一种大学生电动方程式赛车的行车策略及其电控系统的制作方法

本发明涉及大学生电动方程式汽车大赛领域，针对电动赛车提出了一整套更加稳定、可靠并且更加安全的一种大学生电动方程式赛车的行车策略及其电控系统。

背景技术：

大学生方程式赛车比赛已在中国开展了七年之久，随着赛事的兴起，相比于以往传统的油车赛事，电动方程式以其卓越的动力性、经济性、环保性以及行业趋势，受到了更多高校的青睐。根据赛事规则，参赛电车需要先通过相关安全性检查才能继续参加后续动态赛事。而目前国内的高校电动赛车队多以符合规则要求为目的，并未做更多的安全性考量和相关的电控系统设计。通常整车电控系统主要结构如下：电机/电机控制器、动力电池、液晶仪表、整车控制器、加速/制动踏板总成。主要控制流程如下：整车控制器采集加速踏板和制动踏板的模拟信号，通过相关算法计算出目标转矩并以can的方式将信号传输给电机控制器，以此实现对电机的控制；动力电池主要负责电机的能量供给；液晶仪表负责显示电机、电池以及整车的相关状态信息。一般的电控系统虽然结构简单，但是控制模式单一，无法针对特定的比赛项目对整车进行控制，可靠性较差。为解决以上问题，提高整车性能，本发明所实现的电控系统在达到基本比赛规则要求的同时，采取了额外的安全措施，使整车电控系统更加安全可靠。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大学生电动方程式赛车的行车策略及其电控系统，使得整车电控系统更加安全可靠本发明在符合规则要求的基础上，并能够记录整车电控系统存在的隐患，另外增加的“行车切换模式”在尽量不干涉驾驶员意图的情况下，更加合理的消耗电能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种大学生电动方程式赛车的行车策略，包括如下步骤，

s1、电动方程式赛车上电：闭合高压、低压主控开关，同时按下待驶开关按钮，此时启动加速踏板传感器自检环节：通过将加速踏板从初始位置缓慢踩致极限位置，判断整车控制器经加速踏板传感器所采集到的加速踏板模拟信号数值与预设标准数值比较的差值是否在可接受范围内；通过加速踏板传感器自检环节后，整车控制器控制电机控制器触发内部预充电回路的预充接触器进行上电；待电压达到预设电压值时，断开预充接触器，闭合主接触器，整车进入待驶状态；

s2、电动方程式赛车正常行车过程：正常行车通过模式切换开关进行模式切换，包括动力性模式、经济性模式，其中，

动力性模式：电机输出转矩与加速踏板位置成正比关系，根据采集的加速踏板模拟信号数值，即可得出驾驶员需求转矩，而后判断驾驶员需求转矩是否大于实时地面最大附着力，若是，则输出驾驶员需求转矩，若否则输出实时地面最大附着力对应转矩；

经济性模式：通过采集的电机转速信号，根据电机效率map查询最佳效率转矩，而后，采集加速踏板模拟信号数值，得到驾驶员需求转矩，并计算驾驶员需求转矩与电机效率map查询最佳效率转矩的差值，将所得差值、动力电池荷电状态作为模糊控制的两个输入变量，模糊控制的输出端为电机的修正转矩，最后将驾驶员需求转矩减去修正转矩即得到电机目标转矩；

s3、电动方程式赛车下电：电动方程式赛车车速为零，按下下电开关后，此时启动下电故障自检环节：首先，进行加速踏板传感器自检环节，并记录存在故障；其次，进行制动自检环节，并记录存在故障；下电故障自检完成后，整车控制器控制电机控制器触发内部预放电回路。

在本发明一实施例中，在步骤s1中，所述加速踏板传感器自检环节具体实现如下：

驾驶员缓慢将加速踏板从原始位置踩至极限位置，整车控制器记录单位踏板行程内所采样到的模拟信号数值，当采集到全部模拟信号数值后，首先将采集的最大、最小值与预设标准值的最大、最小值作比对，判断是否超出阈值，若超出阈值则不触发电机控制器进行预充上电；同时，将加速踏板上两路加速踏板传感器各自采集的信号数值相减，判断误差是否超过阈值，若超出阈值则不触发电机控制器进行预充上电；最后，将各个单位踏板行程内采样到的模拟信号数值与各个单位踏板行程内的预设标准数值进行比对，若差值超出阈值范围的个数大于预设个数，或者个别采样模拟信号数值与相应预设标准数值的差值超过阈值，则不触发电机控制器进行预充上电。

