一种适用于电动汽车的爆胎安全控制系统

摘要

本发明公开了一种适用于电动汽车的爆胎安全控制系统，其中电动汽车通过线控技术可以实现对底盘的集成控制，包括四个转向电机控制四轮独立转向、四个轮毂驱动电机控制四轮独立驱动且可以提供反转驱动力及实现再生制动功能；四轮独立可控悬架能独立调整悬架高度；四轮电子机械制动控制单元分别控制每个车轮的制动力；通过胎压监测系统的传感器可以实时向汽车的整车控制器传送轮胎状态信息；汽车采用车车通信的智能技术，将爆胎危险信息传递给有二次碰撞隐患范围内的其他行驶车辆，保证爆胎电动汽车安全可控的条件下提高周围车辆的安全性，减少交通事故和对行人的伤害，提高交通效率和安全性。控制系统包括信息采集模块、决策控制模块和执行模块。

说明书

本发明属于汽车主动安全的领域，具体提出了一种适用于电动汽车的爆胎安全控制系统，旨在提高电动汽车爆胎后的稳定性和安全性,以及避免电动汽车爆胎后对于行人的安全隐患和避免与其他行驶车辆发生二次碰撞及交通事故，减少交通阻塞隐患并提高交通效率。

技术背景：

据相关数据调查统计，高速公路上的交通事故70％以上是由于高速行驶的汽车爆胎引起的，而且驾驶员由于缺乏爆胎应急处理的经验进行错误操作会导致车毁人亡，跟随汽车常常会发生追尾现象，爆胎汽车与周围行驶车辆也会发生碰撞而造成更严重的交通事故，因此爆胎的控制技术至关重要。现有技术主要是以传统车辆为研究对象，轮胎气压监测单元把采集的胎压信号发送给汽车的中央控制单元，中央控制单元决策并发送紧急制动指令以建立爆胎安全控制系统，汽车爆胎时纵向执行单元接收控制指令后关闭节气门，横向执行单元接收控制指令后控制转向辅助电机以维持理想的行驶方向。传统汽车一般是前轮转向，在汽车爆胎时,通过主动前轮转向系统(Active front steering,AFS)或车身稳定电子系统(Electronic Stability Program,ESP)在一定程度上可以控制爆胎后车辆的稳定性，但是ESP系统并不是汽车的标准配置系统，而且这两种控制系统也不是针对汽车爆胎而设计的。现有技术中存在一些缺点：一是周围车辆不能及时获取爆胎汽车的信息而导致与爆胎汽车发生碰撞的危险；二是没有对驾驶员的行为进行判断，如果汽车对驾驶员的错误操作不能及时采取屏蔽措施会加剧危险性；三是没有对爆胎车轮进行合理的控制导致爆胎汽车在特殊的路况时易产生脱辋的危险；四是基于制动的爆胎控制，由于车轮路面附着系数不同的影响可能会发生导致车轮抱死的情况，在一定车速下如果后轮抱死会发生侧滑，加剧爆胎汽车的危险性；五是基于主动转向的爆胎控制，转向提供的侧向力比制动和驱动提供的纵向力小，控制效果相对于采用纵向力控制较弱；六是基于转向和制动的联合控制没有采用线控技术，不能充分利用轮胎力、悬架参与控制作用较小。

然而随着环境污染问题日益严重，能源危机的出现，电动汽车是国内外企业和高校研究的热点，并且随着《中国制造2025》的出台，四轮独立转向、独立制动、独立驱动和四轮悬架独立可控的集成控制电动汽车受到各大高校和科研机构的关注，具有很大的发展潜力。在2016年7月以“智能网联汽车信息安全与关键技术”为主题的2016中国(长春)国际汽车技术论坛中国内外汽车专家和学者展望了未来汽车智能化、网联化的前景。搭载有车车通信技术的底盘集成控制电动汽车是实现爆胎安全控制的理想载体，具有较好的前景和应用价值。

