基于动态切换阈值的复合电源EPS多模式切换方法及装置与流程

本发明属于汽车转向系统领域，具体涉及一种基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换方法及装置。

背景技术：

近年来，电动助力转向系统(electricpowersteering，eps)以其安全、节能、环保的优点广泛应用于乘用车和轻型商用车，然而重型商用车前轴载荷大，所需的转向功率较大，整车电源系统无法满足转向功率的需求，因而限制了eps在重型商用车领域的应用。因此，研究适用于重型商用车的eps新方案并解决新方案存在的科学问题和技术难题，具有重要的研究价值和现实意义。

超级电容作为一种新型的电源，具有充放电迅速、可实现大电流快速放电、动态性能好、循环效率高达90％～95％、控制简单、绿色环保等优点，因此，超级电容近年来较多的被用于发动机的启停辅助以及电动汽车的辅助电源等方面，以超级电容为辅助电源而构成的复合电源eps的研究也在逐渐兴起。

由超级电容并联在整车电源端构成的复合电源eps，系统有整车电源供电和复合电源供电两种模式。当电机功率需求较低时，由整车电源单独供电；当电机功率需求较高时，超级电容会辅助整车电源共同为电机供电。控制器会根据采集到的控制变量与切换阈值进行对比，控制系统在两种不同的工作模式之间切换。但已有的控制方法中，切换阈值一经确定后就是一个定值，不会根据车辆的能源状态进行动态调整，一定程度上不利于能源的合理使用，造成资源浪费。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提出一种基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换方法及装置，使控制器根据车辆的能源状态动态调整切换阈值，并切换复合电源eps系统的工作模式，以提高能源利用率。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换方法，包括以下步骤：

1)统计整车电器负载功率pe的波动范围[p1,p2]；

2)设定超级电容充放电过程中soc的高效工作区间为[a,1]；

3)计算临界转角θhs和临界车速vs的变化区间，临界转角θhs的变化区间记为[θhs1，θhs2]，临界车速vs的变化区间记为[vs1，vs2]；

4)选择三角形隶属函数，定义输入变量和输出变量的模糊子集并确定论域；其中，输入变量为整车电器功率pe和超级电容soc，输出变量为临界车速vs和临界转角θhs；

5)以能量最优流向为原则制定模糊控制器的规则库；

6)以实时采集的整车电器功率pe和超级电容soc作为输入，进行模糊决策，得到实时的切换阈值，其中，所述实时的切换阈值包括临界车速vs和临界转角θhs；

7)转向控制器采集车辆实时车速和方向盘转角，与实时的切换阈值即临界车速vs和临界转角θhs进行对比，确定复合电源eps系统工作模式，其中，所述复合电源eps系统工作模式包括整车电源工作模式和复合电源工作模式。

进一步地，上述步骤1)中，统计整车电器负载功率pe的波动范围，包括如下步骤：

1.1)对车辆进行一个典型工况的行驶试验，利用电压传感器和电流传感器测量除电机和超级电容外，车辆其他电器负载支路的电压信号ui(t)和电流信号ii(t)，其中，i表示第i个电器负载支路，t表示时间；

1.2)计算各个电器负载支路的功率pi(t)，计算公式如下：

pi(t)＝ui(t)×ii(t)

1.3)对各个电器负载支路的功率pi(t)进行求和，得到车辆电器负载总功率pe的时间函数，计算公式如下：

其中，k表示电器负载支路的个数；

1.4)在车辆电器负载总的功率pe的时间函数中，电器负载功率的最小值记为p1，最大值记为p2，整车电器负载功率pe的波动范围为[p1,p2]。

进一步的，上述步骤3)中，临界车速vs和临界转角θhs的变化区间地计算方法包括如下步骤：

3.1)对车辆进行n个行驶工况的试验，利用测力方向盘记录方向盘等效转向阻力矩fr和方向盘转角θh，利用激光测速仪测量车速v，并将试验数据记录在相同的时间t坐标轴下，得到n组不同时刻t对应的三维点数据(fr、θh、v)；

3.2)以方向盘转角θh为x轴，车速v为y轴，方向盘等效转向阻力矩fr为z轴，建立三维坐标系；以试验记录的n组不同时刻t对应的三维点数据(fr、θh、v)为数据库，在三维坐标系下绘制点集，并由点集绘制得到方向盘等效转向阻力矩随着汽车车速和方向盘转角的变化曲面图；

3.3)由方向盘等效转向阻力矩曲面图，固定车速为v1、v2、v3……vn，得到n条方向盘等效转向阻力矩随着方向盘转角的变化曲线：

fr＝f(θh,vi)(i＝1、2、3……n)

