min，镍氢动力电池输出功率P_batt＝P_min-P_M；

在制动状态下，能量回收扭矩为T_r根据当前车速查表获取的滑行能量回收扭矩，该表格存储在控制器的Flash存储区。

当镍氢动力电池SOC≤85％且车速V≥20km/h，满足整车能量回收条件，否则EPS制动扭矩为T_eps＝T_tq；

若满足能量回收条件，若T_M≥T_r，氢燃料电池发动机回收功率P_batt＝T_M*n/9550；

若T_M<T_r，氢燃料电池发动机回收功率P_batt＝T_r*n/9550，EPS制动扭矩T_eps＝T_tq-r*T_r。

本发明提供的有益效果是：相对现有技术而言，实现了燃料电池汽车全速的自适应巡航控制，在汽车速度小于等于25km/h，也能完成自适应巡航，鲁棒性强、能够满足市区通行频繁刹车和起步的情况。

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 (5)

1.一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S101：将燃料电池汽车自动控制系统控制器分为上层控制器、中层控制器和下层控制器；

S102：利用安装于燃料电池汽车前端的毫米波雷达传感器获取燃料电池汽车与前车的相对距离D_sen和相对速度V_ref；利用安装于燃料电池汽车ABS系统的轮速传感器获取燃料电池汽车车速V；

S103：将D_sen、V_ref、V以及驾驶员输入的期望跟车距离D_des，作为所述上层控制器的输入量；所述上层控制器采用基于滑膜变结构控制方法，得到输出量燃料电池汽车整车加速度目标值a_des；

S104：所述燃料电池汽车整车加速度目标值a_des和整车加速度传感器实际测量得到的车辆纵向加速度a_sen、作为所述中层控制器的输入量；所述中层控制器采用前馈补偿T_ff和PID控制方法，得到输出量燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq；

S105：将所述燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq作为所述下层控制器的输入量；所述下层控制器根据减速齿轮比值r计算电机目标设定扭矩T_M，最终输出燃料电池系统输出功率P_FCS、镍氢动力电池输出功率P_batt完成燃料电池汽车控制系统能量分配，实现氢能燃料电池汽车全速自适应巡航；

步骤S105具体为：

S201：所述下层控制器获取所述中层控制器的输出量燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq，并根据减速齿轮比值r得到电机目标设定扭矩T_M；

S202：所述下层控制器判断T_tq的正负，若为正，则整车控制模式为驱动状态，否则为制动状态；

S203：所述燃料电池汽车采用的动力源为氢燃料电池发动机和镍氢动力电池，在整车控制模式为驱动状态下，燃料电池汽车驱动电机功率P_M＝T_M*n/9550；其中n为驱动电机转速；当所述镍氢动力电池SOC大于a时，a为预设值，所述镍氢动力电池的输出功率P_batt＝P_M，否则继续判断，当燃料电池系统最小输出功率P_min小于或者等于P_M时，则所述燃料电池系统输出功率P_FCS＝P_M；当燃料电池系统最小输出功率P_min大于P_M时，则所述燃料电池系统输出功率P_FCS＝P_min，所述镍氢动力电池输出功率P_batt＝P_min-P_M；

在整车控制模式为制动状态下，燃料电池汽车的能量回收扭矩为T_r；所述T_r根据当前车速V与能量回收扭矩之间的对应映射表格查表获取；当所述镍氢动力电池SOC小于或者等于b且当前车速V大于或者等于c时，b、c为预设值，继续判断当T_M大于或者等于T_r时，则所述镍氢动力电池的回收功率P_batt＝T_M*n/9550，当T_M小于T_r时，所述镍氢动力电池回收功率P_batt＝T_r*n/9550，燃料电池汽车EPS制动扭矩T_eps＝T_tq-r*T_r；当所述镍氢动力电池SOC大于b或者当前车速V小于c时，燃料电池汽车EPS制动扭矩T_eps＝T_tq。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，其特征在于：步骤S101中所述燃料电池汽车自动控制系统的控制目标具体为：燃料电池汽车和前车的相对速度V_ref为0和毫米波雷达传感器获取燃料电池汽车与前车的相对距离D_sen等于驾驶员输入的期望跟车距离D_des。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，其特征在于：步骤S102中所述的驾驶员输入的期望跟车距离D_des，具体计算公式如式(1)所示：

D_des＝D_s+V*t_h (1)

式(1)中，D_s表示两车之间最小安全车距；t_h为由驾驶员设定的恒时距，为预设值。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，其特征在于：步骤S103中，输出量燃料电池汽车整车加速度目标值a_des的计算公式如式(2)所示：

式(2)中，c、η均为预设的权重参数；sat(S)其取值如式(3)：

式(3)中，φ为预设的阈值；abs(·)为取绝对值函数，sgn(·)为符号函数；式(2)、式(3)中，S为所述上层控制器的切换函数，其表达式如式(4)所示：

S＝c(D_des-D_sen)+(V-V_f) (4)

式(4)中，V_f＝V+V_rel。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池氢能燃料电池汽车全速自适应巡航控制方法，其特征在于：步骤S104中，所述前馈补偿值T_ff的计算式如式(5)所示：

T_ff＝k_w*V² (5)

所述输出量燃料电池汽车整车扭矩目标值T_tq的计算式如式(6)所示：

T_tq＝T_ff(t)+k_p*e(t)+k_i*∫e(t)dt (6)

式(5)、(6)中，k_w通过整车动力学方程中风阻计算公式获取，k_p和k_i分别为PID控制器设计的比例系数和积分系数，通过整车试验标定获取，

e(t)＝D_des(t)-D_sen(t)。

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