CN101357616B - 智能环境友好型汽车结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能环境友好型汽车结构，属于新能源与智能汽车设计技术领域，包括车外壳、车轮、及车厢内设施，以及车辆感知系统、动力系统、传动系统、制动系统、转向系统以及车辆控制系统；所述车辆感知系统为外部环境及车辆姿态感知系统，其中，所述的外部环境及车辆姿态感知系统、车辆控制系统、转向系统、制动系统、传动系统和动力系统分别与车载CAN总线相连；本发明能大幅度改善系统工作时的响应特性，系统性地提高整车性能。可以进行车辆预期状态识别与轨迹规划，进一步提高驾驶员操作情况下的燃油经济性和排放特性。通过各系统进行协调一体化控制，使整车达到系统最优的经济性，排放性，安全性和舒适性。
Description
技术领域
本发明属于新能源与智能汽车设计技术领域，特别涉及智能环境友好型汽车结构。
背景技术
随着全球能源和环境问题的日益突出，具有低排放、低能耗的新能源汽车已成为当前世界汽车工业研究与开发的热点。目前已经开发出的新能源汽车主要有各类电动汽车和代用燃料汽车，包含了纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的电动汽车已成为国际新能源汽车的研究热点。
燃料电池汽车将氢气转化为电能，驱动电机，进一步驱动车辆，为了延长燃料电池发动机的寿命，一般需要采用电池进行功率平衡与辅助，保证燃料电池发动机平稳工作。因此，严格意义上其属于一种混合动力车辆。纯电动汽车，直接由电池提供能量，通过驱动电机进一步驱动车辆，但是电池需要定时充电以补充能量。传统意义的混合动力汽车，为传统内燃机与电能的混合。内燃机将燃油转化为机械能，部分或全部通过电机传递到电池，同时按照实际情况将部分机械能用于驱动车辆，电池将根据实际情况决定需要提供的驱动或者充电的能量。
综合分析上述三类电动汽车可知，纯电动汽车、燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的动力系统均采用不同的新能源系统和单电机或多电机驱动的电驱动底盘结构。而车辆控制系统是基于燃油经济性，以及排放性进行能量管理和分配。
上述各种新能源汽车结构除具有共同的车外壳、车轮、及车厢内设施外，均包含车辆姿态感知系统，动力系统，传动系统，制动系统，转向系统以及车辆控制系统。
搭载各种新能源的电动汽车，由于其动力系统工作原理或者采用的能量源与传统内燃机汽车不同，可以在部分解决车辆经济性和排放性的要求，实现能源以及环境的可持续性发展。但是，对于各种电动汽车，缺少更有效，更广泛的环境信息识别与预测，其能量管理只能基于当前车辆状态进行能量管理与分配，同时传统混合动力汽车对于主动安全性，舒适性以及驾驶员特性等缺乏进一步的研究和考虑。
传统内燃机智能汽车，在过去20年时间里得到了非常巨大的发展。其汽车驱动结构增加了外部环境及车辆姿态感知系统，通过车辆控制系统对车辆运动的实时控制，满足驾驶员对于安全性，舒适性，以及驾驶员特性的需求。该内燃机智能汽车结构除了车辆姿态感知系统外，还包括有如雷达，摄像头，导航系统等外部环境感知系统，同时还拥有改进的制动系统和转向系统。但内燃机智能汽车一般都只装备单一的传统内燃机动力系统和传统的动力传动系统，主要实现ACC(Adaptive Cruise Control)自适应巡航，LKS(LaneKeeping System)车道保持，CAS(Collision Avoidance System)主动避撞，ISA(intelligent speed adaption)自适应智能速度等四大功能。因此传统内燃机智能汽车，由于其采用单一传统内燃机作为动力系统，很难在经济性，排放性方面有进一步的优化，要满足日益严格的经济性和排放性的法规，因此其动力系统将被各种各样的新能源，新结构的动力系统所取代。
发明内容
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种智能环境友好型汽车结构，可同时实现新能源汽车在经济性和排放性以及传统智能汽车在安全性，舒适性，驾驶员特性等方面的优势。
