CN101767542B - 电动汽车四轮智能驱动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车四轮智能驱动平台，包括轮毂电机、电机控制器、动力电池和CAN通讯网络；还包括整车控制器；所述轮毂电机有4个；所述电机控制器也有对应的4个；4个轮毂电机、4电机控制器和整车控制器供电均与动力电池连接；整车控制器通过CAN通讯网络分别控制4个电机控制器。整车控制器处于分布式控制网络的核心，它将各子控制器的信息进行汇总并将所需执行指令发送至各子控制器执行。该智能平台从系统的角度将轮毂电机控制、整车动力学控制、电池能量管理和仪表显示综合考虑，采用了先进的柔性控制算法。本发明对提高电动汽车的舒适性、操纵性和电池的续驶能力具有显著成效。

Description

电动汽车四轮智能驱动平台

技术领域

本发明涉及电动汽车控制领域，具体地说涉及基于轮毂电机驱动的四轮智能驱动平台。

背景技术

为了解决日益严重的能源及环境问题，汽车正由传统的内燃机驱动向以电动机为动力的电动车辆方向发展，零污染、高效的电动汽车已成为当前汽车领域研究和发展的热点。当前限制电动汽车大规模推广应用的主要问题是电动汽车一次充电续驶里程短，充电时间长，动力性能低，解决电动汽车的发展瓶颈，电动汽车正朝着轻型化、微型化方向发展。

电动车最初采用单台电机提供动力的方式，电机的体积、功率比较大，而且需要复杂的机械传动机构将电机的动力传递到车轮，造成车辆的总体布局单独大，也限制了车辆运动的灵活性。而四轮独立驱动是在每个车轮上布置一台独立的电机，与传统内燃机车及单台电机电动车有很大不同，采用四轮独立驱动的电动汽车灵活加大，省却了单电机传动所必须的机械传动装置，最大化减少了机械部件的使用，使整车轻量化，有效提高能源的转化效率和有限车载能源下的行驶里程。它可对四个车轮的力矩和转速进行单独控制，为改善汽车的动力性、稳定性及安全性提供了更大的技术潜力。可提高车辆对于极限路况的适应性，实现原地转向、电子差速、能量回收、路况识别控制，提高车辆的道路通过性和能量利用率。四轮独立驱动作为汽车驱动系统的优势及在电动汽车上应用的技术潜力，已经为国外很多研究机构和汽车生产厂所重视，具有广阔的发展前景。国外很多研究机构和汽车制造商开始采用四轮独立驱动系统作为电动汽车的驱动系统。美国新一代的“悍马”军用汽车即采用了该项技术。三菱、通用等已将四轮独立驱动作为其下一代电动汽车的核心技术。

整车的性能直接取决于驱动电机及其控制器的性能，因此四轮独立驱动的技术核心在于其控制技术，它不仅涉及多电机的驱动与协调控制，还与整车动力学状态，动力电池使用状态相关，其控制系统性能优劣直接对电动汽车的操纵稳定性、安全性、动力性、经济性以及舒适性有重要影响。按照控制最优原则，每台电机应当各配一个控制器，但是控制器数量多，各控制器及车辆其它控制系统之间的控制调度的研发设计就很困难。中国专利文献CN 201122920Y公开的一种《四轮独立驱动电动车辆双电机控制器》，它以TMS320LF2407为数字核心，CAN通讯和串口通讯电路通过地址、数据和控制总县和TMS320LF2407处理器连接，TMS320LF2407数字核心通过接插件电路分别与双电机PWM信号转换与功率驱动电路、双电机电流检测及处理电路、双电机转子信息检测与处理电路相连接，系统电源电路与上述各部分电路相连接。它以两台控制器，每台控制器分别控制两台电机的方式进行电动车辆的控制，虽然较一台控制器的控制效果要好，但是仍不能满足多电机的驱动与协调控制及电动汽车的操纵稳定性等的高要求，同时也没有将电池动力源和仪表显示等纳入驱动控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于轮毂电机的四轮智能驱动平台，用4个电机控制器分别控制4个轮毂电机，并用整车控制器通过CAN通讯网络控制各电机控制器而形成一个分布式控制系统的四轮智能驱动平台。

