一种下坡控制系统及方法与流程

本发明属于电动车控制领域，更具体地，涉及一种电动车的下坡控制系统及方法。

背景技术：

传统汽车借助于发动机制动及机械主动制动系统或电子稳定性控制系统(esp)实现下坡缓降功能，通过系统设定车速上限以便驾驶者能从容控制车辆。但是由于传统车设定的期望车速为固定值，即在不同坡度的坡道上均为该固定值，缺乏自适应性。

在电动车中通常通过坡度传感器、惯性测量单元检测坡度，一旦下坡辅助系统(hdc)开启，优先通过电机主制动、机械主动制动系统辅助制动，既能实现下坡辅助功能又能回收一定的制动能量。

同时，机械传动系统除了传动效率低、控制精度差以外，也没有充分考虑到车辆正常下坡行驶及制动过程中，由于车辆转弯时车身侧倾及左右路面附着系数不同时左右车轮制动力不平衡，进而发生横移侧滑、左右车轮制动抱死的潜在危险工况，一旦潜在危险工况出现，机械主动制动系统无法准确识别危险，无法做出正确的增扭、减扭的操作，除了影响舒适性以外，还有可能会造成车辆侧翻、制动跑偏、失去转向能力等更严重的后果。如专利文献cn104442763a以及cn204323312u。同时现有汽车包括新能源汽车，下坡辅助系统借助于惯性测量单元或坡度传感器检测坡度，属于新增的结构件，增加了系统成本。而目前已有evb(电子真空助力器)产品虽然同样能够实现主动制动，然而这些产品是传统制动机构的升级版，同样无法避免上述提到的缺点。

现有技术的电子稳定性控制系统通过对车轮制动力矩的增、减来保证车辆不失稳、车轮不打滑。当车辆出现危险状况时，如果esp系统按照esp自己逻辑计算的指令执行，车辆自然不会出现危险，然而一旦电机此时对车轮继续制动，就相当于esp指令减扭矩时减扭矩不足、增扭矩时增扭矩过大，从而对车辆的操作造成一定的危险。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种下坡控制系统，其目的在于通过解耦模块实现主动制动，从而提高了车辆的安全性及稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种下坡控制系统，包括信号输入模块、坡度模块、下坡辅助模块、稳定辅助模块以及解耦模块；

所述信号输入模块的第一输出端连接下坡辅助模块的第一输入端，第二输出端连接稳定辅助模块的输入端，第三输出端连接坡度模块的输入端，所述坡度模块的输出端连接所述下坡辅助模块的第二输入端，所述下坡辅助模块的输出端连接解耦模块的输入端，所述稳定辅助模块的交互端连接解耦模块的交互端；

所述信号输入模块用于获得车辆动态信息，所述坡度模块用于根据所述车辆动态信息，获得当前坡度信息；所述下坡辅助模块用于根据车辆动态信息以及当前坡度信息，获得再生制动扭矩tm，同时根据所述车辆动态信息以及当前坡度信息，判断车辆是否符合下坡辅助条件，并在第一判断结果为是时，获得下坡驱动扭矩ts，所述稳定辅助模块用于判断车辆是否处于危险状态，并在第二判断结果为是时，获得稳定驱动扭矩tw，所述耦合模块用于根据第一判断结果、第二判断结果、再生制动扭矩tm、下坡驱动扭矩ts以及稳定驱动扭矩tw，获得当前驱动扭矩。

优选地，所述车辆动态信息包括整车质量、当前速度、踏板开度以及油门开度。

作为进一步优选地，所述坡度模块包括动力单元、阻力单元以及角度单元，所述动力单元的输入端作为所述坡度模块的第一输入端，输出端连接角度单元的第一输入端，阻力单元的输入端作为所述坡度模块的第二输入端，输出端连接角度单元的第二输入端，所述角度单元的第三输入端作为所述坡度模块的第三输入端，输出端作为所述坡度模块的输出端；

所述动力单元用于根据油门开度以及踏板开度，获得电机驱动力ft以及制动力fb，所述阻力单元用于根据当前速度，获得滚动阻力ff以及风阻fw，所述角度单元用于根据电机驱动力ft、制动力fb、滚动阻力ff、风阻fw以及整车质量m，获得道路坡度а。

