CN107204138B - 一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置 - Google Patents

一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置，旨在将小型纯电动车改装为电动教练车。该装置包括变速操纵模拟器(1)、辅助制动器(2)、电位计式制动踏板位置传感器(3)、电子油门(4)、离合操纵模拟器(5)和信号采集模块(6)、电机转速传感器(7)、倾角传感器(8)，所述变速操纵模拟器(1)安装于原小型纯电动车选挡控制器处；所述辅助制动器(2)安装于副驾驶座位脚踏空间右侧；所述电子油门(4)为原小型纯电动车装置，包括加速踏板位置传感器(4‑1)和加速踏板(4‑2)；所述离合操纵模拟器(5)安装于驾驶员脚踏空间左侧；所述信号采集模块(6)输入端与相关传感器相连，输出端连接电机控制器(9)。

Description

一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置
技术领域
本发明属于纯电动车领域，涉及到驾校手动挡驾驶技能的培训，具体涉及一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置。
背景技术
教练车需要频繁启动及换挡，而且大部分时间处于低挡位、低转速工况下运行，导致传统燃油教练车高油耗、尾气排放严重，而纯电动车节能环保，而且能有效降低驾驶技能培训的成本，尤其随着国家对新能源汽车的大力补贴，以及纯电动车技术的不断发展，使得纯电动教练车的运行成本进一步降低，国内许多驾校培训机构呼吁发展电动教练车，现已有许多省市的驾校培训机构采用电动教练车。
目前，驾校培训行业中手动挡小型车驾驶技能培训占比很大，而电动教练车的研究主要集中于传统燃油教练车改电动教练车，以及基于油改电电动教练车模拟燃油教练车的控制两个方面，该种教练车保留离合器及多挡位变速器，结构复杂，对于教练车的操控特性模拟效果差，存在电池安全管理缺陷、续航里程低等问题，对于纯电动车改装为电动教练车方面研究较少，针对上述问题，提出一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置。
发明内容
本发明旨在提供一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置，以此与小型纯电动车的合理匹配替代手动挡燃油教练车，改装后的电动教练车无离合器和多挡位变速器，在原小型纯电动车基础上加装变速操纵模拟器、离合操纵模拟器、辅助制动器和信号采集模块。
一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置，包括变速操纵模拟器(1)、辅助制动器(2)、电位计式制动踏板位置传感器(3)、电子油门(4)、离合操纵模拟器(5)和信号采集模块(6)、电机转速传感器(7)、倾角传感器(8)；所述变速操纵模拟器(1)安装于原小型纯电动车选挡控制器处，并将原小型纯电动车的选挡控制器拆除；所述辅助制动器(2)安装于副驾驶座位脚踏空间右侧；所述电子油门(4)为原小型纯电动车装置，包括加速踏板位置传感器(4-1)和加速踏板(4-2)；所述离合操纵模拟器(5)如传统手动挡汽车一样安装于驾驶员脚踏空间左侧；所述信号采集模块(6)输入端与相关传感器相连，输出端与电机控制器(9)相连。
所述的变速操纵模拟器(1)包括挡位传感器(1-1)、挡位信号处理单元(1-2)和变速操纵机械模拟机构(1-3)，所有挡位传感器(1-1)与所述挡位信号处理单元(1-2)电路连接，挡位信号处理单元(1-2)与所述信号采集模块(6)电路连接；
