CN201712486U - 一种电动汽车控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于电动汽车技术领域，提供了一种电动汽车控制系统，本实用新型实施例的电动汽车控制系统根据设置在车轮位置的传感器获取车速信息，并通过计算模块对车速信息进行处理得到包括滑移率的汽车运行状态，由辨识模块根据汽车运行状态对路况进行辨识处理，得到路况最大滑移率；最优滑移率决策模块根据所述辨识模块获得的最大滑移率，结合驾驶员需求滑移率计算模块获取的驾驶员需求滑移率进行综合优化决策，最终获取最优滑移率；电机控制器根据最优所述最优滑移率决策模块得到的最优滑移率得到输出转矩来控制电机逆变器，进而控制电机的运行。本实用新型在充分保证车辆行驶稳定性和安全性的前提下，尽量满足驾驶员的转矩需求，能明显提高电动汽车的运动稳定性，进而提高电动汽车的安全性能。

Description

一种电动汽车控制系统 

技术领域

本实用新型属于电动汽车技术领域，尤其涉及一种电动汽车控制系统。 

背景技术

随着电动汽车的不断普及发展，用户对汽车的性能的要求越来越高，尤其是在安全性能方面。 

在电动汽车中，电机是非常重要的一个组成部分。目前大部分的电动汽车都采用永磁同步电机，主要是因为永磁同步电机具有输出转矩大、调速范围宽、动态响应快等优点。 

目前的电动汽车用的牵引力控制系统一般是根据车辆运行过程中的滑移率对汽车动力系统的输出转矩进行控制，使得车辆保持稳定运行状态。是在传统的内燃机汽车的基础上发展得到的。 

下面对电动汽车牵引力控制系统的原理做详细说明： 

汽车行驶过程中牵引力的产生来自于车轮与路面之间的粘着传递，汽车所受到的最大牵引力又受到车轮与路面之间最大粘着系数的限制。而最大粘着系数则是由路面以及汽车轮胎所决定的，一般来说，仅考虑路面状态对粘着的影响。 

当车轮上所发挥的牵引力大于路面所能提供的最大粘着力时，车轮就会发生空转即所谓的滑移。此时，粘着摩擦将过渡到滑动摩擦，此时力的传递将急剧减小。对于电动汽车来说，对其车轮进行受力分析，如图1所示： 

$F_m-F_d=M_w\frac{{\mathrm{dV}}_w}{d_t}$

车辆滑移率为： 

$\mathrm{\λ}=\frac{V_w-V}{V_w}$

其中，F_m、F_d、M_w、V_w、V分别为电机提供的驱动力、路面提供的牵引力、车轮质量、车轮线速度以及车速。 

车辆行驶过程中的牵引力则是由路面的黏着力提供，用黏着系数表示为： 

$\mathrm{\μ}=\frac{F_d}{N}$

其中，N为车辆的载荷，黏着系数μ是由车轮的滑移率λ决定，其曲线图如图2所示，该图2为不同路况下，黏着系数μ和滑移率λ的关系。从图2中不难看出，随着滑移率从0增加，黏着系数逐渐上升，与此同时，侧滑力逐渐下降，随着黏着系数达到最大值，如果滑移率进一步增加，侧滑力与黏着力快速下降，此时汽车处于不不受控制状态，使得安全性大大降低。因此，需要把滑移率控制在图示阴影部分，使得汽车具有良好的可靠性和安全特性的同时并具有良好的加速性能。 

现有技术中，为了控制滑移率，一般是通过减小电机的牵引转矩F_m，使得车轮转速降低，进而减小轮胎与路面的滑移率，使车辆运行在稳定区域(即图2中阴影区域)。 

传统的牵引力控制系统的结构框图如图3所示，一般地，牵引力控制系统根据计算得到的滑移率，与目标滑移率进行比较，将比较结果通过调节器处理得到参考转矩，进而控制电机运行，以保证汽车在各种路面均能安全行驶，但是以最保守的滑移率作为所有路面的滑移率的控制目标，并未将驾驶员的需求考虑进去，使得电动汽车的安全性能会受到极大的影响。