实现本发明目的的技术方案是一种电动汽车四轮智能驱动平台，包括轮毂电机、电机控制器、动力电池和CAN通讯网络；还包括整车控制器；所述轮毂电机有4个；所述电机控制器也有对应的4个； 4个轮毂电机、4电机控制器和整车控制器供电均与动力电池连接；整车控制器通过CAN通讯网络分别控制4个电机控制器。每个电机控制器包括数字核心子板、功率驱动母板和传感器检测部分；功率驱动母板包括6个功率开关管Q1～Q6和MOSFET驱动器，MOSFET驱动器的PWM1-PWM6分别对应功率开关管Q1～Q6；电机控制器根据检测到的轮毂电机转子位置和轮毂电机旋转方向，控制相应的功率开关管导通；整车控制器根据各控制器的状态，通过CAN通讯网络发给4个电机控制器分别调节对应PWM的占空比，实现对四个轮毂电机的制动能量回馈；每个电机控制器具有过压、欠压、过流、过热保护功能。

上述电动汽车四轮智能驱动平台还包括与动力电池连接的电池管理系统；整车控制器通过CAN通讯网络控制电池管理系统。所述电池管理系统包括多个单片机；每个单片机均有多路ADC通道用于采集电池的单片电压、放电电流、电池温度信号，并进行单体电池SOC计算，通过CAN通讯网络将数据传给整车控制器。

上述电动汽车四轮智能驱动平台还包括输入信号传感器；输入信号传感器包括制动踏板、油门踏板、方向盘转角和档位传感器；输入信号传感器发出的电信号传送给整车控制器。

上述电动汽车四轮智能驱动平台还包括仪表和仪表控制器；仪表和仪表控制器均与动力电池相连；整车控制器通过CAN通讯网络控制仪表控制器。

上述电动汽车四轮智能驱动平台所述CAN通讯网络采用TTCAN协议；CAN通讯网络设置整车控制器、4个电机控制器、电池管理系统和仪表控制器7个结点，以整车控制器为信息交换中心，形成分布式控制网络，整车控制器负责与其它6个结点之间的数据交换。

上述电动汽车四轮智能驱动平台在电动汽车制动踏板安装有霍尔角位移传感器，该传感器采集的制动强度信号作为电子辅助制动的输入信号；每个电机控制器设有转速、转矩闭环控制模式，具有电子辅助制动功能。

整车控制器为平台的核心，其它各控制器为平台的子控制系统；整车控制器将各子控制系统的信息汇总，执行柔性控制算法，其中包括电子差速控制、制动能量回馈与电子辅助制动、2WD/4WD最优扭矩分配的综合控制；整车控制器生成的整车控制指令通过CAN通讯网络发送至各子控制系统，进而由子控制系统根据整车控制器的指令驱动4个轮毂电机和仪表。

电机控制器、整车控制器和仪表控制器内部均有电源模块，实现+48V动力电压到+15V或+12V或+5V电平转换。

本发明采用上述技术方案具有以下的积极效果：（1）本发明的研发思路有异于传统的仅针对单个电机控制器的开发思路，它将永磁无刷直流电机的驱动控制、整车动力学控制、电池的监控与管理以及仪表显示集成为一个整体，从系统的角度研究轮毂电机的驱动与控制，综合考虑了电机、电池以及整车动力学特性。

（2）本发明的智能驱动平台还包括电池管理系统，电池管理系统由多个单片机组成，每个单片机均有多路ADC通道，可对电池的单片电压、放电电流、电池温度等信号进行采集，并进行单体电池SOC（Systemon a Chip，单片系统，SoC可以有效地降低电子产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力）计算，通过CAN通讯网络的总线发送至整车控制器。该电池管理系统可实现下列目标：①延长电池使用寿命，监控电池的充放电状态，使其达到最优化，避免过充电、过放电；②合理利用电能，达到节能的目的；③早期发现容量已严重衰减的电池，及时对其维护，尤其针对一致性差的电池产品；④记录充放电数量，给充电机提供参考数据，以实现优化充电；⑤通过建立电池组的技术和历史档案，可实现对电池的诊断、分析提供故障信息，便于及时维护和更换。

（3）本发明的智能驱动平台还包括输入信号传感器，这些传感器用于采集驾驶员的输入操作。驾驶员的输入操作包括制动踏板、油门踏板（电子加速踏板）、方向盘转角、档位四项，其对应的传感器将输出电信号传送给整车控制器进行信号的调理与采集。整车控制器通过对司机的驾驶操作信息的采集，判断司机处于起步、加速、转向、制动、前进和倒车等操作，实现对司机驾驶意图的判断。

