專利名稱：汽車爬坡控制方法和汽車爬坡控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及汽車制造技術領域，特別涉及一種汽車的爬坡控制方法和 爬坡控制裝置。
背景技術：
隨著能源的緊張和環境污染的日益加劇，使傳統汽車產業發展面臨著 眾多的困難，因此電動汽車及混合動力汽車的出現為廣大汽車生產廠商和 消費者所看好，成為汽車發展的熱點。電動汽車和混合動力汽車是指以電 能為動力的汽車， 一般采用高效率充電電池、或燃料電池做為動力源。由 于電能是二次能源，它可以來源于風能、水能、核能、熱能、太陽能等多 種方式，因此電動汽車屬于零排放汽車，能夠有效解決能源緊張和汽車尾 氣污染所帶來的環境問題。
然而由于電動汽車及混合動力汽車與傳統汽車的結構不同，如電動汽 車采用電機進行驅動，而非傳統汽車的發動機，因此電動汽車及混合動力 汽車也存在一些傳統汽車所未遇到的問題。由于電動汽車及混合動力汽車 的技術還并不是非常成熟，因此這些問題將嚴重影響電動汽車及混合動力 汽車的發展，并且由于其與傳統汽車結構和原理不同，也很難從傳統汽車 技術中得到借鑒。
目前現有技術中遇到的問題包括電動汽車及混合動力汽車的爬坡問 題。對于傳統汽車來說，在爬坡時特別是坡起時常常會出現發動機熄火， 甚至溜車的現象，但這對于傳統汽車來說并不是特別嚴重，由于傳統汽車 中的內燃機慣性大，因此在爬坡動力不足時，最多是將內燃機強迫熄火。 然而對于純電動汽車或混合動力汽車來說，其采用電機驅動，如果爬坡動 力不足時，則轉子近似停止轉動，此時定子磁場將會被鎖定，如果駕駛員
按照操作習慣加大油門的話，就會加大IGBT ( Insulated Gate BipolarTransistor,絕緣4冊雙極晶體管)的開通占空比，從而將會將定子電壓(三 百多伏)加到了定子電阻兩端，并且由于定子電阻很小(約為幾歐)，因 此會產生幾百安的電流，如果這樣情況持續十幾秒就會燒毀電機、 一些功 率器件或電路模塊。并且此時如果駕駛員缺乏經驗，松油門過快，則電機 將會減小力矩輸出，同傳統汽車 一樣電動汽車及混合動力汽車也會因為爬 坡力不夠而迅速倒退下滑而產生交通事故。從上述描述中可以看出電動汽 車及混合動力汽車在爬坡時遇到比傳統汽車更嚴重的問題，并且目前未得 到解決，因此現有技術的缺點是亟需一種簡單、有效的方法及裝置解決電 動汽車及混合動力汽車爬坡時遇到的問題。
發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之 一 ，特別是解決現有技術 中電動汽車及混合動力汽車爬坡時遇到的技術缺陷。
為達到上述目的，本發明一方面提出一種汽車爬坡控制裝置，包括傾 角傳感器、與所述傾角傳感器相連的模數轉換器、與所述模數轉換器相連 的控制器、以及與所述控制器相連的信號鎖存器和驅動核；所述傾角傳感 器，用于檢測汽車爬坡時的傾角信號和動力加速度；所述模數轉換器，用 于將所述傾角傳感器檢測到的所述傾角信號轉換為數字傾角信號后，發送 給所述控制器；所述控制器，用于根據所述模數轉換器發送的數字傾角信 號計算相應的控制電流值并輸出給所述信號鎖存器；所述信號鎖存器，用 于對所述控制器輸出的控制電流值進行鎖存并提供給所述驅動核；所述驅 動核，用于根據所述信號鎖存器鎖存的控制電流值控制所述汽車的電機， 以使所述電機在爬坡時保持最大電機輸出扭矩。
本發明另一方面還提出一種汽車爬坡控制方法，包括以下步驟檢測 汽車爬坡時的傾角信號；根據所述傾角信號計算相應的控制電流值；根據 所述控制電流值控制所述汽車的電機，以使所述電機在爬坡時保持最大電 才/UlT出4丑矩。