本专利基于应用线控技术的电动汽车提出一种集成控制的爆胎安全控制策略，通过线控技术和集成控制方法控制未爆胎车轮，可以实现未爆胎车轮独立转向、独立制动、独立驱动和四轮悬架独立可控；通过轮毂驱动电机，既可以为驱动车轮提供驱动力，又可以为制动车轮提供反转驱动力和进行再生制动以提高能量利用率；通过调整四轮独立可控悬架的高度，能维持车身水平以减轻电动汽车爆胎后偏离车道的程度，对于决策出的需要主动控制转向、制动或驱动的未爆胎车轮，可以通过有效的载荷转移以增大该被控车轮的垂向力，进而增大该被控车轮的侧向及纵向最大轮胎力值，通过增加轮胎力最大值而更好的保证爆胎车辆的安全性；考虑汽车的行驶环境信息，电动汽车采用车车通信技术，当电动汽车在行驶过程中出现爆胎危险时，通过利用无线通信网络和GPS定位系统与有二次碰撞隐患范围内的行驶车辆建立通信，实时发送爆胎汽车精确位置、车速、加速度和移动方向等信息，使周围行驶车辆能够及时采取安全措施以提高交通安全性，防止跟随汽车驾驶员反应延迟和因缺少经验而对爆胎电动汽车造成碰撞的二次伤害和避免爆胎电动汽车与周围其他车辆的碰撞；根据车速和路况控制爆胎车轮的侧偏角，避免轮胎脱辋的危险；根据实时路况控制其他未爆胎车轮侧偏角；对驾驶员的操作行为进行判断，从而决策电动汽车是否执行驾驶员的操作。

发明内容：

本发明属于汽车主动安全的领域，具体提出了一种适用于电动汽车的爆胎安全控制系统，旨在提高电动汽车爆胎后的稳定性和安全性,以及避免电动汽车爆胎后对于行人的安全隐患和避免与其他行驶车辆发生二次碰撞及交通事故，减少交通阻塞隐患并提高交通效率。为了实现上述目的，本发明按如下技术方案实现：

一种适用于电动汽车的爆胎安全控制系统，其特征在于电动汽车的每个车轮各安装一个转向电机、轮毂驱动电机和电子机械制动控制单元，电动汽车通过线控技术可以实现四轮独立转向、独立制动、独立驱动和悬架独立可控的集成控制功能；综合车速和路况信息，通过转向电机控制爆胎车轮轮胎侧偏角，防止爆胎车轮脱辋，当爆胎车轮侧偏角不能被有效控制时，在控制爆胎车轮侧偏角的同时对未爆胎车轮侧偏角进行有效控制；汽车采用车车通信的智能技术，及时将电动汽车爆胎的信息传递给有二次碰撞隐患范围内其他行驶车辆，提高周围汽车的交通安全性和避免爆胎电动汽车被碰撞而造成二次伤害；控制系统包括信息采集模块、决策控制模块和执行模块：①信息采集模块通过胎压监测系统的胎压传感器、温度传感器实时采集轮胎状态信息，通过车速传感器实时采集汽车车速信息，通过方向盘转角转矩传感器采集爆胎时驾驶员操作方向盘的转角、转矩信息；②决策控制模块获取信息采集模块的信息后，通过整车控制器进行计算决策并向执行模块发送控制指令；③执行模块包括轮毂驱动电机、转向电机、电子机械制动控制单元、车车通信系统、语音提示系统、四轮独立可控悬架，根据决策控制模块发送的控制指令对电动汽车进行及时快速准确的控制，提高爆胎汽车的行驶路径保持能力、操纵稳定性与安全性，使爆胎电动汽车在逐渐减速之后能够安全的停车,避免出现侧滑、甩尾或翻车等事故的发生。

技术方案中所述的电动汽车爆胎安全控制系统，考虑爆胎电动汽车周围环境，执行模块中有车车通信系统系统，电动汽车采用车车通信的智能技术，当胎压监测系统监测到汽车的爆胎信息时，通过利用无线通信网络和GPS定位系统与周围有二次碰撞隐患的行驶车辆建立通信，实时发送爆胎汽车精确位置、车速、加速度和移动方向等信息，使周围行驶车辆能够及时采取控制措施以提高交通安全性，同时避免周围行驶车辆对爆胎电动汽车造成碰撞的二次伤害，解决汽车爆胎造成的交通隐患问题，提高交通效率和安全性。

