CN103921691B - 一种具有电子差速功能的驱动电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电子差速功能的驱动电路及其应用。该电路包括上端控制桥电路和下端控制桥电路；上端控制桥的第一三极管基极通过第一电阻与主控制芯片连接，第一三极管发射极通过第十电阻与外接芯片连接，第一三极管集电极通过第二电阻与第二二极管连接；第二三极管基极与第一三极管集电极直接连接，第二三极管发射极分别与第二电容、第二二极管负极和第二电阻直接连接；应用该电路的电机控制器的具有电子差速功能的驱动电路和电机控制信号输出接口电路都与电机连接；本发明电机控制器具有电子差速和电量评估功能，增加了系统的可靠性、提高了系统的效率，降低设备的生产成本。

Description

一种具有电子差速功能的驱动电路及其应用

技术领域

本发明涉及一种驱动电路，特别是涉及一种具有电子差速功能的驱动电路及其应用。该驱动电路主要应用于电动车辆电机控制系统，尤其是应用于具备电子差速和电量评估功能的电动车辆电机控制系统。

背景技术

近年来，全球能源危机开始加剧，传统石化能源日趋枯竭，由此引起的环境问题诸如大气污染、全球气温上升、城市粉尘污染的危害日渐加剧。21世纪后，各国政府和各大汽车厂商达成共识，即：节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向。而新能源汽车因其具有绿色环保和能源利用效率高等优点，引起了世界各国的广泛关注。

电动车辆电机控制器作为电动车辆驱动电机控制技术、动力电池管理技术、整车控制技术这三大核心控制技术之一，是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及具备控制电动车辆的其它电子器件的核心器件，它就像是电动车辆的大脑，是电动车辆上必备重要的部件。

目前，广泛应用的电动车辆电机控制器已具备，恒流控制技术，使堵转电流和动态运行电流完全一致，保证了电池的寿命的同时提高了电机的启动转矩；自动识别电机模式系统，自动识别电机的换相角度、霍尔相位和输出相位，自动识别电机的输入及输出模式，大大降低了控制器的使用要求；随动ABS系统，具备制动能量回馈及EABS刹车功能，引入汽车级的EABS防抱死技术后可达到刹车静音、柔和的效果，不管在任何车速下保证刹车的舒适性和稳定性，不会出现ABS在低速情况下刹车失灵现象，不损伤电机，减少机械制动力和机械刹车的压力，增加了整车制动的安全性同时将产生的能量反馈给电池，从而对电池进行维护，延长电池寿命，增加续行里程；堵转保护功能，自动判断电机在过流时是处于堵转状态、运行状态或电机短路状态，如果过流时是处于运行状态，控制器将限流值设定在固定值，以保持整车的驱动能力；如果电机处于堵转或短路状态，则控制器预定时间将限流值控制在门限值以下，起到保护电机和电池，节省电能，确保控制器及电池的安全。此一类电机控制器主要存在几个不足之处：

(1)缺少在电动车辆运行的过程中，由于转向工况而导致的电动车辆各车轮之间行程和转速的不一致而引起的速度差，而需要控制器提供一种电子差速机制，以保证车辆正常安全的行驶。

(2)针对电池组总电压对电池组荷电状态进行评估，基本滿足铅酸电池的要求；锂离子电池的荷电状态与其总电压的关联度远远低于铅酸电池，电池组总电压不能作为锂离子电池组荷电状态评估的依据，而现有系统只滿足铅酸电池电池组荷电状态评估，不具备锂离子电池组荷电状态实时在线测量评估功能。

(3)缺乏低电量自动告警及自动限制电机输出的运行管理机制，容易造成车辆运行中途抛锚，强制保护导致动力输出限制等影响行车安全的事件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种具有电子差速功能的驱动电路，在减少能耗的同时，保证传动轴及左右半轴的平衡关系，确保车辆行驶的安全、平顺。

本发明的另一目的在于提供应用上述具有电子差速功能的驱动电路电动车辆电机控制系统，增加电机控制系统的电子差速和电量评估的功能。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种具有电子差速功能的驱动电路，包括上端控制桥电路和下端控制桥电路；所述上端控制桥电路主要由第一电阻、第一三极管、第二电阻、第二三极管、第一二极管、第三电阻、第四电阻、第三三极管、第一MOS管、第一电容、第二电容和第五电阻组成；其中第一三极管基极通过第一电阻与主控制芯片连接，第一三极管发射极通过第十电阻与外接芯片连接，第一三极管集电极通过第二电阻与第二二极管负极连接；第二三极管基极与第一三极管集电极直接连接，第二三极管发射极分别与第二电容、第二二极管负极和第二电阻直接连接，第二三极管集电极分别与第一二极管正极和第三电阻直接连接；第三三极管基极与第二三极管集电极直接连接，第三三极管集电极与第一MOS管栅极直接连接、同时与第一电容连接，第三三极管发射极和第二电容连接，第三三极管基极通过第三电阻与第三三极管发射极连接；第一MOS管栅极与第四电阻连接，漏极与第三电源连接，源极与驱动电机连接同时通过第五电阻接地；