本發明提出了一種簡單、有效的汽車爬坡控制方法和相應裝置，以解 決電動汽車及混合動力汽車爬坡時遇到的問題，使其能夠平穩爬坡，并且避免因為爬坡力不足而倒退下滑的技術缺陷，從而提高了車輛的安全性。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面 的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描
述中將變得明顯和容易理解，其中
圖1為本發明實施例永磁同步電機工作特性曲線；
圖2為本發明一個實施例的汽車爬坡控制裝置結構圖3為本發明一個實施例控制器的結構圖4為本發明 一 個實施例汽車爬坡控制方法的流程圖。
具體實施例方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其
能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發 明，而不能解釋為對本發明的限制。
本發明發明人發現在電動汽車或混合動力汽車電機驅動時所輸出的扭 矩并不是與油門深度呈線性關系，而是與電機的當前速度有關，如圖l所 示，為本發明實施例永^茲同步電機工作特性曲線，從圖1中可以看出不同 的電機轉速下，并不是油門越深電機輸出扭矩越大，爬坡能力越強。因此 在車輛倒退或爬坡能力不足時，司機往往會加大油門，而此時未必能夠有 效地提高電機輸出扭矩，提升爬坡能力，并且還會由于油門過大導致IGBT 開通占空比加大，致使電機燒毀。根據上述發現和相應的試驗，本發明給 出了圖1中的粗線作為爬坡策略，使其能夠始終保持最大電機輸出扭矩， 直至爬坡完畢。
本發明主要在于在檢測到汽車爬坡時，由控制器(如數字信號處理 DSP)根據坡度和圖1中的爬坡策略(如粗線所示)生成相應的電流值， 如果此時汽車的油門深度值生成的電流值小于控制器生成的電流值，那么就選用控制器生成的電流值作為最終的電流值，也就是說即使此時司機松 開油門，車輛也不會快速倒退，而是以控制器生成的控制電流值慢慢爬坡。 當然根據坡度的不同，如坡度較大，其也可能會穩在坡上，或者慢慢下滑。 作為本發明的一個實施例，是指電動汽車或混合動力汽車，然而并不是僅 能用于電動汽車或混合動力汽車，今后發展的其他能源的汽車也可采用本 發明，同樣也應為本發明保護范圍所涵蓋。
如圖2所示，為本發明一個實施例的汽車爬坡控制裝置結構圖，該汽 車爬坡控制裝置包括傾角傳感器1、與傾角傳感器l相連的模數轉換器2、
和與模數轉換器2相連的控制器3、以及與控制器3相連的信號鎖存器4 和驅動核5。其中，傾角傳感器1用于檢測汽車爬坡時的傾角信號；模數 轉換器2用于將傾角傳感器1檢測到的傾角信號轉換為數字傾角信號后， 發送給控制器3，其中該模數轉換器的位數可根據所需精度進行選擇；控 制器3用于根據模數轉換器2發送的數字傾角信號及爬坡策略(如圖1粗 線所示)計算相應的控制電流值并輸出給信號鎖存器4;信號鎖存器4用 于對控制器3輸出的控制電流值進行鎖存并提供給驅動核5;驅動核5用 于根據信號鎖存器4鎖存的控制電流值控制汽車的電機，將控制電流值轉 換為驅動信號以使電機在爬坡時保持最大電機輸出扭矩，并且驅動核5還 要將驅動信號反饋給控制器3。作為本發明的一個實施例，在上例中所述 電機為永,茲同步電動機。
作為本發明的一個實施例，如圖3所示，為本發明一個實施例控制器 的結構圖，該控制器3包括保存模塊31和計算模塊32，保存模塊31用于 保存根據數字傾角信號計算控制電流值的公式，該公式是圖1中粗線所指 爬坡策略的體現，作為本發明的一個實施例，該公式可為
iq=M[a+g x (sin(e)+u x cos (e))] x j /K, ( 1 )
