一種基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統的製作方法
2023-06-11 00:13:16 1
一種基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統的製作方法
【專利摘要】本發明是一種基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統，其包括整車控制器，和由該整車控制器控制的能量管理系統、能量儲存系統及數據冗餘系統；所述數據冗餘系統由ABS控制器、電機控制器組成，它們以數據交互通道CAN總線相連，並且同時與整車控制器通過CAN總線相連。本發明採用ABS控制器和電機控制器來運算制動過程中再生制動力與摩擦制動力的大小，然後雙控制器之間進行數據的交互與優化來達到提高速度的目的，避免的數據從整車控制器傳輸到制動控制器和ABS控制器的過程，從而克服了以往制動過程的響應速度太低，往往錯失了制動的最佳時機的弊病，改善了制動能量回收效果，提高了響應速度和純電動車的續駛裡程。
【專利說明】—種基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電動車的制動系統，是一種電動汽車能量回饋制動系統，屬於汽車制動系統【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著時代的發展，人們的經濟水平和生活水平的逐步提高，汽車的使用已經越來越普及。在當下油價不斷飆升、國際環保要求越來越嚴的形勢下，電動車是汽車行業發展的必然趨勢。但是電動汽車的動力電池容量有限，續航能力成為人們關注的焦點。當今市場上提供的電池的比能量都很低，導致帶電動車的續駛裡程無法與汽油車相比。要解決這一問題，除了要在電池這一瓶頸技術上有所突破之外，還應當優化汽車的總體設計和建立高效安全的能量管理系統，因此電動汽車在研發的過程中，如何合理和使用能源就成為了設計人員面臨的一項重要課題。制動能量回饋技術室目前國內外電動汽車製造商廣泛採用的一項先進技術。目前國外提出的具有回饋制動功能的先進位動系統包括:豐田-普銳斯制動控制系統、本田-EV plus制動控制系統，這兩種系統代表著制動回饋功能發展的前沿，但是這兩種系統均是對制動系統重新設計以實現能量回饋功能，其制動感覺跟傳統的制動系統有一定的差異，制動響應遲鈍，影響制動效果。此外，目前的電動車制動能量回饋系統控制器的微控制器處理信號作出控制的整個運算過程耗時15毫秒到20毫秒之間，整個控制系統反應遲鈍就導致經常錯失制動的最佳時機。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是:提供一種基於數據冗餘雙控制器的純電動汽車制動能量回饋控制系統，該系統是雙控制器數據冗餘制動能量回饋系統，主要是解決數據在不同控制器上運算速度和傳輸速度遲鈍的問題，改善了以往經常錯失制動的最佳時機的問題，從而提高制動的響應速率和穩定性，提高了純電動車的續航裡程。
[0004]本發明解決其技術問題採用的技術方案是:提供一種基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統，其包括整車控制器，和由該整車控制器控制的能量管理系統、能量儲存系統及數據冗餘系統；所述數據冗餘系統由ABS控制器、電機控制器組成，它們以數據交互通道CAN總線相連，並且同時與整車控制器通過CAN總線相連。
[0005]所述的ABS控制器、電機控制器均可以包含一個處理單元和一個通訊單元，其中處理單元是執行應用程式、調度和重構任務的計算機，通訊單元是實現包括同步、數據交互和同步表決相關功能的硬體，該通訊單元可以包括異步串行通訊控制器和同步控制邏輯。
[0006]所述的兩個控制器，每個控制器中可以有兩個不同地址碼和兩個不同地址碼的I/o模塊通過CAN總線相連，所有CPU的數據狀態自動保持同步；其中的任意兩個控制器之間都可以進行數據交互，交互的數據包括通訊數據和同步數據，通訊數據的發送和接收均可採用緩衝區來實現，
[0007]所述的通訊單元可以分成處理單元/通訊單元接口部分、同步控制部分和通訊控制部分，其中:接口部分提供在處理單元和通訊單元之間有效和有序傳遞不同大小的信息，同時還提供處理單元和通訊單元間的流控制以保證不覆蓋有效信息；同步控制部分提供通訊數據與同步數據的切換控制，以及同步交互控制處理能力，並提供兩個通訊單元的同步機制；通訊控制部分提供本地通訊單元和另一個通訊單元交互途徑，以及其自身迴環交互的串行通訊轉換與串行通道。