因此，如何结合车辆的形式状况和驾驶员的需求状态得出最优滑移率来控制电机的运行，提高电动汽车的安全性能，是电动汽车技术领域研究的方向之一。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电动汽车控制系统，旨在结合驾驶员的转矩需求选择最优的滑移率来控制电机的运行，提高电动汽车的安全新能。 

本实用新型实施例是这样实现的，一种电动汽车控制系统，包括设置在汽车的车轮部位、用于获取汽车车速信息的车轮传感器，与所述车轮传感器连接、根据所述传感器的车速信息获取路况最大滑移率的辨识模块； 

所述装置还包括有一用于获取驾驶员需求滑移率的驾驶员需求滑移率计算模块，以及一连接所述驾驶员需求滑移率计算模块和所述辨识模块、在所述辨识模块的最大滑移率和驾驶员需求滑移率计算模块的驾驶员需求滑移率之间选择一个作为最优滑移率的最优滑移率决策模块； 

所述装置还包括有一电机控制器以及一与所述电机控制器连接的逆变器，所述电机控制器连接所述最优滑移率决策模块，根据所述最优滑移率决策模块的计算结果控制所述逆变器的运行。 

优选的，所述车速传感器与所述辨识模块之间设置一用于根据所述传感器的车速信息获取汽车运行状态的计算模块，所述车速传感器与所述辨识模块通过所述计算模块连接。 

优选的，所述电机控制器与所述电机逆变器之间还设置有一调节器，所述电机控制器通过所述调节器得到占空比输出给所述电机逆变器。 

优选的，所述电机控制器为一电机电压矢量转矩直接控制结构。 

优选的，所述电机控制器内部设置有一用于对所述最优滑移率和所述最大滑移率进行反馈对比处理的滞环比较器。 

本实用新型实施例通过将由车速信息得到的滑移率以及由驾驶员需求得到的滑移率进行对比分析，获取最优滑移率，根据最优滑移率得到输出转矩来控制电机的运行，在充分保证车辆行驶稳定性和安全性的前提下，尽量满足驾驶员的转矩需求，能明显提高电动汽车的运动稳定性，进而提高电动汽车的安全性能。 

附图说明

图1是现有技术中电动汽车驱动轮受力分析示意图； 

图2是现有技术中黏着系数与滑移率对应曲线图； 

图3是现有技术中牵引力控制系统的结构图； 

图4是本实用新型实施例提供的电动汽车控制系统的结构图； 

图5是本实用新型实施例提供的滑移率-黏着系数计算示意图； 

图6是本实用新型实施例提供的电机控制器的内部结构图； 

图7是本实用新型实施例提供的电机的定子磁链值以及磁链的角度及对应的区间表； 

图8是本实用新型实施例提供的电机逆变器内部电路控制图； 

图9是本实用新型实施例提供的电机逆变器产生的空间矢量图； 

图10是本实用新型实施例提供的磁链偏差-滑移率偏差与磁链角度对应区间表。 

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 

本实用新型实施例通过将由车速信息得到的滑移率以及由驾驶员需求得到的滑移率进行对比分析，获取最优滑移率，根据最优滑移率得到输出转矩来控制电机的运行。 

图4示出了本实用新型实施例提供的电动汽车控制系统的结构图。 

其中，车速传感器11设置于车轮部位，用于获取汽车的车速信息，优选的，所述汽车的车速信息包括汽车当前的车速、汽车的丛动轮速度和驱动轮速度。 

计算模块12连接车速传感器11，根据车速传感器11的车速信息计算得到滑移率，同时计算得到路面黏着系数的预估值。其中，计算模块12是根据车速传感器11获取的车速信息，结合车轮的半径和转动惯量进行计算得到汽车的滑移率以及当前路面黏着系数的。 

