一種電動汽車四輪智能驅動平臺的製作方法

2023-05-23 08:37:36

專利名稱：一種電動汽車四輪智能驅動平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電動汽車控制領域，具體地說涉及基於輪轂電機驅動的四輪智能
驅動平臺。
背景技術：
為了解決日益嚴重的能源及環境問題，汽車正由傳統的內燃機驅動向以電動機為動力的電動車輛方向發展，零汙染、高效的電動汽車已成為當前汽車領域研究和發展的熱點。當前限制電動汽車大規模推廣應用的主要問題是電動汽車一次充電續駛裡程短，充電時間長，動力性能低，解決電動汽車的發展瓶頸，電動汽車正朝著輕型化、微型化方向發展。[0003] 電動車最初採用單臺電機提供動力的方式，電機的體積、功率比較大，而且需要複雜的機械傳動機構將電機的動力傳遞到車輪，造成車輛的總體布局單獨大，也限制了車輛運動的靈活性。而四輪獨立驅動是在每個車輪上布置一臺獨立的電機，與傳統內燃機車及單臺電機電動車有很大不同，採用四輪獨立驅動的電動汽車靈活加大，省卻了單電機傳動所必須的機械傳動裝置，最大化減少了機械部件的使用，使整車輕量化，有效提高能源的轉化效率和有限車載能源下的行駛裡程。它可對四個車輪的力矩和轉速進行單獨控制，為改善汽車的動力性、穩定性及安全性提供了更大的技術潛力。可提高車輛對於極限路況的適應性，實現原地轉向、電子差速、能量回收、路況識別控制，提高車輛的道路通過性和能量利用率。四輪獨立驅動作為汽車驅動系統的優勢及在電動汽車上應用的技術潛力，已經為國外很多研究機構和汽車生產廠所重視，具有廣闊的發展前景。國外很多研究機構和汽車製造商開始採用四輪獨立驅動系統作為電動汽車的驅動系統。美國新一代的"悍馬"軍用汽車即採用了該項技術。三菱、通用等已將四輪獨立驅動作為其下一代電動汽車的核心技術。[0004] 整車的性能直接取決於驅動電機及其控制器的性能，因此四輪獨立驅動的技術核心在於其控制技術，它不僅涉及多電機的驅動與協調控制，還與整車動力學狀態，動力電池使用狀態相關，其控制系統性能優劣直接對電動汽車的操縱穩定性、安全性、動力性、經濟性以及舒適性有重要影響。按照控制最優原則，每臺電機應當各配一個控制器，但是控制器數量多，各控制器及車輛其它控制系統之間的控制調度的研發設計就很困難。中國專利文獻CN201122920Y公開的一種《四輪獨立驅動電動車輛雙電機控制器》，它以TMS320LF2407為數字核心，CAN通訊和串口通訊電路通過地址、數據和控制總縣和TMS320LF2407處理器連接，TMS320LF2407數字核心通過接插件電路分別與雙電機P麗信號轉換與功率驅動電路、雙電機電流檢測及處理電路、雙電機轉子信息檢測與處理電路相連接，系統電源電路與上述各部分電路相連接。它以兩臺控制器，每臺控制器分別控制兩臺電機的方式進行電動車輛的控制，雖然較一臺控制器的控制效果要好，但是仍不能滿足多電機的驅動與協調控制及電動汽車的操縱穩定性等的高要求，同時也沒有將電池動力源和儀表顯示等納入驅動控制系統。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種基於輪轂電機的四輪智能驅動平臺，用4個電機控制器分別控制4個輪轂電機，並用整車控制器通過CAN通訊網絡控制各電機控制器而形成一個分布式控制系統的四輪智能驅動平臺。 