[0008]所述的通訊單元可以通過多輪同步數據交互後，實現與對方單機通訊單元的緊密同步；ABS控制器和電機控制器的處理單元通過讀取同步狀態以及接收同步脈衝，實現較為鬆散的同步；處理單元通過處理通訊單元接口，把通訊單元看作存儲器映射、帶緩衝器的I/O設備，如果處理單元希望通過通訊單元與其它單機執行數據交互，它只需寫數據到通訊單元的數據發送緩衝區，然後處理單元在一定時限內通過數據接收緩衝區讀取對方單機的發送過來的相應通訊數據；通過多輪上述同步操作，ABS控制器和電機控制器可以實現數據內容和時序的相互一致。
[0009]所述的整車控制器可以由微處理器、模擬信號處理電路、頻率信號處理電路組成，其中模擬信號處理電路輸出處理油門踏板開度信號和制動踏板信號，頻率信號處理電路輸出處理車速信號。
[0010]所述的能量管理系統可以是直接對能量儲存系統(電池組)進行管理的系統，其功能是對電池信息進行採集，準確採集電池組的充放電電流、電壓、環境溫度等數據，將電池組的信息通過CAN總線通信網絡發送給整車控制器，整車控制器通過對能量儲存系統的控制實現電池的充放電轉換。
[0011]所述的能量儲存系統即為電池組，其可以通過逆變器與純電動車的電機相連，為整車系統的運行提供能量，並將整車制動時電機回饋的電能儲存起來。
[0012]本發明與現有技術相比具有如下的優點:
[0013]目前的電動車制動能量回饋系統控制器的整個運算過程耗時15毫秒到20毫秒之間。本發明中的數據冗餘雙控制器同時完成關鍵算法的時間2毫秒到3毫秒之間，然後雙控制器將各自運算的數據交互，整個數據傳輸過程通過CAN總線來完成。通過對某一電動汽車整車仿真數據與試驗數據對比實驗論證，通過電動汽車電機測試臺架得到整個制動過程的響應時間為2毫秒，整車的能量回收效率增加13.6，續航裡程為119公裡。以往完全依靠整車控制器運算來自傳感器傳送的數據，導致整車控制器微處理器負荷過大，制動過程的響應速度太低，往往錯失了制動的最佳時機。本發明在不改變傳統的制動結構前提下，重新設計控制器的運算機制，採用雙控制器替代整車控制器單獨運算，彌補了現有的再生制動控制器的算法落後、響應遲鈍的缺點，改善了以往經常錯失制動的最佳時機的弊端，既能滿足車輛在各種工況下的制動要求，又能保證車輛運行的平穩性和車輛制動減速的平滑性，改善了駕駛員在制動過程中的體驗；同時又能使制動能量得到最有效的回收，提高整車能量的使用效率，提高了純電動車的續航裡程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的制動回饋控制策略示意圖。
[0015]圖2為本發明的雙控制器制動能量回饋系統示意圖。
[0016]圖3為本發明的雙控制器數據冗餘系統【具體實施方式】
[0017]以下結合實施例及附圖對本發明作進一步說明，但並不局限於下面所述內容。
[0018]本發明提供的基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統，其結構如圖2所示，包括整車控制器、能量管理系統、ABS控制器、電機控制器、能量儲存系統，其中:ABS控制器通過數據交互通道CAN總線與電機控制器相連，它們構成數據冗餘系統。每個控制器中有兩個不同地址碼和兩個不同地址碼的I/O模塊通過CAN總線相連，也就是說所有CPU的數據狀態自動保持同步。
[0019]所述整車控制器的硬體結構組成有微處理器、模擬信號處理電路(處理油門踏板開度信號和制動踏板信號)、頻率信號處理電路(處理車速信號)。整車控制器通過CAN總線與ABS控制器和電機控制器連接進行數據和控制指令的傳遞，在本發明中的主要功能是接受駕駛員的制動信號，判斷駕駛員的制動意圖是否達到制動能量回饋的條件，為雙控制器工作提供初始命令，啟動雙控制器工作。
[0020]所述能量管理系統(BMS)是直接進行電池管理系統的重要組成部分。整車控制器通過CAN總線通信網絡對電池管理系統進行控制，實現對電池進行有效管理。其功能是對電池信息進行採集，準確採集電池組的充放電電流、電壓、環境溫度等數據，將電池組的信息通過CAN總線通信網絡發送給整車控制器，整車控制器通過對電池管理系統的控制實現電池的充放電轉換。
