CN103481796A - 新型电动驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型电动驱动系统，所述新型电动驱动系统，根据电池参数及当前荷电状态SOC值计算电池最大输出能力，并与电机额定输出功率比较，将两者中较小的用来衡量动力系统输出能力。本发明进行了动力系统匹配与优化研究，整车能量管理策略研究，扭矩动态协调控制技术研究，整车失效控制和容错控制技术研究。与现有技术相比，本发明有利于提高车速和加速度，有助于车辆提高机动性、以及减小车辆特征信号和增强战场态势感知能力。

Description

新型电动驱动系统

技术领域

本发明涉及驱动系统，具体地，具体涉及一种新型电动驱动系统。

背景技术

目前，陆军正经历着由冷战时期的传统重型部队向现代的轻型部队转化。传统部队的车辆要进入现代部队的装备行列必须对其进行现代化改造，提高其综合性能，这也需要为其提供一种新型电动驱动系统。

部队要达到快速反应的目标，对战斗车辆提出了新的要求。首先是轻型，即可以通过空运将部队快速部署到敌方占领区的中部或任何一个需要部署的地方，这就意味着车辆的总质量应为20t级；这些车辆还必须最大程度地利用情报、通信、机动性和地形，即其车速必须足够快，应具有不同寻常的加速度（冲锋需求）、高的机动性、最小的车辆特征信号（噪声、热特征）和特别优秀的战场态势感知能力。要达到这些要求，一种新型电动驱动系统起着关键的作用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型电动驱动系统。

根据本发明提供的新型电动驱动系统，所述新型电动驱动系统，根据电池参数及当前荷电状态SOC值计算电池最大输出能力，并与电机额定输出功率比较，将两者中较小的用来衡量动力系统输出能力。

优选地，所述新型电动驱动系统实时监控电池管理系统状态，读取电池电量信息；其中，将电池荷电状态SOC作为判断电池电量依据，当SOC低于40%时将电池输出能力限制在全功率的二分之一，当SOC低于30%时将电池输出能力限制在全功率的三分之一，当SOC低于20%时将电池输出能力限制在全功率的五分之一；行驶过程中，若检测到制动信号，则迅速给电机控制器发降力矩指令，并使油门开度信号无效，回收能量，直到制动信号消失。

优选地，所述新型电动驱动系统检测到上电完成信号后读取手刹、离合器、挂挡信号，决定车辆状态，并发送给仪表；所述新型电动驱动系统根据当前车速、方向盘转向角度计算转向半径及四个车轮应有的转速、并转换成对应转矩请求发给电机控制器，同时将各个电机当前的速度作为负反馈输入，实时调整力矩指令。

优选地，新型电动驱动系统对于不同级别的故障分别采取不同的措施：

对于一级故障：每10秒向多能源发送信息，提醒车辆驾驶员或管理人员注意；

对于二级故障：每10秒向多能源发送信息，并发出维护报警；

对于三级故障：断开高压继电器。

与现有技术相比，本发明有利于提高车速和加速度，有助于车辆提高机动性、以及减小车辆特征信号和增强战场态势感知能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的新型电动驱动系统工作流程图；

图2是扭矩动态协调流程图；

图3是车辆转向运动简图；

图4是转向时作用在车辆上的外力。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开一种新型电动驱动系统。所述新型电动驱动系统包括：动力系统匹配与优化研究，整车能量管理策略研究，扭矩动态协调控制技术研究，整车失效控制和容错控制技术研究，整车控制器的电磁兼容与电磁干扰控制技术。

本发明技术方案采用设计开发流程：离线功能仿真→快速控制原型→自动代码生成→硬件在环仿真→台架及装车试验所构成的“V模式”。开发过程中将使用统一的软硬件平台，可以将在桌面上的控制算法的离线仿真、实验室内的控制原型的测试、以及车辆的实际测试标定过程统一起来，将设计基于计算机辅助工具来进行，完成从需求定义直到最终产品实现的全过程。

表1不同开发阶段使用工具

图1是所述新型电动驱动系统工作流程图，开关量输入装置DI采集点火开关信号、档位信号、离合器信号、手刹信号等信号，模拟量输入装置AD采集油门踏板信号，输出至新型电动驱动系统。新型电动驱动系统通过开关量输出装置DO的输出信号控制配电箱开关，由电池向各控制器供电。新型电动驱动系统通过CAN总线与电池管理系统BMS、各控制器、仪表等进行通信。各部件的电子控制单元ECU分别采集各自控制对象的信号和动态参数，通过现场总线发给新型电动驱动系统。新型电动驱动系统通过总线向各ECU发送执行命令，对电池管理系统BMS及四个电机控制器进行控制。BMS对电池SOC及工作状态进行监控和管理，四个电机控制器根据控制策略分别控制四轮上的电机，实现车辆的正常运行。