3.4)对fr进行二阶求导得到f”r，f”r为零的点即为方向盘等效阻力矩变化率突变的点，其对应的方向盘转角即为临界转角，得到n个临界转角的值；临界转角的最小值记为θhs1，临界转角的最大值记为θhs2，则临界转角θhs的变化区间为[θhs1，θhs2]；

3.5)由方向盘等效转向阻力矩曲面图，固定转角为θ1、θ2、θ3……θm，得到m条方向盘等效转向阻力矩随着车速的变化曲线图：

fr＝f(θi,v)(i＝1、2、3……m)

3.6)对fr进行二阶求导得到f”r，f”r为零的点即为方向盘等效阻力矩变化率突变的点，对应的车速即为临界车速，得到m个临界车速的值；临界车速的最小值记为vs1，临界车速的最大值记为vs2，则临界车速vs的变化区间为[vs1，vs2]。

进一步的，上述步骤4)中，输入变量和输出变量的模糊子集的定义及论域确定方法是：

4.1)输入信号pe的模糊子集定义为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[p1,p2]；

4.2)输入信号soc的模糊子集定义为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[a,1]；

4.3)输出信号vs的模糊子集定义为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[vs1,vs2]；

4.4)输入信号θhs的模糊子集定义为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[θhs1,θhs2]；其中，上述nb表示极小，nm表示很小，ns表示较小，zo表示中等，ps表示较大，pm表示很大，pb表示极大。

进一步的，上述步骤5)中，模糊控制器的规则库地制定原则如下：

5.1)整车电器功率pe较高时，增加临界车速vs的值，减小临界转角θhs的值；

5.2)整车电器功率pe较低时，减小临界车速vs的值，增加临界转角θhs的值；

5.3)超级电容soc较高时，增加临界车速vs的值，减小临界转角θhs的值；

5.4)超级电容soc较低时，减小临界车速vs的值，增加临界转角θhs的值。

进一步的，上述步骤6)中，确定实时切换阈值的方法包括如下步骤，其中实时切换阈值包括临界车速vs和临界转角θhs：

6.1)采集的整车电器实时功率pe和超级电容的soc，并对采集到的值进行模糊化处理；

6.2)将模糊化后的整车电器实时功率pe和超级电容的soc输入到模糊控制器，根据既定的模糊规则进行推理，得到模糊控制器的输出值；

6.3)对模糊控制器的输出值进行反模糊化，便得到实时的临界车速vs和实时临界转角θhs。

进一步的，上述步骤7)中，复合电源eps系统工作模式的确定方法是：当检测到车辆速度高于临界车速vs时，复合电源eps系统处于整车电源工作模式；当检测到车辆速度不超过临界车速vs，同时方向盘转角高于临界转角θhs时，复合电源eps系统处于复合电源工作模式。

进一步的，本发明还提供一种基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换装置，其特征在于包括包括转矩/转角传感器、控制器、整车电源、dc-dc、超级电容、电机和循环球转向器；所述转矩/转角传感器用于采集方向盘转矩转角信号，并传送到控制器；所述控制器用于接收转矩/转角信号，同时接收车速信号，按照预设的策略控制电源输出合适的电流到电机；所述整车电源用于为车辆电器负载提供电能，在控制器的控制下输出合适的电流到电机；所述dc-dc用于接收控制器的信号，控制超级电容的充放电；所述超级电容用于储存和释放电能，受控于dc-dc；所述电机用于接受电源系统输送来的电流，输出对应的助力转矩到循环球转向器；所述循环球转向器用于接受驾驶员通过方向盘输入的转矩和电机提供的力矩，推动车辆轮胎的转动，实现转向；所述转矩/转角传感器安装于转向管柱上，转向管柱的顶端连接方向盘，转向管柱底端连接循环球转向器；所述控制器通过信号线与转矩/转角传感器和dc-dc相连，同时也通过电源线与整车电源、dc-dc和电机相连；所述超级电容通过电源线与dc-dc相连；所述电机与控制器通过电源线相连后通过齿轮机构与循环球转向器连接；所述循环球转向器与转向管柱和电机通过齿轮机构连接后，又通过铰链机构和车轮连接。

与现有技术相比，本发明采用复合电源作为eps的动力源，解决了整车电源功率不足的问题；对于复合电源的两种供电模式，制定了相应的切换条件，并对切换阈值进行了动态调整，使整车电流高效的流动，减少能量转化的中间过程，从而提高整车能量利用率。

