基于电动汽车的多系统耦合集成控制系统

技术领域

本发明属于电动汽车领域，具体是基于电动汽车的多系统耦合集成控制系统。

背景技术

近年来，智能交通系统的应用得到了快速发展，因此各种信息现在可以通过车联网技术，全球定位系统和地理信息系统传输到车辆中。电动汽车可以通过这些丰富的信息更好地理解周围的交通环境，同时这些信息也可以用来开发实时节能控制方法以提高能源效率，从而提高车辆的行驶距离。电动汽车通过车载通信网络连接各个电子控制系统，将环境传感、信息融合、车辆动力学控制和能量管理等功能集成于一体。随着汽车防抱死系统(ABS)、汽车电子稳定控制系统(ESC)、自适应巡航控制系统(ACC)和紧急制动系统(AEB)等汽车电子控制系统的增多，但是各个子系统之间相对封闭，当多个控制系统同时工作时，由于车辆的耦合特性，容易产生冲突和干扰，因此，集成控制为这种多系统耦合的非线性控制系统提供了解决方案。

为了解决上述问题，中国专利公布号CN104865936A提出的一种多驱动耦合集成控制系统，包括两根直流母线、一组预充电电路、一组支撑电容、一组吸收电容、一组信号检测系统、一组控制电源系统和至少两个电机控制器，本发明为充分共享共用部件输出多路电机驱动回路的设计方法，能够输出至少两路的电机驱动主回路来驱动至少两个驱动电机系统，这至少两个驱动电机系统能够根据对应的控制系统实现自己特定的工作。所述的系统驱动回路输出分别独立，相互并不影响工作，即使其中的一路或者几路暂时不工作或者故障，其余回路可以继续工作。

但是，上述技术方案并没有考虑到，现有技术中对交通流中的车辆能量效率优化控制大都集中在单一领域的能效优化，如基于交通信息的能效优化或者转矩能效优化，而忽略了驱动或转向系统，导致电动汽车的整车稳定性能和能量利用效率不高；因此，有必要提出一种基于电动汽车的多系统耦合集成控制系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可以提高整车稳定性能和能量利用效率多系统耦合集成控制系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于电动汽车的多系统耦合集成控制系统，包括分层式的集成控制结构，分层式的集成控制结构包括上层、中层和下层；上层为Eco-CACC控制器，Eco-CACC控制器包括跟随模式、巡航模式和变道模式，Eco-CACC控制器基于最小安全车距通过有限状态机控制器进行驾驶模式的切换；Eco-CACC控制器用于基于安全性指标、经济性指标、舒适性指标和跟随性指标和执行器的约束条件为中层提供目标车速和目标路径的控制需求；中层为驱动/转向集成控制器，驱动/转向集成控制器用于以轨迹跟踪为主要目标为下层提供车轮转角、总驱动转矩和附加横摆力矩的控制指令；下层为转矩能效优化控制器，转矩能效优化控制器用于针对转矩需求进行电机能效和轮胎滑移损耗的控制分配，并将电机转矩和车轮转角信号发送给执行器。

进一步，最小安全车距的表达式如下：

式中，SV为目标车辆，LV为在当前车道上SV跟随的车辆，FV为在当前车道上跟随SV的车辆；PLV为SV在目标车道上即将跟随的车辆，PFV为在目标车道上SV后方的车辆；d

进一步，安全性指标的计算公式如下：

其中，e

经济性指标的计算公式如下：

其中，C

舒适性指标的计算公式如下：

其中，J

跟随性指标的计算公式如下：

其中，J

进一步，驱动/转向集成控制器的设计包括如下步骤：

S1.确定分层式的驱动/转向集成控制框架；

S2.基于MPC理论设计驱动/转向集成控制算法。

进一步，转矩能效优化控制器的设计包括以下步骤：

S1.搭建电机能耗模型和轮胎能耗模型；

S2.建立力矩分配模型，并设计基于约束优化的力矩控制分配方法；

进一步，电机能耗模型的公式如下：

其中，P

进一步，轮胎能耗模型的公式如下：

P

其中，X

进一步，力矩分配模型公式如下：

ΔF＝[ΔF

B

其中，m为车辆整备质量，v

进一步，基于约束优化的力矩控制分配方法公式如下：

其中，α、β和γ分别为电机能耗、目标转矩跟踪和轮胎能耗惩罚函数的权重因子，B

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U

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采用上述方案后实现了以下有益效果：

(1)本发明提出了基于电动汽车的多系统耦合集成控制系统，设计了分层式的集成控制结构，实现了电动汽车“安全-动力-节能”的多目标动态解耦和协调分配，提高了整车稳定性能和能量利用效率。

(2)为解决电动汽车中驱动系统和转向系统的耦合及制约问题，提出了一种基于MPC理论的驱动/转向集成控制算法，实现了整车横摆稳定和电机转矩分配的集成控制，提高了整车的轨迹跟踪能力和稳定性能。

(3)在保证车辆安全的基础上，为提升电动汽车的行驶经济性，基于数据和机理搭建电机能耗模型和轮胎能耗模型，并考虑驱动饱和以及安全性约束条件，设计基于控制分配的转矩能效优化控制器，优化输出底层执行电机的转矩命令，减少用电损耗，提高整车能源利用率。