本发明提出的智能环境友好型汽车结构，包括车外壳、车轮、及车厢内设施，以及车辆感知系统、动力系统、传动系统、制动系统、转向系统以及车辆控制系统；其特征在于，所述车辆感知系统为外部环境及车辆姿态感知系统，其中，所述的外部环境及车辆姿态感知系统、车辆控制系统、转向系统、制动系统、传动系统和动力系统分别与车载CAN总线相连；该外部环境及车辆姿态感知系统，用于获得外部环境信息；该车辆控制系统，用于根据外部环境及车辆姿态感知系统获得的信息以及车辆状态进行信息融合，识别及预测车辆及环境信息，然后基于经济性，排放性，安全性，舒适性以及驾驶员特性制定车辆期望运动轨迹和需求功率，实时计算各个部件的控制指令，并通过控制，保证车辆始终工作最优的状态；该动力系统，用于根据车辆控制系统发出的控制指令产生相应的功率并输出；该传动系统，用于将动力传递至车轮，驱动车轮动作；该制动系统，用于根据车辆控制系统指令，执行制动指令，对车辆进行制动；该转向系统，用于根据车辆控制系统执行前轮转向的操作。
本发明相比传统内燃机智能汽车或各种类型的电动汽车以及新能源汽车，具有以下明显优势：
(1)相比原有传统内燃机智能汽车，利用电机快速、精确的响应特性，能大幅度改善系统工作时的响应特性，系统性地提高整车性能。
(2)相比各种类型的电动汽车以及新能源汽车，可以利用外部环境信息进行车辆预期状态识别与轨迹规划，进一步提高驾驶员操作情况下的燃油经济性和排放特性。
(3)通过外部环境及车辆姿态感知系统，动力系统，传动系统，制动系统，转向系统以及车辆控制系统，进行协调一体化控制，使整车达到系统最优的经济性，排放性，安全性和舒适性。
附图说明
图1本发明的智能环境友好型汽车总体结构示意图。
图1中，主电机1，传统启动电机2，发电机3，离合器4，整车控制器5，车轮6
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
本发明提出的智能环境友好型汽车结构，该结构包括与常规汽车共有的车外壳、车轮、及车厢内设施以外，还包括外部环境及车辆姿态感知系统，动力系统，传动系统，制动系统，转向系统和车辆控制系统，其中，该外部环境及车辆姿态感知系统，用于获得外部环境信息(如与前车相对距离，相对速度，车道线信息，旁车信息，当前车辆地理位置，海拔等)以及车辆纵向加速度、横向加速度、横摆角速度等，并通过车载CAN总线与车辆控制系统实时交换信息；该车辆控制系统，用于根据外部环境及车辆姿态感知系统获得的信息以及车辆状态进行信息融合，识别及预测车辆及环境信息(包括交通统计信息，距路口信息，海拔信息，路面附着率，前车，旁车运动识别及预测，驾驶员特性识别以及驾驶员操作识别，车辆当前状态信息等车辆及环境信息)，然后基于经济性，排放性，安全性，舒适性以及驾驶员特性制定车辆期望运动轨迹和需求功率，实时计算各个部件的控制指令，并通过控制，保证车辆始终工作在最优的状态；该动力系统，根据车辆控制系统发出的控制指令产生相应的功率并输出；该传动系统将动力传递至车轮，驱动车轮动作；该制动系统，根据车辆控制系统指令，执行制动指令，对车辆进行制动；该转向系统，根据车辆控制系统执行前轮转向的操作。
本发明上述各系统的组成实施例结构结合图1所示分别说明如下：图中，单实线表示机械连接，粗虚线表示液压连接，粗短线表示高压电气连接，细虚线表示低压电气连接，双实线表示CAN总线，三实线表示部件控制器对相应部件的控制信号。
本发明的外部环境及车辆姿态感知系统可包括分别与CAN总线相连的雷达及处理器、导航系统GPS及处理器、摄像头及处理器、车辆姿态传感器。其中，雷达及处理器安装在车的头部，用于采集自车与前车(或者前面障碍物)的相对距离以及相对车速的实时数据；摄像头及处理器安装于车辆头部和尾部，用于采集外部环境图像并对其进行二值化处理，得到车道线以及旁车道车辆信息；GPS及处理器安装于驾驶室内，提供当前车辆地理位置以及海拔信息；车辆姿态传感器安装于车辆中部，包括横摆角速度传感器，侧向加速度传感器，以提供车辆横摆角速度和车辆侧向加速度。雷达可以为激光雷达或者毫米波雷达，本实施例雷达及处理器采用Denso公司的毫米波雷达及处理器，有效距离100m。摄像头采用高速摄像头，该处理器采用常规的单片机实现，GPS及处理器采用凯立德移动导航系统G12193，车辆横摆角速度传感器和侧向加速度传感器采用商用传感器。