所述挡位传感器(1-1)安装于变速操纵机械模拟机构(1-3)上，采集变速操纵机械模拟机构(1-3)的挡位信息，并由挡位信号处理单元(1-2)对挡位信息判断处理，确定所挂挡位；
所述的变速操纵机械模拟机构(1-3)，包括底座(1-3-1)、箱体(1-3-2)、阻力弹簧(1-3-3)、五挡与倒挡换挡轴(1-3-4)、三挡与四挡换挡轴(1-3-5)、一挡与二挡换挡轴(1-3-6)、五挡与倒挡换挡拨块(1-3-7)、三挡与四挡换挡拨块(1-3-8)、一挡与二挡换挡拨块(1-3-9)、传感器支座(1-3-10)、换挡轴(1-3-11)、换挡拨块(1-3-12)、变速操纵杆(1-3-13)、锥形弹簧(1-3-14)、变速操纵顶盖(1-3-15)及相关连接件，模拟手动挡变速器的变速操纵装置的换挡过程。
所述的辅助制动器(2)与制动踏板机械并联，制动踏板与电位计式制动踏板位置传感器(3)机械连接，制动踏板为原小型纯电动车的制动装置。
所述的离合操纵模拟器(5)包括踏板(5-1)、踏板臂(5-2)、轴销支座(5-3)、离合操纵模拟器位移传感器(5-4)、踏板力模拟弹簧(5-5)、离合操纵模拟器安装底座(5-6)；踏板(5-1)通过螺栓固装于踏板臂(5-2)上，踏板臂(5-2)上有三个轴孔，最下端轴孔通过轴销与轴销支座(5-3)间隙连接，中间轴孔连接离合操纵模拟器位移传感器(5-4)，最上端轴孔通过弹簧联接销与踏板力模拟弹簧(5-5)连接，踏板力模拟弹簧(5-5)另一端连接离合操纵模拟器安装底座(5-6)，轴销支座(5-3)、离合操纵模拟器位移传感器(5-4)分别通过螺栓固装于离合操纵模拟器安装底座(5-6)上，离合操纵模拟器安装底座(5-6)通过螺栓安装于驾驶员脚踏空间左侧；
所述离合操纵模拟器位移传感器(5-4)采用拉线式位移传感器，并与信号采集模块(6)电路相连，用于将表征驾驶员踩踏离合操纵模拟器踏板的行程和踏板运动速率的信息发送给信号采集模块。
所述踏板力模拟弹簧(5-5)，模拟通过离合器换挡踩踏踏板时的阻力，兼顾回位弹簧的功能。
所述的信号采集模块(6)具有六个输入通道，分别连接挡位传感器(1-1)、电位计式制动踏板位置传感器(3)、加速踏板位置传感器(4-1)、离合操纵模拟器踏板位置传感器(5-1)、电机转速传感器(7)、倾角传感器(8)，输出端与电机控制器(9)通过CAN总线连接，将从输入通道采集到的各个信号滤波、放大处理，并进行分析判断之后，发送给电机控制器(9)，进而控制电机(10)输出。
本发明的有益效果
(1)本发明提供一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置，加装了变速操纵模拟器、离合操纵模拟器，去掉离合器和多挡位变速器，简化电动教练车的传动系统，提高了续航里程，并保证操控性能与传统燃油手动挡教练车相同。
(2)本发明基于纯电动车改装为电动教练车，与将传统燃油教练车改装为电动教练车相比，基于纯电动车的改装保留原纯电车完善的电池管理系统，安全性能以及续航性能得到较大提高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明：
图1为基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置安装示意图；
图2为变速操纵模拟器结构示意图；
图3为离合操纵模拟器结构示意图；
图4为改装后的电动教练车电力驱动子系统示意图。