优选地，所述车辆动态信息包括电机转速、电池剩余电量、设定速度、当前加速度、档位信号、横摆角速度、质心侧偏角以及车轮滑移率。

优选地，所述下坡控制系统还包括第一驱动器以及第二驱动器，所述解耦模块的输出端连接第一驱动器，所述稳定辅助模块的输出端连接第二驱动器；

所述当前驱动扭矩包括第一驱动扭矩t1以及第二驱动扭矩t2，所述第一驱动器用于根据第一驱动扭矩t1驱动，所述第二驱动器用于根据第二驱动扭矩t2驱动。

按照本发明的一个方面，还提供了一种用于上述下坡控制系统的坡度模块，包括动力单元、阻力单元以及角度单元，所述动力单元的输出端连接角度单元的第一输入端，所述阻力单元的输出端连接角度单元的第二输入端；

所述动力单元用于获得电机驱动力ft以及制动力fb，所述阻力单元用于获得滚动阻力ff以及风阻fw，所述角度单元用于根据电机驱动力ft、制动力fb、滚动阻力ff、风阻fw以及整车质量m，获得道路坡度а。

按照本发明的一个方面，还提供了一种包括上述下坡控制系统的电动车。

按照本发明的一个方面，还提供了一种利用上述下坡控制系统的控制方法，包括以下步骤：

s1.信号输入模块获得车辆动态信息，所述车辆动态信息包括整车质量、设定速度、当前速度、当前加速度、踏板开度、油门开度、档位信号、横摆角速度、质心侧偏角以及车轮滑移率；坡度模块根据车辆动态信息，获得道路坡度а；

下坡辅助模块获得当前车辆状态下，电机的最大驱动扭矩tm；

稳定辅助模块根据车辆动态信息，判断当前是否存在危险状态，是则转换为主动制动模式，进入步骤s2，否则进入步骤s3；

s2.稳定辅助模块根据车辆动态信息，获得稳定驱动扭矩tw，如果tw＜tm，令第一驱动扭矩t1＝tw，第二驱动扭矩t2＝0，进入步骤s5，否则第一驱动扭矩t1＝tm，第二驱动扭矩t2＝tw－tm，进入步骤s5；

s3.下坡辅助模块判断是否满足下坡辅助条件，是则下坡辅助模块根据车辆动态信息以及道路坡度а，获得下坡驱动扭矩ts，进入步骤s4；否则返回步骤s1；

s4.如果下坡驱动扭矩ts＜tm，则耦合模块获得第二驱动扭矩t2＝0，第一驱动扭矩t1＝ts，否则获得第二驱动扭矩t2＝ts－tm，第一驱动扭矩t1＝tm，进入步骤s5；

s5.解耦模块发出第一驱动扭矩信号t1以及第二驱动扭矩信号t2，第一驱动器根据第一驱动扭矩t1驱动，所述稳定辅助模块将第二驱动扭矩信号t2输出，第二驱动器根据第二驱动扭矩t2驱动，返回步骤s1。

优选地，所述步骤s1中获得道路坡度а的方法具体为：根据油门开度以及踏板开度，获得电机驱动力ft以及制动力fb，根据当前速度，获得滚动阻力ff以及风阻fw，根据电机驱动力ft、制动力fb、滚动阻力ff、风阻fw以及整车质量m，获得道路坡度α＝arcsin[(ma-ft+ff+fw+fb)/mg]，其中，g为重力加速度。

优选地，所述步骤s1中判断当前是否存在危险状态的标准为：车轮滑移率超过滑移率阈值、横摆角速度超过角速度阈值、或质心侧偏角超过侧偏角阈值。

作为进一步优选地，滑移率阈值为8％～12％，角速度阈值为80度/秒～110度/秒，侧偏角阈值为8度/秒～14度/秒。

优选地，所述步骤s3中判断是否满足下坡辅助条件的标准为：道路坡度а大于坡度阈值ξ，设定速度为标准下坡速度，档位信号为d档。

作为进一步优选地，所述标准下坡速度为8km/h～12km/h，所述坡度阈值ξ为4°～6°。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有下列有益效果。

1、通过在电机及稳定辅助系统之间增加解耦模块，根据当前是否存在危险状态以及是否满足下坡辅助条件，分配第一驱动扭矩和第二驱动扭矩，解决了由于下坡辅助模块的存在，使得稳定辅助模块发出的稳定驱动扭矩tw无法正确执行，进而出现车辆失稳的危险情况，从而在电机制动时保持了车辆的操纵稳定性及整车制动安全性；