动力系统匹配与优化研究；基于整车集成开发和整车控制策略的研究基础，通过软件在环仿真计算、硬件在环仿真、电动车辆台架模拟试验，完成动力系统匹配与优化研究工作。动力系统匹配与优化研究工作主要包括：电驱动系统的参数匹配，如轮毂电机的速比；通过动力系统性能仿真，提出对电机扭矩、转速和效率特性的需求；选择典型行驶工况，完善对动力系统的匹配与优化。

整车能量管理策略研究：整车能量管理策略将电驱动系统的工作模式分为多个独立的工作模式及其子模式，各模式之间根据外界的输入和车辆状态的改变而实现迁移。能量管理策略就需要研究模式迁移规则，并制定各模式下的转矩分配规则。这些驱动模式应涵盖电驱动系统应用对象的起步、正常行驶、车轮出现滑转、转向和制动减速等行驶条件。

扭矩动态协调控制技术研究：通过实时控制轮毂电机的正负输出力矩可以控制汽车以设定的速度沿固定路线行驶，可以实现自动巡航控制。此外，对前后扭矩进行协调控制，可以改善整车能量效率。

整车失效控制和容错控制技术研究：在整车控制软件设计中集成故障诊断软件，整车控制软件中的各功能模块分为两种工作模式：标准模式，即整车的正常工作模式，各项参数与数据属于限制级。故障编码，主要指基于EOBD(European On BoardDiagnostics)的故障编码设计。故障诊断通讯协议设计，是基于故障编码的故障诊断用CAN通讯协议，它区别于整车标准模式的CAN通讯协议。故障分类与处理，主要分析各零部件总成和整车的所有可能故障，进行分类整理，对故障进行分级以及出现故障后的处理策略。

整车控制器的电磁兼容与电磁干扰控制技术：高频开关器件快速通断形成大脉冲电流而引起的电磁干扰；供电电源的负载突变；系统内部及其周围的强电元件造成的强电干扰；电机电枢传输线与其它传输线间的电容性和电感性耦合引起的干扰；由连续波等干扰源造成的空间辐射干扰等。因此，为了使整车控制器及其CAN通讯网络等处于良好的工作状态，电磁兼容性技术就显得尤为重要，它包括控制电路信号电缆功率电路及驱动电路等的电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EMI）分析与设计技术等方面。

下面，结合图1-图4分别具体地介绍新型电动驱动系统的功能及特征。

（1）动力系统匹配与优化研究

车辆行驶过程中新型电动驱动系统根据电池参数及当前SOC值计算电池最大输出能力，并与电机额定输出功率比较，将两者中较小的用来衡量动力系统输出能力。根据整车参数及性能要求对系统进行动力学仿真，确定满足整车性能要求的最优电池配置及电机输出扭矩、转速和效率特性要求。

F=Gf+Gi+Cd*A*V*V/21.15

$\frac{T*i_g*i_o*\mathrm{\η}}{r}=G*F+G*i+\frac{C_d*A*V*V}{21.15}$

P=T*N/9549

N=V/18.84

其中，以上公式中各代式的含义如下：

F为整车驱动力，G为车自重，f为滚动阻力系数，i为总传动比，Cd为风阻系数，A为迎风面积，V为车辆速度，T为电机输出扭矩，i_g为变速箱传动比，i₀为主减速比，η为传动效率，r为车轮转动半径，C_d为风阻系数，P为电机输出功率，N为电机转速。

由以上公式可知，滚动阻力只与车自重G相关，风阻与车辆速度V和迎风面积A成正比，车辆以最高速度80KM/h匀速行驶，风阻力1180.1N，滚动阻力为960N，此时车辆需要的扭矩T为2928N*m，电机的减速比为3，因此可计算出电机输出扭矩为325N*m.整车在不同速度下受力情况仿真数据如下表：

表2电机转速

车速(km/h)	电机转速(rpm)	滚动阻力（N）	凤阻力（N）	最大驱力（N）
					10	110.4	960.0	18.4	7155.2
15	165.6	960.0	41.5	7155.2
					20	220.8	960.0	73.8	7155.2
25	276.0	960.0	115.2	5500.2
					30	331.2	960.0	166.0	4583.5
35	386.4	960.0	225.9	3928.7
					40	441.6	960.0	295.0	3437.6
45	496.8	960.0	373.4	3055.7
					50	552.0	960.0	461.0	2750.1
55	607.2	960.0	557.8	2500.1
					60	662.4	960.0	663.8	2291.8
65	717.6	960.0	779.1	2115.5
					70	772.8	960.0	903.5	1964.4
75	828.0	960.0	1037.2	1833.4
					80	883.2	960.0	1180.1	1718.8