图1中：1.变速操纵模拟器，1-1.挡位传感器，1-2挡位信号处理单元，1-3.变速操纵机械模拟机构，2.辅助制动器，3.电位计式制动踏板位置传感器，4.电子油门，4-1加速踏板位置传感器，4-2.加速踏板，5.离合操纵模拟器。
图2中：1-3-1.底座，1-3-2.箱体，1-3-3.阻力弹簧，1-3-4.五挡与倒挡换挡轴，1-3-5.三挡与四挡换挡轴，1-3-6.一挡与二挡换挡轴，1-3-7.五挡与倒挡换挡拨块，1-3-8.三挡与四挡换挡拨块，1-3-9.一挡与二挡换挡拨块，1-3-10.传感器支座，1-3-11.换挡轴，1-3-12.换挡拨块，1-3-13.变速操纵杆，1-3-14.锥形弹簧，1-3-15.变速操纵顶盖。
图3中：5-1.踏板，5-2.踏板臂，5-3.轴销支座，5-4.离合操纵模拟器位移传感器，5-5.踏板力模拟弹簧，5-6.离合操纵模拟器安装底座。
具体实施方式
如图1～4所示，一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置包括变速操纵模拟器1、辅助制动器2、电位计式制动踏板位置传感器3、电子油门4、离合操纵模拟器5和信号采集模块6、电机转速传感器7、倾角传感器8；所述变速操纵模拟器1安装于原小型纯电动车选挡控制器处，并将原小型纯电动车的选挡控制器拆除；所述辅助制动器2安装于副驾驶座位脚踏空间右侧；所述电子油门4为原小型纯电动车装置，包括加速踏板位置传感器4-1和加速踏板4-2；所述离合操纵模拟器5如传统手动挡汽车一样安装于驾驶员脚踏空间左侧；所述信号采集模块6输入端与相关传感器相连，输出端与电机控制器相连。
所述的变速操纵模拟器1包括挡位传感器1-1、挡位信号处理单元1-2和变速操纵机械模拟机构1-3；所有挡位传感器1-1与所述挡位信号处理单元1-2电路连接，挡位信号处理单元1-2与所述信号采集模块6电路连接；
所述挡位传感器1-1安装于变速操纵机械模拟机构1-3上，采集变速操纵机械模拟机构1-3的挡位信息，并由挡位信号处理单元1-2对挡位信息判断处理，确定所挂挡位；
所述的变速操纵机械模拟机构1-3包括底座1-3-1、箱体1-3-2、阻力弹簧1-3-3、五挡与倒挡换挡轴1-3-4、三挡与四挡换挡轴1-3-5、一挡与二挡换挡轴1-3-6、五挡与倒挡换挡拨块1-3-7、三挡与四挡换挡拨块1-3-8、一挡与二挡换挡拨块1-3-9、传感器支座1-3-10、换挡轴1-3-11、换挡拨块1-3-12、变速操纵杆1-3-13、锥形弹簧1-3-14、变速操纵顶盖1-3-15及相关连接件，模拟手动挡变速器的变速操纵装置的换挡过程。
所述的辅助制动器2与制动踏板机械并联，制动踏板与电位计式制动踏板位置传感器3机械连接，制动踏板为原小型纯电动车的制动装置。
所述的离合操纵模拟器5包括踏板5-1、踏板臂5-2、轴销支座5-3、离合操纵模拟器位移传感器5-4、踏板力模拟弹簧5-5、离合操纵模拟器安装底座5-6；踏板5-1通过螺栓固装于踏板臂5-2上，踏板臂5-2上有三个轴孔，最下端轴孔通过轴销与轴销支座5-3间隙连接，中间轴孔连接离合操纵模拟器位移传感器5-4，最上端轴孔通过弹簧联接销与踏板力模拟弹簧5-5连接，踏板力模拟弹簧5-5另一端连接离合操纵模拟器安装底座5-6，轴销支座5-3、离合操纵模拟器位移传感器5-4分别通过螺栓固装于离合操纵模拟器安装底座5-6上，离合操纵模拟器安装底座5-6通过螺栓安装于驾驶员脚踏空间左侧；
所述离合操纵模拟器位移传感器5-4采用拉线式位移传感器，并与信号采集模块6电路相连，用于将表征驾驶员踩踏离合操纵模拟器踏板的行程和踏板运动速率的信息发送给信号采集模块。