技术方案中所述的电动汽车爆胎安全控制系统，电动汽车整车控制器中预先设定汽车爆胎时对驾驶员驾驶行为判断的程序策略：①当安全控制系统判断出驾驶员在电动汽车爆胎时误踩加速踏板，则通过线控技术屏蔽驾驶员的操作；②当驾驶员转动方向盘的转角、转矩及转动角速度超过预先设定的安全阈值时，决策控制单元判断出驾驶员操作错误进而屏蔽驾驶员的操作；③当驾驶员踩下制动踏板的频率和强度同预先设定的阈值的偏差达到10％时屏蔽驾驶员的操作；当汽车进入稳定行驶状态且车速降低至驾驶员能够完全控制汽车安全停车时，解除对驾驶员的屏蔽作用，使驾驶员能够重新拥有驾驶权限，语音提示系统会发出语音提示驾驶员，当前时刻爆胎安全控制系统退出控制，汽车由驾驶员完全控制直至安全停车。

技术方案中所述的电动汽车爆胎安全控制系统，电动汽车爆胎时整车控制器向爆胎车轮的转向电机发送控制指令，综合爆胎电动汽车当前车速和行驶路况信息控制转向电机使爆胎车轮最大侧偏角不超过2度，防止爆胎的轮胎因侧偏角过大而发生脱辋危险：①当车速低于60Km/h时，控制侧偏角小于2度；②当车速在60-90Km/h时，控制侧偏角小于1.5度；③当车速在高于90Km/h时，控制侧偏角小于1度；当爆胎电动汽车行驶的路况复杂而导致轮胎侧偏角有增大趋势时，控制爆胎车轮侧偏角为0度，当不能实现控制侧偏角为0度时，则控制到能够实现的最小值。

技术方案中所述的电动汽车爆胎安全控制系统，因为汽车爆胎后其他未爆胎车轮的侧偏角容易发生变化，间接影响到爆胎车轮的侧偏角而加剧轮胎脱辋的危险程度，而且当爆胎车轮侧偏角不能被有效控制时，通过同时控制其他未爆胎车轮侧偏角会减小爆胎车轮脱辋的危险，决策控制单元根据实时路况控制其他未爆胎车轮侧侧偏角：①当爆胎的电动汽车行驶在平整路面时，控制其他未爆胎车轮侧偏角小于2度；②当爆胎的电动汽车行驶在不平整的非冰雪路面时，控制其他未爆胎车轮的侧偏角小于1.5度；③当爆胎的电动汽车行驶在冰雪路面时，爆胎汽车极容易产生侧滑，控制其他未爆胎车轮侧偏角小于1度。

技术方案中所述的电动汽车爆胎安全控制系统，决策控制模块根据电动汽车爆胎后动态载荷的非线性转移、综合汽车车速、横摆角速度和侧向加速度等信息决策悬架的高度：当爆胎时的车速低于60Km/h，升高爆胎车轮悬架的高度，降低未爆胎车轮悬架的高度，使汽车爆胎后车身与行驶路面保持水平，提高轮胎的附着能力和减轻汽车偏离车道的程度，通过保证爆胎汽车车身水平可以提高驾驶员的舒适性，进而间接减少驾驶员错误操作行为的发生；当爆胎时的车速高于60Km/h，对于决策出的需要主动控制转向、制动或驱动的未爆胎车轮，可以通过有效的载荷转移以增大该被控车轮的垂向力，进而增大该被控车轮的侧向及纵向最大轮胎力值，通过轮胎力最大值的增加可以更好的保证爆胎电动汽车的安全性。当爆胎电动汽车行驶在不平整路面很难实现车身水平时，控制爆胎车轮悬架的高度高于未爆胎车轮悬架的高度，更有利于减小爆胎车轮脱辋的危险性和实现载荷的转移。

技术方案中所述的电动汽车爆胎安全控制系统，决策控制模块根据爆胎时车速传感器采集的实时车速信息、胎压监测系统监测的胎压信息和温度信息判断爆胎轮胎的位置，控制决策模块决策出转向、制动、驱动的控制策略：

1)车速在60Km/h范围内：当前轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮转向和制动，控制爆胎车轮同侧后轴车轮转向和驱动，控制爆胎车轮对角方向后轴车轮转向；当后轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮转向和制动，控制爆胎车轮同侧前轴车轮转向和驱动，控制爆胎车轮对角方向前轴车轮转向和制动；

2)车速在60-90Km/h范围内：当前轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮转向和制动，控制爆胎车轮同侧后轴车轮转向和驱动，控制爆胎车轮对角方向后轴车轮转向和制动；当后轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮制动，控制爆胎车轮同侧前轴车轮转向和驱动，控制爆胎车轮对角方向前轴车轮转向和制动；