所述下端控制桥电路主要由第二MOS管、第三电容、第四三极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第五三极管、第九电阻、第六三极管、第十电阻和第二二极管组成；其中第二MOS管漏极与驱动电机连接，同时通过第五电阻接地，源极直接接地，栅极与第三电容、第四三极管的集电极和第六电阻连接；第四三极管发射极直接接地，基极通过第七电阻与外接芯片连接；第五三极管基极与第一电源直接连接，第五三极管发射极通过第八电阻和第七电阻与第四三极管基极连接，第五三极管集电极与第六三极管基极直接连接；第六三极管集电极通过第六电阻与第二MOS管栅极连接，第六三极管发射极分别与第二电源、第二二极管正极和第九电阻连接；第九电阻和第五三极管集电极连接。

优选地，所述第一三极管发射极通过第十电阻与外接芯片的高电平输出引脚连接。所述第四三极管基极通过第七电阻与外接芯片的低电平输出引脚连接。所述第一电源位+5V电源。所述第二电源为+10V电源。

包含所述的驱动电路的电机控制器；该电机控制器的电源输入及调理接口电路、电子油门信号输入接口电路、电子刹车信号输入接口电路、转速、电压、电流、温度信号输入接口电路、通讯接口、具有电子差速功能的驱动电路、电机控制信号输出接口电路和仪表盘显示数据输出接口电路分别与主控制芯片连接；电源输入及调理接口电路、电子油门信号输入接口电路、电子刹车信号输入接口电路以及转速、电压、电流、温度信号输入接口电路分别与外部电源、电子油门踏板、刹车踏板以及转速、电压、电流和温度的传感器相连接；通讯接口和仪表盘显示数据输出接口电路分别与车辆其他系统和仪表连接；具有电子差速功能的驱动电路和电机控制信号输出接口电路都与电机连接；

电机控制器通过电子油门信号输入接口电路获取电子油门0.8～4.2V的电压模拟信号；电机控制器通过转速、电压、电流、温度信号输入接口电路获取方向盘转角0～5V的电压模拟信号，电压模拟信号由主控制芯片转换为数字量信号，经主控制芯片内部运算单元电子差速控制算法运算；运算公式为ω_内＝ω_外＝(L/tanδ-D/2)/(L/tanδ+D/2)；其中，L为前后轮距，D为轴距，δ为转向角度，ω_内为内驱动轮转速，ω_外为外驱动轮转速；运算后，对左右轮驱动电机输出不同的PWM控制信号，该信号根据转角角度大小，结合车轴距、前后轮距计算，再通过电机控制器进行输出控制，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，实现两边车轮转速的差异。

优选地，电机控制器通过电压、电流、温度输入接口电路采集电压、电流、温度信息，送至主控制芯片，然后执行以下的荷电状态动态实时估算策略进行电量评估：

1)根据动力电池等效电路模型确定运算表达式

U_oc(k)＝EMF(SOC(k))-I_L(k)R_o-U_p(k)………………………………………….(1)

$U_p\left(k\right)=U_p(k-1)e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\τ}}}+I_L(k-1)R_o(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\τ}}})\mathrm{...}\left(2\right)$

$SOC\left(k\right)=SOC(k-1)+\frac{\mathrm{\η}\left(k\right)\mathrm{\Δ}t}{C_N}{I}_L\left(k\right)\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，U_oc(k)为k时刻的电池开路电压值，EMF(SOC(k))为k时刻的电池电动势，是SOC(k)的函数，I_L(k)为k时刻的负载电流值，R_o为电池的等效欧姆内阻，U_p(k)为k时刻电池的极化内阻电压，U_p(k-1)为k-1时刻电池的极化内阻电压，Δt为时间间隔，τ为时间常数，I_L(k-1)为k-1时刻的负载电流值，SOC(k)为k时刻的电池剩余电量值，SOC(k-1)为k-1时刻的电池剩余电量值，η(k)为k时刻的库伦效率，C_N为电池的额定容量值；

2)结合扩展卡尔曼滤波算法进行电池荷电状态估算

x_k＝f_k-1(x_k-1)+ω_k-1

z_k＝h_k(x_k)+ν_k……………………………………………………………………..(4)

其中x_k为k时刻的系统状态变量，f_k-1(x_k-1)为k-1时刻的系统非线性状态方程，在具体的实施过程中为(2)、(3)式相结合，ω_k-1为k-1时刻的系统过程噪声，z_k为k时刻的系统量测变量，h_k(x_k)为k时刻的系统非线性量测方程，为(1)式，ν_k为k时刻的系统量测噪声。

