基于SOC的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法与流程

本发明涉及eps的助力特性曲线，确切地说是基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法。

背景技术：

eps的助力特性曲线是指电动机的助力电流与方向盘输入扭矩、车辆行驶速度、前轮气压、前轴轴重等参数之间的关系，一般情况下考虑方向盘输入扭矩、车辆行驶速度这两个主要参数即可满足控制要求。

eps的助力特性曲线是eps软件系统的关键技术。助力特性曲线决定了控制器(ecu)按照什么样的目标去控制助力电流的大小，去满足不同行驶工况下对助力扭矩的要求。基本的助力特性曲线大致分为：直线型、折线型、曲线型。

基本的助力特性曲线能够基本满足设计需求，但助力的实际效果较差，于是，出现对助力特性曲线的改进设计，其中，具有参数可调式的曲线型助力特性曲线设计，通过设定的参数对曲线型助力特性曲线进行形状的变化，能够使曲线随时可变。具有双斜率平滑助力曲线，可以根据小助力区和大助力区的不同手感要求对曲线参数进行独立标定，具有助力平顺、参数功能独立、易于调试的优点，能更好地满足驾驶员在转向手感方面的期望。

以上设计仅仅从曲线本身出发，没有考虑电池电量对于车辆助力产生的影响，在手力矩变化较大以及手力矩较大时，电池很有可能无法提供满足要求的eps电流，eps系统会突然断电，转向助力系统会瞬间不起作用，严重影响驾驶安全。

申请号为200810202069.7的中国专利，公开了“具有参数独立可调式曲线型助力特性的电动助力转向系统”；其存在参数调整使曲线设计周期长，同时，无法联系车辆的实际情况，从而根据车辆的实际情况进行曲线调整。

申请号为201010600546.2的中国专利，公开了“具有双斜率平滑助力曲线的电动助力转向系统，”其存在折线分段进行双斜率平滑处理的过程中无法保证助力曲线的实际应用效果，即是否能保证电池电量的持续供给等。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，该方法考虑电池电量对于车辆助力产生的影响，能够在手力矩变化较大以及手力矩较大时，电池能提供满足要求的eps电流，eps系统不会突然断电，从而保证转向助力系统正常发挥作用，保证驾驶安全。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，所述的助力特性曲线的设计考虑电池soc的情况，在曲线设计过程中在原曲线型助力特性曲线的基础上进行平滑处理，同时给eps系统所需电流进行约束来保证电池即使在低电量的情况下也能够有稳定持续的电流输出，保证eps整个助力过程的实现，曲线设计包括以下步骤：

步骤1)对电池的soc进行估计；

步骤2)对soc<40％的情况，对应于曲线形助力特性曲线进行加权移动平均法平滑处理，改善曲线型助力曲线的变化率，从而稳定电池的电流输出；

步骤3)对soc>40％的情况，对曲线型助力特性曲线进行简单移动平均法平滑处理；

步骤4)对利用手力矩计算目标电流过程中：

ia＝ζtd(1)

其中，的比例关系ζ进行变化处理，λ为变换系数，确定一定车速下的一助力曲线；

步骤5)对于不同阶段不同车速下，通过关于速度的相关项得到不同车速下的完整助力特性曲线，即：

i＝e^-av·ζtd；(2)

其中，i为各车速情况下的目标电流，e^-av为包含速度的矫正系数。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

在对助力特性曲线进行设计时，考虑了soc的情况，尤其是在手力矩变化较大以及大手力矩的情况下，改变助力曲线的变化率，控制eps的电流在电池供电范围之内。可以通过综合利用电流积分法、开路电压法、电池内阻法等方法观测soc数值，根据soc数值大小对原曲线型助力特性曲线进行分情况处理，对soc<40％的情况对原曲线型助力特性曲线进行加权移动平均法进行平滑处理，对soc>40％的情况就分别进行简单移动平均法平滑处理。同时对eps的需求电流进行约束，保证电池对eps电流的持续供应，从而是助力转向系统持续发挥作用。

本专利在曲线设计时考虑了电池的剩余电量，同时，曲线的设计是在原曲线型助力特性曲线的基础上，在满足实际应用的情况下，能够更好的实现目标电流的计算，保证实际跟踪电流的稳定输出。本专利在设计助力曲线的过程中一方面是在曲线型助力曲线的基础上进行的平滑处理，效果更为良好；另一方面，本专利是在考虑电池电量的基础上进行的设计，能够保证电池电流的持续供给，同时，在进行目标电流的计算过程中，对因手力矩产生的目标电流进行了一定的优化限制，能够进一步保证电池的电流的稳定。

进一步的优选技术方案如下：

所述的基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，骤1)对电池的soc进行估计是综合利用电流积分法、开路电压法、电池内阻法进行电池荷电状态估计；电池的实际容量采用电池完整充电过程修正后的电流安时积分，使用过程中的soc估计分为两个部分，一个是放电过程soc，一个是充电过程soc；放电过程中，根据当前荷电状态，在电池内阻曲线中读取充电内阻rc，根据充电电流计算当前电池内芯电压voc；根据充电关系可得：

voc＝vc-rc×ic(3)