请参阅图5，图5为计算模块12的滑移率-黏着系数示意图。 

计算模块12在计算滑移率时，通过以下公式： 

$\mathrm{\λ}=\frac{V_w-\mathrm{V\ϵ}}{V_w},$

λ为滑移率，V_w为驱动轮速度、Vε为车速。 

在具体实施过程中，可以通过从动轮速度对车身速度进行替代，因此上式可以变换得到： 

$\mathrm{\λ}=\frac{V_w-V}{V_w},$

其中，V为从动轮速度。 

计算模块12根据以下的公式计算获得路面的黏着系数： 

$\mathrm{\μ}=\frac{F_d}{N},$ μ为黏着系数，F_d为车辆运行时路面提供的牵引摩擦力，N为车辆自重；又有： 

$a=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}},$

$a=\frac{F_d}{M},$

ΔV为从动轮单位时间内速度变化量，ΔT为时间间隔，M为车辆质量；由以上几个公式不难看出，路面的黏着系数可以通过以下公式获取： 

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}*g}$

辨识模块13连接计算模块12，根据计算模块12得到的路面黏着系数以及滑移率，进一步得到： 

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\Δ\μ}}{\mathrm{\Δ\λ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{k+1}-{\mathrm{\μ}}_k}{{\mathrm{\λ}}_{k+1}-{\mathrm{\λ}}_k}$

辨识模块13根据该δ的值以及计算模块12得到的滑移率λ的值判断车辆是否运行在稳定区域，同时根据系统存储的黏着系数-滑移率曲线(请参阅图2)，预测出路面的最大滑移率。 

驾驶员需求滑移率计算模块14获取来自驾驶员的转矩需求，譬如驾驶员脚踏板的踏下位移，并根据驾驶员的驾驶需求进一步得到驾驶员的需求黏着系数，并根据系统存储的黏着系数-滑移率曲线(请参阅图2)，得到驾驶员需求滑移率。 

在具体实施过程中，驾驶员需求滑移率计算模块14将车辆转矩需求转换为驾驶员转矩需求对应的路面黏着系数，再通过当前黏着系数-滑移率曲线，进一步得到驾驶员需求“等效转矩”滑移率。 

其中，驾驶员需求滑移率计算模块15通过以下公式获取需求黏着系数： 

${\mathrm{\μ}}_d=\frac{T_d}{N},$

μ_d为驾驶员黏着系数，T_d为驾驶员需求转矩，N为车辆负荷。 

在获取需求黏着系数后，根据黏着系数-滑移率获取需求滑移率。 

请继续参阅图4，最优滑移率决策模块15将驾驶员需求滑移率计算模块14计算得到的驾驶员需求滑移率和辨识模块13得到的路况最大滑移率进行决策处理，最终得到最优滑移率，优选的，此处的决策处理为取小操作，即在两者中取最小者。 

在具体实施过程中，最优滑移率决策模块15根据辨识模块13得到的防止汽车滑移的最大滑移率，同时结合驾驶员需求滑移率计算模块14的“等效转矩”滑移率，将上述最大滑移率与“等效转矩”滑移率进行综合规划确定最优滑移率。 

请继续参阅图4，电机控制器16连接最优滑移率决策模块15，根据最优滑移率决策模块15确定的最优滑移率作为参考控制量，并以计算模块12的滑移率作为反馈量，对输出到电机逆变器18的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)占空比进行控制。 

在具体实施过程中，所述电机控制器16与所述电机逆变器18之间还设置有一调节器17，所述电机控制器通过所述调节器17得到PWM占空比输出给所述电机逆变器18。 

作为本实用新型的实施例，电机控制器16采用改进的电机电压矢量转矩直接控制结构。 

在具体实施过程中，电机控制器16根据滑移率决策模块15的最优滑移率作为参考控制量，根据计算模块12反馈的滑移率求取偏差；以及给定定子磁链与由逆变器18反馈的电压电流量观测得到的定子磁链求取偏差；将滑移率偏差与定子磁链偏差以及定子磁链角进行空间电压矢量选择，选择合适的空间电压矢量，并输出给逆变器18，达到控制电动汽车牵引电机转矩的目的，直接实现控制车辆滑移率的目的。 