2、坡度模块可以直接利用现有的信号输入模块计算坡道坡度，从而减少了额外的坡度传感器或惯性测量单元的投入，从而节约了成本；

3、下坡辅助模块可整体集成在整车控制器(vcu)中，使得下坡辅助控制(hdc)功能成为整车控制器(vcu)模块的一部分，节约了产生成本。

附图说明

图1是本发明下坡控制系统结构示意图；

图2是本发明坡度模块结构示意图；

图3是实施例1下坡控制系统结构示意图；

图4是实施例1下坡控制系统的控制方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下坡辅助系统(hdc)基本原理如下：汽车下坡时，通过设置期望的速度(目前量产车型期望车速设置在8～12km/h左右)，在实际车速超过期望的车速时主动制动，使车速维持在期望的车速范围内，把驾驶员从频繁的踩制动踏板中解放出来，从而提高了驾驶舒适性。

本发明提供了一种用于电动车的下坡控制系统，包括信号输入模块、坡度模块、下坡辅助模块、稳定辅助模块、解耦模块、第一驱动器以及第二驱动器，如图1所示；

所述信号输入模块的第一输出端连接下坡辅助模块的第一输入端，第二输出端连接稳定辅助模块的输入端，第三输出端连接坡度模块的输入端，所述坡度模块的输出端连接所述下坡辅助模块的第二输入端，所述下坡辅助模块的输出端连接解耦模块的输入端，所述稳定辅助模块的交互端连接解耦模块的交互端，所述解耦模块的输出端连接第一驱动器，所述稳定辅助模块的输出端连接第二驱动器；其中，第一驱动器为电动车的驱动电机，第二驱动器通常为的电子稳定性控制系统自带的的微型泵；

其中，坡度模块可直接采用坡度传感器或惯性测量单元计算当前坡度信息，但也可以由动力单元、阻力单元以及角度单元组成，直接利用信号输入模块的输出信号计算当前坡度信息，所述动力单元的输入端作为所述坡度模块的第一输入端，输出端连接角度单元的第一输入端，阻力单元的输入端作为所述坡度模块的第二输入端，输出端连接角度单元的第二输入端，所述角度单元的第三输入端作为所述坡度模块的第三输入端，输出端作为所述坡度模块的输出端。

上述下坡控制系统的控制原理如下：

s1.信号输入模块获得车辆动态信息，所述车辆动态信息包括电机转速、电池剩余电量、整车质量、设定速度、当前速度、当前加速度、踏板开度、油门开度、档位信号、横摆角速度、质心侧偏角以及车轮滑移率；

动力单元根据油门开度以及踏板开度，阻力单元获得电机驱动力ft以及制动力fb，根据当前速度，获得滚动阻力ff以及风阻fw，角度单元根据电机驱动力ft、制动力fb、滚动阻力ff、风阻fw以及整车质量m，获得道路坡度α＝arcsin[(ma-ft+ff+fw+fb)/mg]，其中，g为重力加速度；最终坡度模块获得道路坡度а；

下坡辅助模块根据电机转速、电池剩余电量以及电机充电效率，获得最大驱动扭矩tm；

稳定辅助模块根据车辆动态信息(如车轮滑移率是否超过滑移率阈值8％～12％、横摆角速度是否超过角速度阈值80度/秒～110度/秒、或质心侧偏角是否超过侧偏角阈值8度/秒～14度/秒)，判断当前是否存在危险状态，是则转换为主动制动模式，进入步骤s2，否则进入步骤s3；

s2.稳定辅助模块根据车辆动态信息，获得稳定驱动扭矩tw，如果tw＜tm，令第一驱动扭矩t1＝tw，第二驱动扭矩t2＝0，进入步骤s5，否则第一驱动扭矩t1＝tm，第二驱动扭矩t2＝tw－tm，进入步骤s5；

s3.下坡辅助模块根据车辆动态信息(如道路坡度а是否大于坡度阈值ξ4°～6°，设定速度是否为标准下坡速度8km/h～12km/h，档位信号是否为d档)判断是否满足下坡辅助条件，是则下坡辅助模块根据车辆动态信息以及道路坡度а，获得下坡驱动扭矩ts，进入步骤s4；否则返回步骤s1；

s4.如果下坡驱动扭矩ts＜tm，则耦合模块获得第二驱动扭矩t2＝0，第一驱动扭矩t1＝ts，否则获得第二驱动扭矩t2＝ts－tm，第一驱动扭矩t1＝tm，进入步骤s5；

s5.解耦模块发出第一驱动扭矩信号t1以及第二驱动扭矩信号t2，第一驱动器根据第一驱动扭矩t1驱动，所述稳定辅助模块将第二驱动扭矩信号t2输出，第二驱动器根据第二驱动扭矩t2驱动，返回步骤s1。