附图说明

图1(a)为本发明实施例的车速曲线图。

图1(b)为本发明实施例的加速度曲线图。

图1(c)为本发明实施例的车间间距曲线图。

图2(a)为本发明实施例US06巡航工况下的车速误差图。

图2(b)为本发明实施例US06巡航工况下的车间距离误差图。

图3为本发明实施例车辆LV、SV和FV在US06循环工况下的空气阻力系数变化曲线。

图4为本发明实施例车辆LV、SV和FV在US06循环工况下的空气阻力节能功率数变化曲线。

图5(a)为本发明实施例车辆轨迹状况图。

图5(b)本发明实施例车辆侧向加速度响应图。

图5(c)为本发明实施例车辆质心侧偏角响应图。

图5(d)为本发明实施例车辆横摆角速度响应图。

图5(e)为本发明实施例驱动/转向集成控制器计算得到前轮转角随时间变化的状况图。

图5(f)为本发明实施例驱动/转向集成控制器计算得到后轮转角随时间变化的状况图。

图6(a)为本发明实施例四种模拟工况下驱动/转向集成控制器控制下的车辆轨迹图。

图6(b)为本发明实施例驱动/转向集成控制器控制下的侧向加速度图。

图6(c)为本发明实施例驱动/转向集成控制器控制下的质心侧偏角图。

图6(d)为本发明实施例驱动/转向集成控制器控制下的横摆角速度图。

图6(e)为本发明实施例四种模拟工况下驱动/转向集成控制器控制下的前轮转角变化曲线。

图6(f)为本发明实施例四种模拟工况下驱动/转向集成控制器控制下的后轮转角变化曲线。

图7为本发明实施例NEDC循环工况下车速响应曲线。

图8为本发明实施例FTP75循环工况下车速响应曲线。

图9(a)为本发明实施例左前轮转矩时间变化曲线。

图9(b)为本发明实施例右前轮转矩时间变化曲线。

图10(a)为本发明实施例电机输出功率的能量消耗曲线。

图10(b)为本发明实施例轮胎能耗功率曲线。

图11为有限状态机控制器的工作原理图。

图12为分层式的集成控制结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例基本如附图1-12所示：

基于电动汽车的多系统耦合集成控制系统，包括分层式的集成控制结构，分层式的集成控制结构包括上层、中层和下层；上层为Eco-CACC控制器，Eco-CACC控制器包括跟随模式、巡航模式和变道模式，Eco-CACC控制器基于最小安全车距通过有限状态机控制器进行驾驶模式的切换；Eco-CACC控制器用于基于安全性指标、经济性指标、舒适性指标和跟随性指标和执行器的约束条件为中层提供目标车速和目标路径的控制需求；中层为驱动/转向集成控制器，驱动/转向集成控制器用于以轨迹跟踪为主要目标为下层提供车轮转角、总驱动转矩和附加横摆力矩的控制指令；下层为转矩能效优化控制器，转矩能效优化控制器用于针对转矩需求进行电机能效和轮胎滑移损耗的控制分配，并将电机转矩和车轮转角信号发送给执行器。

最小安全车距的表达式如下：

式中，SV为目标车辆，LV为在当前车道上SV跟随的车辆，FV为在当前车道上跟随SV的车辆；PLV为SV在目标车道上即将跟随的车辆，PFV为在目标车道上SV后方的车辆；d

安全性指标的计算公式如下：

其中，e

经济性指标的计算公式如下：

其中，C

舒适性指标的计算公式如下：

其中，J

跟随性指标的计算公式如下：

J

其中，为预测时域内车辆跟随性指标，为车间距误差权重系数，为车速误差权重系数。

驱动/转向集成控制器的设计包括如下步骤：

S1.确定分层式的驱动/转向集成控制框架；

S2.基于MPC理论设计驱动/转向集成控制算法。

进一步，转矩能效优化控制器的设计包括以下步骤：

S1.搭建电机能耗模型和轮胎能耗模型；

S2.建立力矩分配模型，并设计基于约束优化的力矩控制分配方法；

电机能耗模型的公式如下：

其中，P

轮胎能耗模型的公式如下：

P

其中，X

进一步，力矩分配模型公式如下：

ΔF＝[ΔF

B

其中，m为车辆整备质量，v

基于约束优化的力矩控制分配方法公式如下：

其中，α、β和γ分别为电机能耗、目标转矩跟踪和轮胎能耗惩罚函数的权重因子，B

U

U

具体实施过程如下：

对Eco-CACC控制器进行仿真验证：

在MATLAB仿真软件中创建了一个包含了跟车系统模型和电动汽车模型在内的协同驾驶系统仿真平台，系统中的每辆车都可以通过无线通信技术与周围的车辆进行信息交换；为模拟车辆队列在高速行驶时的状态，选取US06循环工况作为验证工况，其具有速度高、加速度大、车速波动频繁和启动多等特点。