包含所述电机控制器的电动车辆动力系统，包括动力电池组、电机控制器、电机、转速传感器、电子仪表和电流传感器；电机控制器分别通过电机三相电源线、电机控制信号线与电机连接；电机控制器通过电机转速信号线与转速传感器连接；转速传感器与电机直接相连；电机控制器分别与锂离子动力电池组的正极和负极连接；电机控制器与电子仪表连接；电流传感器串联接入电机控制器和锂离子动力电池组的正极之间的线路中。

优选地，所述电机为交流电机、永磁同步电机或无刷直流电机；电机额定功率为300w至15Kw，额定电压为24V至96V。

本发明涉及的电机控制系统适用于采用电动机和锂离子动力电池、镍氢动力电池等高效、大容量二次电池驱动的电动车辆，主要包括电动摩托车、电动自行车、电动高尔夫球车、电动沙滩车、轻型电动汽车、AGV小车等电动车辆。

动力电池组电量评估，也称之为电池组荷电状态的估算。作为电动车辆主要或唯一动力来源，动力电池组的荷电状态信息，对于电动车辆安全行驶、动力电源保护、驾驶员行车参考都具有重大的意义。因此，在电动车辆运行时需要动态、实时的获取电动车辆动力电池组的荷电状态信息。对于采用锂离子电池的电动车辆，实时的获取其电池组的荷电状态信息尤为关键，但又极其困难。本电机控制器所具备的电动车辆荷电状态评估功能采用电流积分算法结合自适应闭环控制算法的方式对动力电池组荷电状态进行动态实时估算。由于电流信号量来自负载电流值，能够直接、准确的获取输入变量值。经过电流积分算法结合自适应闭环控制算法的动态实时估算，能够有效的控制累计误差，使估算结果更为精准、可靠。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明具有电子差速功能的驱动电路实现了电子差速功能，应该该电路，优化对电动车辆的运行控制，构成了管控一体化的电动车辆电机控制系统；

(2)本发明从驱动电机直接采集电流信号，采用电流积分算法对电池的荷电状态进行动态实时估算，并通过自适应闭环控制算法对计算结果进行修正和误差控制，克服现有计算方法误差较大，占用大量系统运算资源的缺点；

(3)本发明通过对荷电状态的评估，直接并准确的对输出进行控制，实现低电量告警、限流跛行，对车辆可能的运行状态进行预判，提高车辆运行可靠性，增加车辆行驶安全性，防止车辆运行事故，同时也可以对锂离子动力电池组进行有效的保护，延长其使用寿命。

附图说明

图1为电机控制器电子差速功能驱动电路原理图。

图2为电动车辆动力系统结构框图。

图3为电动车辆电机控制系统结构原理图。

图4为图2中的电机控制器电量评估过程工作流程框图。

图5为具备电子差速和电量评估功能的电机控制系统工作流程框图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图和实例对本发明作进一步描述，但本发明要求保护的范围并不限于实例表述的范围。

如图1所示，具有电子差速功能的驱动电路，按功能可以分为上端控制桥和下端控制桥；上端控制桥为PWM信号输入输出控制，下端控制桥为高低电平通断信号输入输出控制。上端控制桥电路由第一电阻22、第一三极管23、第二电阻24、第二三极管25、第一二极管26、第三电阻27、第四电阻28、第三三极管、第一MOS管30、第一电容31、第二电容32和第五电阻33；其中第一三极管23基极通过第一电阻22与主控制芯片连接，第一三极管23发射极通过第十电阻43与H控制端(主控制芯片中高电平输出引脚)连接，第一三极管23集电极通过第二电阻24与第二二极管44负极连接；第二三极管25基极与第一三极管23集电极直接连接，第二三极管25发射极分别与第二电容32、第二二极管44负极和第二电阻24直接连接，第二三极管25集电极分别与第一二极管26正极和第三电阻27直接连接；第三三极管29基极与第二三极管25集电极直接连接，第三三极管29集电极与第一MOS管30栅极直接连接、同时与第一电容31连接，第三三极管29发射极和第二电容32连接，第三三极管29基极通过第三电阻27与第三三极管29发射极连接；第一MOS管30栅极与第四电阻28连接，漏极与第三电源连接，源极与驱动电机连接同时通过第五电阻33接地。