其中，iq為控制給定電流，K為iq與轉矩的比例系數，其通過試驗標 定；M為整車的質量，a為所述傾角傳感器讀的車輛加速度，e為所述傾角 傳感器讀的車輛爬坡角度，在平坦路面行駛時6=0， j為車輛驅動電機軸和 車輪系統的傳動比，g為重力加速度，u為滾動摩擦系數。計算模塊32用 于根據數字傾角信號和保存模塊31保存的公式(1 )計算控制電流值。在上述實施例中，計算模塊32包括正常電流值計算子模塊321、公式 計算子模塊322和判斷模塊323，正常電流值計算子模塊321用于根據汽 車正常行駛的規則根據當前油門值計算正常電流值，如可根據汽車在平坦 路面上行駛的規則計算正常電流值，公式計算子模塊322用于根據數字傾 角信號和保存模塊31保存的公式計算公式電流值；判斷模塊323用于比較 正常電流值計算子模塊321計算的正常電流值和公式計算子模塊322計算 的公式電流值，選擇電流值大的作為控制電流值。如果正常電流值計算子 模塊321計算的正常電流值大于公式計算子模塊322計算的公式電流值， 則選擇正常電流值作為控制電流值；如過正常電流值計算子模塊321計算 的正常電流值小于公式計算子模塊322計算的公式電流值，則說明選擇公 式電流^L作為控制電流值。
為了硬件電路的保護，電機控制系統在運行時為了保護IPM( Intelligent Power Module,智能功率模塊)，避免IPM上下橋臂在切換狀態時同時導 通從而出現短路現象，因此電機控制系統會在上下橋臂狀態切換的時候加 入了死區。并且在死區時間內，IPM的上下橋臂會同時關閉。由于加入了 死區時間，PWM ( Pulse Width Modulation,脈寬調制)有效占空比將會減 少，這將與電機控制系統的期望值不符，特別是在低速PWM有效占空比 比較小的時候，死區時間在占空比中占的比例將大大增加，從而對電機的 低速控制造成了極大的影響，甚至可能由于啟動力矩不夠而無法正常啟動 電機。因此作為本發明的一個實施例，還需要對死區進行死區補償，所以 該控制器3還包括死區判斷模塊33和死區補償模塊34,其中，死區判斷 模塊33于判斷是否在死區時間內，作為本發明的一個實施例，可通過判斷 電機的當前速度絕對值V是否大于死區補償的臨界速度值Vo來判斷是否在 死區時間內，如果檢測到電機的當前速度絕對值V大于死區補償的臨界速 度值Vo，則判斷未在死區時間內；如果4企測到電機的當前速度絕對值V小 于死區補償的臨界速度值Vo,則判斷在死區時間內。死區補償模塊34用 于在死區判斷模塊33判斷在死區時間內時，對脈寬調制PWM進行死區補
償。作為本發明的一個實施例，死區補償模塊34對PWM進行死區補償得
"V
到的死區補償值為 V。 °，其中，T。為設定的死區時間，V為所述電機當前速度絕對值，Vo為死區補償的臨界速度值。如果當前電機速度
絕對值大于等于Vo,則死區補償值為0。根據上式來看，速度越小，死區 補償值越大，當速度為0時，系統已經補償了全部的死區時間，經過實踐 證明，此時已經能啟動電機。而在死區補償的臨界速度Vo附近，死區補償 值過渡平滑，沒有階躍現象存在，從而保證了電機的平穩運行。
本發明發明人在進行車輛實驗時，還發現從車輛靜止狀態開始急加速 時，由于電機的起動需要較大扭矩，從而導致控制系統的響應速度不夠大， 此時就會出現超調，電機會因為電流超出控制系統的控制范圍而出現失控 現象。為了解決這個問題主要有以下兩個途徑， 一是增加控制系統的響應 速度，二是降低油門的響應速度。上述兩種方法都是為了使油門的響應速 度與控制系統的響應速度同步，由于增加控制系統的響應速度勢必會降低 控制系統的穩定性，所以為了不影響整個控制系統，只能采用第二種方法， 降低油門的響應速度。因此控制器3還包括低速檢測模塊35和同步模塊 36，低速檢測模塊35用于根據預設的閾值檢測所述電機是否處于低速狀 態，即可預先設置速度闞值Vp當電機速度小于速度閾值V,時認為其處 于低速狀態；同步模塊36用于在低速檢測模塊35檢測電機處于低速狀態 時，在低速狀態時每100us周期根據實際油門值和控制系統采用的油門值 得到新的油門值，以限制所述油門的響應速度使油門的響應速度和控制系 統的響應速度同步。例如計算采集的實際油門值與目前系統采用的油門 值的差值，如果差值小于某一常數值B,則控制系統直接采用采集進來的 實際油門值作為新的油門值供控制系統使用，如果差值大于B,則控制系 統把目前采用的油門值加上某一常數值C,作為新的油門值供控制系統使 用。