3)车速在90-120Km/h范围内：当前轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮转向和制动，控制爆胎车轮同侧后轴车轮转向和驱动，控制爆胎车轮对角方向后轴车轮制动；当后轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮转向和制动，控制爆胎车轮同侧前轴车轮转向和驱动，控制爆胎车轮对角方向前轴车轮制动；

4)车速高于120km/h范围内：当前轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮转向和制动，控制爆胎车轮同侧后轴车轮驱动，控制爆胎车轮对角方向后轴车轮制动；当后轮爆胎时，控制爆胎车轮同轴未爆胎车轮制动，控制爆胎车轮同侧前轴车轮驱动，控制爆胎车轮对角方向前轴车轮转向和制动。

技术方案中所述的电动汽车爆胎安全控制系统，决策控制模块计算的制动力可以由电子机械制动控制单元提供，也可以通过轮毂驱动电机提供，轮毂驱动电机有两种提供制动力的方式，一是通过轮毂驱动电机反转实现，二是通过轮毂驱动电机再生制动的方式实现；因为电子机械制动控制单元中有机械结构，所以轮毂驱动电机响应比电子机械制动控制单元响应快，决策控制模块综合车速与爆胎电动汽车周围是否存在碰撞隐患信息进行决策：①车速高于90Km/h时，制动力由电子机械制动控制单元和轮毂驱动电机反转驱动力共同提供；②车速在60-90Km/h范围内且电动汽车周围存在碰撞隐患时，制动力由电子机械制动控制单元和轮毂电机反转驱动力共同提供；当电动汽车周围不存在碰撞隐患时，制动力由电子机械制动控制单元提供；③车速低于60Km/h且爆胎电动汽车周围存在碰撞隐患时，如果轮毂驱动电机能够提供满足决策要求的制动力，制动力由轮毂驱动电机的反转驱动力提供；如果轮毂驱动电机不能提供满足决策要求的制动力，制动力由轮毂驱动电机反转驱动力和电子机械制动控制单元共同提供；当爆胎电动汽车周围不存在碰撞隐患时，制动力由电子机械制动控制单元和轮毂驱动电机再生制动的方式共同提供。轮毂驱动电机既可以为驱动轮提供驱动力，又可以为制动轮提供反转驱动力，还可以实现再生制动的功能，在保证爆胎电动汽车安全性的条件下提高了能量利用率。

本发明的有益效果：

1.应用线控技术和集成控制方法的电动汽车，可实现四轮独立转向、独立制动、独立驱动和四轮悬架高度独立可控，能够在最优的控制策略下保证电动汽车爆胎后减速并安全停车，提高爆胎后电动汽车的稳定性和安全性。

2.充分利用轮毂驱动电机，既可以为控制策略中需要驱动的车轮提供驱动力，又可以为制动轮提供制动力，同时通过轮毂驱动电机再生制动的方式实现节能和提高能量利用率。

3.电动汽车采用四轮独立可控悬架，通过决策悬架的高度，实现有效的载荷转移以增大被控车轮的垂向力，进而增大被控车轮的侧向及纵向最大轮胎力值，通过轮胎力最大值的增加从而更好的保证爆胎电动汽车的安全性。

4.控制爆胎车轮侧偏角，考虑爆胎电动汽车当前车速、行驶路况控制爆胎车轮最大轮胎侧偏角，防止爆胎的轮胎因侧偏角过大而发生脱辋危险；根据路况和爆胎车轮侧偏角控制的程度控制其他未爆胎车轮的侧偏角。

5.安全控制系统中采用车车通信技术并考虑爆胎电动汽车周围的环境信息，考虑爆胎电动汽车周围车辆的安全性；对驾驶员的操作行为进行判断，防止爆胎时驾驶员操作有误而进一步增加危险。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是所提出的控制系统组成示意图。

图2是系统控制流程图。

图3是车速在60Km/h范围内爆胎控制示意图。

图4是车速在60-90Km/h范围内爆胎控制示意图。

图5是车速在90-120Km/h范围内爆胎控制示意图。

图6是车速高于于120Km/h范围内爆胎控制示意图。

图中虚线车轮表示爆胎车轮；轮胎上箭头表示驱动力或者制动力，而力值的大小不由箭头长短而仅由决策控制模块决策；箭头方向与车速行驶方向相同时表示轮毂驱动电机对车轮的驱动力；箭头方向与车速方向相反时表示决策控制单元决策的制动力；考虑到同时爆胎两个车轮的概率很小，左右车轮爆胎的控制原理相近而前后轮爆胎控制原理不同，本发明只是对前轴的左轮(1轮)和后轴的左轮(3轮)进行说明。且附图中用1轮、2轮、3轮、4轮分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的描述。