（4）本发明的智能驱动平台还包括仪表和仪表控制器，仪表用于显示车速、行驶里程、倒车信号、左转右转信号、手刹信号，并提供背景灯等，此外，由于采用电驱动方式还需要显示电池电压、总线电流、剩余电量以及各个子控制系统的故障诊断信号显示。因此由整车控制器将需要显示的信息通过CAN通讯网络总线发送至仪表控制器，控制仪表电机带动指针、LED、LCD的动态控制，通过其内置的功率驱动电路最终实现车辆动态的实时信息显示。

（5）本发明的四轮智能驱动平台控制网络是围绕CAN总线网络所构成的分布式控制系统。在该系统中，设置了七个具有通讯能力的结点，即整车控制器、4个电机控制器、仪表控制器和电池管理系统。整车控制器通过CAN通讯网络分别与其它子控制系统构成分布式控制器网络。为解决常规CAN总线由于采用事件触发机制，在最大允许总线负荷率、实时性和解决多控制器总线冲突方面的不足。因此本发明在基于现有的CAN接口模块的基础上，采用时间触发机制与事件触发机制相结合的TTCAN协议，通过软件上的开发和升级实现了基于TTCAN的微型电动汽车分布式网络控制系统。网络系统以整车控制器作为信息交换中心，负责各结点间的数据交换，即各结点的主要与整车控制器之间进行数据交换，其它结点之间不直接交换数据。本发明使四轮驱动电动汽车控制系统的通讯行为具有更高的确定性、可靠性和响应性。

（6）本发明的电机控制器采用模块化设计方式，分为数字核心子板和功率驱动母板，数字核心子板为通用子板，实际使用时只需根据不同的功率需求配备不同的功率驱动母板，数字核心子板通用性强、配置灵活，能大为提高开发效率。

（7）本发明的电机控制器根据电机霍尔传感器的位置反馈信号，控制各功率开关管的导通顺序。电机转速与转矩的控制通过控制低端PWM波的占空比来实现。电机控制器除具有常规的过压、欠压、过流、过热保护功能外，还设有转速、转矩闭环控制模式，具有制动能量回馈与电子辅助制动功能。

（8）本发明以整车控制器为分布式控制网络的核心，其它各控制器为网络的子控制系统。整车控制器将各子系统的信息汇总，执行柔性控制算法，其中包括电子差速控制、制动能量回馈与电子辅助制动、2WD/4WD最优扭矩分配的综合控制。整车控制器生成的整车控制指令通过CAN通讯网络发送至各子系统控制器，进而由子系统控制器根据整车控制器的指令驱动子系统执行器，从而可根据路面状况、车身状况实时智能调节轮毂电机的驱动或制动力矩，实现电子差速控制、制动能量回馈与电子辅助制动、2WD/4WD最优扭矩分配的综合控制功能。

（9）本发明电池管理系统可监控单体电池的电池容量状态，并为电机的控制提供依据，实现效率最佳、能量最省。智能仪表显示车辆运行中包括车速、行驶里程、电池电压、剩余电量等各种信息。本发明对提高低价格电动汽车的舒适性、操纵性和电池的续驶能力具有显著的成效，为四轮独立驱动微型电动汽车提供了一种智能驱动平台。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明四轮智能驱动平台组成框图。

图2 为CAN通讯网络拓扑结构图。

图3为电池管理系统功能示意图。

图4为电机控制器示意图，

图5为四轮智能驱动平台具体工作流程图。

具体实施方式

（实施例1）

见图1，本实施例的电动汽车四轮智能驱动平台，包括轮毂电机1、电机控制器2、整车控制器3、电池管理系统4、动力电池5、输入信号传感器6、仪表7、仪表控制器8和CAN通讯网络9构成的一个完整的系统。轮毂电机1有4个：1-1、1-2、1-3、和1-4，均为永磁无刷直流电机，分别安装在车轮内。相应的，电机控制器2也有4个：2-1、2-2、2-3、2-4，分别控制对应的电机1。

图中粗实现为动力线，由动力电池提供给4个轮毂电机1、4个电机控制器2、整车控制器3、电池管理系统4、仪表7和仪表控制器8。各控制器内部均有电源模块，实现+48V动力电压到+15V、+12V、+5V等电平转换。整个平台涉及的多个控制器和传感器之间的信息处理与控制，为保证实时性和可靠性采用了CAN通讯，如图中虚线部分所示。驾驶员的输入操作包括制动踏板、油门踏板（电子加速踏板）、方向盘转角、档位四项操作，由其对应的输入信号传感器6将输出电信号传送给整车控制器3进行信号的调理与采集。整车控制器3通过对司机的驾驶操作信息的采集，判断司机处于起步、加速、转向、制动、前进和倒车等操作，实现对司机驾驶意图的判断。电动汽车的仪表7与普通汽车类似，需要显示车速、行驶里程、倒车信号、左转右转信号、手刹信号，并提供背景灯等。此外，由于电动汽车采用电驱动方式还需要显示电池电压、总线电流、剩余电量以及各个子控制系统的故障诊断信号显示。整车控制器3将需要显示的信息通过CAN总线发送至仪表控制器8，控制仪表电机带动指针、LED、LCD的动态控制，通过其内置的功率驱动电路最终实现车辆动态的实时信息显示。