本发明的动力系统可包括分别与CAN总线相连的发动机，主电机1，发电机3，高压电池组，传统启动电机2，低压蓄电池，直流/直流转换器DC/DC。其中，发动机通过一定传动比的传动装置与其前端的发电机3和后端的传动系统的离合器4相连；高压电池组与主电机1，通过高压连接；高压电池组与发电机3通过高压连接；主电机通过齿轮与变速器进行动力耦合；低压蓄电池通过直流/直流转换器DC/DC与高压电池组连接；传统启动机通过低压12V与低压蓄电池连接；传统启动机2通过齿轮连接于发动机后端。
该动力系统的工作原理为：发动机发出的转矩，通过机械连接装置分配给发电机3和离合器端4，实现发电转矩以及车辆输出转矩的实时控制。而发电机3将发动机的机械能通过发电转化为电能，存储到与其电连接的高压电池组当中。另一端，发动机输出至与其机械连接的离合器4的转矩传递至与其机械连接变速器，在此与主电机1输出转矩经过一定传动比耦合，共同输出至车辆传动轴驱动车辆。直流/直流转换器DC/DC将高压电池组的高压转化为低压，给低压蓄电池充电，低压蓄电池给各控制器以及传统启动电机2供电。
本实施例的发动机可以是燃料电池发动机，亦可以是传统发动机或者替代燃料发动机，在此采用商用汽油机，排量1.3L，额定功率63KW/6000rpm，主电机1采用300V高压供电，额定功率20KW，最大功率30KW，发电机3采用300V高压供电，额定功率5KW，最大功率10KW，高压电池组采用25个12V，40Ah镍氢电池组串联组成300V高压电池组，低压蓄电池采用12V，60Ah铅酸蓄电池，传统启动机2采用12V供电，额定功率1KW，最大功率2KW，直流/直流转换器DC/DC采用商用300V转12V逆变器。
本发明的传动系统，将动力系统输出的动力传递至车轮而驱动车辆。包括离合器4、变速器、传动轴、差速器以及车轮等传动部件(图中未示出)。本发明采用传统汽车中的传动部件，其安装位置与传统汽车安装位置相同。在本实施例中，变速器采用商用5档机械自动变速器AMT。
本发明的制动系统，采用电控制动机构EBS与动力系统的主电机联合制动。电控制动机构EBS通过执行机构连接至四个车轮，通过制动力控制进行制动操作，动力系统的主电机1也可通过提供电机阻力矩进行制动操作。制动机构在驾驶员制动或者通过车辆控制系统计算需要进行制动的时候，根据车辆控制器的制动指令，利用电控制动机构EBS和主电机1协调工作进行制动。本实施例的电控制动机构EBS采用电控液压制动机构EHB。
本发明的转向系统采用商用前轮主动转向机构AFS。前轮主动转向机构AFS通过转向电机控制前车轮主动转向，因此说明书示意图中未画出。AFS根据车辆控制器输出转向指令以及驾驶员转向操作由AFS控制器控制，执行前轮主动转向操作。本实施例的前轮主动转向机构采用德国BMW公司的前轮主动转向机构。
本发明的车辆控制系统，由分别通过CAN总线连接的整车控制器，EBS控制器，AFS控制器，以及部件控制器组成。其中，EBS控制器与电控制动机构EBS相连，AFS控制器与前轮主动转向机构AFS相连，部件控制器包括与高压电池组相连的高压电池组控制器，与主电机相连的主电机控制器，与发电机相连的发电机控制器，与发动机相连的发动机控制器，与变速器相连的变速器控制器。EBS控制器根据整车控制器制动指令控制EBS进行制动，AFS控制器根据整车控制器转向指令控制AFS进行前轮主动转向操作，部件控制器分别根据整车控制器的控制指令控制各部件进行部件运行。
