一种车联网环境下的减速带工况车路协同馈能方法

1.本发明涉及车路振动能量回收技术领域，具体涉及一种车联网环境下的减速带工况车路协同馈能方法。


背景技术：

2.随着科学技术的飞速发展，全球的汽车保有量在不断攀升，能源和环境污染问题日益加剧。车辆成为人们出行及货物运输最常用的交通工具，它在给人们带来方便的同时也带来了排放污染和能源的损耗问题。
[0003]“电动化、低碳化、节能化、智能化、网联化”已成为汽车发展的必然趋势。能源动力方面，世界各国都加快了新能源汽车的研发进程，并出台了相关政策，采用新型能源的纯电动汽车、燃料电池电动汽车、混合动力汽车等新能源汽车正处于高速发展阶段。节能技术方面，制动能量回收技术能够在车辆制动时进行能量回收，并且电磁力用于制动需求，该技术可提高车辆动力能源10％-20％的利用率。馈能悬架技术能将汽车振动能量回收、储存并利用，可大幅度提升车辆的能效，减轻能源负担，提升汽车的综合性能。
[0004]
另一方面，道路作为交通的重要一环，若能够将道路能量进行回收，将有益于降低交通系统设备的能耗。道路能量的来源有两点，一是太阳的辐射能量，二是行驶车辆的机械能量。对太阳辐射能量的回收十分困难，而后者则可在某些场所得以实现。在一些公共场所，如学校、住宅区、街道、高速公路进出口，大多会安装路面减速带用以限制车辆车速，降低交通事故的发生。路面减速带是十分常见、布置较多的道路设施，如果对车辆驶过减速带的冲击能量进行回收，那么整个交通系统节能将非常可观，可有效减小交通道路电子设备的能量消耗。
[0005]
目前，鲜有研究将车辆能量回收技术的研究对象聚焦于减速带工况，并且道路能量回收技术，特别是减速带能量回收技术几乎处于空白。在车联网环境发展的大趋势下，如何实现车辆-道路的协同能量回收最优控制亟需理论指导和技术方案。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种车联网环境下的减速带工况车路协同馈能方法，基于车联网环境下的车对物、车对车的信息通讯，确定车辆驶过减速带的最佳车速和制动减速度，实现车路协同馈能最优。
[0007]
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008]
一种车联网环境下的减速带工况车路协同馈能方法，具体为：
[0009]
车辆在接收到固定位置p0到电磁减速带的实际距离l时，切换为减速带工况自动驾驶模式，经过p0处时，车辆以v0进行匀速行驶，ts时间后，以0.1g的制动减速度进行制动；
[0010]
所述其中v0为车辆初始速度，制动距离g为重力加速度，z为制动强度，通过电磁减速带的最佳车速为ve＝[vb,v
l
]
min
，v
l
为减速带路段限定的最大通过
车速，vb是综合动力学性能和能量回收性能的车辆通过电磁减速带的优化车速；
[0011]
所述vb的获取过程为：
[0012]
建立综合车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷、车辆直线电机感应电动势、电磁减速带直线电机感应电动势的适应度函数：
[0013][0014]
其中，aa、a
t
、as、a
e1
、a
e2
分别为车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷、车辆直线电机感应电动势和电磁减速带直线电机感应电动势的值，ma、m
t
、ms、m
e1
、m
e2
分别为车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷、车辆直线电机感应电动势和电磁减速带直线电机感应电动势的最小值，ai为加权系数，i＝0,1
…
,4；
[0015]
以适应度函数最小作为寻优条件，得到车辆通过电磁减速带的优化车速vb。
[0016]
进一步的，所述最小值是分别由车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷、车辆直线电机感应电动势和电磁减速带直线电机感应电动势的峰值关于通过电磁减速带的行驶车速的变化趋势确定的；所述变化趋势是通过建立车辆-电磁减速带耦合动力学模型获取的。
[0017]