所述踏板力模拟弹簧5-5，模拟通过离合器换挡踩踏踏板时的阻力，兼顾回位弹簧的功能。
所述的信号采集模块6具有六个输入通道，分别连接挡位传感器1-1、电位计式制动踏板位置传感器3、加速踏板位置传感器4-1、离合操纵模拟器位移传感器5-5、电机转速传感器7、倾角传感器8，输出端与电机控制器9通过CAN总线连接，将从输入通道采集到的各个信号滤波、放大处理，并进行分析判断之后，发送给电机控制器9，进而控制电机10输出。
所述的原小型纯电动车电力驱动子系统包括电机控制器9、电机10、固定速比变速器11、差速器12、驱动轴13以及车轮14。
一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置，与原小型纯电动车相比区别在于，在启动和换挡过程中，需要离合操纵模拟器踏板和变速操纵模拟器配合使用，具有以下六种工作模式。
(1)怠速模式
通过起动开关启动时，检测离合操纵模拟器踏板状态和挡位信息，仅当离合操纵模拟器踏板被完全踩下或者空挡时，电机控制器控制电机启动，当电机启动转速达到目标怠速转速时，电机控制器控制电机稳定运转，并保持怠速转速，否则控制电机停止运转。
(2)正常启动模式
电动教练车已经处于怠速模式下，检查制动踏板位置，若制动踏板被踩下，则采用坡起模式，否则进入正常启动模式。
在正常启动模式下，检测挡位信息与离合操纵模拟器踏板位置状态，若挡位为低挡位或倒挡，而且离合操纵模拟器踏板被完全踩下，电机控制器控制电机随着离合操纵模拟器踏板慢慢抬起而增大扭矩输出，使车辆起步，同时，若离合操纵模拟器踏板松的过快即踏板放松速率过大，则电机控制器停止驱动电机转动；若挡位为高挡位，或离合器未被完全踩下且已经挂挡，当离合操纵模拟器踏板松开时电机控制器停止驱动电机转动。
(3)换挡模式
在行驶过程换挡时，检测离合操纵模拟器踏板位置状态，若离合操纵模拟器踏板被完全踩下时，挡位升高或者降低，电机控制器随着离合操纵模拟器踏板慢慢抬起而输出对应挡位的转速和扭矩驱动信号；若离合操纵模拟器踏板未被踩下或未被完全踩下，挡位发生改变，则电机控制器停止驱动电机转动。同时，在换挡的过程中，若离合操纵模拟器踏板松的过快即离合操纵模拟器踏板放松速率过大，或者采集到当前转速与挡位不匹配，则电机控制器停止驱动电机转动。
所述的对应挡位的转速和扭矩，以及所述的转速与挡位匹配，是根据典型传统燃油教练车的驱动力与行驶阻力曲线进行的控制，对应挡位的转速和扭矩是典型传统燃油教练车驱动力曲线各个挡位所对应的转速范围和扭矩范围，转速与挡位匹配是传统燃油教练车各个换挡点所对应的转速范围。
(5)坡起模式
电动教练车已经处于怠速模式下，检查制动踏板位置，若制动踏板被踩下，则进入坡起模式。
在坡起模式下，检测挡位信息与离合操纵模拟器踏板位置状态，若挡位为低挡位，而且离合操纵模拟器踏板被完全踩下，电机控制器控制电机随着离合操纵模拟器踏板慢慢抬起而增大扭矩输出，当输出扭矩达到目标扭矩范围，制动踏板配合离合操纵模拟器踏板慢慢松开，使车辆起步，否则电机控制器停止驱动电机转动；若挡位为高挡位，或离合器未被完全踩下且已经挂挡，当离合操纵模拟器踏板松开时电机控制器停止驱动电机转动。同时，若离合操纵模拟器踏板或制动踏板松的过快即踏板放松速率过大，以及输出扭矩未在目标扭矩范围内，则电机控制器停止驱动电机转动。
所述目标扭矩范围，根据汽车行驶方程式计算得到，在计算过程中，不考虑空气阻力和加速阻力，计算公式为，
Ttq为目标扭矩，N·m；G为作用于汽车上的重力，N；f为滚动阻力系数；α为道路坡度角，°；r为滚动半径，m；i为主传动比；ηT为传动系效率。
(6)制动模式