[0021]所述ABS控制器和電機控制器為制動能量回饋控制系統的核心單元，ABS控制器和電機控制器同時與整車控制器通過CAN總線相連，並且兩者有CAN總線數據交互通道相連，兩者同時計算電機所需的制動力矩和機械制動系統所需的制動力，將處理的指令傳遞給執行機構(電機和液壓硬體設備)。
[0022]所述能量儲存系統(電池組)是通過逆變器與電機相連，為整車系統的運行提供能量，並將整車制動時電機回饋的電能儲存起來。
[0023]所述的數據冗餘系統由雙控制器(ABS控制器和電機控制器)、數據交互通道CAN總線組成。兩個控制器均包含一個處理單元(包括中央處理器、存儲器等)和一個通訊單元(包括異步串行通訊控制器和同步控制邏輯)，其中處理單元是執行應用程式、調度和重構任務的計算機，通訊單元是實現同步、數據交互和同步表決等相關功能的硬體。兩個控制器通過CAN總線實現全連接，其中的任意兩個單機之間都進行數據交互，交互的數據包括通訊數據和同步數據，通訊數據的發送和接收均可採用緩衝區來實現。
[0024]通訊單元分成三個部分:處理單元/通訊單元接口部分、同步控制部分和通訊控制部分。其中接口部分提供在處理單元和通訊單元之間有效和有序傳遞不同大小的信息，同時還提供處理單元和通訊單元間的流控制以保證不覆蓋有效信息，一般可以採用雙埠存儲器實現。同步控制部分提供通訊數據與同步數據的切換控制，以及同步交互控制處理能力，並提供兩個通訊單元的同步機制。通訊控制部分提供本地通訊單元和另一個通訊單元交互途徑，以及其自身迴環交互的串行通訊轉換與串行通道。
[0025]ABS控制器和電機控制器完成復位與初始化後，由於同步數據交互的起始不一致，因此它們是通過多次同步數據交互才能完成相互的漸近同步過程，達到較佳的同步狀態。對於整個冗餘系統而言，當系統中任意一對控制器之間都有較佳的同步狀態後，整個系統也將處於較佳的同步狀態。
[0026]通訊單元通過多輪同步數據交互後，可以實現與對方控制器通訊單元的緊密同步，ABS控制器和電機控制器的處理單元通過讀取同步狀態以及接收同步脈衝，可以實現較為鬆散的同步。處理單元通過處理通訊單元接口，把通訊單元看作存儲器映射、帶緩衝器的I/O設備；如果處理單元希望通過通訊單元與其它單機執行數據交互，它只需寫數據到通訊單元的數據發送緩衝區，然後處理單元在一定時限內可以通過數據接收緩衝區讀取對方控制器的發送過來的相應通訊數據；通過多輪上述同步操作，ABS控制器和電機控制器可以實現數據內容和時序的相互一致。
[0027]本發明採用電氣制動和機械制動兩種類型結合的方式實現車輛的制動，具體工作過程是:由油門及剎車信號採集電路採集油門深度、剎車深度的模擬信號，並將其轉變為數位訊號，信號採集電路將採集的信號傳輸給整車控制器，整車控制器判斷該制動過程是否需要啟動制動能量回饋系統，右制動條件不夠就單獨啟動ABS控制器，ABS控制器接受經過整車控制器處理過的信號，根據圖1的制動能量回饋的控制策略計算此過程中機械制動力的大小，發出控制指令給液壓制動設備，完成機械制動過程。若條件成熟就啟動雙控制器，電氣制動和機械制動同時工作，雙控制器同時接受整車控制器處理過的信號，ABS控制器和電機控制器都採用圖1的制動能量回饋控制策略其中電氣制動同時計算得到電機制動力大小和機械制動力大小，經過數據冗餘系統處理計算結果後，ABS控制器給液壓制動設備發出指令控制機械制動過程，電機控制器給電機發出指令控制電力制動過程。其中電力制動是通過控制電機工作在發電狀態來實現的，機械制動是通過機械摩擦的形式來實現。制動過程中應儘可能多的用回饋發電方式取代機械式制動。
[0028]本發明用於前軸電驅動汽車的制動能量回饋的控制策略，包括以下步驟:
[0029]1.收到來自製動主缸的壓力信號，(當駕駛員踩下制動踏板時產生的壓力信號)，制動開始；
[0030]2.採集制動主缸壓力、制動踏板行程、電動機轉矩、車輛行駛速度、電池SOC值；
[0031]3.如圖1所示，當車輛速度V小於15km/h、電池SOC值大於0.85、制動強度Z大於0.15這三個條件中有一個滿足的時候，直接由機械制動完成制動過程。否則，制動能量回饋控制系統將工作；
[0032]4.結合車輛的各項性能參數以及各個工況模式下的動力制動分配表(保證車輛在制動過程中制動穩定性)，根據來自駕駛員的制動信號，得到前軸總制動力Ff和後軸總制動力Fr ;
[0033]5.根據車輛實時的電動機的功率估算電動機能提供的制動力大小Freg ；
[0034]6.當再生制動力Freg大於前軸總制動力Ff時，前軸制動力完全由再生制動力提供，機械摩擦制動不工作，否則，機械摩擦制動力將不足的那部分制動力；