下端控制桥电路主要由第二MOS管34、第三电容35、第四三极管36、第六电阻37、第七电阻38、第八电阻39、第五三极管40、第九电阻41、第六三极管42、第十电阻43和第二二极管44组成；其中第二MOS管34漏极与驱动电机连接，同时通过第五电阻33接地，源极直接接地，栅极与第三电容35、第四三极管36的集电极和第六电阻37连接；第四三极管36发射极直接接地，基极通过第七电阻38与L控制端(主控制芯片中低电平输出引脚)连接；第五三极管40基极与+5V电源直接连接，第五三极管40发射极通过第八电阻39和第七电阻38与第四三极管36基极连接，第五三极管40集电极与第六三极管42基极直接连接；第六三极管42集电极通过第六电阻37与第二MOS管34栅极连接，第六三极管42发射极分别与+15V电源、第二二极管44正极和第九电阻41连接；第九电阻41和第五三极管40集电极连接。

上端控制桥为PWM信号输入输出控制电路，当PWM输入信号是一个低电平信号，瞬间能够触发第一三极管23进入导通状态，第一三极管23导通后在+15V与WH控制端之间的第二电阻24两端将形成一个电压差，从而触发第二三极管25进入导通状态，第二三极管25导通后第二电容32将会进行放电操作，通过第一二极管26和第三电阻27拉升第一MOS管30的G管脚电压值，使第一MOS管30进入导通状态。当PWM输入信号为高电平时，使第一三极管23瞬间进入截止状态，第二电阻24两端不再形成电压差，第二三极管25则进入截止状态，第二电容32进入充电状态，第三三极管29进入导通状态。第一MOS管30的G管脚通过第三电阻27对地放电，使得第一MOS管30的G管脚电压降低，促使第一MOS管30进入截止状态。

下端控制桥为高低电平通断信号输入输出控制电路，当输入信号为低电平时，第五三极管40进入导通状态，第四三极管36进入截止状态，+15V与WL控制端之间的第九电阻41两端将形成一个电压差，使第六三极管42进入导通状态，+15V通过第六三极管42和第六电阻37拉升第二MOS管36的G管脚电压，使第二MOS管36进入导通状态。当输入信号为高电平时，第五三极管40进入截止状态，第四三极管36进入导通状态，第九电阻41两端不再形成电压差，使第六三极管42进入截止状态，第二MOS管36的G管脚通过第四三极管36对地进行放电，同时拉低第二MOS管36的G管脚电压，使第二MOS管36进入截止状态；通过利用PWM控制第二MOS管36的开启、关断时间，主要目的是实现车速控制。

如图2、3所示，具有电子差速功能的驱动电路应用于电动车辆动力系统中的电机控制器2，电机控制器2内设有主控制芯片13，具有电子差速功能的驱动电路左侧输入端与图3中主控制芯片13连接，右侧输出端与图2中电机3连接，控制电机转速。

如图2所示，电动车辆动力系统包括动力电池组1、电机控制器2、电机3、转速传感器4、电子仪表5和电流传感器6；电机控制器2分别通过电机三相电源线7、电机控制信号线9与电机3连接；电机控制器2通过电机转速信号线8与转速传感器4连接；转速传感器4与电机3直接相连，以获取电机的转速信息；电机控制器2分别与锂离子动力电池组1的正极10和负极11连接；电机控制器2与电流传感器6连接以获取用来计算动力电池剩余电量信息的电流原始数据；电机控制器2与电子仪表5连接用来实现状态输出显示；电流传感器6串联接入电机控制器2和锂离子动力电池组1的正极10之间的线路中；电机控制器2通过电机转速信号线8、电机控制信号线9获取电机2运行状态信息，通过电机控制器的中央处理单元的电子差速算法及电量评估策略计算需要的结果，再通过电机控制信号线9反馈给电机2并实现输出控制，驾驶员可以通过电子仪表5读取车辆及各控制系统状态信息。

动力电池组1由多个单体动力电池通过串联或者并联的方式所组成，动力电池的类型可选用锂离子动力电池。电机3可选用交流电机、永磁同步电机、无刷直流电机等各类电机，额定功率一般为0.3kw至15kw，额定电压一般为24V至144V，额定功率和额定电压根据不同驱动对象选定。