在行驶过程中，检测到离合操纵模拟器踏板与制动踏板同时被踩下，控制电机降低扭矩输出，回收制动能，直至电动教练车停车，电机最终保持怠速转速；若检测到制动踏板被踩下，离合操纵模拟器踏板未被踩下或未被完全踩下，则电机控制器停止驱动电机转动。

Claims (2)

1.一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置，包括变速操纵模拟器(1)、辅助制动器(2)、电位计式制动踏板位置传感器(3)、电子油门(4)、离合操纵模拟器(5)和信号采集模块(6)、电机转速传感器(7)、倾角传感器(8)；其特征在于，所述变速操纵模拟器(1)安装于原小型纯电动车选挡控制器处，并将原小型纯电动车的选挡控制器拆除；所述辅助制动器(2)安装于副驾驶座位脚踏空间右侧；所述电子油门(4)为原小型纯电动车装置，包括加速踏板位置传感器(4-1)和加速踏板(4-2)；所述离合操纵模拟器(5)如传统手动挡汽车一样安装于驾驶员脚踏空间左侧；所述信号采集模块(6)输入端与相关传感器相连，输出端与电机控制器(9)相连；
所述的变速操纵模拟器(1)包括挡位传感器(1-1)、挡位信号处理单元(1-2)和变速操纵机械模拟机构(1-3)；所述挡位传感器(1-1)安装于变速操纵机械模拟机构(1-3)上，与所述挡位信号处理单元(1-2)电路连接，挡位信号处理单元(1-2)与所述信号采集模块(6)电路连接，挡位传感器(1-1)采集变速操纵机械模拟机构(1-3)的挡位信息，并由挡位信号处理单元(1-2)对挡位信息判断处理，确定所挂挡位；所述的变速操纵机械模拟机构(1-3)，包括底座(1-3-1)、箱体(1-3-2)、阻力弹簧(1-3-3)、五挡与倒挡换挡轴(1-3-4)、三挡与四挡换挡轴(1-3-5)、一挡与二挡换挡轴(1-3-6)、五挡与倒挡换挡拨块(1-3-7)、三挡与四挡换挡拨块(1-3-8)、一挡与二挡换挡拨块(1-3-9)、传感器支座(1-3-10)、换挡轴(1-3-11)、换挡拨块(1-3-12)、变速操纵杆(1-3-13)、锥形弹簧(1-3-14)、变速操纵顶盖(1-3-15)及相关连接件，模拟手动挡变速器的变速操纵装置的换挡过程；
所述的辅助制动器(2)与制动踏板机械并联，制动踏板与电位计式制动踏板位置传感器(3)机械连接，制动踏板为原小型纯电动车的制动装置；
所述的离合操纵模拟器(5)包括踏板(5-1)、踏板臂(5-2)、轴销支座(5-3)、离合操纵模拟器位移传感器(5-4)、踏板力模拟弹簧(5-5)、离合操纵模拟器安装底座(5-6)；踏板(5-1)通过螺栓固装于踏板臂(5-2)上，踏板臂(5-2)上有三个轴孔，最下端轴孔通过轴销与轴销支座(5-3)间隙连接，中间轴孔连接离合操纵模拟器位移传感器(5-4)，最上端轴孔通过弹簧联接销与踏板力模拟弹簧(5-5)连接，踏板力模拟弹簧(5-5)另一端连接在离合操纵模拟器安装底座(5-6)，轴销支座(5-3)、离合操纵模拟器位移传感器(5-4)分别通过螺栓固装于离合操纵模拟器安装底座(5-6)上，离合操纵模拟器安装底座(5-6)通过螺栓安装于驾驶员脚踏空间左侧；所述离合操纵模拟器位移传感器(5-4)采用拉线式位移传感器，并与信号采集模块(6)电路相连，用于将表征驾驶员踩踏离合操纵模拟器踏板的行程和踏板运动速率的信息发送给信号采集模块；所述踏板力模拟弹簧(5-5)，模拟通过离合器换挡踩踏踏板时的阻力，兼顾回位弹簧的功能；