更进一步的，车辆与电磁减速带的接触过程分为驶入、顶部、驶离和复原四个状态，所述车辆-电磁减速带耦合动力学模型通过给出车轮与电磁减速带接触点的垂向位移x
t
关于减速带外壳的垂向位移xb的表达式，对四种状态的位移和速度进行解耦。
[0018]
更进一步的，当处于驶入状态时，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度为：
[0019][0020]
其中，v表示车辆通过电磁减速带时的行驶速度，t表示车轮接触电磁减速带的行驶时间，h表示减速带外壳的等边梯形截面高度，β表示等边梯形截面斜边与水平面的夹角；
[0021]
当处于顶部状态时，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度为：
[0022][0023]
其中：d表示等边梯形截面上边长度；
[0024]
当车辆处于驶离状态时，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度为：
[0025][0026]
当车轮驶离减速带后，进入复原状态，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度为零：
[0027][0028]
其中：f表示等边梯形截面下边长度。
[0029]
进一步的，所述减速带工况自动驾驶模式能切换为人工驾驶模式，切换后，ecu将
最佳车速和制动减速度反馈给驾驶员，驾驶员控制制动踏板力度，从而达到最佳车速和制动减速度。
[0030]
更进一步的，所述最佳车速为ve＝[vb,v
l
]
min
，v
l
为减速带路段限定的最大通过车速，vb是综合动力学性能和能量回收性能的车辆通过电磁减速带的优化车速。
[0031]
更进一步的，所述制动减速度为：
[0032]
当车辆到电磁减速带的实际距离sr大于等于理想制动距离si时，保持当前车速不变，制动减速度为0；
[0033]
当车辆到电磁减速带的实际距离sr大于临界制动距离sm时，且小于理想制动距离si时，以az的制动减速度进行制动；
[0034]
当车辆到电磁减速带的实际距离sr小于临界制动距离sm时，以0.4g的制动减速度进行制动。
[0035]
更进一步的，所述其中τ
′2为制动踏板间隙补偿时间，τ
″2为制动力增长时间；所述所述
[0036]
本发明的有益效果为：
[0037]
(1)本发明设计了车联网环境下车辆通过减速带工况自动驾驶模式和人工驾驶模式，在减速带工况自动驾驶模式，经过固定位置p0处时，车辆匀速行驶，ts时间后，以0.1g的制动减速度进行制动，切换为人工驾驶模式后，ecu将最佳车速和制动减速度反馈给驾驶员，驾驶员控制制动踏板力度，从而达到最佳车速和制动减速度；两种驾驶模式能够实现车辆和电磁减速带的能量回收协同最优度；
[0038]
(2)本发明通过采用综合考量包括车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷的动力学性能指标和包括车辆直线电机感应电动势、电磁减速带直线电机感应电动势在内的能量回收指标，以动力学性能指标和能量回收指标作为寻优条件，得到车辆通过电磁减速带的优化车速，再由优化车速确定通过电磁减速带的最佳车速，该方法能够在实现车辆与电磁减速带能量协同回收的同时，保证车辆通过电磁减速带的动力学性能；
[0039]
(3)本发明中的人工驾驶模式中制动减速度根据车辆到电磁减速带的实际距离与理想制动距离、临界制动距离的大小关系进行确定，从而协调能量回收与制动舒适性的矛盾关系；当车辆在理想制动距离之前开始制动，车辆和电磁减速带能量回收效果理想，且制动过程中舒适度良好；当车辆在理想制动距离和临界制动距离之间制动时，车辆和电磁减速带能量回收较差，制动过程中具有一定舒适性；当车辆在临界制动距离之后制动，以保证制动舒适性为主，车辆和电磁减速带能量回收最差。
附图说明
[0040]
图1为本发明所述车联网环境下的减速带工况车路协同馈能系统示意图；
[0041]
图2为本发明所述车联网环境下的减速带工况车路协同馈能原理图；
[0042]
图3为本发明所述车辆-电磁减速带耦合动力学模型图；
[0043]
图4(a)为本发明所述车辆与电磁减速带接触过程的驶入状态图；