[0035]以上步驟為控制器中的控制算法，由數據冗餘雙控制器系統控制，兩控制器擁有同樣的控制算法，同時運算提高工作效率，同時兩控制器間有信號交互通道，將兩控制器的計算結果進行交互比對，將有一套優化算法合理分配再生制動力和機械摩擦制動力，最後將機械摩擦制動力的數據傳輸給ABS控制器完成對液壓硬體設備的控制，將再生制動力的數據傳輸給電機控制器完成對電機的控制。
[0036]本發明採用雙控制器(ABS控制器和電機控制器)來運算制動過程中再生制動力與摩擦制動力的大小，然後雙控制器之間進行數據的交互與優化來達到提高速度的目的，避免的數據從整車控制器傳輸到制動控制器和ABS控制器的過程，以往完全依靠整車控制器運算來自傳感器傳送的數據，導致整車控制器微處理器負荷過大，制動過程的響應速度太低，往往錯失了制動的最佳時機。本發明基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統大大提高了響應速度，改善了制動能量回收效果，提高了純電動車的續駛裡程。
【權利要求】
1.一種純電動車制動能量回饋系統，其特徵是一種基於數據冗餘雙控制器的純電動車制動能量回饋系統，其包括整車控制器，和由該整車控制器控制的能量管理系統、能量儲存系統及數據冗餘系統；所述數據冗餘系統由ABS控制器、電機控制器組成，它們以數據交互通道CAN總線相連，並且同時與整車控制器通過CAN總線相連。
2.根據權利要求1所述的純電動車制動能量回饋系統，其特徵是所述的ABS控制器、電機控制器均包含一個處理單元和一個通訊單元，其中處理單元是執行應用程式、調度和重構任務的計算機，通訊單元是實現包括同步、數據交互和同步表決相關功能的硬體，該通訊單元包括異步串行通訊控制器和同步控制邏輯。
3.根據權利要求2所述的純電動車制動能量回饋系統，其特徵是所述的兩個控制器，每個控制器中有兩個不同地址碼和兩個不同地址碼的I/O模塊通過CAN總線相連，即所有CPU的數據狀態自動保持同步；其中的任意兩個控制器之間都進行數據交互，交互的數據包括通訊數據和同步數據，通訊數據的發送和接收均可採用緩衝區來實現。
4.根據權利要求2所述的純電動車制動能量回饋系統，其特徵是所述的通訊單元分成處理單元/通訊單元接口部分、同步控制部分和通訊控制部分，其中:接口部分提供在處理單元和通訊單元之間有效和有序傳遞不同大小的信息，同時還提供處理單元和通訊單元間的流控制以保證不覆蓋有效信息；同步控制部分提供通訊數據與同步數據的切換控制，以及同步交互控制處理能力，並提供兩個通訊單元的同步機制；通訊控制部分提供本地通訊單元和另一個通訊單元交互途徑，以及其自身迴環交互的串行通訊轉換與串行通道。
5.根據權利要求4所述的純電動車制動能量回饋系統，其特徵是所述的通訊單元通過多輪同步數據交互後，實現與對方單機通訊單元的緊密同步；ABS控制器和電機控制器的處理單元通過讀取同步狀態以及接收同步脈衝，實現較為鬆散的同步；處理單元通過處理通訊單元接口，把通訊單元看作存儲器映射、帶緩衝器的I/O設備，如果處理單元希望通過通訊單元與其它單機執行數據交互，它只需寫數據到通訊單元的數據發送緩衝區，然後處理單元在一定時限內通過數據接收緩衝區讀取對方單機的發送過來的相應通訊數據；通過多輪上述同步操作，ABS控制器和電機控制器可以實現數據內容和時序的相互一致。
6.根據權利要求1所述的純電動車制動能量回饋系統，其特徵是所述的整車控制器由微處理器、模擬信號處理電路、頻率信號處理電路組成，其中模擬信號處理電路輸出處理油門踏板開度信號和制動踏板信號，頻率信號處理電路輸出處理車速信號。
7.根據權利要求1所述的純電動車制動能量回饋系統，其特徵是所述的能量管理系統是直接對能量儲存系統進行管理的系統，其功能是對電池信息進行採集，準確採集電池組的充放電電流、電壓、環境溫度等數據，將電池組的信息通過CAN總線通信網絡發送給整車控制器，整車控制器通過對能量儲存系統的控制實現電池的充放電轉換。
8.根據權利要求1所述的純電動車制動能量回饋系統，其特徵是所述的能量儲存系統即為電池組，其通過逆變器與純電動車的電機相連，為整車系統的運行提供能量，並將整車制動時電機回饋的電能儲存起來。
【文檔編號】B60L11/18GK103692926SQ201410005429
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月6日 優先權日:2014年1月6日
【發明者】楊勝兵, 畢家鑫, 鍾紹華, 熊晶晶 申請人:武漢理工大學