附图说明

图1为基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换装置系统示意图。

图2为基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换方法控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

图1所示为基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换装置系统示意图，包括转矩/转角传感器、控制器、整车电源、dc-dc、超级电容、电机和循环球转向器。其中：转矩/转角传感器用于采集方向盘转矩转角信号，并传送到控制器；控制器用于接收转矩/转角信号，同时接收车速信号，按照预设的策略控制电源输出合适的电流到电机；整车电源用于为车辆电器负载提供电能，在控制器的控制下输出合适的电流到电机；dc-dc用于接收控制器的信号，控制超级电容的充放电；超级电容用于储存和释放电能，受控于dc-dc；电机用于接受电源系统输送来的电流，输出对应的助力转矩到循环球转向器；循环球转向器用于接受驾驶员通过方向盘输入的转矩和电机提供的力矩，推动车辆轮胎的转动，实现转向。

转矩/转角传感器安装于转向管柱上，转向管柱的顶端连接方向盘，转向管柱底端连接循环球转向器；控制器通过信号线与转矩/转角传感器和dc-dc相连，同时也通过电源线与整车电源、dc-dc和电机相连；超级电容通过电源线与dc-dc相连；电机与控制器通过电源线相连后，又通过齿轮机构与循环球转向器连接；循环球转向器与转向管柱和电机通过齿轮机构连接后，又通过铰链机构和车轮连接。

图2所示为基于动态切换阈值的复合电源eps多模式切换方法控制流程图，包括如下步骤：

1)统计整车电器负载功率pe的波动范围，包括如下步骤：

1.1)对车辆进行一个典型工况的行驶试验，利用电压传感器和电流传感器测量除电机和超级电容外，车辆其他电器负载支路的电压信号ui(t)和电流信号ii(t)，其中，i表示第i个电器负载支路，t表示时间；

1.1)计算各个电器负载支路的功率pi(t)，计算公式如下：

pi(t)＝ui(t)×ii(t)

1.1)1.3)对各个电器负载支路的功率pi(t)进行求和，得到车辆电器负载总功率pe的时间函数，计算公式如下：

其中，k表示电器负载支路的个数；

1.4)在车辆电器负载总的功率pe的时间函数中，电器负载功率的最小值记为p1，最大值记为p2，整车电器负载功率pe的波动范围为[p1,p2]；

2)设定超级电容充放电过程中soc的高效工作区间，由于超级电容储存的能量与其soc的平方成正比，随着soc的下降而大幅度降低，为保证超级电容的高效工作，设定超级电容soc高效工作区间为[a,1]；具体实施中，选取电量剩余25％为下限值，因此设定超级电容高效区间的最低值a为0.5；

3)计算临界车速vs和临界转角θhs的变化区间，具体方法如下：

3.1)对车辆进行n个行驶工况的试验，利用测力方向盘记录方向盘等效转向阻力矩fr和方向盘转角θh，利用激光测速仪测量车速v，并将试验数据记录在相同的时间t坐标轴下，得到n组不同时刻t对应的三维点数据(fr、θh、v)；

3.2)以方向盘转角θh为x轴，车速v为y轴，方向盘等效转向阻力矩fr为z轴，建立三维坐标系；以试验记录的n组不同时刻t对应的三维点数据(fr、θh、v)为数据库，在三维坐标系下绘制点集，并由点集绘制得到方向盘等效转向阻力矩随着汽车车速和方向盘转角的变化曲面图；

3.3)由方向盘等效转向阻力矩曲面图，固定车速为v1、v2、v3……vn(单位为km/h)，得到n条方向盘等效转向阻力矩随着方向盘转角的变化曲线：

fr＝f(θh,vi)(i＝1、2、3……n)

3.4)对fr进行二阶求导得到f”r，f”r为零的点即为方向盘等效阻力矩变化率突变的点，其对应的方向盘转角即为临界转角，得到n个临界转角的值；临界转角的最小值记为θhs1，临界转角的最大值记为θhs2，则临界转角θhs的变化区间为[θhs1，θhs2]；

具体实施中固定车速为2km/h、3km/h、4km/h……25km/h，得到24条方向盘等效转向阻力矩随着方向盘转角的变化曲线图，通过二阶求导得到24个临界转角的值，其中最小值设为θhs1，最大值设为θhs2；

3.5)由方向盘等效转向阻力矩曲面图，固定转角为θ1、θ2、θ3……θm(单位为°)，得到m条方向盘等效转向阻力矩随着车速的变化曲线图：

fr＝f(θi,v)(i＝1、2、3……m)