整车控制器根据外部环境及车辆姿态感知系统获得的外部环境信息以及车辆姿态信息，基于经济性，排放性，安全性，舒适性以及驾驶员特性确定车辆期望运动轨迹，制定驱动力，制动力以及转向角控制指令，并将驱动力，制动力分配给发动机，发电机4，主电机1以及EBS控制器，将转向角指令发送给AFS控制器，保证车辆始终工作最优的状态。EBS控制器根据整车控制器分配的制动力指令，控制EBS制动机构实现制动力指令。AFS控制器根据整车控制器发送的转向角指令，控制车轮转向机构实现转向角指令。
本实施例的整车控制器，EBS控制器，AFS控制器和部件控制器均可采用单片机实现。
采用本发明的车辆控制系统在自动驾驶模式下，智能环境友好型汽车可以实现以下功能：
智能低速频繁起停功能：低速频繁起停过程中，将根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息(如相对距离信息、车道信息、旁车信息、地理位置和海拔信息等)、车辆运行状态信息(如车速、纵向加速度和侧向加速度等)、部件状态信息(如电机转速、电机转矩、电池剩余电量和当前档位等)以及驾驶员操作(如加速踏板位置、制动踏板位置和方向盘转角等)，由车辆控制系统制定需求加、减速度和转向角度，自动进行车辆的起停控制和换道控制，此时车辆由主电机1驱动，发动机停止工作。
智能中高速巡航控制功能：中高速巡航控制过程中，同样，将根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息(如相对距离信息、车道信息、旁车信息、地理位置和海拔信息等)、车辆运行状态信息(如车速、纵向加速度和侧向加速度等)、部件状态信息(如电机转速、电机转矩、电池剩余电量和当前档位等)以及驾驶员操作(如加速踏板位置、制动踏板位置和方向盘转角等)，由车辆控制系统进行最优路径规划，制定需求加、减速度和转向角度，自动跟随前车行驶，或者保持匀速行驶，同时进行换道控制，保证车辆经济性与安全性。此时车辆由发动机单独进行控制。
智能高速大负荷巡航功能：根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息、车辆运行状态信息、部件状态信息以及驾驶员操作，由车辆控制系统制定需求加、减速度和转向角度，发动机，电机进行联合驱动，以满足驾驶员大加速需求，同时保证车辆运行的经济性。同时，在满足驾驶员需求的条件下，车辆控制系统将根据实时车轮滑转率对电机转矩控制，实现最高的路面附着利用率，保证车辆运行的安全性。
智能紧急制动功能：在紧急制动情况过程中，将根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息(如相对距离信息、车道信息、旁车信息、地理位置和海拔信息等)、车辆运行状态信息(如车速、纵向加速度和侧向加速度等)、部件状态信息(如电机转速、电机转矩、电池剩余电量和当前档位等)以及驾驶员操作(如加速踏板位置、制动踏板位置和方向盘转角等)，如果车辆控制系统预测发现未来将发生危险，将进行主动安全控制，车辆控制系统将会协调主电机1，电控液压制动系统EBS，前轮主动转向系统AFS，进行制动和换道控制，保证车辆安全性。
Claims (1)
1.一种汽车结构，包括车外壳、车轮、及车厢内设施，其特征在于，还包括外部环境及车辆姿态感知系统、动力系统、传动系统、制动系统、转向系统以及车辆控制系统；其中，所述的外部环境及车辆姿态感知系统、车辆控制系统、转向系统、制动系统、传动系统和动力系统分别与车载CAN总线相连；该外部环境及车辆姿态感知系统，用于获得外部环境信息；该车辆控制系统，用于根据外部环境及车辆姿态感知系统获得的信息以及车辆状态进行信息融合，识别及预测车辆及环境信息，然后基于经济性，排放性，安全性，舒适性以及驾驶员特性制定车辆期望运动轨迹和需求功率，实时计算各个部件的控制指令，并通过控制，保证车辆始终工作最优的状态；该动力系统，用于根据车辆控制系统发出的控制指令产生相应的功率并输出；该传动系统，用于将动力传递至车轮，驱动车轮动作；该制动系统，用于根据车辆控制系统指令，执行制动指令，对车辆进行制动；该转向系统，用于根据车辆控制系统执行前轮转向的操作；