见图2，电动汽车四轮智能驱动平台的控制网络是围绕CAN通讯网络9所构成的分布式控制系统。在该系统中，设置了七个具有通讯能力的结点，即整车控制器3结点、4个电机控制器2结点、仪表控制器8结点和电池管理系统4结点。整车控制器3通过CAN通讯网络9分别与其它子控制系统构成分布式控制器网络。为解决常规CAN总线由于采用事件触发机制，在最大允许总线负荷率、实时性和解决多控制器总线冲突方面的不足，在基于现有的CAN接口模块的基础上，采用时间触发机制与事件触发机制相结合的TTCAN协议，通过软件上的开发和升级实现了基于TTCAN的微型电动汽车分布式网络控制系统。四轮智能驱动平台CAN网络协议根据SAE J1939 标准制定。对各控制器的地址配置、命名、通讯方式以及报文发送优先级等进行定义。CAN网络系统以整车控制器作为信息交换中心，负责各结点间的数据交换，即各结点的主要与整车控制器之间进行数据交换，其它结点之间不直接交换数据，这样使四轮独立驱动电动汽车控制系统的通讯行为具有更高的确定性、可靠性和响应性。

见图3，本实施例电池管理系统4主要包括数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通讯、安全管理、能量管理和故障诊断8个部分。数据采集由多个单片机组成，每个单片机均有多路ADC通道，可对电池的单片电压、放电电流、电池温度等信号进行采集，并将这些信息传送给安全管理；数据采集同时将温度信息传送给热管理部分、将电流电压信息传送给能量管理部分，进行温度控制和负载、充电机的调控。数据采集还将采集的信息传送给数据显示部分进行数据显示，根据这些显示的数据，电池管理系统4进行状态估计，同时也将估计的状态在数据显示部分显示出来。状态估计的结果还分别传送给故障诊断和安全管理部分做相应地处理。安全管理、故障诊断、数据显示及状态估计的信息都传送给数据通讯，电池管理系统4进行单体电池SOC计算，通过CAN通讯网络9发送至整车控制器3。该电池管理系统4可实现下列目标：1）延长电池使用寿命，监控电池的充放电状态，使其达到最优化，避免过充电、过放电；2）合理利用电能，达到节能的目的；3）早期发现容量已严重衰减的电池，及时对其维护，尤其针对一致性差的电池产品；4）记录充放电数量，给充电机提供参考数据，以实现优化充电；5）通过建立电池组的技术和历史档案，可实现对电池的诊断、分析提供故障信息，便于及时维护和更换。

见图4，电机控制器2采用模块化设计方式，分为数字核心子板、功率驱动母板和传感器检测部分，数字核心子板为通用子板，实际使用时只需根据不同的功率需求配备不同的功率驱动母板。轮毂电机1采用三相星型连接，全桥驱动方式，即每120o电角度。功率驱动母板包括6个功率开关管Q1～Q6和MOSFET驱动器，MOSFET驱动器的PWM1-PWM6分别对应功率开关管Q1～Q6。Q1、Q3和Q5为上半桥， Q2、Q4和Q6为与Q1、Q3和Q5对应的下半桥，电机控制器2根据检测到的由电机霍尔传感器采集到的轮毂电机1转子位置和电机旋转方向，控制相应的两个（上半桥、下半桥各一个）功率开关管导通，使得轮毂电机1产生所需的力矩和转速。根据轮毂电机1控制算法的要求，可灵活选择对于高、低边的三种导通方式，即1）上半桥ON/OFF，下半桥PWM；2）上半桥PWM，下半桥ON/OFF；3）上半桥PWM，下半桥PWM。整车控制器3根据各控制器的状态，通过CAN通讯网络9发给4个电机控制器2分别调节对应PWM的占空比，实现对四个轮毂电机1的制动能量回馈。电机控制器2除具有常规的过压、欠压、过流、过热保护功能外，还设有转速、转矩闭环控制模式，具有制动能量回馈与电子辅助制动功能。在电动汽车制动踏板安装有霍尔角位移传感器，该传感器采集的制动强度信号作为电子辅助制动的输入信号，在电机处于制动状态时，利用下半桥斩波升压原理，调节PWM频率实现对动力电池的能量回馈，实现电子辅助制动功能。