如图3所示，电动车辆电机控制系统结构原理图。电机控制器2包括主控制芯片13、电源输入及调理接口电路21、电子油门信号输入接口电路20、电子刹车信号输入接口电路19、转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18、通讯接口17、具有电子差速功能的驱动电路16、电机控制信号输出接口电路15和仪表盘显示数据输出接口电路14；电源输入及调理接口电路21、电子油门信号输入接口电路20、电子刹车信号输入接口电路19、转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18、通讯接口17、具有电子差速功能的驱动电路16、电机控制信号输出接口电路15和仪表盘显示数据输出接口电路14分别与主控制芯片13连接；优选地，主控制芯片13选用型号为STM8S105K4的嵌入式微处理器，主控制芯片13中增设了电子差速和电量评估功能算法软件。仪表盘显示数据输出接口电路14，电机控制信号输出接口电路15，通讯接口17，转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18，电子刹车信号输入接口电路19，电子油门信号输入接口电路20，电源输入及调理接口电路21可使用参考珠海英博尔电气有限公司电机控制器产品(型号MC3238)中相应的部件。电源输入及调理接口电路21连接外电源，电机控制器2输入端通过电源输入及调理接口电路21与外部电源相连接，通过电路板上的电源线与主处理器芯片及其他需要供电的电路连接，为电机控制器2正常工作提供电源保障；电子油门信号输入接口电路20与电子油门连接，电机控制器2输入端通过电子油门信号输入接口电路20与电子油门踏板相连，用于获取电子油门开度位置信号；电子刹车信号输入接口电路19与电子刹车踏板连接，电机控制器2输入端通过电子刹车信号输入接口电路19与电子刹车踏板相连，用于获取电子刹车开度位置信号；转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18与转速、电压、电流和温度的各类传感器连接；电机控制器2通过转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18与转速、电压、电流和温度的各类传感器相连，用于获取转速、电压、电流和温度状态信息。以上输入接口电路采集的驾驶员驾驶意图和车辆运行状态信息，通过数据线或SPI、I2C等片上总线送至主控制芯片13。通讯接口17和仪表盘显示数据输出接口电路14分别车辆其他系统和仪表连接；具有电子差速功能的驱动电路16和电机控制信号输出接口电路都与电机连接；锂离子动力电池组电量信息经过主控制芯片13荷电状态动态实时估算策略运算后通过仪表盘显示数据输出接口电路14输出至电子仪表5显示。电机控制器2通过通讯接口17与车辆其他系统进行数据交互，例如整车控制系统、电池管理系统。电子差速信息经过主控制芯片13内部电子差速控制算法运算后通过具有电子差速功能的驱动电路16输出至电机3执行。主控制芯片13通过电机控制信号输出接口电路15与电机连接。

电子差速器遵循“最小能耗原理”。当驾驶员进行转向操作时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象。此时，两个驱动轮就会产生两个方向相反的附加力，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了传动轴及左右半轴的平衡关系。为确保车辆行驶的安全、平顺性，需进行电子差速处理。

电机控制器2通过电子油门信号输入接口电路20获取电子油门0.8～4.2V的电压信号；电机控制器2通过转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18获取方向盘转角0～5V的电压信号，以上模拟信号由主控制芯片13的ADC转换为数字量，经主控制芯片13内部运算单元电子差速控制算法：ω_内＝ω_外＝(L/tanδ-D/2)/(L/tanδ+D/2)；

其中，L为前后轮距，D为轴距，δ为转向角度，ω_内为内驱动轮转速，ω_外为外驱动轮转速。

运算后，对左右轮驱动电机输出不同的PWM控制信号，该信号根据转角角度大小，结合车轴距、前后轮距计算，再通过电机控制器进行输出控制，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。

电子差速功能通过电机控制器输入接口电路采集到的各类信息，送至主控制芯片13，经过电子差速控制算法运算后转化为输出信号，经过电子差速输出接口电路16传送至执行器件。该具有电子差速功能的驱动电路16具备高效、可靠等优点。

该电机控制器还具备电量评估功能。电机控制器2通过电压、电流、温度输入接口电路18采集电压、电流、温度信息，送至主控制芯片13，然后执行以下的荷电状态动态实时估算策略：

1、根据动力电池等效电路模型确定运算表达式

U_oc(k)＝EMF(SOC(k))-I_L(k)R_o-U_p(k)…………………………………………….(1)

$U_p\left(k\right)=U_p(k-1)e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\τ}}}+I_L(k-1)R_o(1-e^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{\mathrm{\τ}}})\mathrm{...}\left(2\right)$

$SOC\left(k\right)=SOC(k-1)+\frac{\mathrm{\η}\left(k\right)\mathrm{\Δ}t}{C_N}{I}_L\left(k\right)\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，U_oc(k)为k时刻的电池开路电压值，EMF(SOC(k))为k时刻的电池电动势，是SOC(k)的函数，I_L(k)为k时刻的负载电流值，R_o为电池的等效欧姆内阻，U_p(k)为k时刻电池的极化内阻电压，U_p(k-1)为k-1时刻电池的极化内阻电压，Δt为时间间隔，τ为时间常数，I_L(k-1)为k-1时刻的负载电流值，SOC(k)为k时刻的电池剩余电量值，SOC(k-1)为k-1时刻的电池剩余电量值，η(k)为k时刻的库伦效率，C_N为电池的额定容量值。

2、结合扩展卡尔曼滤波算法进行电池荷电状态估算

x_k＝f_k-1(x_k-1)+ω_k-1

z_k＝h_k(x_k)+ν_k……………………………………………………………..(4)