所述外部环境及车辆姿态感知系统包括分别与CAN总线相连的雷达、摄像头、导航系统GPS及车辆姿态传感器，该雷达采集自车与前车或前面障碍物的相对距离以及相对车速的实时数据，该摄像头采集外部环境图像并对所述采集的外部图像，进行二值化处理，得到车道线以及旁车道车辆信息，该导航系统GPS提供当前车辆地理位置以及海拔信息；该车辆姿态传感器提供车辆横摆角速度和车辆侧向加速度；
所述动力系统包括分别与CAN总线相连的发动机，主电机，发电机，高压电池组，传统启动电机，低压蓄电池，直流/直流转换器DC/DC；其中，发动机通过传动装置与其前端的发电机和后端的传动系统的离合器相连；高压电池组与主电机，通过高压连接；高压电池组与发电机通过高压连接；主电机通过齿轮与变速器进行动力耦合；低压蓄电池通过直流/直流转换器DC/DC与高压电池组连接；传统启动机与低压蓄电池连接；传统启动机通过齿轮连接于发动机后端；
所述车辆控制系统由分别通过CAN总线连接的整车控制器，EBS控制器，AFS控制器，以及部件控制器组成；其中，EBS控制器与电控制动机构EBS相连，AFS控制器与前轮主动转向机构AFS相连，所述部件控制器包括与高压电池组相连的高压电池组控制器，与主电机相连的主电机控制器，与发电机相连的发电机控制器，与发动机相连的发动机控制器，与变速器相连的变速器控制器；该EBS控制器根据整车控制器制动指令控制EBS进行制动，AFS控制器根据整车控制器转向指令控制AFS进行前轮主动转向操作，部件控制器分别根据整车控制器的控制指令控制各部件进行部件运行；所述整车控制器根据外部环境及车辆姿态感知系统获得的外部环境信息以及车辆姿态信息，基于经济性，排放性，安全性，舒适性以及驾驶员特性确定车辆期望运动轨迹，制定驱动力，制动力以及转向角控制指令，并将驱动力，制动力分配给发动机，发电机，主电机以及EBS控制器，将转向角指令发送给AFS控制器，保证车辆始终工作最优的状态；EBS控制器根据整车控制器分配的制动力指令，控制EBS制动机构实现制动力指令；AFS控制器根据整车控制器发送的转向角指令，控制车轮转向机构实现转向角指令；
所述制动系统采用电控制动机构EBS，并与动力系统的主电机联合制动；该电控制动机构EBS通过执行机构连接至四个车轮，通过制动力控制进行制动操作，动力系统的主电机通过提供电机阻力矩进行制动操作；
在自动驾驶模式下，实现智能低速频繁起停、智能中高速巡航、智能高速大负荷巡航和智能紧急制动；
所述智能低速频繁起停功能为：低速频繁起停过程中，将根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息、车辆运行状态信息、部件状态信息以及驾驶员操作，由车辆控制系统制定需求加、减速度和转向角度，自动进行车辆的起停控制和换道控制，此时车辆由主电机驱动，发动机停止工作；
所述智能中高速巡航控制功能为：在中高速巡航控制过程中，将根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息、车辆运行状态信息、部件状态信息以及驾驶员操作，由车辆控制系统进行最优路径规划，制定需求加、减速度和转向角度，自动跟随前车行驶，或者保持匀速行驶，同时进行换道控制；此时车辆由发动机单独进行控制；
所述智能高速大负荷巡航功能为：根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息、车辆运行状态信息、部件状态信息以及驾驶员操作，由车辆控制系统制定需求加、减速度和转向角度，发动机，电机进行联合驱动，以满足驾驶员大加速需求，同时保证车辆运行的经济性；同时，在满足驾驶员需求的条件下，车辆控制系统将根据实时车轮滑转率对电机转矩控制；
智能紧急制动功能为：在紧急制动情况过程中，将根据外部环境及车辆姿态感知系统采集到的前车环境信息、车辆运行状态信息、部件状态信息以及驾驶员操作，如果车辆控制系统预测发现未来将发生危险，将进行主动安全控制，车辆控制系统将会协调主电机，电控液压制动系统EBS，前轮主动转向系统AFS，进行制动和换道控制。
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