实施例1

实施例1的下坡辅助系统如图3所示，包括信号输入模块、集成于整车控制器里的下坡辅助系统控制模块、执行机构，所述执行机构包括电子稳定性控制系统，解耦模块以及电机；

信号输入模块主要作用如下：根据采集的信号计算道路坡度。其中，下坡辅助控制系统(hdc)开关操作系统，用于开启下坡辅助功能；坡度信息及档位信号用做下坡辅助系统功能使能判断条件；车速、加速度、油门开度及制动踏板开度用于计算道路坡度；电池管理系统模块发出电池剩余电量(soc)信息，用于计算电机的再生制动扭矩tmotor；滑移率、质心侧偏角、横摆角速度信息作为电子稳定性控制系统的激活条件。

下坡辅助系统控制模块用于根据信号输入模块信息，计算期望的制动扭矩treq以及当前车速下电机所能提供的再生制动扭矩tmotor，同时，在treq大于tmotor时，获得电子稳定性控制系统所需提供的制动扭矩tesp＝treq-tmotor，上述扭矩指令通过can总线发送给电机以及电子稳定性控制系统。

执行机构按接收到的扭矩指令完成制动后，其中电子稳定性控制系统会采集当前车辆的运行状态(滑移率、质心侧偏、横摆角速度)信息，并分析车辆是否满足主动制动条件(即是否会出现上述失稳或是车轮抱死等危险状况)，是则切换至主动制动模式。

所述电子稳定性系统主动制动条件为根据滑移率、质心侧偏、横摆角速度信息计算出保持车辆稳定性所需的制动扭矩tesp’，并把此命令发送给解耦模块。解耦模块根据当前再生制动扭矩tmotor大小、所需的制动扭矩tesp’，获得实际制动扭矩。此过程中解耦模块指令优先于下坡辅助系统控制模块指令。解耦模块计算算法如下：如电子稳定性控制系统(esp)主动激活(切换至主动制动模式)后输出的制动扭矩tesp’，如果驱动车轮抱死，tesp’就等于0，解耦模块就直接执行取消制动扭矩指令，即解耦模块向电机发送0扭矩指令，电机就应该立刻取消制动扭矩；如果tesp’>tmotor>tmotor1；当前电机的实际制动扭矩tmotor1(小于等于tmotor)，就要增加电机的制动扭矩至tmotor，其余的制动扭矩tesp1-tmotor由解耦模块反馈给esp，esp就执行这条扭矩命令。如果tmotor>tesp1>tmotor1，解耦模块向电机发出增扭矩至tesp1，向esp发送0扭矩指令；如果tmotor1>tesp1>0，解耦模块向电机发送等于tesp1扭矩指令，向esp发送0扭矩指令，如图4所示。

整车启动后，根据车辆纵向动力学理论知识，车辆在平行于道路上的纵向受力公式如下：

ma＝ft+mg·sinα-ff-fw-fb(1)

式(1)中：等式右边各项依次为电机驱动力ft、车辆重力沿路面在纵向分力mg·sinа、滚动阻力ff、风阻fw、制动力fb。其中电机驱动力ft、制动力fb可根据油门开度、制动踏板开度实时计算得出；滚动阻力ff及风阻fw是关于当前速度的函数，也可以求出；而当前速度、加速度都是整车控制器实时给出的，因此道路坡度α就等于

α＝arcsin[(ma-ft+ff+fw+fb)/mg](2)