其中x_k为k时刻的系统状态变量，f_k-1(x_k-1)为k-1时刻的系统非线性状态方程，在具体的实施过程中为(2)、(3)式相结合，ω_k-1为k-1时刻的系统过程噪声，z_k为k时刻的系统量测变量，h_k(x_k)为k时刻的系统非线性量测方程，在具体的实施过程中为(1)式，ν_k为k时刻的系统量测噪声。

如图4所示，电机控制器电量评估过程工作流程框图。动力电池荷电状态估算分为三个层次进行，输入、计算、输出。进入应用程序后，系统先进行自检，确定无错误后，从电机控制器2中的转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18中读取数据至主控制芯片13，结合前一节拍电量(SOCk‐1)信息；采用电流积分算法与扩展卡尔曼滤波算法(通用的算法)相结合的方式对动力电池组荷电状态进行动态实时估算；计算实时荷电状态SOCk，通过仪表盘显示数据输出接口电路14输出至电子仪表5，同时将当前荷电状态SOCk保存，作为下一节拍荷电状态估算的输入参数。当前荷电状态SOCk运算后转化为数字信息，作为车辆能量管理和安全保护的参考依据。当电量<30％时，主控制芯片13中运行的安全保护算法发出预警命令，经过仪表显示数据输出接口电路14输出至电子仪表5显示，供电动车辆驾驶员作为驾驶行为的依据；当电量<20％时，主控制芯片13中运行的安全保护算法发出限制车辆行驶命令，经过电机控制信号输出接口电路15，控制电机3执行；当电量<10％时，主控制芯片13中运行的安全保护算法发出强制停车命令，经过电机控制信号输出接口电路15，控制电机3执行。由于采用了闭环反馈控制的方式，有效的减少了累积误差，提高计算结果的精度。电量评估有利于提高车辆运行可靠性，增加车辆行驶安全性，防止车辆运行事故，同时也可以对锂离子动力电池组进行有效的保护，延长其使用寿命。

如图5所示，具备电子差速和电量评估功能的电动车辆电机控制系统工作流程图。当电动车辆上电启动后，电机控制器2软件进入该程序操作流程，首先进行上电自检，完成初始化硬件端口，扫描内外储存空间，转载中断向量等工作。如果其间产生错误，程序将自动跳转至错误处理程序进行处理。通过自检程序正常无误后，应用程序将进入正常控制部分，首先检测车辆各传感器信号，通过获取的状态信息再通过内部的运算机制，得到车辆的运行状态进行实时控制。当驾驶员没有转向操作时，电机控制器2进入正常行驶控制部分并动态实时计算动力电池组电量值通过电子仪表5输出显示。当驾驶员进行转向操作时，电机控制器2通过电子油门信号输入接口电路20获取0～5V的方向盘转角电压信号，由主控制芯片13的ADC转换为数字量；转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18获取0.8～4.2V的油门电压信号，由主控制芯片13的ADC转换为数字量，经主控制芯片13内部运算单元电子差速控制算法计算后，对左右轮驱动电机输出不同的PWM控制信号，该信号根据转角角度大小，结合车轴距、前后轮距计算，再通过电机控制器2电子差速功能驱动电路(图3所示)进行输出控制。最后程序将进行停车判断，如车辆处于行驶状态，程序将自动回到循环起点。

实施例1：应用于轻型电动汽车驱动控制系统

轻型电动汽车设计时速60km/h，采用额定功率7.5W的异步交流电机，动力电池组采用24只120AH的磷酸铁锂电池串联，额定电压72V。根据磷酸铁锂电池特性，电池高压保护电压(充电保护和能量回馈保护电压)设定为3.8V，低压保护电压设定为2.5V，低电量告警电压设定为2.8V。

如图2所示：轻型电动汽车动力系统包括动力电池组1、电机控制器2和电机3；电机控制器2分别通过电机三相电源线7、电机控制信号线9与电机3连接；电机控制器2通过电机转速信号线8与转速传感器4相连；电机控制器2分别于动锂离子动力电池组的正极10和锂离子动力电池组的负极11连接；电机控制器2电机转速信号线8、电机控制信号线9获取电机及车辆运行状态信息，通过电机控制器中央处理单元的电子差速算法及电量评估策略计算需要的结果再通过电机控制信号线9反馈给电机输出。