實現本實用新型目的的技術方案是一種電動汽車四輪智能驅動平臺，包括輪轂電機、電機控制器、動力電池和CAN通訊網絡；還包括整車控制器；所述輪轂電機有4個；所述電機控制器也有對應的4個；4個輪轂電機、4電機控制器和整車控制器供電均與動力電池連接；整車控制器通過CAN通訊網絡分別控制4個電機控制器。 上述電動汽車四輪智能驅動平臺還包括與動力電池連接的電池管理系統；整車控制器通過CAN通訊網絡控制電池管理系統。所述電池管理系統包括多個單片機；每個單片機均有多路ADC通道用於採集電池的單片電壓、放電電流、電池溫度等信號，並進行單體電池S0C計算，通過CAN通訊網絡將數據傳給整車控制器。 上述電動汽車四輪智能驅動平臺還包括輸入信號傳感器；輸入信號傳感器包括制動踏板、油門踏板、方向盤轉角和檔位傳感器；輸入信號傳感器發出的電信號傳送給整車控制器。 上述電動汽車四輪智能驅動平臺還包括儀表和儀表控制器；儀表和儀表控制器均與動力電池相連；整車控制器通過CAN通訊網絡控制儀表控制器。 上述電動汽車四輪智能驅動平臺所述CAN通訊網絡採用TTCAN協議；CAN通訊網絡設置整車控制器、4個電機控制器、電池管理系統和儀表控制器7個結點，以整車控制器為信息交換中心，形成分布式控制網絡，整車控制器負責與其它6個結點之間的數據交換。[0011] 上述電動汽車四輪智能驅動平臺每個電機控制器包括數字核心子板、功率驅動母板和傳感器檢測部分；功率驅動母板包括6個功率開關管Ql Q6和M0SFET驅動器，功率開關管Ql Q6分別接M0SFET驅動器的P麗l P麗6 ;電機控制器根據檢測到的輪轂電機轉子位置和輪轂電機旋轉方向，控制相應的功率開關管導通；整車控制器根據各控制器的狀態，通過CAN通訊網絡發給4個電機控制器分別調節對應P麗的佔空比，實現對四個輪轂電機的制動能量回饋；每個電機控制器具有過壓、欠壓、過流、過熱保護功能。[0012] 上述電動汽車四輪智能驅動平臺在電動汽車制動踏板安裝有霍爾角位移傳感器，該傳感器採集的制動強度信號作為電子輔助制動的輸入信號；每個電機控制器設有轉速、轉矩閉環控制模式，具有電子輔助制動功能。 整車控制器為平臺的核心，其它各控制器為平臺的子控制系統；整車控制器將各子系統的信息匯總，執行柔性控制算法，其中包括電子差速控制、制動能量回饋與電子輔助制動、2WD/4WD最優扭矩分配的綜合控制；整車控制器生成的整車控制指令通過CAN通訊網絡發送至各子系統控制器，進而由子系統控制器根據整車控制器的指令驅動子系統執行器。[0014] 本實用新型採用上述技術方案具有以下的積極效果(1)本實用新型的研發思路有異於傳統的僅針對單個電機控制器的開發思路，它將永磁無刷直流電機的驅動控制、整車動力學控制、電池的監控與管理以及儀表顯示集成為一個整體，從系統的角度研究輪轂電機的驅動與控制，綜合考慮了電機、電池以及整車動力學特性。 (2)本實用新型的智能驅動平臺還包括電池管理系統，電池管理系統由多個單片機組成，每個單片機均有多路ADC通道，可對電池的單片電壓、放電電流、電池溫度等信號進行採集，並進行單體電池SOC(System on a Chip，單片系統，SoC可以有效地降低電子產 品的開發成本，縮短開發周期，提高產品的競爭力)計算，通過CAN通訊網絡的總線發送至 整車控制器。該電池管理系統可實現下列目標①延長電池使用壽命，監控電池的充放電 狀態，使其達到最優化，避免過充電、過放電；②合理利用電能，達到節能的目的；③早期發 現容量已嚴重衰減的電池，及時對其維護，尤其針對一致性差的電池產品；④記錄充放電數 量，給充電機提供參考數據，以實現優化充電；⑤通過建立電池組的技術和歷史檔案，可實 現對電池的診斷、分析提供故障信息，便於及時維護和更換。 (3)本實用新型的智能驅動平臺還包括輸入信號傳感器，這些傳感器用於採集駕 駛員的輸入操作。駕駛員的輸入操作包括制動踏板、油門踏板(電子加速踏板)、方向盤轉 角、檔位四項，其對應的傳感器將輸出電信號傳送給整車控制器進行信號的調理與採集。整 車控制器通過對司機的駕駛操作信息的採集，判斷司機處於起步、加速、轉向、制動、前進和 倒車等操作，實現對司機駕駛意圖的判斷。 (4)本實用新型的智能驅動平臺還包括儀表和儀表控制器，儀表用於顯示車速、行 駛裡程、倒車信號、左轉右轉信號、手剎信號，並提供背景燈等，此外，由於採用電驅動方式 還需要顯示電池電壓、總線電流、剩餘電量以及各個子控制系統的故障診斷信號顯示。因此 由整車控制器將需要顯示的信息通過CAN通訊網絡總線發送至儀表控制器，控制儀表電機 帶動指針、LED、LCD的動態控制，通過其內置的功率驅動電路最終實現車輛動態的實時信息 顯示。 (5)本實用新型的四輪智能驅動平臺控制網絡是圍繞CAN總線網絡所構成的分布 式控制系統。在該系統中，設置了七個具有通訊能力的結點，即整車控制器、4個電機控制 器、儀表控制器和電池管理系統。整車控制器通過CAN通訊網絡分別與其它子控制系統構 成分布式控制器網絡。為解決常規CAN總線由於採用事件觸發機制，在最大允許總線負荷 率、實時性和解決多控制器總線衝突方面的不足。因此本實用新型在基於現有的CAN接口 模塊的基礎上，採用時間觸發機制與事件觸發機制相結合的TTCAN協議，通過軟體上的開 發和升級實現了基於TTCAN的微型電動汽車分布式網絡控制系統。網絡系統以整車控制器 作為信息交換中心，負責各結點間的數據交換，即各結點的主要與整車控制器之間進行數 據交換，其它結點之間不直接交換數據。本實用新型使四輪驅動電動汽車控制系統的通訊 行為具有更高的確定性、可靠性和響應性。 (6)本實用新型的電機控制器採用模塊化設計方式，分為數字核心子板和功率驅 動母板，數字核心子板為通用子板，實際使用時只需根據不同的功率需求配備不同的功率 驅動母板，數字核心子板通用性強、配置靈活，能大為提高開發效率。 (7)本實用新型的電機控制器根據電機霍爾傳感器的位置反饋信號，控制各功率
開關管的導通順序。電機轉速與轉矩的控制通過控制低端P麗波的佔空比來實現。電機控 制器除具有常規的過壓、欠壓、過流、過熱保護功能外，還設有轉速、轉矩閉環控制模式，具
有制動能量回饋與電子輔助制動功能。 (8)本實用新型以整車控制器為分布式控制網絡的核心，其它各控制器為網絡的 子控制系統。整車控制器將各子系統的信息匯總，執行柔性控制算法，其中包括電子差速控 制、制動能量回饋與電子輔助制動、2WD/4WD最優扭矩分配的綜合控制。整車控制器生成的 整車控制指令通過CAN通訊網絡發送至各子系統控制器，進而由子系統控制器根據整車控制器的指令驅動子系統執行器，從而可根據路面狀況、車身狀況實時智能調節輪轂電機的 驅動或制動力矩，實現電子差速控制、制動能量回饋與電子輔助制動、2WD/4WD最優扭矩分 配的綜合控制功能。 (9)本實用新型電池管理系統可監控單體電池的電池容量狀態，並為電機的控制 提供依據，實現效率最佳、能量最省。智能儀表顯示車輛運行中包括車速、行駛裡程、電池電 壓、剩餘電量等各種信息。本實用新型對提高低價格電動汽車的舒適性、操縱性和電池的續 駛能力具有顯著的成效，為四輪獨立驅動微型電動汽車提供了一種智能驅動平臺。