把计算出来的voc带入修正的soc-voc曲线，可以得到开路soc估计值，记作sococ；而此时的安时积分方法计算出的soc值如下：

根据sococ和socat综合估计电池负荷状态，采用如下方程：

socc＝η1×sococ+η2×socat(5)

式中，η1和η2为修正系数，根据锂离子电池特征，电池在10％～90％容量区间，电压变化很小，可以根据不同电池的特性，灵活设置修正系数，设定在电池容量10％～90％区间，设置安时积分占主导地位，η1为0.2，η2为0.8；电池容量<10％和>90％时，开路电压估算占主导地位，设置η1为0.8，η2为0.2；

放电过程同理根据上述数据，计算出开路负荷状态sococ和安时积分计算出的负荷状态socat，修正后的电池负荷状态如下：

socd＝η3×sococ+η4×socat(6)

所述的基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，所述的步骤2)曲线形助力特性曲线的函数为：

其中，f(v)为不同速度对应的助力曲线系，f(v)为车速v的函数，v越快，f(v)越小，取v的指数递减函数，g(td)为不同方向盘扭矩输入时的助力曲线，为增函数，即方向盘的输入扭矩越大，为了转向轻便，助力扭矩也必须越大。

所述的基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，步骤2)对应于曲线形助力特性曲线进行加权移动平均法平滑处理，加权移动平均法的计算公式如下：

ft＝w1a1+w2a2+w3a3+…+wnan(8)

式中，w1--第1点实际值的权重；w2--第2点实际值的权重；wn--第n点实际值的权重；

n--预测的值数；w1+w2+…+wn＝1。

移动平均法是一种简单平滑预测技术，它的基本思想是：根据时间序列资料、逐项推移，依次计算包含一定项数的序时平均值，以反映长期趋势的方法。因此，当时间序列的数值由于受周期变动和随机波动的影响，起伏较大，不易显示出发展趋势时，使用移动平均法可以消除这些因素的影响，显示出事件的发展方向与趋势(即趋势线)，然后依趋势线分析预测序列的长期趋势。

所述的基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，所述的步骤3)对soc>40％的情况，对曲线型助力特性曲线进行简单移动平均法平滑处理；简单移动平均的各元素的权重都相等，简单的移动平均的计算公式如下：

ft＝(a1+a2+a3+…+an)/n(9)

式中，ft--对下一点的预测值；n--移动平均的点个数；a1--前一点实际值；a2，a3和an分别表示前两点、前三点直至前n点的实际值。

附图说明

图1是现有技术的曲线形助力特性曲线。

图2是本发明soc<40％情况下的助力特性曲线。

图3是本发明soc>40％情况下的助力特性曲线。

图4是本发明的基于soc的助力特性曲线设计流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1可知，现有技术的基本的曲线型助力特性曲线能够基本满足设计需求，但助力的实际效果较差，尤其是在手力矩迅速增大的时候。于是，出现对助力特性曲线的改进设计，其中，具有参数可调式的曲线型助力特性曲线设计，通过设定的参数对曲线型助力特性曲线进行形状的变化，能够使曲线随时可变。具有双斜率平滑助力曲线，可以根据小助力区和大助力区的不同手感要求对曲线参数进行独立标定，具有助力平顺、参数功能独立、易于调试的优点，能更好地满足驾驶员在转向手感方面的期望。以上设计仅仅从曲线本身出发，没有考虑电池电量对于车辆助力产生的影响，在手力矩变化较大以及手力矩较大时，电池很有可能无法提供满足要求的eps电流，eps系统会突然断电，转向助力系统会瞬间不起作用，严重影响驾驶安全。

参见图2、图3、图4可知，本发明的一种基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，助力特性曲线的设计考虑电池soc的情况，在曲线设计过程中在原曲线型助力特性曲线的基础上进行平滑处理，同时给eps系统所需电流进行约束来保证电池即使在低电量的情况下也能够有稳定持续的电流输出，保证eps整个助力过程的实现，曲线设计包括以下步骤：

步骤1)对电池的soc进行估计；

步骤2)对soc<40％的情况，对应于曲线形助力特性曲线进行加权移动平均法平滑处理，改善曲线型助力曲线的变化率，从而稳定电池的电流输出；

步骤3)对soc>40％的情况，对曲线型助力特性曲线进行简单移动平均法平滑处理；

步骤4)对利用手力矩计算目标电流过程中：

ia＝ζtd(10)

其中，的比例关系ζ进行变化处理，λ为变换系数，确定一定车速下的一助力曲线；在将转矩传感器测量的手力矩大小换算成目标电流时，通过改变换算系数可以平缓助力特性曲线，使目标电流值始终保持在电池的放电电流范围内，即可以使曲线产生横向拉长的效果。

步骤5)对于不同阶段不同车速下，通过关于速度的相关项e^-av得到不同车速下的完整助力特性曲线，即：

i＝e^-av·ζtd；(11)