（2）整车能量管理策略研究

整车能量管理策略将电驱动系统的工作模式分为起车模式、正常驱动模式、失效保护模式、制动能量回馈模式和空档模式。

车辆行车过程中，新型电动驱动系统实时监控电池管理系统状态，读取电池电量信息。新型电动驱动系统将电池电池荷电状态SOC作为判断电池电量依据，对SOC低于40%时将电池输出能力限制在全功率的二分之一，SOC低于30%时将电池输出能力限制在全功率的三分之一，SOC低于20%时将电池输出能力限制在全功率的五分之一；行驶过程中，新型电动驱动系统若检测到制动信号，新型电动驱动系统将迅速给电机控制器发降力矩指令，并使油门开度信号无效，回收能量，直到制动信号消失。

新型电动驱动系统采集钥匙信号、加速踏板、制动踏板、档位信号和其他传感器信号，然后提取出有效值，整车控制策略通过对这些有效值判断、计算选取相应的驱动模式，然后向电机控制器发送整车期望转矩指令。

（3）扭矩动态协调控制技术研究

如图2，起步时钥匙启动信号有效，电池和电机状态正常，新型电动驱动系统预充电和高压电。高压上电完成后，主正继电器状态经DI输入中央控制器，新型电动驱动系统检测到上电完成信号并读取手刹、离合器、挂挡信号，决定车辆状态，并发送给仪表。当驾驶员对油门踏板的操控和对方向盘的操控经AD转换后进入处理器。处理器根据当前车速、方向盘转向角度计算转向半径及四个车轮应有的转速、并转换成对应转矩请求发给电机控制器，同时将各个电机当前的速度作为负反馈输入，实时调整力矩指令，电机控制器接收到新型电动驱动系统发来的力矩指令后，按整车控制器要求调整电机输出力矩，以实现四个电机力矩的分配与协调。

详细设计计算：

4轮毂电机独立驱动电动汽车转向机构基本原理是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同时速来实现转向的。

车辆转向运动学：

车辆不带负荷，在水平地段上绕转向轴线O作稳定转向的简图，如图3所示。从转向轴线O到车辆纵向对称平面的距离R，称为车辆的转向半径。以O_T代表轴线O在车辆纵向对称平面上的投影，O_T的运动速度ν′代表车辆转向时的平均速度。则车辆的转向角速度ω_z为：

${\mathrm{\ω}}_z=\frac{v^{\′}}{R}---(1-1)$

转向时，机体上任一点都绕转向轴线O作回转，其速度为该点到轴线O的距离和角速度ω_z的乘积。所以内、外侧车轮中心的速度v′₁和v′₂分别为：

v′₁=ω_z(R-0.5B)=v′-0.5Bω_z

v′₂=ω_z(R+0.5B)=v′+0.5Bω_z      (1-2)

式中：B为车辆的轮距。

根据相对运动原理，可以将车体上任一点的运动分解成两种运动的合成：

1)牵连运动

2)相对运动。

由上可得：

$\frac{{v^{\′}}_1}{{v^{\′}}_2}=\frac{(R-0.5B)}{(R+0.5B)}---(1-3)$

车辆转向动力学

1)牵引平衡和力矩平衡

图4给出该种车辆在水平地段上以转向半径R作低速稳定转向时的受力情况(离心力可略去不计)。

设车辆回转行驶时，地面对车辆作用的阻力矩为M_z，如前所述车辆转向是靠内、外侧车轮产生的驱动力不等来实现的，所以回转行驶时的转向力矩为：

M_z=0.5B(F_k2+F_f2-F_k1-F_f1)       (2-1)

稳定转向时的力矩平衡关系为：

Μ_z=Μ_μ(2-2)

