本發(fā)明涉及用于純電動汽車制動能量與懸架振動能量協(xié)同裝置與控制方法。

背景技術：

目前，能源問題已經成為全球面臨的重要問題之一。傳統(tǒng)的汽車已經不能滿足社會發(fā)展的需要，純電動汽車成為研究熱點，而續(xù)駛里程短是限制純電動汽車發(fā)展的主要瓶頸，國內外學者針對該問題在電池、電機方面開展了廣泛研究。隨著汽車技術的不斷發(fā)展，尤其是新型底盤技術的出現(xiàn)，使各種能量高效回收成為可能。例如，針對汽車制動利用電機進行能量回收，同時汽車也可以通過饋能懸架將懸架所產生的振動能量回收利用。因此，如何通過純電動汽車底盤多個能量回收子系統(tǒng)有效協(xié)同工作，提高能量利用效率，顯著延長續(xù)駛里程，成為純電動汽車研發(fā)領域一項新課題。

此外，純電動汽車底盤系統(tǒng)是在傳統(tǒng)動力學本質結構基礎上兼顧存在能量回收這一重要特點，由此帶來的子系統(tǒng)內部以及相互之間功能結構耦合影響與沖突的現(xiàn)象更為明顯，只有結合實時高效的集成控制策略，才能充分發(fā)揮純電動汽車底盤系統(tǒng)所特有的能量回收性能優(yōu)勢。本發(fā)明結合純電動汽車底盤系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，以再生制動能量回收以及饋能懸架等純電動汽車先進底盤子系統(tǒng)為研究對象，在深入理解制動能量與振動能量回收機理的基礎上，創(chuàng)新設計了一種純電動汽車制動能量與懸架振動能量協(xié)同回收裝置與控制方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種純電動汽車制動能量與懸架振動能量協(xié)同裝置與控制方法，能夠實現(xiàn)制動能量和振動能量的協(xié)同回收再利用，切實提高純電動汽車的續(xù)駛里程，并提高汽車的安全性能和舒適性能。

本發(fā)明所要解決的技術問題是：在汽車行駛過程中,根據(jù)道路與交通環(huán)境狀況對制動和懸架的工作模式切換來進行振動能量回收，實現(xiàn)汽車制動能量回收同時懸架也能自適應回收振動能量，使得回收效率最大化。

本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是：一種純電動汽車制動能量與懸架振動能量協(xié)同裝置，包括整車模塊、懸架模塊、協(xié)調模塊、電池模塊、決策控制器，整車模塊、懸架模塊、協(xié)調模塊和電池模塊的傳感器輸出端都和決策控制器相連，將實時的信號傳到決策控制器中；決策控制器的輸出端和集成電機執(zhí)行器、蓄能器執(zhí)行器連接，用來傳遞執(zhí)行指令；同時集成電機的輸入端還和逆變器相連，以便獲得工作所需的三相交流電；直線電機作動器和輪邊電機的輸出端和整流器相連，以便把制動過程和振動過程產生的電流進行整流；整流器輸出端連接濾波器，用來濾除電路里的脈沖及雜波干擾；濾波器輸出端和穩(wěn)壓器相連，用來穩(wěn)定輸出電壓；穩(wěn)壓器輸出端連接蓄能器，用來存儲由振動過程和制動過程產生的電能；蓄能器輸出端和和懸架模塊、逆變器、電磁離合器、液壓abs動力源、電池模塊相連，用于為各個模塊提供能量；

決策控制器的決策判斷主要分為三層，分別為頂層決策層、協(xié)同優(yōu)化層和預測控制層；頂層決策層主要任務是根據(jù)行駛工況信息判斷當前行駛工況，協(xié)同優(yōu)化層根據(jù)行駛工況信息對制動能量、懸架振動能量這兩個子系統(tǒng)任務權限和優(yōu)先級次序做出判斷，預測控制層根據(jù)協(xié)同優(yōu)化層判斷信息對子系統(tǒng)作動器發(fā)出控制指令，同時將子系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給協(xié)同優(yōu)化層作為評價指標。

進一步，在車輛行駛時裝置通過整車模塊感知車輛工況信息，所述整車模塊包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器、加速踏板傳感器、制動踏板傳感器、電流電壓傳感器；由陀螺儀傳感器采集車身橫擺角加速度、側傾角、俯仰角，用加速度傳感器來采集車身垂直加速度信號，由加速踏板傳感器采集加速踏板位移信號，由制動踏板傳感器采集制動踏板位移信號，由電流電壓傳感器采集電源電流電壓信號u/i,將采集到的車輛信息上傳到通信模塊中。