在本发明一实施例中，在步骤s3中，所述制动自检环节具体实现如下：

驾驶员踩下制动踏板，整车控制器在完成加速踏板传感器自检环节后的5秒内，若无法检测到制动踏板信号，则认为制动信号失效，并记录故障。

本发明还提供了一种大学生电动方程式赛车的电控系统，包括整车控制器、电机控制器、电机、电池管理系统、动力电池、12v低压电瓶、传感器模块、bspd装置；所述整车控制器分别与电机控制器、电池管理系统、传感器模块连接，所述电机控制器与电机连接，所述电池管理系统与动力电池连接，所述动力电池经电机控制器为电机供电，所述12v低压电瓶用于为整车控制器、电机控制器、电池管理系统、bspd装置供电，所述传感器模块还与所述bspd装置连接，所述bspd装置用于实现电动方程式赛车的安全制动；所述传感器模块包括用于采集加速踏板位置信号的两路加速踏板传感器、用于采集制动踏板信号的制动踏板传感器、用于采集车速的车速传感器；所述整车控制器能够实现电动方程式赛车上电传感器自检环节、下电传感器自检故障存储环节。

在本发明一实施例中，所述上电传感器自检环节即启动加速踏板传感器自检环节：通过将加速踏板从初始位置缓慢踩致极限位置，判断整车控制器经加速踏板传感器所采集到的加速踏板模拟信号数值与预设标准数值比较的差值是否在可接受范围内。

在本发明一实施例中，所述下电传感器自检故障存储环节包括加速踏板传感器自检环节、制动自检环节；其中，

加速踏板传感器自检环节：通过将加速踏板从初始位置缓慢踩致极限位置，判断整车控制器经加速踏板传感器所采集到的加速踏板模拟信号数值与预设标准数值比较的差值是否在可接受范围内，并记录故障；

制动自检环节：驾驶员踩下制动踏板，整车控制器在完成加速踏板传感器自检环节后的5秒内，若无法检测到制动踏板信号，则认为制动信号失效，并记录故障。

在本发明一实施例中，所述整车控制器还能够实现行车模式的切换包括动力性模式、经济性模式，其中，

动力性模式：电机输出转矩与加速踏板位置成正比关系，根据采集的加速踏板模拟信号数值，即可得出驾驶员需求转矩，而后判断驾驶员需求转矩是否大于实时地面最大附着力，若是，则输出驾驶员需求转矩，若否则输出实时地面最大附着力对应转矩；

经济性模式：通过采集的电机转速信号，根据电机效率map查询最佳效率转矩，而后，采集加速踏板模拟信号数值，得到驾驶员需求转矩，并计算驾驶员需求转矩与电机效率map查询最佳效率转矩的差值，将所得差值、动力电池荷电状态作为模糊控制的两个输入变量，模糊控制的输出端为电机的修正转矩，最后将驾驶员需求转矩减去修正转矩即得到电机目标转矩。

在本发明一实施例中，所述bspd装置包括继电器a、继电器b、延时继电器，其中，继电器a的控制线圈一端与12v低压电瓶一端连接，另一端经继电器b的常开开关与12v低压电瓶另一端连接，继电器b的控制线圈与继电器a的常开开关构成回路，延时继电器的控制线圈两端分别与12v低压电瓶的两端连接，延时继电器的常开开关的两端与继电器b的常开开关两端连接。

在本发明一实施例中，还包括与所述整车控制器连接的行驶模式切换开关、液晶仪表、冷却系统、高压激活指示灯装置、启动鸣笛装置，所述液晶仪表、冷却系统、高压激活指示灯装置、启动鸣笛装置均由所述12v低压电瓶供电。

在本发明一实施例中，所述整车控制器上包括cana、canb两组can接口，以实现整车控制器通过cana接口与电机控制器的can接口、电池管理系统的can接口连至总线，整车控制器通过canb接口与液晶仪表连接。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在符合规则要求的基础上，自主创新开发“上电传感器自检环节”，使得整车电控系统更加安全可靠；