[0044]
图4(b)为本发明所述车辆与电磁减速带接触过程的顶部状态图；
[0045]
图4(c)为本发明所述车辆与电磁减速带接触过程的驶出状态图；
[0046]
图4(d)为本发明所述车辆与电磁减速带接触过程的复原状态图。
[0047]
图5(a)为本发明所述车身加速度峰值变化趋势图；
[0048]
图5(b)为本发明所述俯仰角加速度峰值变化趋势图；
[0049]
图5(c)为本发明所述车轮动载荷峰值变化趋势图；
[0050]
图6(a)为本发明所述车辆直线电机感应电动势峰值变化趋势图；
[0051]
图6(b)为本发明所述电磁减速带直线电机感应电动势峰值变化趋势图；
[0052]
图中：1.直线电机式馈能悬架系统，2.再生制动系统，3.减速带外壳，4.弹簧，5.阻尼器，6.直线电机，7.电磁减速带通讯模块，8.道路距离通讯模块，9.车辆通讯模块。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0054]
如图1所示，一种车联网环境下的减速带工况车路协同馈能系统，包括具有直线电机式馈能悬架系统1和再生制动系统2的车辆和一种电磁减速带，悬架振动能量回收装置1和制动能量回收装置2为现有技术，在此不再赘述；所述电磁减速带由减速带外壳3、弹簧4、阻尼器5和直线电机6构成，减速带外壳3正下方的地面里设置有阻尼器5和直线电机6，且阻尼器5上设有弹簧4，本发明中直线电机6具有能量回收功能。
[0055]
车联网环境下的车辆和道路安装有通讯模块，具有信息交互功能，具体涉及到电磁减速带通讯模块7、道路距离通讯模块8和车辆通讯模块9，车辆通讯模块9设置在车联网环境下的每一个车辆上；电磁减速带通讯模块7中设有减速带外壳3的等边梯形截面形状、梯形截面高度h、梯形截面上边长度d、梯形截面下边长度f以及梯形截面斜边与水平面的夹角β，电磁减速带通讯模块7输出上述数据信息；固定位置p0处设有道路距离通讯模块8，道路距离通讯模块8输出p0到电磁减速带的实际距离l；车辆通讯模块9接收电磁减速带通讯模块7和道路距离通讯模块8输出的数据信息，并可输出数据信息给其他车辆。
[0056]
如图2所示，车辆在接收到道路距离通讯模块8输出的信息，车辆ecu将车辆驾驶模式将切换为减速带工况自动驾驶模式，减速带工况自动驾驶模式下，车辆的车速及横摆角完全由ecu控制，减速带工况自动驾驶模式可以人为中断，从而切换为人工驾驶模式，切换后，ecu会将当前最佳车速和制动减速度反馈给驾驶员，驾驶员可控制制动踏板力度从而达到最佳车速和制动减速度。
[0057]
减速带工况自动驾驶模式下的车辆控制策略具体如下：
[0058]
步骤一，确定车辆通过电磁减速带的最佳车速
[0059]
通过构建车辆-电磁减速带耦合动力学模型(图3)，获得车辆包括车身加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷在内的动力学性能指标以及包括车辆悬架感应电动势、减速带感应电动势在内的能量回收性能指标峰值关于通过电磁减速带的行驶车速的变化趋势，并采
用优化算法求取综合动力学性能和能量回收性能的车辆通过电磁减速带的优化车速vb；
[0060]
并确定通过电磁减速带的最佳车速为ve＝[vb,v
l
]
min
，此处，v
l
为减速带路段限定的最大通过车速，若无车速限制，v
l
＝∞。
[0061]
步骤二，确定车辆的最佳制动时间点
[0062]
再生制动系统2采用最优能量回收制动策略(为现有技术)，设定制动强度z＝0.1为轻微制动强度，在该制动强度下，车辆舒适度较好、制动稳定性强，制动转矩由前轴轮毂电机提供，具有最大再生效率；在轻微制动强度下的制动距离为：
[0063][0064]
式中，v0为车辆初始速度，g为重力加速度；
[0065]
当车辆位于制动距离s处，即为最佳制动时间点。
[0066]
骤三，确定车辆的匀速行驶时间
[0067]
车辆经过p0后，保持当前车速匀速行驶，直至距离电磁减速带s处，匀速行驶的时间为：
[0068][0069]
因此，减速带工况自动驾驶模式的驾驶行为具体为：车辆自动切换为减速带工况自动驾驶模式，经过p0处时，控制当前动力输出扭矩不变，车辆以v0进行匀速行驶，ts时间后，车辆以0.1g的制动减速度进行制动。