由以上算法，根据油门开度信号、车速信号、制动踏板开度信号、档位信号等，可实时计算出当前路面的坡度。取消了利用惯性测量单元检测道路坡度。

当车辆启动后，道路坡度测量模块根据前述计算算法自动计算道路坡度，当驾驶员在自适应巡航操纵界面下启动下坡辅助系统并设定相应的期望车速后，下坡辅助系统功能模块根据采集的信息判断是否满足下坡辅助系统条件，不满足则提示驾驶员；满足启动条件(坡度大于阈值、期望车速设置在合理区间、档位在d档)后，实时计算道路坡度及请求的制动扭矩treq，根据车速查表得出电机提供的再生制动扭矩tmotor。当treq<tmotor时，全部采用电机制动力实现车辆减速；如treq>tmotor，优先使用电机制动，剩余的制动扭矩由电子稳定性控制系统(esp)提供。在制动过程中，电子稳定性控制系统会实时检测车辆动态信息(车轮滑移率、质心侧偏角、横摆角速度)，如果未出现车轮抱死或车辆失稳的状况，此次流程结束；如果出现车轮抱死、车辆失稳现象，电子稳定性控制系统主动激活，电子稳定性控制系统把计算的扭矩指令传输给解耦模块解耦，由解耦模块做出最终的制动扭矩分配。

本发明的技术发明有优效果如下：

(1)把下坡辅助功能系统作为一个独立的驾驶模式整合在整车控制器中，无需单独的hdc控制单元，节约成本。

(2)手动开启下坡辅助功能按钮：在汽车自适应巡航(acc)功能界面下，开启下坡辅助功能并设置期望的下坡速度，期望的下坡速度是一范围值，受到坡度大小的限制。此项功能开关设计在原有汽车自适应巡航(acc)功能按钮下，无需添加下坡辅助(hdc)开关按钮，无需修改内饰结构。

(3)一旦整车控制器(vcu)接收到下坡辅助(hdc)功能开启命令后，根据坡度信号、档位信号、电池soc、整车故障信息等，判定车辆是否满足进入下坡辅助控制模式的条件。判断条件如下：(判断条件如下：道路坡度值大于阈值5、车辆档位信号为d档、期望车速设定在对应坡度查表计算的范围内，同时满足方可。)即下坡辅助系统(hdc)功能使能自检；

(4)完成下坡辅助(hdc)系统自检后，整车行驶中，当车速超过期望的车速时，把计算的坡度α代回式(1)中，由于驾驶员取消了制动操作，此时制动踏板开度此时为零，式(1)中制动力也为零，若要保持匀速状态(加速度等于0)，则制动力应按下列计算公式计算，计算公式如下

fb＝ft+mg·sinα-ff-fw(3)

则此时请求的制动扭矩treq就等于制动力fb乘以车轮滚动半径。

(5)下坡辅助系统控制模块根据电机转速、电池soc、车速信息实时查表计算出电机所能提供的再生制动扭矩tmotor，当treq<tmotor时，全部采用电机制动力实现车辆减速；如treq>tmotor，优先使用电机制动，剩余的制动扭矩由下坡辅助系统(hdc)向电子稳定性控制系统(esp)发送增扭矩指令，电子稳定性控制系统在直至车速稳定在期望的车速。(查表是依据整车性能、电机性能等标定出的一组车速——扭矩对应的再生制动扭矩tmotor，即车速与电机制动扭矩一一对应。)

(6)由于电机制动与esp制动存在耦合关系，在两者之间建立制动力解耦模块。主要原因在于(参见现有技术缺点第一条)，整车制动过程中，有可能会出现车轮抱死、车辆失稳的潜在危险可能。本实施例的判断标准为：当电子稳定性控制系统采集到的车轮滑移率超过阈值10％、横摆角速度超过阈值100度/秒、质心侧偏角超过阈值12度/秒时，此时电子稳定性控制系统(esp)就应该主动介入，电子稳定性系统主动激活后，把电子稳定性系统发出的扭矩指令发送到解耦模块。

解耦模块计算算法如下：esp主动激活后给驱动轮的扭矩指令为tesp1，如果驱动车轮抱死，tesp1就等于0，解耦模块就直接执行取消制动扭矩指令，即解耦模块向电机发送0扭矩指令，电机就应该立刻取消制动扭矩；如果tesp1>tmotor>tmotor1；当前电机的实际制动扭矩tmotor1(小于等于tmotor，是上一时刻电机制动扭矩，是实时采集到的)，就要增加电机的制动扭矩至tmotor，其余的制动扭矩tesp1-tmotor由解耦模块反馈给esp，esp就执行这条扭矩命令。如果tmotor>tesp1>tmotor1，解耦模块向电机发出增扭矩至tesp1，向esp发送0扭矩指令；如果tmotor1>tesp1>0，解耦模块向电机发送等于tesp1扭矩指令，向esp发送0扭矩指令。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。