2、本发明在符合规则要求的基础上，自主创新开发“下电传感器自检故障存储环节”，记录整车电控系统存在的隐患；

3、本发明增加行车模式，在尽量不干涉驾驶员意图的情况下，更加合理的消耗电能。

附图说明

图1为本发明电控结构拓扑示意图。

图2为本发明can网络结构示意图。

图3为本发明上电流程示意图。

图4为本发明下电流程示意图。

图5为本发明行车模式切换流程图。

图6为本发明模糊控“转矩差值”制隶属函数及模糊推理。

图7为本发明模糊控“soc”制隶属函数。

图8为本发明模糊控“修正转矩”制隶属函数。

图9为本发明的bspd设计原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种大学生电动方程式赛车的行车策略，包括如下步骤，

s1、电动方程式赛车上电：闭合高压、低压主控开关，同时按下待驶开关按钮，此时启动加速踏板传感器自检环节：通过将加速踏板从初始位置缓慢踩致极限位置，判断整车控制器经加速踏板传感器所采集到的加速踏板模拟信号数值与预设标准数值比较的差值是否在可接受范围内；通过加速踏板传感器自检环节后，整车控制器控制电机控制器触发内部预充电回路的预充接触器进行上电；待电压达到预设电压值时，断开预充接触器，闭合主接触器，整车进入待驶状态；

s2、电动方程式赛车正常行车过程：正常行车通过模式切换开关进行模式切换，包括动力性模式、经济性模式，其中，

动力性模式：电机输出转矩与加速踏板位置成正比关系，根据采集的加速踏板模拟信号数值，即可得出驾驶员需求转矩，而后判断驾驶员需求转矩是否大于实时地面最大附着力，若是，则输出驾驶员需求转矩，若否则输出实时地面最大附着力对应转矩；

经济性模式：通过采集的电机转速信号，根据电机效率map查询最佳效率转矩，而后，采集加速踏板模拟信号数值，得到驾驶员需求转矩，并计算驾驶员需求转矩与电机效率map查询最佳效率转矩的差值，将所得差值、动力电池荷电状态作为模糊控制的两个输入变量，模糊控制的输出端为电机的修正转矩，最后将驾驶员需求转矩减去修正转矩即得到电机目标转矩；

s3、电动方程式赛车下电：电动方程式赛车车速为零，按下下电开关后，此时启动下电故障自检环节：首先，进行加速踏板传感器自检环节，并记录存在故障；其次，进行制动自检环节，并记录存在故障；下电故障自检完成后，整车控制器控制电机控制器触发内部预放电回路。

在步骤s1中，所述加速踏板传感器自检环节具体实现如下：

驾驶员缓慢将加速踏板从原始位置踩至极限位置，整车控制器记录单位踏板行程内所采样到的模拟信号数值，当采集到全部模拟信号数值后，首先将采集的最大、最小值与预设标准值的最大、最小值作比对，判断是否超出阈值，若超出阈值则不触发电机控制器进行预充上电；同时，将加速踏板上两路加速踏板传感器各自采集的信号数值相减，判断误差是否超过阈值，若超出阈值则不触发电机控制器进行预充上电；最后，将各个单位踏板行程内采样到的模拟信号数值与各个单位踏板行程内的预设标准数值进行比对，若差值超出阈值范围的个数大于预设个数，或者个别采样模拟信号数值与相应预设标准数值的差值超过阈值，则不触发电机控制器进行预充上电。

在步骤s3中，所述制动自检环节具体实现如下：

驾驶员踩下制动踏板，整车控制器在完成加速踏板传感器自检环节后的5秒内，若无法检测到制动踏板信号，则认为制动信号失效，并记录故障。

本发明还提供了一种大学生电动方程式赛车的电控系统，包括整车控制器、电机控制器、电机、电池管理系统、动力电池、12v低压电瓶、传感器模块、bspd装置；所述整车控制器分别与电机控制器、电池管理系统、传感器模块连接，所述电机控制器与电机连接，所述电池管理系统与动力电池连接，所述动力电池经电机控制器为电机供电，所述12v低压电瓶用于为整车控制器、电机控制器、电池管理系统、bspd装置供电，所述传感器模块还与所述bspd装置连接，所述bspd装置用于实现电动方程式赛车的安全制动；所述传感器模块包括用于采集加速踏板位置信号的两路加速踏板传感器、用于采集制动踏板信号的制动踏板传感器、用于采集车速的车速传感器；所述整车控制器能够实现电动方程式赛车上电传感器自检环节、下电传感器自检故障存储环节。

所述上电传感器自检环节即启动加速踏板传感器自检环节：通过将加速踏板从初始位置缓慢踩致极限位置，判断整车控制器经加速踏板传感器所采集到的加速踏板模拟信号数值与预设标准数值比较的差值是否在可接受范围内。

所述下电传感器自检故障存储环节包括加速踏板传感器自检环节、制动自检环节；其中，

加速踏板传感器自检环节：通过将加速踏板从初始位置缓慢踩致极限位置，判断整车控制器经加速踏板传感器所采集到的加速踏板模拟信号数值与预设标准数值比较的差值是否在可接受范围内，并记录故障；