[0070]
人工驾驶模式下的车辆控制策略为：
[0071]
步骤一，确定车辆通过电磁减速带的最佳车速
[0072]
同减速带工况自动驾驶模式下的减速带工况自动驾驶控制策略中的步骤一，在此不再赘述。
[0073]
步骤二，确定车辆的最佳制动时间点
[0074]
再生制动系统2采用最优能量回收制动策略，设定z＝0.1的轻微制动强度，理想制动距离的计算方法为：
[0075][0076]
式中，τ
′2为制动踏板间隙补偿时间，τ
″2为制动力增长时间，且τ
′2和τ
″2由本领域技术人员根据经验设定；
[0077]
当车辆位于理想制动距离si处，即为最佳制动时间点。
[0078]
步骤三，当所述理想制动距离si小于等于当前车辆与电磁减速带的实际距离sr时，计算车辆匀速行驶时间，计算公式为：
[0079][0080]
当所述理想制动距离si大于当前车辆与电磁减速带的实际距离sr时，直接进行制动，制动减速度的计算公式为：
[0081][0082]
步骤四，最大制动减速度的设定
[0083]
车辆制动减速度大于0.4g时，人体明显感到不适，且对车辆制动器有较大损伤，设定车辆最大制动减速度为0.4g，该制动减速度下的制动距离(临界制动距离)为：
[0084][0085]
人工驾驶模式下，ecu反馈给驾驶员的制动减速度信息为：当车辆到电磁减速带的实际距离sr大于等于理想制动距离si时，建议保持当前车速不变，制动减速度为0；当车辆到电磁减速带的实际距离sr大于临界制动距离sm时，且小于理想制动距离si时，建议以az的制动减速度进行制动；当车辆到电磁减速带的实际距离sr小于临界制动距离sm时，建议以0.4g的制动减速度进行制动，此时所述车辆无法以最佳车速通过电磁减速带。
[0086]
车辆-电磁减速带耦合动力学模型如图3所示，以前轮驶过电磁减速带为例，耦合动力学模型是一种五自由度半车动力学模型，模型包括簧上质量ms，前、后簧下质量m
u1
和m
u2
，电磁减速带外壳质量mb，车身俯仰角θ，车身俯仰转动惯量i
θ
，簧上质量的垂向位移xs，车身前、后悬架连接点的垂向位移x
s1
和x
s2
，前、后簧下质量的垂向位移x
u1
和x
u2
，前、后车轮与路面接触点的垂向位移x
t1
和x
t2
，前、后悬架的刚度系数k
s1
和k
s2
，前、后悬架的阻尼系数c1和c2，轮胎的刚度系数k
t
，电磁减速带外壳的垂向位移xb，弹簧4的刚度系数kb，阻尼器5的阻尼系数cb，直线电机6的阻尼系数ce，前、后悬架到车身质心的距离a和b。车辆-电磁减速带耦合动力学模型的动力学方程如下：
[0087][0088]
将车辆与电磁减速带的接触过程分为四个状态，分别是驶入、顶部、驶离和复原，如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示。车辆-电磁减速带耦合动力学模型通过给出车轮与电磁减速带接触点的垂向位移x
t
关于减速带外壳的垂向位移xb的表达式，以进行解耦。电磁减速带外壳的垂向位移xb若存在最大位移限制x
bmax
，当xb大于等于x
bmax
时，则车轮与电磁减速带接触点的位移取x
bmax
、速度取零：
[0089][0090]
当处于驶入状态时，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度的表达式为：
[0091]
[0092]
当处于顶部状态时，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度的表达式为：
[0093][0094]
当车辆处于驶离状态时，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度的表达式为：
[0095][0096]
当车轮驶离减速带后，进入复原状态，车轮与电磁减速带接触点的位移和速度为零：
[0097][0098]
上述表达式中，v表示车辆通过电磁减速带时的行驶速度，t表示车轮接触电磁减速带的行驶时间；
[0099]
当车轮驶离减速带后，电磁减速带的动力学方程改写为：
[0100][0101]
车辆直线电机式馈能悬架系统1产生的感应电动势与悬架速度有关，其表达式可表示为：