所述的信号采集模块(6)具有六个输入通道，分别连接挡位传感器(1-1)、电位计式制动踏板位置传感器(3)、加速踏板位置传感器(4-1)、离合操纵模拟器踏板位置传感器(5-1)、电机转速传感器(7)、倾角传感器(8)；输出端与电机控制器(9)通过CAN总线连接，将从输入通道采集到的各个信号滤波、放大处理，并进行分析判断之后，发送给电机控制器(9)，进而控制电机(10)输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于小型纯电动车的电动教练车操控模拟装置，与原小型纯电动车相比区别在于，在启动和换挡过程中，需要离合操纵模拟器踏板和变速操纵模拟器配合使用，具有以下五种工作模式：
(1)怠速模式
通过起动开关启动时，检测离合操纵模拟器踏板状态和挡位信息，仅当离合操纵模拟器踏板被完全踩下或者空挡时，电机控制器控制电机启动，当电机启动转速达到目标怠速转速时，电机控制器控制电机稳定运转，并保持怠速转速，否则控制电机停止运转；
(2)正常启动模式
电动教练车已经处于怠速模式下，检查制动踏板位置，若制动踏板被踩下，则采用坡起模式，否则进入正常启动模式；
在正常启动模式下，检测挡位信息与离合操纵模拟器踏板位置状态，若挡位为低挡位或倒挡，而且离合操纵模拟器踏板被完全踩下，电机控制器控制电机随着离合操纵模拟器踏板慢慢抬起而增大扭矩输出，使车辆起步，同时，若离合操纵模拟器踏板松的过快即踏板放松速率过大，则电机控制器停止驱动电机转动；若挡位为高挡位，或离合器未被完全踩下且已经挂挡，当离合操纵模拟器踏板松开时电机控制器停止驱动电机转动；
(3)换挡模式
在行驶过程换挡时，检测离合操纵模拟器踏板位置状态，若离合操纵模拟器踏板被完全踩下时，挡位升高或者降低，电机控制器随着离合操纵模拟器踏板慢慢抬起而输出对应挡位的转速和扭矩驱动信号；若离合操纵模拟器踏板未被踩下或未被完全踩下，挡位发生改变，则电机控制器停止驱动电机转动；同时，在换挡的过程中，若离合操纵模拟器踏板松的过快即离合操纵模拟器踏板放松速率过大，或者采集到当前转速与挡位不匹配，则电机控制器停止驱动电机转动；
所述的对应挡位的转速和扭矩，以及所述的转速与挡位匹配，是根据典型传统燃油教练车的驱动力与行驶阻力曲线进行的控制，对应挡位的转速和扭矩是典型传统燃油教练车驱动力曲线各个挡位所对应的转速范围和扭矩范围，转速与挡位匹配是传统燃油教练车各个换挡点所对应的转速范围；
(4)坡起模式
电动教练车已经处于怠速模式下，检查制动踏板位置，若制动踏板被踩下，则进入坡起模式；
在坡起模式下，检测挡位信息与离合操纵模拟器踏板位置状态，若挡位为低挡位，而且离合操纵模拟器踏板被完全踩下，电机控制器控制电机随着离合操纵模拟器踏板慢慢抬起而增大扭矩输出，当输出扭矩达到目标扭矩范围，制动踏板配合离合操纵模拟器踏板慢慢松开，使车辆起步，否则电机控制器停止驱动电机转动；若挡位为高挡位，或离合器未被完全踩下且已经挂挡，当离合操纵模拟器踏板松开时电机控制器停止驱动电机转动；同时，若离合操纵模拟器踏板或制动踏板松的过快即踏板放松速率过大，以及输出扭矩未在目标扭矩范围内，则电机控制器停止驱动电机转动；
所述目标扭矩范围，根据汽车行驶方程式计算得到，在计算过程中，不考虑空气阻力和加速阻力，计算公式为，
Ttq为目标扭矩，N·m；G为作用于汽车上的重力，N；f为滚动阻力系数；α为道路坡度角，°；r为滚动半径，m；i为主传动比；ηT为传动系效率；
(5)制动模式
在行驶过程中，检测到离合操纵模拟器踏板与制动踏板同时被踩下，控制电机降低扭矩输出，回收制动能，直至电动教练车停车，电机最终保持怠速转速；若检测到制动踏板被踩下，离合操纵模拟器踏板未被踩下或未被完全踩下，则电机控制器停止驱动电机转动。
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