為了使本實用新型的內容更容易被清楚的理解，下面根據的具體實施例並結合附
圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中 圖1為本實用新型四輪智能驅動平臺組成框圖。 圖2為CAN通訊網絡拓撲結構圖。 圖3為電池管理系統功能示意圖。 圖4為電機控制器示意圖， 圖5為四輪智能驅動平臺具體工作流程圖。
具體實施方式
(實施例1) 見圖l，本實施例的電動汽車四輪智能驅動平臺，包括輪轂電機1、電機控制器2、 整車控制器3、電池管理系統4、動力電池5、輸入信號傳感器6、儀表7、儀表控制器8和CAN 通訊網絡9構成的一個完整的系統。輪轂電機l有4個l-l、l-2、l-3、和l-4，均為永磁無 刷直流電機，分別安裝在車輪內。相應的，電機控制器2也有4個2-l、2-2、2-3、2-4，分別 控制對應的電機l。 圖中粗實現為動力線，由動力電池提供給4個輪轂電機1、4個電機控制器2、整車 控制器3、電池管理系統4、儀表7和儀表控制器8。各控制器內部均有電源模塊，實現+48V 動力電壓到+15V、+12V、+5V等電平轉換。整個平臺涉及的多個控制器和傳感器之間的信息 處理與控制，為保證實時性和可靠性採用了 CAN通訊，如圖中虛線部分所示。駕駛員的輸入 操作包括制動踏板、油門踏板(電子加速踏板)、方向盤轉角、檔位四項操作，由其對應的輸 入信號傳感器6將輸出電信號傳送給整車控制器3進行信號的調理與採集。整車控制器3 通過對司機的駕駛操作信息的採集，判斷司機處於起步、加速、轉向、制動、前進和倒車等操 作，實現對司機駕駛意圖的判斷。電動汽車的儀表7與普通汽車類似，需要顯示車速、行駛 裡程、倒車信號、左轉右轉信號、手剎信號，並提供背景燈等。此外，由於電動汽車採用電驅
動方式還需要顯示電池電壓、總線電流、剩餘電量以及各個子控制系統的故障診斷信號顯 示。整車控制器3將需要顯示的信息通過CAN總線發送至儀表控制器8，控制儀表電機帶 動指針、LED、LCD的動態控制，通過其內置的功率驅動電路最終實現車輛動態的實時信息顯示。 見圖2，電動汽車四輪智能驅動平臺的控制網絡是圍繞CAN通訊網絡9所構成的分 布式控制系統。在該系統中，設置了七個具有通訊能力的結點，即整車控制器3結點、4個電
6機控制器2結點、儀表控制器8結點和電池管理系統4結點。整車控制器3通過CAN通訊 網絡9分別與其它子控制系統構成分布式控制器網絡。為解決常規CAN總線由於採用事件 觸發機制，在最大允許總線負荷率、實時性和解決多控制器總線衝突方面的不足，在基於現 有的CAN接口模塊的基礎上，採用時間觸發機制與事件觸發機制相結合的TTCAN協議，通過 軟體上的開發和升級實現了基於TTCAN的微型電動汽車分布式網絡控制系統。四輪智能驅 動平臺CAN網絡協議根據SAE J1939標準制定。對各控制器的地址配置、命名、通訊方式以 及報文發送優先級等進行定義。CAN網絡系統以整車控制器作為信息交換中心，負責各結點 間的數據交換，即各結點的主要與整車控制器之間進行數據交換，其它結點之間不直接交 換數據，這樣使四輪獨立驅動電動汽車控制系統的通訊行為具有更高的確定性、可靠性和 響應性。 見圖3，本實施例電池管理系統4主要包括數據採集、數據顯示、狀態估計、熱管 理、數據通訊、安全管理、能量管理和故障診斷8個部分。