请参阅图6，图6为本实用新型实施例提供的内部设置有滞环比较器的电机控制器，该电机控制器的输入包括有电机的电压、电流以及滑移率决 策模块15的最优滑移率、以及计算模块12的反馈滑移率。 

首先滑移率控制环通过最优滑移率和计算模块12的反馈滑移率进行求差，经过滞环比较器进行比较，若实际反馈值大于目标磁链，取0，反之取1(请参阅图7至图10)； 

磁链环中，磁链观测器根据位置传感器获得永磁同步电机初始转子位置，并根据该初始转子位置以及转子永磁磁链进一步获得初始磁链，在该初始磁链的基础上，根据定子的电压、以及电流进行观测，得到永磁同步电机的定子磁链值以及磁链的角度及对应的区间(请参阅如7)，并求出观测磁链与给定磁链的偏差，实际反馈值大于目标磁链，取0，反之取1。 

电机控制器根据空间电压矢量决策表以及上述两组数据进行查表，获取应该控制导通的空间电压矢量产生PWM，并输出给电机逆变器，请参阅图7至图10。其中，图7是本实用新型实施例提供的电机的定子磁链值以及磁链的角度及对应的区间表，图8是本实用新型实施例提供的电机逆变器内部电路控制图，图9是本实用新型实施例提供的电机逆变器产生的空间矢量图；图10是本实用新型实施例提供的磁链偏差一滑移率偏差与磁链角度对应区间表。 

本实用新型实施例由于防滑控制的调节与外部转矩指令具有同样的响应时间，因此能明显提高电动汽车的运动稳定性，有效抑制车辆在加速、低附着系数路面的车轮打滑的现象。 

本实用新型实施例通过将由车速信息得到的滑移率以及由驾驶员需求得到的滑移率进行对比分析，获取最优滑移率，根据最优滑移率得到输出转矩来控制电机的运行，在充分保证车辆行驶稳定性和安全性的前提下，尽量满足驾驶员的转矩需求，能明显提高电动汽车的运动稳定性，进而提高电动汽车的安全性能。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种电动汽车控制系统，其特征在于，包括设置在汽车的车轮部位、用于获取汽车车速信息的车轮传感器，与所述车轮传感器连接、根据所述传感器的车速信息获取路况最大滑移率的辨识模块；

所述装置还包括有一用于获取驾驶员需求滑移率的驾驶员需求滑移率计算模块，以及一连接所述驾驶员需求滑移率计算模块和所述辨识模块、在所述辨识模块的最大滑移率和驾驶员需求滑移率计算模块的驾驶员需求滑移率之间选择一个作为最优滑移率的最优滑移率决策模块；

所述装置还包括有一电机控制器以及一与所述电机控制器连接的逆变器，所述电机控制器连接所述最优滑移率决策模块，根据所述最优滑移率决策模块的计算结果控制所述逆变器的运行。

2.如权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述车速传感器与所述辨识模块之间设置一用于根据所述传感器的车速信息获取汽车运行状态的计算模块，所述车速传感器与所述辨识模块通过所述计算模块连接。

3.如权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述电机控制器与所述电机逆变器之间还设置有一调节器，所述电机控制器通过所述调节器得到占空比输出给所述电机逆变器。

4.如权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述电机控制器为一电机电压矢量转矩直接控制结构。

5.如权利要求1所述的电动汽车控制系统，其特征在于，所述电机控制器内部设置有一用于对所述最优滑移率和所述最大滑移率进行反馈对比处理的滞环比较器。 

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