進一步，所述陀螺儀傳感器選用vg400cc-200，將其安裝于車身質心處。

進一步，所述逆變器選用ld007-pi逆變器將車輛電瓶輸出的12伏直流電，轉變?yōu)橥ǔＪ褂玫?20伏交流電。

進一步，所述制動踏板傳感器選用pwg12制動踏板傳感器采集制動踏板位移信號，將其安裝于制動踏板處；所述加速踏板傳感器選用cc5021lhps007加速度踏板傳感器采集加速踏板位移信號，將其安裝于加速踏板處；所述電流電壓傳感器選用hah1dr900-s電流電壓傳感器，用來采集電動汽車電池的電壓電流信號，將其安裝在電池模塊中。

進一步，所述懸架模塊由通信模塊下載車身橫擺角速度、側偏角速度、側傾角、車速、俯仰角參數(shù)，通過懸架模塊中存儲的模糊控制器計算出前后左右四輪的懸架所需的作動力并上傳給通信模塊。

進一步，懸架模塊由通信模塊下載車身橫擺角速度、側偏角速度、側傾角、車速、俯仰角參數(shù)，通過懸架模塊中存儲的模糊控制器計算出前后左右四輪的懸架所需的作動力并上傳給通信模塊。

本發(fā)明方法的技術方案為：一種純電動汽車制動能量與懸架振動能量協(xié)同裝置控制方法，

首先,頂層決策層根據(jù)獲取的行駛工況信息的各個實時數(shù)據(jù)確定車輛所處的工況；

然后將確定的行駛工況信息傳遞給協(xié)同優(yōu)化層，協(xié)同優(yōu)化層根據(jù)該工況信息首先對制動能量、懸架振動能量這兩個子系統(tǒng)的合作機制進行確定，然后確定子系統(tǒng)的優(yōu)先級；

最后通過協(xié)商仲裁來合理的分配子系統(tǒng)的任務和權限；兩個子系統(tǒng)的協(xié)同合作機制主要表現(xiàn)在制動工況下，協(xié)同優(yōu)化層設定了三個制動工況分別為輕度制動、中度制動和緊急制動，不同的制動工況對應著不同的合作機制。

進一步，若頂層決策層根據(jù)行駛工況集信息判定為輕度制動工況，z≦0.2，其中z為制動強度，此時車輛制動強度較弱，制動力矩完全由電機制動提供，此時輪邊電機作為發(fā)電機發(fā)電，由于制動強度較輕，車身姿態(tài)變化不明顯，此時直線電機也作為產能裝置，兩個子系統(tǒng)同時進行能量回收；產生的電流由輸出端連接的整流器將電流轉化為直流電，再通過濾波器、穩(wěn)壓器的處理最后由蓄能器收集儲存；若電池soc值低于設定下限值時，蓄能器中的電能會輸出為電池充電；

若為中度制動時，0.2≦z≦0.7，由于制動法規(guī)的限制，制動需求增大到一定程度時，需要機械摩擦制動力進行補償；此時由再生制動和機械制動共同參與整車制動，此時輪邊電機也處于產能狀態(tài)，產生的電能經過整流和穩(wěn)壓后直接提供給直線電機來保持車身姿態(tài)，若此時輪邊電機產生的制動能量足以使直線電機保持車身姿態(tài)，多余的能量會存儲在蓄能器中，若不足以提供維持車身姿態(tài)所需的能量，則直線電機作動器的輸入端電磁離合器閉合，蓄能器為直線電機提供能量來維持車身姿態(tài)；

若為緊急制動時，z≧0.7，此時輪邊電機制動完全退出，制動力完全由機械制動提供，此時輪邊電機不產能，輸出為零，此時車身姿態(tài)變化嚴重，蓄能器和動力電池一同為直線電機提供能量來保持車身姿態(tài)，保證制動的安全性和乘坐舒適性。

進一步，協(xié)同優(yōu)化層根據(jù)該工況信息首先對制動能量、懸架振動能量這兩個子系統(tǒng)的合作機制進行確定的具體過程為：

建立遞階質量屋結構，首先對行駛工況信息性能指標模糊權重進行賦值，得到模糊權重矩陣w＝(w1,…,wi,…,w15)，wi表示第i項指標的權值

然后根據(jù)實時信息來確定行駛工況信息性能指標和兩個子系統(tǒng)之間的關系矩陣，其公式為r＝(rij)15×2，其中15為行駛工況信息項數(shù)，4為子系統(tǒng)個數(shù)，rij為第i項性能指標與第j項子系統(tǒng)功能相關程度；