制动自检环节：驾驶员踩下制动踏板，整车控制器在完成加速踏板传感器自检环节后的5秒内，若无法检测到制动踏板信号，则认为制动信号失效，并记录故障。

所述整车控制器还能够实现行车模式的切换包括动力性模式、经济性模式，其中，

动力性模式：电机输出转矩与加速踏板位置成正比关系，根据采集的加速踏板模拟信号数值，即可得出驾驶员需求转矩，而后判断驾驶员需求转矩是否大于实时地面最大附着力，若是，则输出驾驶员需求转矩，若否则输出实时地面最大附着力对应转矩；

经济性模式：通过采集的电机转速信号，根据电机效率map查询最佳效率转矩，而后，采集加速踏板模拟信号数值，得到驾驶员需求转矩，并计算驾驶员需求转矩与电机效率map查询最佳效率转矩的差值，将所得差值、动力电池荷电状态作为模糊控制的两个输入变量，模糊控制的输出端为电机的修正转矩，最后将驾驶员需求转矩减去修正转矩即得到电机目标转矩。

所述bspd装置包括继电器a、继电器b、延时继电器，其中，继电器a的控制线圈一端与12v低压电瓶一端连接，另一端经继电器b的常开开关与12v低压电瓶另一端连接，继电器b的控制线圈与继电器a的常开开关构成回路，延时继电器的控制线圈两端分别与12v低压电瓶的两端连接，延时继电器的常开开关的两端与继电器b的常开开关两端连接。

还包括与所述整车控制器连接的行驶模式切换开关、液晶仪表、冷却系统、高压激活指示灯装置、启动鸣笛装置，所述液晶仪表、冷却系统、高压激活指示灯装置、启动鸣笛装置均由所述12v低压电瓶供电。

所述整车控制器上包括cana、canb两组can接口，以实现整车控制器通过cana接口与电机控制器的can接口、电池管理系统的can接口连至总线，整车控制器通过canb接口与液晶仪表连接。

以下为本发明的具体实例。

本实例提供一种基于fsec大学生电动方程式赛车的电控系统及其相关的控制策略，可实现对电动方程式赛车驱动系统更加安全、稳定、同时多样化的控制。

本实施例中，高压系统方面，驱动电池高压线与电机控制器相连，电机控制器将直流电转变为三相交流电并传递给电机，电机输出目标转矩。低压方面，如附图1所示，12v低压电瓶分别向整车控制器、电池管理系统、电机控制器、冷却水泵、风扇、启动鸣笛装置、高压激活指示灯、自制bspd装置供电。制动踏板传感器、加速踏板传感器、车速传感器、以及行驶模式切换开关由整车控制器所提供的5v电压供电。

本实施例中，如附图1所示，整车控制器所采集的信号包括：加速踏板信号、制动开关信号、车速信号，包括电机控制器、电池管理系统、液晶仪表之间的通信，而整车控制器所能控制的执行器包括：冷却水泵、电池风扇。高压激活指示灯装置、和启动鸣笛装置、bspd由相关的硬件电路进行控制。整车控制器采集到的加速踏板信号和制动踏板信号，通过相关内置算法，得出目标转矩以此控制电机输出转矩。

本实施例中，如附图2所示是整车电控系统can通讯网络，主要包括电机/电机控制器、动力电池bms、液晶显示仪表。本发明将整车控制器、电机/电机控制器、动力电池bms归为一个can网络当中，液晶仪表和整车控制器之间的通讯单独相连。在整车控制器上包含cana、canb两组can接口，cana接口与电机控制器的can接口，以及电池管理系统的can接口连至总线，而canb接口单独与液晶仪表相连接。这样的连接方式区分了高速和低速can。

本实施例中，两路加速踏板传感器与制动开关传感器，均由整车控制器5v供电，并分别将信号线连至整车控制器的a/d转换接口以及i/o口，用以将加速踏板模拟信号转换为数字信号，同时检测制动开关量。具体上电传感器自检算法流程附图3。通过驾驶员缓慢将加速踏板从原始位置踩至极限位置，整车控制器将记录单位踏板行程内所采样到的模拟数值，当采集到全部数值后，首先将采集的最大、最小值与标准值的最大、最小值作比对，判断是否超出阈值，若超出阈值则无法触发预充进行上电；同时，将两路加速踏板传感器各自采集的信号数值相减，判断误差是否超过阈值（加速踏板总成包含两个位移传感器），若超出阈值则停止上电；最后，将单位行程内采样到的信号数值与标准数值进行比对，若差值超出阈值范围的个数，或者个别采样点的差值过大，则停止上电。