在上述實施例中，汽車爬坡控制裝置還包括連接在傾角傳感器1和模 數轉換器2之間的濾波模塊6和放大模塊7，濾波模塊6用于對傾角傳感 器1檢測到的傾角信號進行濾波；放大模塊7用于對濾波模塊6濾波后的 傾角信號進行放大。在信號鎖存器4和驅動核5之間還設置有光耦8，該 光耦8用于信號隔離，增加DSP系統的可靠性。
如圖4所示，為本發明一個實施例汽車爬坡控制方法的流程圖，同樣該方法也結合圖1中所示出的爬坡策略(結合圖1中粗線)，由控制器(如
數字信號處理DSP)根據坡度和圖1中的爬坡策略生成相應的電流值，在 汽車的油門深度值生成的電流值小于控制器生成的電流值時，選用控制器 生成的電流值作為最終的電流值，即使此時司機松開油門，車輛也不會快 速倒退，而是以控制器生成的電流值慢慢爬坡。并且該方法還考慮了死區 對電機低速控制的影響，在電機當前速度絕對值小于死區補償的臨界速度 值時進行死區補償。另外該方法還可防止車輛靜止狀態急加速時出現的超 調現象，使油門的響應速度與控制系統的響應速度同步。該方法包括以下 步驟
步驟S401,檢測汽車爬坡時的傾角信號和加速度信號。作為本發明的 一個實施例，可通過在汽車上設置傾角傳感器實現在汽車爬坡時對坡度傾 角和加速度的4全測。
步驟S402，通過濾波器和放大器對檢測到的傾角信號和加速度進行濾 波和放大，去除噪聲和干擾。
步驟S403,對濾波和放大的傾角和加速度信號進行模數轉換(A/D)， 轉換為數字傾角信號，以供后續的控制器進行處理，如DSP、單片機、CPU 等控制器。
步驟S404，根據數字傾角信號及爬坡策略(如圖l粗線所示)計算相 應的控制電流值。其中可根據上述公式(1)實現。
步驟S405,將控制電流值與按照正常行駛規則根據當前油門值計算的 電流值進行比較，選擇電流值大的作為最終的控制電流值。如果控制電流 值大于根據當前油門值計算的電流值，則選擇控制電流值作為最終的控制 電流值；如果根據當前油門值計算的電流值大于控制電流值，則選擇根據 當前油門值計算的電流值作為最終的控制電流值。
步驟S406，根據最終的控制電流值控制汽車的電機，以使電機在爬坡 時保持最大電機輸出扭矩。
步驟S407,同樣，為了避免死區對電機的低速控制的影響，還需對其 進行死區補償。因此首先判斷是否在死區時間內，作為本發明的一個實施 例，可通過判斷電機的當前速度絕對值V是否大于死區補償的臨界速度值Vo來判斷是否在死區時間內，如果檢測到電機的當前速度絕對值V大于死
區補償的臨界速度值Vo,則判斷未在死區時間內；如果檢測到電機的當前 速度絕對值V小于死區補償的臨界速度值V0，則判斷在死區時間內。如果 不在死區時間內，則繼續進行步驟S409。
步驟S408，如果判斷在死區時間內時，則對PWM進行死區補償。作 為本發明的一個實施例，對PWM進行死區補償得到的死區補償值為 T = (l-》T。
V。 ，其中，To為設定的死區時間，V為所述電機當前速度絕對 值，Vo為死區補償的臨界速度值。如果當前電機速度絕對值大于等于V0， 則死區補償值為0。根據上式來看，速度越小，死區補償值越大，當速度 為0時，系統已經補償了全部的死區時間，經過實踐證明，此時已經能啟 動電機。而在死區補償的臨界速度Vo附近，死區補償值過渡平滑，沒有階 躍現象存在，從而保證了電機的平穩運行。