最后將權重矩陣和關系矩陣進行廣義模糊合成運算得到模糊綜合評價模型，模型公式為b＝wοr＝(b1,b2)；由于處理的信息眾多而且單位不統(tǒng)一，為了防止模糊信息丟失保證模型的可靠性選用加權平均型評價模型，即分別求出兩個子系統(tǒng)任務分配方案的競爭性評價因子，第j項子系統(tǒng)任務分配方案的競爭性評價因子為將該競爭性評價因子信息傳遞到底層預測控制層，通過借助多智能體協(xié)同理論對兩個子系統(tǒng)進行分布式協(xié)同控制；為了滿足純電動汽車地盤快速響應的要求，在傳統(tǒng)的模型預測控制的基礎上引入顯示表達，即將傳統(tǒng)的模型預測控制率等效為分段仿射的形式。

進一步，所述引入顯示表達具體過程為：

首先，借助多參數(shù)規(guī)劃對系統(tǒng)的狀態(tài)空間進行凸劃分，得到描述狀態(tài)分區(qū)的數(shù)據(jù)信息；然后，計算控制率關于狀態(tài)的顯示表達數(shù)據(jù)，求出各個凸區(qū)間的平衡點，在平衡點附近進行線性化處理，以目標函數(shù)最小的控制策略求出平衡點處的最優(yōu)解，以該最優(yōu)解作為整個凸區(qū)間的最優(yōu)控制率；系統(tǒng)實際在線運行時，每一采樣時刻的滾動優(yōu)化過程就被轉化為簡單的狀態(tài)分區(qū)以及分區(qū)控制律查表過程，使得實際在線控制過程中計算時間大為減少，從而達到實時控制的目的；在整個制動過程中abs系統(tǒng)都會運行，當出現(xiàn)車輪抱死工況abs介入，其能耗由蓄能器或動力電池提供。

本技術有如下的優(yōu)點：

(1)根據(jù)模糊質量功能配置理論和遞階質量屋結構建立了綜合評價模型，對環(huán)境和車輛信息進行綜合評價得到以能量回收最大為目標的最優(yōu)解和兩個子系統(tǒng)的任務分配方案。通過對不同的制動力分配控制策略和懸架工作模式的協(xié)同控制，既保證了車輛在制動過程中的安全性與穩(wěn)定性又實現(xiàn)了能量回收最大化。直接降低了整車的能耗，從而達到節(jié)能的目的。

(2)通過引入基于顯式表達的模型預測控制，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)模型預測控制技術難以適應純電動汽車先進底盤系統(tǒng)快速響應的特點。在復雜的路面情況下決策控制器可以迅速的做出反應，改變直線電機的輸入電流，來抑制車身姿態(tài)變化，從而很好的保持車身姿態(tài)，提高乘坐的舒適性。

附圖說明

圖1表示的是整個系統(tǒng)的信息流和能量流流通路徑，其中虛線表示的是信息流，實線表示的是能量流。

圖2表示的是決策控制器的判斷過程。

圖3表示的是兩個子系統(tǒng)的工況判斷及合作機制。

圖4表示的是頂層決策過程中的模糊自量功能配置理論的遞階質量屋結構。

圖5表示的是模型預測控制率的顯式表達運算過程。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明。

整車模塊、懸架模塊、協(xié)調模塊和電池模塊的傳感器輸出端都和決策控制器相連，將實時的信號傳到決策控制器中。決策控制器的輸出端和集成電機執(zhí)行器、蓄能器執(zhí)行器連接，用來傳遞執(zhí)行指令。同時集成電機的輸入端還和逆變器相連，以便獲得工作所需的三相交流電。直線電機作動器和集成輪邊電機的輸出端和整流器相連，以便把制動過程和振動過程產生的電流進行整流。整流器輸出端連接濾波器，用來濾除電路里的脈沖及雜波干擾。濾波器輸出端和穩(wěn)壓器相連，用來穩(wěn)定輸出電壓，使其不會出現(xiàn)較大范圍波動便于收集。穩(wěn)壓器輸出端連接蓄能器，用來存儲由振動過程和制動過程產生的電能。蓄能器輸出端和和懸架模塊、逆變器、電磁離合器、液壓abs動力源、電池模塊相連，用于為各個模塊提供能量(如圖1)。