數據採集由多個單片機組成，每個 單片機均有多路ADC通道，可對電池的單片電壓、放電電流、電池溫度等信號進行採集，並 將這些信息傳送給安全管理；數據採集同時將溫度信息傳送給熱管理部分、將電流電壓信 息傳送給能量管理部分，進行溫度控制和負載、充電機的調控。數據採集還將採集的信息傳 送給數據顯示部分進行數據顯示，根據這些顯示的數據，電池管理系統4進行狀態估計，同 時也將估計的狀態在數據顯示部分顯示出來。狀態估計的結果還分別傳送給故障診斷和安 全管理部分做相應地處理。安全管理、故障診斷、數據顯示及狀態估計的信息都傳送給數據 通訊，電池管理系統4進行單體電池S0C計算，通過CAN通訊網絡9發送至整車控制器3。 該電池管理系統4可實現下列目標1)延長電池使用壽命，監控電池的充放電狀態，使其達 到最優化，避免過充電、過放電；2)合理利用電能，達到節能的目的；3)早期發現容量已嚴 重衰減的電池，及時對其維護，尤其針對一致性差的電池產品；4)記錄充放電數量，給充電 機提供參考數據，以實現優化充電；5)通過建立電池組的技術和歷史檔案，可實現對電池 的診斷、分析提供故障信息，便於及時維護和更換。 見圖4，電機控制器2採用模塊化設計方式，分為數字核心子板、功率驅動母板和 傳感器檢測部分，數字核心子板為通用子板，實際使用時只需根據不同的功率需求配備不 同的功率驅動母板。輪轂電機1採用三相星型連接，全橋驅動方式，即每120。電角度。功 率驅動母板包括6個功率開關管Ql Q6和MOSFET驅動器，功率開關管Ql Q6分別接 MOSFET驅動器的P麗l P麗6。 Ql、 Q3和Q5為上半橋，Q2、 Q4和Q6為與Ql、 Q3和Q5對 應的下半橋，電機控制器2根據檢測到的由電機霍爾傳感器採集到的輪轂電機1轉子位置 和電機旋轉方向，控制相應的兩個(上半橋、下半橋各一個)功率開關管導通，使得輪轂電 機1產生所需的力矩和轉速。根據輪轂電機1控制算法的要求，可靈活選擇對於高、低邊的 三種導通方式，即1)上半橋ON/OFF，下半橋PWM ;2)上半橋P麗，下半橋0N/0FF ;3)上半橋 P麗，下半橋P麗。整車控制器3根據各控制器的狀態，通過CAN通訊網絡9發給4個電機控 制器2分別調節對應P麗的佔空比，實現對四個輪轂電機1的制動能量回饋。電機控制器 2除具有常規的過壓、欠壓、過流、過熱保護功能外，還設有轉速、轉矩閉環控制模式，具有制 動能量回饋與電子輔助制動功能。在電動汽車制動踏板安裝有霍爾角位移傳感器，該傳感 器採集的制動強度信號作為電子輔助制動的輸入信號，在電機處於制動狀態時，利用下半 橋斬波升壓原理，調節P麗頻率實現對動力電池的能量回饋，實現電子輔助制動功能。
7[0035] 見圖5，電動汽車四輪智能驅動平臺系統在工作過程中，整車控制器3處於分布式 控制網絡的核心，它將各個部件的信息匯總，結合司機駕駛的意圖和整車的控制狀態，對司 機的需求進行解釋，並執行相應的柔性控制算法，其中包括電子差速控制、制動能量回饋與 電子輔助制動、2WD/4WD最優扭矩分配的綜合控制，然後生成整車控制指令，再通過CAN通 訊網絡8發送至各子系統控制器，進而由子系統控制器根據整車控制器3發出的指令驅動 子系統執行器，最終實現整個動力系統的協同工作。 應當理解，以上所描述的具體實施例僅用於解釋本實用新型，並不用於限定本實 用新型。由本實用新型的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護 範圍之中。