步驟S409,根據預設的速度閾值判斷所述電機是否處于低速狀態。本 發明實施例為了避免出現控制系統的響應速度不夠大而使電流超出控制系 統的控制范圍而出現失控現象，需要保持油門的響應速度與控制系統的響 應速度同步。并且由于上述現象只存在車輛靜止狀態急加速時才出現，因 此控制系統預先設定了一個低速區，小于速度閾值V,時，則認為其在低速 區，處于低速狀態，因此需要保持油門的響應速度與控制系統的響應速度 同步。
步驟S410，如果判斷電機處于低速狀態，則在低速狀態時每A個周期 根據實際油門值和控制系統采用的油門值得到新的油門值，以限制油門的 響應速度使油門的響應速度和所述控制系統的響應速度同步。例如計算 采集的實際油門值與目前系統采用的油門值的差值，如果差值小于某一常 數值B，則控制系統直接采用采集進來的實際油門值作為新的油門值供控 制系統使用，如果差值大于B，則控制系統把目前采用的油門值加上某一 常數值C ，作為新的油門值供控制系統使用。
本發明提出了一種簡單、有效的汽車爬坡控制方法和相應裝置，以解 決電動汽車及混合動力汽車爬坡時遇到的問題，使其能夠平穩爬坡，并且 避免因為爬坡力不足而倒退下滑的技術缺陷，從而提高了車輛的安全性。并且通過本發明實施例中對死區的補償，使電機不僅能夠正常啟動，并且 在死區補償的臨界速度V()附近，死區補償值過渡平滑，沒有階躍現象存在， 保證了電機的平穩運行。另外本發明實施例，還能夠避免在車輛從靜止狀 態急加速時電機因為電流超出控制系統的控制范圍而出現的失控現象。本 發明不僅消除了現有技術中存在的汽車爬坡時存在的弊端，提高了車輛的 安全性，并且結構緊湊，與電動汽車或混合動力系統具有良好的兼容性， 能夠輕松實現純無級變速和混合無級變速工作模式，從而提高車輛的動力 性。
盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員 而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例 進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等 同限定。
權利要求
1、一種汽車爬坡控制裝置，其特征在于，包括傾角傳感器、模數轉換器、控制器、信號鎖存器和驅動核；所述傾角傳感器，用于檢測汽車爬坡時的傾角信號；所述模數轉換器，用于將所述傾角傳感器檢測到的所述傾角信號轉換為數字傾角信號后，發送給所述控制器；所述控制器，用于根據所述模數轉換器發送的數字傾角信號計算相應的控制電流值并輸出給所述信號鎖存器；所述信號鎖存器，用于對所述控制器輸出的控制電流值進行鎖存并提供給所述驅動核；所述驅動核，用于根據所述信號鎖存器鎖存的控制電流值控制所述汽車的電機，以使所述電機在爬坡時保持最大電機輸出扭矩。
2、 如權利要求1所述的汽車爬坡控制裝置，其特征在于，所述控制器 包括保存模塊和計算模塊，所述保存模塊，用于保存根據所述數字傾角信號計算所述控制電流值 的7>式，所述7>式為iq=M[a+g x (sin(e)+u x cos (e))] x j /K,其中，iq為控制給定電流，K為iq與轉矩的比例系數，其通過試驗標定；M為整車的質量，a為所述傾角傳感器讀的車輛加速度，e為所述傾角傳感器讀的車輛爬坡角度，j為車輛驅動電機軸和車輪系統的傳動比，g為重力加速度，u為滾動摩擦系數；所述計算模塊，用于根據所述數字傾角信號和所述保存模塊保存的所述公式計算所述控制電流值。
3、 如權利要求2所述的汽車爬坡控制裝置，其特征在于，所述計算模 塊包括正常電流值計算子模塊、公式計算子模塊和判斷模塊，所述正常電流值計算子模塊，用于根據汽車正常行駛的規則根據當前 油門值計算正常電流值；所述公式計算子模塊，用于根據所述數字傾角信號和所述保存模塊保 存的所述公式計算公式電流值；所述判斷模塊，用于比較所述正常電流值計算子模塊計算的正常電流 值和所述公式計算子模塊計算的公式電流值，選擇電流值大的作為所述控 制電流值。