3.6)对fr进行二阶求导得到f”r，f”r为零的点即为方向盘等效阻力矩变化率突变的点，对应的车速即为临界车速，得到m个临界车速的值；临界车速的最小值记为vs1，临界车速的最大值记为vs2，则临界车速vs的变化区间为[vs1，vs2]；

具体实施中固定转角为90°、100°、110°……540°，得到46条方向盘等效转向阻力矩随着车速的变化曲线图，通过二阶求导得到46个临界车速的值，其中最小值设为vs1，最大值设为vs2；

4)定义输入变量和输出变量的模糊子集并确定论域；其中，输入变量为整车电器功率pe和超级电容soc，输出变量为临界车速vs和临界转角θhs，包括如下步骤：

4.1)选择三角形隶属函数，对于输入信号pe的模糊子集为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[p1,p2]，其中nb表示极小，nm表示很小，ns表示较小，zo表示中等，ps表示较大，pm表示很大，pb表示极大；对于输入信号soc的模糊子集为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[a,1]，其中，nb表示极小，nm表示很小，ns表示较小，zo表示中等，ps表示较大，pm表示很大，pb表示极大；

4.2)选择三角形隶属函数，对于输出信号vs的模糊子集为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[vs1,vs2]，其中，nb表示极小，nm表示很小，ns表示较小，zo表示中等，ps表示较大，pm表示很大，pb表示极大；对于输入信号θhs的模糊子集为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，论域为[θhs1,θhs2]；其中，nb表示极小，nm表示很小，ns表示较小，zo表示中等，ps表示较大，pm表示很大，pb表示极大；

5)以能量最优流向为原则制定模糊控制器的规则库；

5.1)整车电器功率pe较高时，整车电源可提供给电机的功率就较低，此时应当扩大复合电源模式的工作区间，即增加临界车速vs的值；整车电器功率pe较低时，整车电源可提供给电机的功率就较高，此时应当缩小复合电源模式的工作区间，即减小临界车速vs的值；超级电容soc较高时，超级电容可提供给电机的能量较多，此时应当扩大复合电源模式的工作区间，即增加临界车速vs的值；超级电容soc较低时，超级电容可提供给电机的能量较少，此时应当缩小复合电源模式的工作区间，即减小临界车速vs的值。本项目以此为原则，建立临界车速vs的模糊规则库。具体实施中临界车速vs的模糊规则库如下：

5.2)整车电器功率pe较高时，整车电源可提供给电机的功率就较低，此时应当扩大复合电源模式的工作区间，即减小临界转角θhs的值；整车电器功率pe较低时，整车电源可提供给电机的功率就较高，此时应当缩小复合电源模式的工作区间，即增加临界转角θhs的值；超级电容soc较高时，超级电容可提供给电机的能量较多，此时应当扩大复合电源模式的工作区间，即减小临界转角θhs的值；超级电容soc较低时，超级电容可提供给电机的能量较少，此时应当缩小复合电源模式的工作区间，即增加临界转角θhs的值。本项目以此为原则，建立临界转角θhs的模糊规则库。具体实施中临界转角θhs的模糊规则库如下：

6)以实时采集的整车电器功率pe和超级电容soc作为输入，进行模糊决策，得到临界车速vs和临界转角θhs，即实时的切换阈值。

6.1)采集的整车电器实时功率pe和超级电容的soc，将两者作为输入变量输送到模糊控制器，模糊控制器对输入值进行模糊化处理；

6.2)模糊控制器根据模糊化后的输入值，根据指定的模糊规则进行推理，得到模糊控制器的输出值；

6.3)模糊控制器对输出值进行反模糊化，便得到实时的切换阈值，包括实时的临界车速vs和实时临界转角θhs。

7)通过控制器判定复合电源eps系统的工作模式，并进行对应的模式切换，推动循环球转向器工作；

7.1)驾驶员操纵方向盘时，通过方向盘上的转矩/转角传感器采集方向盘转角信号θh，通过控制器采集车速信号v；；

7.2)当检测到车速v高于临界车速vs时，控制器控制复合电源eps系统处于整车电源工作模式，此时整车电源单独为电机供电；当检测到车速v不超过临界车速vs，同时方向盘转角θh高于临界转角θhs时，控制器控制复合电源eps系统处于复合电源工作模式，此时超级电容通过dc-dc与整车电源一起为电机供电。

7.3)接受到电源系统提供的电能后，电机会输出对应的扭矩至循环球转向器；循环球转向器接受电机输入的扭矩，同时也接受驾驶员通过方向盘输入的扭矩，在两者的共同作用下推动车辆轮胎转动，达到使转向的目的。