[0102][0103]
式中：k
es
为车辆悬架直线电机感应电动势系数。
[0104]
电磁减速带直线电机产生的感应电动势与电磁减速带外壳速度有关，其表达式可表示为：
[0105][0106]
式中：k
eb
为直线电机6感应电动势系数。
[0107]
由上述公式可知，车轮与电磁减速带接触点垂向位移x
t
、电磁减速带外壳垂向位移xb与车辆通过电磁减速带的行驶速度v相关，即车辆通过电磁减速带的行驶速度v为车辆-电磁减速带耦合系统的激励输入。当给定车辆通过电磁减速带的行驶速度v，可获取包括车身俯仰角θ，簧上质量的垂向位移xs，车身前、后悬架连接点的垂向位移x
s1
和x
s2
，前、后簧下质量的垂向位移x
u1
和x
u2
，前、后车轮与路面接触点的垂向位移x
t1
和x
t2
在内的所有系统状态变量，进一步根据动力学方程和感应电动势方程，得到动力学性能指标：车身加速度俯仰角加速度车轮动载荷以及能量回收性能指标：车辆悬架直线电机感应电动势es、电磁减速带直线电机感应电动势eb的峰值关于车辆通过电磁减速带的行驶车速v的变化趋势。
[0108]
以ms＝610.5，m
u1
＝21.84，m
u2
＝21.84，a＝1.21，b＝1.52，i
θ
＝1855.6，k
s1
＝17000，k
s2
＝17000，k
t
＝250000，c1＝1500，c2＝1500，mb＝50，kb＝5000，cb＝1000，ce＝100，h＝0.10，d＝0.08，f＝0.426，β＝30，l＝500为例，车辆为轮毂电机驱动电动汽车，采用直线电机电磁悬架，具备制动能量回收和振动能量回收的功能；根据车辆-电磁减速带的耦合动力
学模型，以及直线电机感应电动势表达式，得到车辆的车身垂向加速度峰值关于通过电磁减速带的行驶车速的变化趋势、俯仰角加速度峰值关于通过电磁减速的行驶带车速的变化趋势以及车轮动载荷峰值关于通过电磁减速带的行驶车速的变化趋势，分别如图5(a)、(b)、(c)所示；得到车辆直线电机感应电动势峰值关于通过电磁减速带的行驶车速的变化趋势、电磁减速带直线电机感应电动势峰值关于通过电磁减速带的行驶车速的变化趋势，分别如图6(a)、(b)所示。
[0109]
进一步，选择粒子群优化算法，进行速度寻优。建立综合车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷、车辆直线电机感应电动势、电磁减速带直线电机感应电动势的适应度函数：
[0110][0111]
其中，aa、a
t
、as、a
e1
、a
e2
分别为车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷、车辆直线电机感应电动势和电磁减速带直线电机感应电动势的值(由某一通过电磁减速带车速确定)；ma、m
t
、ms、m
e1
、m
e2
分别为车身垂向加速度、俯仰角加速度、车轮动载荷、车辆直线电机感应电动势和电磁减速带直线电机感应电动势的最小值(由变化趋势确定)；ai为加权系数，给定ai为0.2，i＝0,1
…
,4；优化对象为车辆速度，因此粒子维度确定为1维，粒子群规模确定为40，两个学习因子设定为2，惯性权重设定为0.5，迭代步数取500，并以适应度函数最小作为寻优条件，得到车辆通过电磁减速带的优化车速为vb＝18.5km/h(假设无车速限制，v
l
＝∞，即通过电磁减速带的最佳车速为ve＝18.5km/h)。假设驾驶员未进行强制干预，车辆进行减速带工况自动驾驶模式。当车辆初始速度v0为60km/h时，由求得s＝126m。
[0112]
头车接收数据信号，ecu运算后得到最佳车速和最佳制动时间点，车辆经过p0时，以60km/h匀速行驶后，至距离减速带126m处，然后以0.1g的制动减速度进行制动，以18.5km/h的速度通过减速带(假设无明确最高车速限制设置)，此时，能够实现兼顾车辆动力学性能的车路协同最优馈能。
[0113]
头车可将减速带信息传递给后车，后车结合自身参数计算得到制动距离s，并再次将信息传递给后车，由此，形成具有车路协同最优馈能的交通车辆队列。
[0114]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。