参阅附图1，爆胎安全控制系统包括信息采集模块、决策控制模块和执行模块。其中，信息采集模块包括轮胎压力传感器、轮胎温度传感器、车速传感器和方向盘转角转矩传感器，用于采集轮胎的胎压、温度信息、汽车车速信息和爆胎时驾驶员操作方向盘的转角、转矩信息。决策控制模块包括整车控制器，整车控制器实时接收信息采集模块传送的信息，通过控制器开发阶段设定的计算程序进行计算和决策并把控制指令发送至执行模块。执行模块实时接收决策控制模块的控制指令并作出快速准确的响应，主要包括轮毂驱动电机、转向电机、电子机械制动控制单元、四轮独立可控悬架、语音提示系统、车车通信系统。

参阅附图2，信息采集模块的传感器实时采集轮胎压力信号、轮胎温度信号、车速信号和方向盘转角、转矩信号，当信息采集模块把轮胎的爆胎信号和车速信号传送到决策控制模块时，决策控制模块根据当前车速和路况信息通过转向电机控制车轮的侧偏角；决策未爆胎车轮的控制方式并计算相应的制动力、驱动力和车轮的转向角；制动力可由电子机械制动控制单元提供、也可以由轮毂驱动电机提供反转驱动力和轮毂驱动电机再生制动的方式提供，决策控制模块综合车速与爆胎电动汽车周围是否存在碰撞隐患信息决策制动力的来源；决策控制模块根据电动汽车爆胎后动态载荷的非线性转移、综合汽车车速、横摆角速度和侧向加速度等汽车状态信息计算决策控制悬架的高度：控制爆胎车轮的悬架升高，控制未爆胎车轮的悬架降低保证车身的水平以减轻电动汽车爆胎后偏离车道的程度，对于决策出的需要主动控制转向、制动或驱动的未爆胎车轮，通过有效调整悬架高度实现载荷转移以增大该被控车轮的垂向力，进而增大该被控车轮的侧向及纵向最大轮胎力值；考虑周围环境，利用车车通信技术通过无线通信网络和GPS定位系统与有二次碰撞隐患的周围行驶车辆建立通信，实时发送爆胎汽车精确位置、车速、加速度和移动方向等信息，警告周围车辆存在来自于爆胎电动汽车的危险，使周围行驶车辆能够及时采取安全措施；整车控制器中预先设定汽车爆胎时对驾驶员驾驶行为判断的程序策略，当电动汽车爆胎时通过程序判断驾驶员驾驶行为是有助于爆胎汽车减速停车和保证操纵稳定性与安全性时允许驾驶员的操作，否则屏蔽驾驶员的操作，当汽车进入稳定行驶状态且车速降低至驾驶员能够完全控制汽车安全停车时，解除对驾驶员的屏蔽作用，使驾驶员能够重新拥有驾驶权限，语音提示系统会发出语音提示驾驶员，当前时刻爆胎安全控制系统退出控制，汽车由驾驶员完全控制直至安全停车。

参阅附图3，当车速在低于60Km/h范围内1轮爆胎时，汽车产生逆时针的失稳力矩向左偏离车道行驶，控制2轮向汽车偏离车道方向的反方向转向并施加制动力，控制3轮转向和驱动，控制4轮转向以产生与失稳力矩反方向的附加横摆力矩；当3轮爆胎时，控制4轮转向和制动，控制1轮转向和驱动，控制2轮转向和制动，控制效果与左前轮爆胎时控制效果相同。

参阅附图4，当车速在60-90Km/h范围内1轮爆胎时，控制2轮转向和制动，控制3轮转向和驱动，控制4轮转向和制动；当3轮爆胎时，控制4轮制动，控制1轮转向和驱动，控制2轮转向和制动。

参阅附图5，当车速在90-120Km/h范围内1轮爆胎时，控制2轮转向和制动，控制3轮转向和驱动，控制4轮制动；当3轮爆胎时，控制4轮转向和制动，控制1轮转向和驱动，控制2轮制动。

参阅附图6，当车速高于120Km/h时1轮爆胎，控制2轮转向和制动，控制3轮驱动，控制4轮制动；当3轮爆胎时，控制4轮制动，控制1轮驱动，控制2轮转向和制动。