權利要求一種電動汽車四輪智能驅動平臺，包括輪轂電機(1)、電機控制器(2)、動力電池(5)和CAN通訊網絡(9)；其特徵在於還包括整車控制器(3)；所述輪轂電機(1)有4個；所述電機控制器(2)也有對應的4個；4個輪轂電機(1)、4電機控制器(2)和整車控制器(3)供電均與動力電池(5)連接；整車控制器(3)通過CAN通訊網絡(9)分別控制4個電機控制器(2)。
2. 根據權利要求1所述的電動汽車四輪智能驅動平臺，其特徵在於還包括與動力電 池(5)連接的電池管理系統(4);整車控制器(3)通過CAN通訊網絡(9)控制電池管理系 統(4)。
3. 根據權利要求2所述的電動汽車四輪智能驅動平臺，其特徵在於所述電池管理系 統(4)包括多個單片機；每個單片機均有多路ADC通道用於採集電池的單片電壓、放電電 流、電池溫度信號，並進行單體電池S0C計算，通過CAN通訊網絡(9)將數據傳給整車控制 器(3)。
4. 根據權利要求2所述的電動汽車四輪智能驅動平臺，其特徵在於還包括輸入信號 傳感器(6);輸入信號傳感器(6)包括制動踏板、油門踏板、方向盤轉角和檔位傳感器；輸入 信號傳感器(6)發出的電信號傳送給整車控制器(3)。
5. 根據權利要求4所述的電動汽車四輪智能驅動平臺，其特徵在於還包括儀表(7) 和儀表控制器(8);儀表(7)和儀表控制器(8)均與動力電池(5)相連；整車控制器(3)通 過CAN通訊網絡(9)控制儀表控制器(8)。
6. 根據權利要求4所述的電動汽車四輪智能驅動平臺，其特徵在於每個電機控制器 (2)包括數字核心子板、功率驅動母板和傳感器檢測部分；功率驅動母板包括6個功率開關 管Ql Q6和M0SFET驅動器，功率開關管Ql Q6分別接M0SFET驅動器的P麗l P麗6 ; 電機控制器(2)根據檢測到的輪轂電機(1)轉子位置和輪轂電機(1)旋轉方向，控制相應 的功率開關管導通；整車控制器(3)根據各控制器的狀態，通過CAN通訊網絡(9)發給4個 電機控制器(2)分別調節對應P麗的佔空比，實現對四個輪轂電機(1)的制動能量回饋海 個電機控制器(2)具有過壓、欠壓、過流、過熱保護功能。
7. 根據權利要求6所述的電動汽車四輪智能驅動平臺，其特徵在於在電動汽車制動 踏板安裝有霍爾角位移傳感器，該傳感器採集的制動強度信號作為電子輔助制動的輸入信 號；每個電機控制器(2)設有轉速、轉矩閉環控制模式，具有電子輔助制動功能。
專利摘要本實用新型公開了一種電動汽車四輪智能驅動平臺，包括輪轂電機、電機控制器、動力電池和CAN通訊網絡；還包括整車控制器；所述輪轂電機有4個；所述電機控制器也有對應的4個；4個輪轂電機、4電機控制器和整車控制器供電均與動力電池連接；整車控制器通過CAN通訊網絡分別控制4個電機控制器。整車控制器處於分布式控制網絡的核心，它將各子控制器的信息進行匯總並將所需執行指令發送至各子控制器執行。該智能平臺從系統的角度將輪轂電機控制、整車動力學控制、電池能量管理和儀表顯示綜合考慮，採用了先進的柔性控制算法。本實用新型對提高電動汽車的舒適性、操縱性和電池的續駛能力具有顯著成效。
文檔編號H02P5/46GK201442527SQ200820214700
公開日2010年4月28日 申請日期2008年12月26日 優先權日2008年12月26日
發明者劉志賢, 盧蘭光, 李建秋, 歐陽明高, 王斌, 谷靖 申請人:常州麥科卡電動車輛科技有限公