轻型电动汽车电机控制系统工作流程如下：当电动车辆上电启动后，软件进入该程序操作流程，首先进行上电自检，完成初始化硬件端口，扫描内外储存空间，转载中断向量等工作。如果其间产生错误，程序将自动跳转至错误处理程序进行处理。通过自检程序正常无误后，应用程序将进入正常控制部分，首先检测车辆各传感器信号，通过获取的状态信息再通过内部的运算机制，得到车辆的运行状态进行实时控制。当驾驶员没有转向操作时，电机控制器2进入正常行驶控制部分并动态实时计算动力电池组电量值输出显示。当驾驶员进行转向操作时，电机控制器2通过电子油门信号输入接口电路20获取方向盘转角信号，转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18获取油门信号，经主控制芯片13内部运算单元电子差速控制算法计算后，对左右轮驱动电机输出不同的PWM控制信号，该信号根据转角角度大小，结合车轴距、前后轮距计算，根据油门信号、电机内部转速信号来反馈辅助计算。再通过电机控制器2电子差速功能驱动电路3进行输出控制。最后程序将进行停车判断，如车辆处于行驶状态，程序将自动回到循环起点。

在轻型电动汽车运行过程中，动力电池组1通过电机控制器2为电机3供电，驱动轻型电动汽车前行。电机控制器2运行控制机制当车辆正常行驶时实行常规控制并动态实时计算动力电池组荷电状态；当车辆发生转向时，启动电子差速运算机制，电机控制器2通过方向盘转角传感器和霍尔感应器获取车辆运行状态信息，通过处理器中预先编制的电子差速算法进行运算，再通过驱动控制电路输出电机3执行，以实现电子差速和电量评估功能，具体控制方法如下：

1、当电动车辆正常行驶时，电机控制器2实行常规行驶控制，通过电流传感器6获取电流采样数据，通过转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18获取需要的各类状态信息，通过片上总线送至主控制芯片13，采用电流积分算法结合自适应闭环控制算法的方式对动力电池组荷电状态进行动态实时估算，随后通过仪表盘显示数据输出接口14输出至电子仪表5显示，也可通过通讯接口17与其他子控制系统进行数据交互。实时动态荷电状态估算能够对车辆可能的运行状态进行预判，提高车辆运行可靠性，增加车辆行驶安全性，防止车辆运行事故，同时也可以对锂离子动力电池组进行有效的保护，延长其使用寿命。

2、当电动车辆发生转向时，电机控制器2通过电子油门输入接口电路20获取0～5V的方向盘转角电压信号，由主控制芯片13的ADC转换为数字量；通过转速、电压、电流、温度信号输入接口电路18获取0.8～4.2V的油门电压信号，由主控制芯片13的ADC转换为数字量后作为主计算变量，结合转角角度大小，车轴距、前后轮距计算，油门信号、转速传感器4的反馈进行辅助计算。经主控制芯片13内部运算单元电子差速控制算法进行运算处理，ω_内＝ω_外＝(L/tanδ-D/2)/(L/tanδ+D/2)(其中，L为前后轮距，D为轴距，δ为转向角度，ω_内为内驱动轮转速，ω_外为外驱动轮转速)。最后由具有电子差速功能的驱动电路16输出控制信号，其中上端控制桥输出PWM控制信号、下端控制桥输出高低电平信号，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。电子差速控制算法和输出控制的应用，增加了系统的可靠性和车辆行驶的安全性。

Claims (10)

1.一种具有电子差速功能的驱动电路，其特征在于，包括上端控制桥电路和下端控制桥电路；所述上端控制桥电路主要由第一电阻、第一三极管、第二电阻、第二三极管、第一二极管、第三电阻、第四电阻、第三三极管、第一MOS管、第一电容、第二电容和第五电阻组成；其中第一三极管基极通过第一电阻与主控制芯片连接，第一三极管发射极通过第十电阻与外接芯片连接，第一三极管集电极通过第二电阻与第二二极管负极连接；第二三极管基极与第一三极管集电极直接连接，第二三极管发射极分别与第二电容、第二二极管负极和第二电阻直接连接，第二三极管集电极分别与第一二极管正极和第三电阻直接连接；第三三极管基极与第二三极管集电极直接连接，第三三极管集电极与第一MOS管栅极直接连接、同时与第一电容连接，第三三极管发射极和第二电容连接，第三三极管基极通过第三电阻与第三三极管发射极连接；第一MOS管栅极与第四电阻连接，漏极与第三电源连接，源极与驱动电机连接同时通过第五电阻接地；

所述下端控制桥电路主要由第二MOS管、第三电容、第四三极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第五三极管、第九电阻、第六三极管、第十电阻和第二二极管组成；其中第二MOS管漏极与驱动电机连接，同时通过第五电阻接地，源极直接接地，栅极与第三电容、第四三极管的集电极和第六电阻连接；第四三极管发射极直接接地，基极通过第七电阻与外接芯片连接；第五三极管基极与第一电源直接连接，第五三极管发射极通过第八电阻和第七电阻与第四三极管基极连接，第五三极管集电极与第六三极管基极直接连接；第六三极管集电极通过第六电阻与第二MOS管栅极连接，第六三极管发射极分别与第二电源、第二二极管正极和第九电阻连接；第九电阻和第五三极管集电极连接。