在車輛行駛時系統(tǒng)通過整車模塊感知車輛信息。由陀螺儀傳感器采集車身橫擺角加速度、側傾角、俯仰角，用加速度傳感器來采集車身垂直加速度信號，由加速踏板傳感器采集加速踏板位移信號，由制動踏板傳感器采集制動踏板位移信號，由電流電壓傳感器采集電源電流電壓信號u/i,將采集到的車輛信息上傳到通信模塊中。

懸架模塊由通信模塊下載車身橫擺角速度、側偏角速度、側傾角、車速、俯仰角等參數(shù)，通過懸架模塊中存儲的模糊控制器計算出前后左右四輪的懸架所需的作動力并上傳給通信模塊。

汽車懸架系統(tǒng)采用直線電機作為懸架振動能量回收執(zhí)行器，汽車制動系統(tǒng)采用輪邊電機作為制動能量回收執(zhí)行器。

所述制動能量回收執(zhí)行器為集成驅動制動的輪邊電機，安裝在車輪處。集成電機輸入輸出端與蓄能器電池相連，通過電磁離合器進行充放電切換。

所述決策控制器的輸入端和車身上各個傳感器相連，輸出端和各個執(zhí)行器相連。用于接收傳感器信號，并且做出決策發(fā)送給執(zhí)行器。決策控制器內部存儲用于協(xié)調電動汽車制動能量回收和懸架振動能量回收控制策略。

所述制動踏板傳感器選用pwg12制動踏板傳感器采集制動踏板位移信號，將其安裝于制動踏板處。所述加速踏板傳感器選用cc5021lhps007加速度踏板傳感器采集加速踏板位移信號，將其安裝于加速踏板處。所述電流電壓傳感器選用hah1dr900-s電流電壓傳感器，用來采集電動汽車電池的電壓電流信號，將其安裝在電池模塊中。所述車用橋式整流器選用inr725橋式器來將往復振動產生的感應電流轉為直流電輸出，將其安裝在充電模塊。所述濾波器選用ss-003濾波器來濾除電路里的脈沖及雜波干擾，將其安裝在充電模塊。所述穩(wěn)壓器選用wdl-30a穩(wěn)壓器使輸出電壓恒定不變，不會出現(xiàn)較大范圍波動，將其安裝在充電模塊。所述逆變器選用ld007-pi逆變器將車輛電瓶輸出的12伏直流電，轉變?yōu)橥ǔＪ褂玫?20伏交流電，將其安裝在電機與蓄能模塊之間。所述車身俯仰角傳感器選用vg400cc-200陀螺儀傳感器采集車身俯仰角信號，將其安裝于車身質心處。所述車身側傾角傳感器選用vg400cc-200陀螺儀傳感器采集車身側傾角信號，將其安裝于車身質心處。所述車身橫擺角速度傳感器選用vg400cc-200陀螺儀傳感器采集車身橫擺角信號，將其安裝于車身質心處。所述車身垂直加速度傳感器選用加速度傳感器來采集車身垂直加速度信號，作為控制器的輸入，控制器對輸入的信號進行特征提取，以判斷車身所處的運動姿態(tài)。將其安裝于車身質心處。集成3g通信網絡的gps獲取的交通道路環(huán)境信息，進而合理地確定純電動汽車所處的工況。