本实施例中，附图4是整车下电传感器故障自检流程示意图。按下下电开关后，整车控制器采集到下电信号，通过驾驶员缓慢将加速踏板从原始位置踩至极限位置，整车控制器将记录单位踏板行程内所采样到的模拟数值，当采集到全部数值后，首先将采集的最大、最小值与标准值的最大、最小值作比对，判断是否超出阈值，若超出阈值则整车控制器记录故障；同时，将两路加速踏板传感器各自采集的信号数值相减，判断误差是否超过阈值（加速踏板总成包含两个位移传感器），若超出阈值则整车控制器记录故障；最后，将单位行程内采样到的信号数值与标准数值进行比对，若差值超出阈值范围的个数，或者个别采样点的差值过大，则整车控制器记录故障。而制动信号部分需要驾驶员踩下制动踏板，整车控制器在检测完加速踏板信号后的5秒内，若无法检测到制动踏板信号，则认为制动信号失效。在下一次的上电过程当中，尽管上电时传感器自检正常，整车可正常上电，但整车控制器依旧会通过仪表显示提醒驾驶员存在隐患。

本实施例中，在行车过程当中，电控系统通过“模式切换开关”进行模式切换。模式共分两种：动力性模式、经济性模式。首先在动力性模式当中，电机输出转矩与加速踏板位置成正比关系，是标准的电机扭矩map标定。但是实时的最大输出转矩受到“驱动力控制系统”的限制，根据车轮转速、地面正压力、地面状况整车控制器计算出实时最大驱动力，限制电机转矩输出，达到防止车轮打滑的效果。具体流程附图5所示。而在经济模式当中，本发明提出了一种将驾驶员需求转矩和实时最佳效率转矩作对比的思想：首先根据驾驶员踩踏加速踏板以及踩踏速率可得知驾驶员的需求转矩，同时根据实时电机转速，查询电机效率map可得出该转速下电机最佳效率所对应的电机转矩，简称为电机最佳效率转矩。将驾驶员意图转矩与电机理想转矩做差后，将所得差值、动力电池荷电状态（soc）作为模糊控制的两个输入变量，最终模糊控制的输出端为电机的修正转矩，最后将驾驶员目标转矩减去修正转矩即得到电机目标转矩。本发明的转矩控制策略在针对耐久赛方面，能使驾驶员在比赛时更加合理的使用电量，同时很好的反映了驾驶员的加速意图。在隶属函数当中，“转矩差值”输入项范围为0~60n/m，模糊语言值为：差值很小（nb）、差值较小（ns）、差值中等（zo）、差值较大（ps）、差值很大（pb）。差值很小（nb）、差值很大（pb）采用梯形隶属函数，对应的隶属函数参数为[001020]和[40506060]，差值较小（ns）、差值中等（zo）、差值较大（ps）采用三角形隶属函数，对应的隶属函数参数为[102030]、[203040]、[304050]。具体的驾驶员意图转矩和最佳电机效率转矩差值隶属函数，附图6；“soc”输入项范围为0~1，模糊语言值为：小（s）、中（o）、大（b）。小（s）、大（b）采用梯形隶属函数，对应的隶属函数参数为[000.20.5]和[0.50.811]，中（o）采用三角形隶属函数，对应的隶属函数参数为[0.20.50.8]。具体的动力电池荷电状态（soc）隶属函数，附图7；“修正转矩”输出项范围为0~30n/m，模糊语言值为：修正值很小（nb）、修正值较小（ns）、修正值中等（zo）、修正值较大（ps）、修正值很大（pb）。修正值很小（nb）、修正值很大（pb）采用梯形隶属函数，对应的隶属函数参数为[00510]和[20253030]，修正值较小（ns）、修正值中等（zo）、修正值较大（ps）采用三角形隶属函数，对应的隶属函数参数为[51015]、[101520]、[152025]。具体的目标转矩隶属函数，附图8。以及具体模糊推理规则见表1。

本实施例中，为符合2017中国大学生方程式汽车大赛规则要求：当用力制动并且电机控制器依旧输出正向电流时，安全回路必须由一个独立非编程电路断开，并只能由低压主控开关重置。本发明设计自主开发bspd(制动可靠性装置)附图9所示。主要原理是：两个常闭（通电后闭合）继电器互锁，即继电器a的“控制路”和“被控路”分别和继电器b的“被控路”和“控制路”相连，以此来达到规则“保持断开”的要求，其次在继电器b的“控制路”并联延时断开继电器（通电一段时间后才断开）的“被控路”，延时继电器保证了该机构可以正常启动。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。