2.根据权利要求1所述的具有电子差速功能的驱动电路，其特征在于，所述第一三极管发射极通过第十电阻与外接芯片的高电平输出引脚连接。

3.根据权利要求1所述的具有电子差速功能的驱动电路，其特征在于，所述第四三极管基极通过第七电阻与外接芯片的低电平输出引脚连接。

4.根据权利要求1所述的具有电子差速功能的驱动电路，其特征在于，所述第一电源为+5V电源。

5.根据权利要求1所述的具有电子差速功能的驱动电路，其特征在于，所述第二电源为+10V电源。

6.包含权利要求1‐5任一项所述的驱动电路的电机控制器，其特征在于，该电机控制器的电源输入及调理接口电路、电子油门信号输入接口电路、电子刹车信号输入接口电路、转速、电压、电流、温度信号输入接口电路、通讯接口、具有电子差速功能的驱动电路、电机控制信号输出接口电路和仪表盘显示数据输出接口电路分别与主控制芯片连接；电源输入及调理接口电路、电子油门信号输入接口电路、电子刹车信号输入接口电路以及转速、电压、电流、温度信号输入接口电路分别与外部电源、电子油门踏板、刹车踏板以及转速、电压、电流和温度的传感器相连接；通讯接口和仪表盘显示数据输出接口电路分别与车辆其他系统和仪表连接；具有电子差速功能的驱动电路和电机控制信号输出接口电路都与电机连接；

电机控制器通过电子油门信号输入接口电路获取电子油门0.8～4.2V的电压模拟信号；电机控制器通过转速、电压、电流、温度信号输入接口电路获取方向盘转角0～5V的电压模拟信号，电压模拟信号由主控制芯片转换为数字量信号，经主控制芯片内部运算单元电子差速控制算法运算；运算公式为ω_内＝ω_外＝(L/tanδ-D/2)/(L/tanδ+D/2)；其中，L为前后轮距，D为轴距，δ为转向角度，ω_内为内驱动轮转速，ω_外为外驱动轮转速；运算后，对左右轮驱动电机输出不同的PWM控制信号，该信号根据转角角度大小，结合车轴距、前后轮距计算，再通过电机控制器进行输出控制，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，实现两边车轮转速的差异。

7.根据权利要求6所述的驱动电路的电机控制器，其特征在于，电机控制器通过电压、电流、温度输入接口电路采集电压、电流、温度信息，送至主控制芯片，然后执行以下的荷电状态动态实时估算策略进行电量评估：

1)根据动力电池等效电路模型确定运算表达式

U_oc(k)＝EMF(SOC(k))-I_L(k)R_o-U_p(k)………………………………………………………(1)

其中，U_oc(k)为k时刻的电池开路电压值，EMF(SOC(k))为k时刻的电池电动势，是SOC(k)的函数，I_L(k)为k时刻的负载电流值，R_o为电池的等效欧姆内阻，U_p(k)为k时刻电池的极化内阻电压，U_p(k-1)为k-1时刻电池的极化内阻电压，Δt为时间间隔，τ为时间常数，I_L(k-1)为k-1时刻的负载电流值，SOC(k)为k时刻的电池剩余电量值，SOC(k-1) 为k-1时刻的电池剩余电量值，η(k)为k时刻的库伦效率，C_N为电池的额定容量值；

2)结合扩展卡尔曼滤波算法进行电池荷电状态估算

x_k＝f_k-1(x_k-1)+ω_k-1

z_k＝h_k(x_k)+ν_k………………………………………………………………………………(4)

其中x_k为k时刻的系统状态变量，f_k-1(x_k-1)为k-1时刻的系统非线性状态方程，在具体的实施过程中为(2)、(3)式相结合，ω_k-1为k-1时刻的系统过程噪声，z_k为k时刻的系统量测变量，h_k(x_k)为k时刻的系统非线性量测方程，为(1)式，ν_k为k时刻的系统量测噪声。

8.包含权利要求6所述电机控制器的电动车辆动力系统，其特征在于，包括动力电池组、电机控制器、电机、转速传感器、电子仪表和电流传感器；电机控制器分别通过电机三相电源线、电机控制信号线与电机连接；电机控制器通过电机转速信号线与转速传感器连接；转速传感器与电机直接相连；电机控制器分别与锂离子动力电池组的正极和负极连接；电机控制器与电子仪表连接；电流传感器串联接入电机控制器和锂离子动力电池组的正极之间的线路中。

9.根据权利要求8所述的电动车辆动力系统，其特征在于，所述动力电池组的电池为锂离子动力电池或镍氢动力电池。

10.根据权利要求8所述的电动车辆动力系统，其特征在于，所述电机为交流电机、永磁同步电机或无刷直流电机；电机额定功率为300w‐15Kw，额定电压为24V‐96V。