其中，i为各车速情况下的目标电流，为包含速度的矫正系数。

基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，步骤1)对电池的soc进行估计是综合利用电流积分法、开路电压法、电池内阻法进行电池荷电状态估计；电池的实际容量采用电池完整充电过程修正后的电流安时积分，使用过程中的soc估计分为两个部分，一个是放电过程soc，一个是充电过程soc；放电过程中，根据当前荷电状态，在电池内阻曲线中读取充电内阻rc，根据充电电流计算当前电池内芯电压voc；根据充电关系可得：

voc＝vc-rc×ic(12)

把计算出来的voc带入修正的soc-voc曲线，可以得到开路soc估计值，记作sococ；而此时的安时积分方法计算出的soc值如下：

根据sococ和socat综合估计电池负荷状态，采用如下方程：

socc＝η1×sococ+η2×socat(14)

式中，η1和η2为修正系数，根据锂离子电池特征，电池在10％～90％容量区间，电压变化很小，可以根据不同电池的特性，灵活设置修正系数，设定在电池容量10％～90％区间，设置安时积分占主导地位，η1为0.2，η2为0.8；电池容量<10％和>90％时，开路电压估算占主导地位，设置η1为0.8，η2为0.2；

放电过程同理根据上述数据，计算出开路负荷状态sococ和安时积分计算出的负荷状态socat，修正后的电池负荷状态如下：

socd＝η3×sococ+η4×socat(15)

基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，所述的步骤2)曲线形助力特性曲线的函数为：

其中，f(v)为不同速度对应的助力曲线系，f(v)为车速v的函数，v越快，f(v)越小，取v的指数递减函数，g(td)为不同方向盘扭矩输入时的助力曲线，为增函数，即方向盘的输入扭矩越大，为了转向轻便，助力扭矩也必须越大。

基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，步骤2)对soc<40％的情况，对应于曲线形助力特性曲线进行加权移动平均法平滑处理，加权移动平均法的计算公式如下：

ft＝w1a1+w2a2+w3a3+…+wnan(17)

式中，w1--第1点实际值的权重；w2--第2点实际值的权重；wn--第n点实际值的权重；

n--预测的值数；w1+w2+…+wn＝1。选取n个点at-1，at-2，at-3……，得到一系列的点(x1，y1)，(x2，y2)(x3，y3)……取初始值为t1，将所取各点依次代入：ft＝w1a1+w2a2+w3a3+…+wnan；得到in＝w1t1+w2t2+w3t3+…+wntn。

基于soc的汽车电动助力转向系统的助力特性曲线设计方法，步骤3)对soc>40％的情况，对曲线型助力特性曲线进行简单移动平均法平滑处理；简单移动平均的各元素的权重都相等，简单的移动平均的计算公式如下：

ft＝(a1+a2+a3+…+an)/n(18)

式中，ft--对下一点的预测值；n--移动平均的点个数；a1--前一点实际值；a2，a3和an分别表示前两点、前三点直至前n点的实际值。

取n个点a1，a2，a3……，得到一系列的点(x1，y1)，(x2，y2)(x3，y3)……取初始值为t1，将所取各点依次代入：ft＝(a1+a2+a3+…an)/n；得到in＝(t1+t2+t3+…tn)/n。

结合图4可知，本实施例对电池soc的估计、根据电池soc的值进行分类平滑处理、利用手力矩计算目标电流过程对比例关系ζ进行变化处理、对全车速下的曲线进行处理。其中，电池soc的估计综合利用电流积分法、开路电压法、电池内阻法等方法，有效保证soc的估计的精度；根据电池soc的值进行分类平滑处理，分别考虑soc<40％以及soc>40％的情况，对原曲线型助力特性曲线分别进行平滑处理。

对比图1、图2、图3可知，在对助力特性曲线进行设计时，考虑了soc的情况，尤其是在手力矩变化较大以及大手力矩的情况下，改变助力曲线的变化率，控制eps的电流在电池供电范围之内。可以通过综合利用电流积分法、开路电压法、电池内阻法等方法观测soc数值，根据soc数值大小对原曲线型助力特性曲线进行分情况处理，对soc<40％的情况对原曲线型助力特性曲线进行加权移动平均法进行平滑处理，对soc>40％的情况就分别进行简单移动平均法平滑处理。同时对eps的需求电流进行约束，保证电池对eps电流的持续供应，从而是助力转向系统持续发挥作用。

本实施例的有益效果在于：在曲线设计时考虑了电池的剩余电量，同时，曲线的设计是在原曲线型助力特性曲线的基础上，在满足实际应用的情况下，能够更好的实现目标电流的计算，保证实际跟踪电流的稳定输出。本专利在设计助力曲线的过程中一方面是在曲线型助力曲线的基础上进行的平滑处理，效果更为良好；另一方面，本专利使在考虑电池电量的基础上进行的设计，能够保证电池电流的持续供给，同时，在进行目标电流的计算过程中，对因手力矩产生的目标电流进行了一定的优化限制，能够进一步保证电池的电流的稳定。

由于以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护不限于此，任何本技术领域的技术人员所能想到本技术方案技术特征的等同的变化或替代，都涵盖在本发明的保护范围之内。