首先,頂層決策者根據(jù)獲取的行駛工況集的各個實時數(shù)據(jù)確定車輛所處的工況。然后將確定的行駛工況信息傳遞給協(xié)同優(yōu)化層，協(xié)同優(yōu)化層根據(jù)該工況信息首先對兩個子系統(tǒng)的合作機制進行確定，然后確定子系統(tǒng)的優(yōu)先級，最后通過協(xié)商仲裁來合理的分配子系統(tǒng)的任務和權限(如圖2)。兩個子系統(tǒng)的協(xié)同合作機制主要表現(xiàn)在制動工況下，協(xié)同優(yōu)化層設定了三個制動工況分別為輕度制動、中度制動和緊急制動，不同的制動工況對應著不同的合作機制。若頂層決策根據(jù)行駛工況集信息判定為輕度制動(z≦0.2)工況，此時車輛制動強度較弱，制動力矩完全由電機制動提供，此時輪邊電機作為發(fā)電機發(fā)電。由于制動強度較輕，車身姿態(tài)變化不明顯，此時直線電機也作為產能裝置，兩個子系統(tǒng)同時進行能量回收。產生的電流由輸出端連接的整流器將電流轉化為直流電，再通過濾波器、穩(wěn)壓器的處理最后由蓄能器收集儲存。若電池soc值低于設定下限值時，蓄能器中的電能會輸出為電池充電。若為中度制動(0.2≦z≦0.7)，由于制動法規(guī)的限制，制動需求增大到一定程度時，需要機械摩擦制動力進行補償。此時由再生制動和機械制動共同參與整車制動。此時輪邊電機也處于產能狀態(tài)，產生的電能經過整流和穩(wěn)壓后直接提供給直線電機來保持車身姿態(tài)。若此時輪邊電機產生的制動能量足以使直線電機保持車身姿態(tài)，多余的能量會存儲在蓄能器中。若不足以提供維持車身姿態(tài)所需的能量，則直線電機作動器的輸入端電磁離合器閉合，蓄能器為直線電機提供能量來維持車身姿態(tài)。若為緊急制動(z≧0.7)，此時電機制動完全退出，制動力完全由機械制動提供。此時輪邊電機不產能，輸出為零。此時車身姿態(tài)變化嚴重，蓄能器和動力電池一同為直線電機提供能量來保持車身姿態(tài)，保證制動的安全性和乘坐舒適性，判斷過程(如圖3)。協(xié)同優(yōu)化層根據(jù)不同的制動工況信息來制定子系統(tǒng)合作機制，此時建立的質量屋結構首先對行駛工況集性能指標模糊權重進行賦值，得到模糊權重矩陣。然后根據(jù)實時信息來確定行駛工況集性能指標和兩個子系統(tǒng)之間的關系矩陣。最后將權重矩陣和關系矩陣進行廣義模糊合成運算得到模糊綜合評價模型。由于處理的信息眾多而且單位不統(tǒng)一，為了防止模糊信息丟失保證模型的可靠性選用加權平均型評價模型，即分別求出兩個子系統(tǒng)任務分配方案的競爭性評價因子。將該競爭性評價因子信息傳遞到底層控制層，通過借助多智能體協(xié)同理論對兩個子系統(tǒng)進行分布式協(xié)同控制(如圖4)。為了滿足純電動汽車地盤快速響應的要求，在傳統(tǒng)的模型預測控制的基礎上引入顯示表達，即將傳統(tǒng)的模型預測控制率等效為分段放射的形式。首先，借助多參數(shù)規(guī)劃對系統(tǒng)的狀態(tài)空間進行凸劃分，得到描述狀態(tài)分區(qū)的數(shù)據(jù)信息。然后，計算控制率關于狀態(tài)的顯示表達數(shù)據(jù)，求出各個凸區(qū)間的平衡點，在平衡點附近進行線性化處理，以目標函數(shù)最小的控制策略求出平衡點處的最優(yōu)解，以該最優(yōu)解作為整個凸區(qū)間的最優(yōu)控制率。系統(tǒng)實際在線運行時，每一采樣時刻的滾動優(yōu)化過程就被轉化為簡單的狀態(tài)分區(qū)以及分區(qū)控制律查表過程，使得實際在線控制過程中計算時間大為減少，從而達到實時控制的目的(如圖5)。在整個制動過程中abs系統(tǒng)都會運行，當出現(xiàn)車輪抱死工況abs介入，其能耗由蓄能器或動力電池提供。

通過這樣一套能量回收裝置和協(xié)同控制方法，既能根據(jù)不同的制動工況做出不同的能量回收策略確保了能量回收的合理性，同時又將回收的制動能量和振動能量合理的反作用于車輛。這一發(fā)明既能減少車輛的能耗節(jié)約能源保護環(huán)境，又能提高車輛的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。

綜上，本發(fā)明的一種純電動汽車制動能量與懸架振動能量協(xié)同回收裝置及其控制方法，屬于純電動汽車能量回收領域，主要有三個部分組成：用于測量車輛和道路信息的各種傳感器、分層協(xié)同控制子系統(tǒng)任務和權限的決策控制器、主動懸架直線電機和再生制動電機執(zhí)行器，通過決策控制器將傳感器和執(zhí)行器聯(lián)系在一起。決策控制器對傳感器信號進行分析處理，判斷出車輛所處的制動工況以及車身的姿態(tài)信息，從而發(fā)出控制指令合理的對制動能量和懸架振動能量進行回收。決策控制器通過建立了模糊質量功能配置理論進行工況判斷，根據(jù)確定的工況信息借助優(yōu)先級和協(xié)商機制對兩個子系統(tǒng)進行分布式協(xié)同控制，并且通過離線與在線優(yōu)化相結合的手段達到實時控制的目的。這一發(fā)明解決了制動時懸架能量回收和制動能量回收之間相互干涉的問題，既減少了車輛的能耗，又能提高車輛的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。