其中，F_K2为外侧轮驱动力，F_f2为外侧轮阻力，F_K1为内侧轮驱动力，F_f1为内侧轮阻力M_μ为转向阻力距。

2)转向阻力矩

假设汽车转向中心到前后轴的距离分别为a、b。则汽车的转向阻力距为：

Μ_μ=2F_f×（a+b）       （2-3）

其中，地面对汽车每个车轮的阻力F_f为：

$F_f=\frac{1}{4}\mathrm{mg}\×\mathrm{\μ}---(2-4)$

其中，m为整车质量，g为重力加速度，μ为摩擦系数。

由上面式子得：

$F_{K2}+F_{f2}-F_{K1}-F_{f1}=\frac{\mathrm{mg\μ}(a+b)}{B}---(2-5)$

由式（2-5）得到了车辆转弯的条件，即外侧车轮的驱动力要比内侧车轮的驱动力大，且为一个固定常数。

（4）整车失效控制和容错控制技术研究

对电机、电池不同等级故障的处理，一级故障提醒、二级故障报警、三级故障下电保护

1、对于所有的警报和一般故障（1级），

采取措施：每10秒向多能源发送信息，提醒车辆驾驶员或管理人员注意，不必详细了解或采取措施，仅在出现3号警报时，需提醒车辆驾驶员检查风机工作状态；

状态内容：1号报警-过充，SOC值>80%时；2号报警-过放，SOC值<25%时；3号报警-T>45℃（提醒司机检查冷却风机工作状态）；一般故障（1级）-不均温，最高点温度与最低点温度值相差超过5℃；一般故障（1级）-不均压，至少一组模块电池最高点电压或最低点电压与平均值相差超过1.2V（开路电压）

2、对于所有的较严重故障（2级）

采取措施：每10秒向多能源发送信息，车辆驾驶员或管理人员在不影响正常行车的前提下，需通过相应渠道通知零部件厂家，由零部件厂家分析故障原因，必要时会对车辆进行适当维护；

状态内容：出现三组以上（不含三组）模块电池最高点电压或最低点电压与平均值相差超过1.2V（开路电压）；

3、对于所有的严重故障（3级）

采取措施：断开高压继电器（或发送断开命令），避免电池组故障扩大。

状态内容：总电压大于450或小于250（有电流的情况下）；总电压大于420或小于300，且电流小于1C；总电流大于300A；电池平均温度大于55℃；某节电池温度超过60℃或最高点温度与最低点温度值相差超过10℃；SOC值<15%且还在放电时；SOC值>85%且还在充电时；10个单体电池串联后，电压低于9V；10个单体电池串联后，电压高于16V

（5）整车控制器的电磁兼容与电磁干扰控制技术

由于新型电动驱动系统应用环境比较恶劣，干扰严重，存在多种噪声和耦合方式，所以电磁兼容性设计在所有可靠性设计中占有很重要的地位。AD采集采用多级滤波，供电系统采用隔离电源，DI采集采用光耦隔离技术，DO输出采用光耦隔离技术，电源线噪声的消除技术。具体如下：

a)选用集成度高的元器件。可以降低电路板元器件的数目，使电路板布局简单，减少焊盘和连线，因而可以大大减少受干扰的概率，增加电路板的抗干扰能力。

b)加粗电源线和地线，数据线、地址线及控制线尽量短，以减少对地电容。

c)数字电路和模拟电路分区布置，并加入滤波和去耦电路。

d)采用四层电路板的设计。相对于两层板而言，有独立的地平面和电源平面，并且信号线和地线间距可以很紧密，因此能有效减小共模阻抗和感性耦合。

e)采用敷铜技术。既减小回路面积（因而减小了辐射），又可以减小导线之间的串扰。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种新型电动驱动系统，其特征在于，所述新型电动驱动系统，根据电池参数及当前荷电状态SOC值计算电池最大输出能力，并与电机额定输出功率比较，将两者中较小的用来衡量动力系统输出能力。

2.根据权利要求1所述的新型电动驱动系统，其特征在于，所述新型电动驱动系统实时监控电池管理系统状态，读取电池电量信息；其中，将电池荷电状态SOC作为判断电池电量依据，当SOC低于40%时将电池输出能力限制在全功率的二分之一，当SOC低于30%时将电池输出能力限制在全功率的三分之一，当SOC低于20%时将电池输出能力限制在全功率的五分之一；行驶过程中，若检测到制动信号，则迅速给电机控制器发降力矩指令，并使油门开度信号无效，回收能量，直到制动信号消失。

3.根据权利要求1所述的新型电动驱动系统，其特征在于，所述新型电动驱动系统检测到上电完成信号后读取手刹、离合器、挂挡信号，决定车辆状态，并发送给仪表；所述新型电动驱动系统根据当前车速、方向盘转向角度计算转向半径及四个车轮应有的转速、并转换成对应转矩请求发给电机控制器，同时将各个电机当前的速度作为负反馈输入，实时调整力矩指令。

4.根据权利要求1所述的新型电动驱动系统，其特征在于，新型电动驱动系统对于不同级别的故障分别采取不同的措施：

对于一级故障：每10秒向多能源发送信息，提醒车辆驾驶员或管理人员注意；

对于二级故障：每10秒向多能源发送信息，并发出维护报警；

对于三级故障：断开高压继电器。

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