4、 如權利要求1所述的汽車爬坡控制裝置，其特征在于，所述控制器 還包括死區判斷模塊和死區補償模塊，所述死區判斷模塊，用于判斷是否在死區時間內；所述死區補償模塊，用于在所述死區判斷模塊判斷在死區時間內時，對脈寬調制PWM進行死區補償。
5、 如權利要求4所述的汽車爬坡控制裝置，其特征在于，所述死區補償模塊對PWM進行死區補償得到的死區補償值為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，v。To為設定的死區時間，V為所述電機當前速度絕對值，Vo為死區補償的臨 界速度值。
6、 如權利要求1所述的汽車爬坡控制裝置，其特征在于，所述控制器 還包括低速檢測模塊和同步模塊，所述低速檢測模塊，用于根據預設的速度閾值檢測所述電機是否處于 低速狀態；所述同步模塊，用于在所述低速檢測模塊檢測所述電機處于低速狀態 時，根據實際油門值和控制系統采用的油門值得到新的油門值，以限制所 述油門的響應速度使油門的響應速度和所述控制系統的響應速度同步。
7、 一種汽車爬坡控制方法，其特征在于，包括以下步驟 檢測汽車爬坡時的傾角信號；根據所述傾角信號計算相應的控制電流值；根據所述控制電流值控制所述汽車的電機，以使所述電機在爬坡時保 持最大電機輸出扭矩。
8、 如權利要求7所述汽車爬坡控制方法，其特征在于，所述根據傾角 信號計算相應的控制電流值具體通過以下公式實現<formula>formula see original document page 3</formula> 其中，iq為控制給定電流，K為iq與轉矩的比例系數，其通過試驗標 定；M為整車的質量，a為所述傾角傳感器讀的車輛加速度，e為所述傾角傳感器讀的車輛爬坡角度，j為車輛驅動電機軸和車輪系統的傳動比，g為 重力加速度，U為滾動摩擦系數。
9、 如權利要求8所述汽車爬坡控制方法，其特征在于，在所述根據傾 角信號計算相應的控制電流值之后，還包括將所述控制電流值與按照正常行駛規則根據當前油門值計算的電流值 進行比較；選擇電流值大的作為最終的控制電流值。
10、 如權利要求7所述汽車爬坡控制方法，其特征在于，還包括 判斷是否在死區時間內；如果判斷在死區時間內，則對脈寬調制PWM進行死區補償。
11、 如權利要求IO所述汽車爬坡控制方法，其特征在于，所述判斷是 否在死區時間內具體為判斷所述電機的當前速度絕對值V是否小于死區補償的臨界速度值Vo;所述對PWM進行死區補償得到的死區補償值為T = (1 -工)xT。，其中，v。To為i殳定的死區時間。
12、 如權利要求7或11所述汽車爬坡控制方法，其特征在于，還包括 以下步驟根據預設的速度閾值判斷所述電機是否處于低速狀態；如果判斷所述電機處于低速狀態，則根據實際油門值和控制系統采用的油門值得到新的油門值，以限制所述油門的響應速度使油門的響應速度和所述控制系統的響應速度同步。
全文摘要
本發明提出一種汽車爬坡控制方法，包括以下步驟檢測汽車爬坡時的傾角信號；根據所述傾角信號計算相應的控制電流值；根據所述控制電流值控制所述汽車的電機，以使所述電機在爬坡時保持最大電機輸出扭矩。本發明提出了一種簡單、有效的汽車爬坡控制方法和相應裝置，以解決電動汽車及混合動力汽車爬坡時遇到的問題，使其能夠平穩爬坡，并且避免出現因為油門過大而燒毀電機，或因為爬坡力不足而倒退下滑的技術缺陷，從而提高了車輛的安全性。
文檔編號B60W40/11GK101638062SQ20081011746
公開日2010年2月3日 申請日期2008年7月30日 優先權日2008年7月30日
發明者張賀軍, 楊廣明 申請人:比亞迪股份有限公司