见图5，电动汽车四轮智能驱动平台系统在工作过程中，整车控制器3处于分布式控制网络的核心，它将各个部件的信息汇总，结合司机驾驶的意图和整车的控制状态，对司机的需求进行解释，并执行相应的柔性控制算法，其中包括电子差速控制、制动能量回馈与电子辅助制动、2WD/4WD最优扭矩分配的综合控制，然后生成整车控制指令，再通过CAN通讯网络8发送至各子控制系统，进而由子控制系统根据整车控制器3发出的指令驱动4个轮毂电机1和仪表7，最终实现整个动力系统的协同工作。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种电动汽车四轮智能驱动平台，包括轮毂电机（1）、电机控制器（2）、动力电池（5）和CAN通讯网络（9）；其特征在于：还包括整车控制器（3）；所述轮毂电机（1）有4个；所述电机控制器（2）也有对应的4个； 4个轮毂电机（1）、4个电机控制器（2）和整车控制器（3）均与动力电池（5）连接；整车控制器（3）通过CAN通讯网络（9）分别控制4个电机控制器（2）；每个电机控制器（2）包括数字核心子板、功率驱动母板和传感器检测部分；功率驱动母板包括6个功率开关管Q1～Q6和MOSFET驱动器，MOSFET驱动器的PWM1-PWM6分别对应功率开关管Q1～Q6；电机控制器（2）根据检测到的轮毂电机（1）转子位置和轮毂电机（1）旋转方向，控制相应的功率开关管导通；整车控制器（3）根据各控制器的状态，通过CAN通讯网络（9）发给4个电机控制器（2）分别调节对应PWM的占空比，实现对四个轮毂电机（1）的制动能量回馈；每个电机控制器（2）具有过压、欠压、过流、过热保护功能。

2.根据权利要求1所述的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：还包括与动力电池（5）连接的电池管理系统（4）；整车控制器（3）通过CAN通讯网络（9）控制电池管理系统（4）。

3.根据权利要求2所述的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：所述电池管理系统（4）包括多个单片机；每个单片机均有多路ADC通道用于采集电池的单片电压、放电电流、电池温度信号，并进行单体电池SOC计算，通过CAN通讯网络（9）将数据传给整车控制器（3）。

4.根据权利要求3所述的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：还包括输入信号传感器（6）；输入信号传感器（6）包括制动踏板、油门踏板、方向盘转角和档位传感器；输入信号传感器（6）发出的电信号传送给整车控制器（3）。

5.根据权利要求4所述的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：还包括仪表（7）和仪表控制器（8）；仪表（7）和仪表控制器（8）均与动力电池（5）相连；整车控制器（3）通过CAN通讯网络（9）控制仪表控制器（8）。

6.根据权利要求5所述的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：所述CAN通讯网络（9）采用TTCAN协议； CAN通讯网络（9）设置整车控制器（3）、4个电机控制器（2）、电池管理系统（4）和仪表控制器（8）7个结点，以整车控制器（3）为信息交换中心，形成分布式控制网络，整车控制器（3）负责与其它6个结点之间的数据交换。

7.根据权利要求6所述的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：在电动汽车制动踏板安装有霍尔角位移传感器，该传感器采集的制动强度信号作为电子辅助制动的输入信号；每个电机控制器（2）设有转速、转矩闭环控制模式，具有电子辅助制动功能。

8.根据权利要求1至7之一的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：整车控制器（3）为平台的核心，其它各控制器为平台的子控制系统；整车控制器（3）将各子控制系统的信息汇总，执行柔性控制算法，其中包括电子差速控制、制动能量回馈与电子辅助制动、2WD/4WD最优扭矩分配的综合控制；整车控制器（3）生成的整车控制指令通过CAN通讯网络（9）发送至各子控制系统，进而由子控制系统根据整车控制器（3）的指令驱动4个轮毂电机（1）和仪表（7）。

9.根据权利要求8所述的电动汽车四轮智能驱动平台，其特征在于：所述电机控制器（2）、整车控制器（3）和仪表控制器（8）内部均有电源模块，实现+48V动力电压到+15V或+12V或+5V电平转换。

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