仿真验证时，车辆运行在笔直平坦路面上，队列中LV的速度变化设定为US06速度时间历程，协同驾驶控制系统参数见表1：

表1

Eco-CACC控制器首先要满足巡航控制的跟随性和安全性等需求，如图1(a)和如图1(b)所示，车辆以合理的速度和加速度相互跟随，并且跟随车辆SV和LV与前车LV相比，SV和LV的速度和加速度曲线更平滑。平滑的速度和加速度轨迹能够减少队列中车辆不必要的驱动、制动动作，从而提升车辆的经济性和舒适性。如图1(c)所示，可以看出实现安全间距控制，能够适应频繁驱动、制动等真实驾驶状况。

如图3和图4所示，车辆在高速行驶时，为保证车辆的安全性车间距离变大，车辆的空气阻力系数也随之增大。本发明假设车辆的原始空气阻力系数为0.35，队列中三辆车的空气阻力系数均有所降低，且队列尾部的车辆空气阻力系数变化最大。

伴随着空气阻力系数的降低，车辆因空气阻力而造成的能量损失也随之降低，如图4所示，FV的节能效率最高，SV次之，LV最小；在整个US06循环工况中，LV、SV和FV因空气阻力减小而节约的能量分别为58.6kJ、457.9kJ和799.6kJ。

对驱动/转向集成控制器进行仿真验证：

仿真选取变道转向运动作为验证工况，所述控制系统输出响应将与AFS系统的输出响应进行对比；其中，仿真运行时间设为T＝10s，采样步长设为T

表2

双移线工况下，电动汽车以20m/s的初始速度行驶，2秒后驾驶员开始控制车辆转向变道，并假设路面平坦没有坡度，车轮与地面间的附着系数为0.65.

如图5(a)所示，本发明所提出的驱动/转向集成控制器比AFS控制器具备更好的轨迹跟踪性能；图5(b)、图5(c)和图5(d)所示，可以看出AFS控制器的侧向加速度峰值、质心侧偏角和横摆角速度均大于驱动/转向集成控制器，这表明在急剧转向时，驱动/转向集成控制器可以较好地减少剧烈转向时的超调和抖动，有效地降低了横摆角速度和质心侧偏角，提高了紧急转向时的稳定性。图5(e)和图5(f)所示，可以看出驱动/转向集成控制器通过后轮主动转向来配合前轮转向，从而降低了前轮转向角值。

为了验证所提出的基于MPC的集成控制器的鲁棒性，在不同纵向速度和路面情况下进行电动汽车仿真验证，如图6(a)所示，在四种工况下所提出的驱动/转向集成控制器均能够较好地跟踪目标轨迹；此外，图6(e)和图6(f)描述了四种工况下的前轮转角和后轮转角，从图中可以看出，前后转向角都随纵向速度的增加而增加，而随道路摩擦系数的增加而减小。在低摩擦系数和高速条件下，车辆必须具有较大的转向角以获得更大的侧向轮胎力，以保证车辆的操纵稳定性。而且，在低速工况下，车辆的前、后轮转向角的方向相反；在高速工况下，车辆的前、后轮转向角的方向相同，这样可以让车辆在低速是具有较小的转弯半径，在高速时又能保证车辆的稳定性。上述结果表明所提出的驱动/转向集成控制器具有很强的鲁棒稳定性。

对转矩能效优化控制器进行仿真验证：

在MATLAB仿真软件中搭建了一个高精度的电动汽车仿真平台，选取NEDC循环工况和FTP75循环工况作为转矩优化控制器的验证工况，其中，NEDC循环工况和FTP75循环工况能反映车辆驾驶过程中的加速、减速和恒速运行状况。选取US06循环工况和超车工况来验证所提出的多系统耦合集成控制策略，US06循环工况和超车工况分别用来验证车辆在高速行驶时和转向时所提出算法的有效性，在验证工况时，车辆运行在笔直平坦路面上，地面附着系数为0.85，坡度为0。

如图7和图8所示，两种控制策略的速度跟踪误差都很小，平均分配的速度跟踪误差标准差为0.0136m/s，最优分配的速度跟踪误差标准差为0.0137m/s，这说明不同的分配策略对于车速的跟踪控制效果影响很小。

如图9(a)和图9(b)所示，在加速过程中，最优分配优化策略将大多数甚至全部的转矩需求分配给其中几个车轮而不是全部车轮，能保证大部分电机在高效率区运行；在减速过程中，前轮电机参与车轮制动，使后轮获得更多的制动转矩需求以实现能量回收最大化；在总的转矩需求较低时，通过分配大多数甚至全部的转矩需求给承担垂向载荷大的车轮电机，可提高整车系统的能量效率。

从图10(a)和10(b)可以看出，在速度恒定阶段，两种分配策略的电机输出功率几乎一致；在加速阶段，最优分配优化策略因让大部分驱动电机处于高效率区工作，所以电机输出功率更小；在减速阶段，能量消耗曲线因电机回馈制动的参与而明显下降。从图10(b)可以看出最优分配优化策略相比平均分配减少了轮胎滑移损耗，同时提高了整车的能量利用效率。这些结果清晰地表明所提出的最优分配策略能够有效使得驱动系统工作在高效率区域从而提高车辆的整体能效。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。